Kaj je EDFA? Kako delujejo ojačevalniki vlaken, dopiranih-erbijem

Kaj je EDFA?

EDFA jeoptični ojačevalnikki uporablja odsek vlaken, dopiranih-erbijem, za ojačanje svetlobnih signalov neposredno v optični domeni. Tradicionalni repetitorji zahtevajo pretvorbo optičnega-v-električnega-v-optičnega (O-E-O) na vsaki stopnji; EDFA vse to preskoči. Signal ostane lahek od začetka do konca -, kar ohranja pasovno širino, zmanjša zakasnitev in odstrani celotno plast zapletenosti omrežja.

Deluje v C-pasu (1530–1565 nm) in L-pasu (1565–1625 nm), prav v oknih prenosa z najnižjimi-izgubami silicijevega vlakna. To spektralno prekrivanje ni naključje -, temveč je razlog, da je EDFA postal privzeti ojačevalnik v-omrežjih na dolge razdalje, in razlog, da sistemi WDM in DWDM delujejo tako, kot delujejo. En sam EDFA lahko poveča na desetine ali celo stotine kanalov valovnih dolžin, ki potujejo skozi eno vlakno hkrati.

Problem EDFA rešuje

Optični signali izgubijo moč, ko potujejo po vlaknu. Slabljenje, izgube pri spajanju, izgube konektorja - vse se sešteje. Pred EDFA je bila edina možnost postavitev elektronskih regeneratorjev ob trasi. Te naprave so pretvorile svetlobo v elektriko, očistile signal, ga ponovno-ojačale in pretvorile nazaj v svetlobo. Vsak regenerator je bil drag in-odvisen od formata: zmogel je le eno hitrost prenosa podatkov in eno modulacijsko shemo. Če ste želeli povečati sistem WDM, ste morali regeneratorje pomnožiti s številom kanalov. Stroški in kompleksnost so brutalno narasli.

Do preboja je prišlo leta 1987, ko so raziskovalci pokazali, davlakna,-dopirana z erbijemlahko s stimulirano emisijo ojača signale blizu 1550 nm. Dve leti pozneje je začela delovati-prva diodaerbijem{0}}ojačevalnik vlakenje bil potrjen v laboratoriju, kar dokazuje, da lahko koncept deluje v resničnih omrežjih. Kar je naredilo to tako pomembno, ni bilo samo ojačanje samo -, temveč to, da je en sam EDFA lahko ojačal vse kanale valovne dolžine v sistemu WDM hkrati. Brez regeneracije na-kanal. Ta ena zmožnost je tisto, kar je naredilo multipleksiranje z-deljenjem z gosto valovno dolžino ekonomsko upravičeno in postavilo podmorske kable-v terabitnem merilu na doseg.

Kako deluje EDFA?

Osnovni mehanizem: stimulirana emisija

EDFA deluje po enakem principu kot laserska - stimulirana emisija -, le da ojača obstoječo svetlobo, namesto da ustvari novo svetlobo.

Visok{0}}zmogljiv laser s črpalko (deluje pri 980 nm ali 1480 nm) vbrizga energijo v vlakna, dopirana z erbijem-. Erbijevi ioni (Er³⁺) absorbirajo to energijo črpalke in preskočijo iz osnovnega stanja v vzbujeno stanje. Ko je vzburjenih dovolj ionov, dobite populacijsko inverzijo - več ionov v visoko-energijskem stanju kot v osnovnem stanju. To je predpogoj, da pride do ojačanja.

Zdaj šibek optični signal blizu 1550 nm vstopi v dopirano vlakno. Njegovi fotoni zadenejo vzbujene erbijeve ione in vsaka interakcija sproži ion, da pade nazaj v osnovno stanje, pri čemer se sprosti nov foton. Ta novi foton je identičen signalnemu fotonu - iste valovne dolžine, iste faze, iste smeri. Če to pomnožimo z milijardami interakcij po dolžini vlakna, bo signal na drugem koncu bistveno močnejši.

Ojačitev je sama po sebi širokopasovna. Spekter ojačanja erbija obsega približno 30–40 nm v pasu C-. To ni pametna inženirska rešitev -, vpeta je v fiziko strukture energijske ravni erbijevega iona. En sam EDFA lahko zaradi tega hkrati obravnava 40, 80 ali celo 96 kanalov DWDM.

Ključne komponente znotraj EDFA

Delujoči modul EDFA se dogaja več kot le kos dopiranega vlakna. Pet osnovnih komponent deluje skupaj:

Vlakno, dopirano-erbijem (EDF) je ojačitveni medij. Dolžina vlaken, koncentracija erbija in sestava stekla oblikujejo lastnosti ojačanja in šuma. Laser črpalke dovaja energijo za vzbujanje erbijevih ionov - njegova moč in stabilnost določata ojačanje in šum EDFA. Spojka WDM združi svetlobo črpalke in signalno luč, tako da se skupaj širita skozi dopirano vlakno. Optični izolatorji na vhodu in izhodu blokirajo-odboje, ki bi lahko destabilizirali ojačevalnik ali sprožili parazitsko sevanje. In optični filter odstrani--pasovni šum in ojačano spontano oddajanje (ASE), da ostane izhod čist.

Črpanje 980 nm proti 1480 nm - Zakaj veliko EDFA uporablja oboje

Valovna dolžina črpalke je ena največjih oblikovalskih odločitev v EDFA in dve možnosti vključujeta pristen kompromis - ne le različnih specifikacij na podatkovnem listu.

Črpanje pri 980 nm vzbudi erbijeve ione na visoko energijsko raven (E3), ki se nato hitro sprostijo na metastabilno raven (E2) prek ne-sevalnega procesa. Ta dvo-stopenjska pot povzroči zelo čisto populacijsko inverzijo in nižjo vrednost hrupa -, ki je običajno 1–2 dB boljša od 1480 nm. Za pred{11}}ojačevalnike, pri katerih je pomemben vsak delček dB hrupa, je 980 nm tisto, kar želite.

Črpanje pri 1480 nm ubere bližnjico: vzbudi erbijeve ione neposredno na metastabilno raven (E2). Bolj energijsko-učinkovit, višja dosegljiva izhodna moč, a hrupnejši. Zaradi tega je bolj primeren za ojačevalnike, kjer je surova moč pomembnejša od hrupa.

Veliko visoko{0}}zmogljivih EDFA ne izbere enega ali drugega - uporabljajo obe. 980 nm črpalki v smeri naprej, da ohranijo nizek hrup, 1480 nm črpalke v smeri nazaj, da povečajo izhodno moč. Ta hibridna konfiguracija je standardna v podmorskih in-zemeljskih sistemih za dolge razdalje in z dobrim razlogom: v eni enoti dobite prednost hrupa 980 nm in moč 1480 nm.

Tri vrste EDFA in kdaj jih uporabiti

Mesto EDFA v optični povezavi določa vse o tem, kako naj bo zasnovan. Specifikacije, ki so pomembne za ojačevalnik, so skoraj nepomembne za pred-ojačevalnik in obratno.

Booster ojačevalnik

Gre takoj za oddajnikom. Njegova naloga je, da poveča moč signala čim višje, preden svetloba vstopi v razpon vlaken. V sistemih DWDM multiplekser povzroči vstavljeno izgubo, ki zmanjša moč zagona, ojačevalnik pa to kompenzira. Specifikacija, ki je tu najpomembnejša, je nasičena izhodna moč - običajno 16–23 dBm. Številka šuma je drugotnega pomena, ker je vhodni signal še vedno močan.

V-linijski ojačevalnik

Ti se nahajajo na vmesnih točkah vzdolž poti vlaken, običajno vsakih 80–100 km, s čimer kompenzirajo izgubo razpona in ohranjajo signal nad pragom šuma. Potrebujejo visoko ojačanje (20–30 dB) s spodobno zmogljivostjo hrupa. O v-linijskih ojačevalnikih je tako: hrup se kopiči na vsaki stopnji. Ko načrtujete proračun hrupa za verigo 10, 20 ali 100 kaskadnih EDFA v podmorskem kablu, je pomemben prispevek vsakega ojačevalnika. Če se to zmoti celo z majhno rezervo, lahko pomeni razliko med delujočo povezavo in tisto, ki se ne zapre.

Pred-ojačevalnik

Nahaja se tik pred sprejemnikom. Do te točke je morda signal prečkal na stotine ali tisoče kilometrov in dosegel zelo nizko moč - včasih pod -30 dBm. Na teh ravneh je rast šuma ASE najslabša. Šumna vrednost je najpomembnejši parameter za predojačevalnik. Izboljšanje NF za 1 dB tukaj se lahko neposredno prevede v razširjen doseg ali boljšo stopnjo bitnih napak za celotno povezavo.

Ključni parametri delovanja

Dobiček

Merjeno v dB. Povečanje 30 dB pomeni, da je izhod 1000-krat močnejši od vhoda. Nekateri modeli EDFA lahko presežejo 50 dB, čeprav večina komercialnih enot deluje v območju 15–35 dB. Dobiček je odvisen od dolžine EDF, moči črpalke in ravni vhodnega signala. To ni fiksno število -, ko se vhodna moč poveča, dobiček stisne zaradi nasičenosti. To je treba upoštevati pri izračunih proračuna povezave.

Šumna slika (NF)

Kvantificira količino dodatnega šuma, ki ga doda EDFA. Teoretični minimum je 3 dB (kvantna meja za fazno-neobčutljiv ojačevalnik pri visokem ojačenju), komercialni EDFA pa običajno dosežejo 5–7 dB v razmerah majhnega-signala. Za pred-ojačevalnike in kaskadne-povezave na dolge razdalje je NF pogosto prvi parameter, ki ga optimizirate, ker neposredno nastavi proračun OSNR za celoten sistem.

Nasičena izhodna moč

Največja izhodna moč, ki jo lahko zagotovi EDFA, ko je vhod dovolj močan (običajno večji ali enak 0 dBm), da ga požene v nasičenost. To je naslovna številka za pospeševalne ojačevalnike. Večja izhodna moč pomeni, da lahko izstrelite več v vlakno, kar na splošno pomeni daljše razpone med mesti ojačevalnika.

Pridobite ravnost

V sistemu DWDM z veliko kanali dobi vsak kanal idealno enako ojačenje. Erbijev spekter ojačanja ne sodeluje - nekatere valovne dolžine se naravno bolj ojačajo kot druge. Ravnost ojačanja meri to variacijo, običajno izraženo kot dB od vrha-do-vrha čez delovni pas.

Težava postane očitna, ko kaskadirate ojačevalnike. Recimo, da en kanal dobi 0,5 dB manj ojačanja na ojačevalnik. Po desetih ojačevalcih je 5 dB šibkejši. Po dvajsetih lahko popolnoma pade pod prag občutljivosti sprejemnika. Podmorski kabelski sistemi in-zemeljska omrežja na dolge razdalje to rešujejo s filtri-za izravnavo ojačanja (GFF), vgrajenimi v modul EDFA, ali z uravnavanjem koncentracije aluminija v steklu EDF za izboljšanje inherentne ravnosti spektra ojačanja.

EDFA proti drugim optičnim ojačevalnikom

EDFA proti SOA (polprevodniški optični ojačevalnik)

SOA uporablja polprevodniški ojačitveni medij namesto dopiranih vlaken. Je manjši, cenejši in ga je mogoče integrirati v fotonske čipe - prave prednosti za metro omrežja, optično preklapljanje in obdelavo signalov. Toda za-prenos na dolge razdalje ne zdrži. Ojačanje SOA znaša približno 15–25 dB (EDFA lahko preseže 50 dB), njegova vrednost šuma znaša 7–12 dB (v primerjavi s 5–7 dB pri EDFA), je-občutljiv na polarizacijo in uvaja preslušavanje med kanali WDM, ki ga EDFA preprosto ne.

SOA ima svoje mesto. EDFA ima svoje mesto. Za hrbtenični transport DWDM izbira ni blizu.

EDFA proti Ramanovemu ojačevalniku

Ramansko ojačanje deluje prek popolnoma drugačnega mehanizma - stimuliranega Ramanovega sipanja - in se zgodi znotraj samega prenosnega vlakna, ne v ločenem dopiranem vlaknu. Ker se signal ojača postopoma vzdolž razpona namesto vsega naenkrat, nikoli ne pade tako nizko, kot bi pri ojačanju samo z EDFA-. Posledično je lahko efektivna vrednost hrupa manjša.

Slabe strani pa so resnične. Ramanski ojačevalniki zahtevajo visoko moč črpalke (pogosto več kot 500 mW), zagotavljajo skromno ojačanje (običajno 10–15 dB) in dodajajo kompleksnost uvajanja. Po drugi strani pa so-prilagodljivi glede valovne dolžine na način, ki se EDFA ne more kosati - samo premaknite valovno dolžino črpalke, da ojačate drug pas.

Ti dve tehnologiji si v resnici nista konkurenčni. Večina ultra{1}}dolg-sistemov in podmorskih sistemov uporablja oboje: Raman zagotavlja porazdeljeno ojačanje "tla", ki preprečuje, da bi signal padel predaleč v šum, EDFA pa zagotavlja visoko-ojačenje koncentriranega ojačanja na vsakem repetitorju. Ta hibridni pristop je postal standardni način za doseganje meja zmogljivosti in dosega.

Kje se danes uporablja EDFA

Prizemna-omrežja za dolge razdalje

Tukaj si EDFA služi. V hrbteničnih omrežjih, ki obsegajo nacionalne ali celinske razdalje, se EDFA-ji vključijo vsakih 80–100 km za boj proti slabljenju vlaken. En samojačevalnik z optičnimi vlakniprenos 80+ kanalov DWDM pri 100G ali 400G na kanal je odvisen od verige teh ojačevalnikov za vzdrževanje kakovosti signala na tisoče kilometrov. Odstranite EDFA in ekonomija-zemeljskega prometa z visoko zmogljivostjo bo propadla.

Podmorski kabelski sistemi

Podmorski kabli so najtežje okolje, s katerim se bo EDFA kdaj srečala. Čezoceanski kabel se lahko razteza čez 10.000 km z več kot 100 repetitorji EDFA, ki ležijo na dnu oceana. Te enote morajo delovati neprekinjeno 25 let brez vzdrževanja. Zanesljivost ni le lepo--imati - okvara na morskem dnu pomeni drag obisk ladje. Ti EDFA-ji delujejo z laserji z redundantno črpalko in konzervativnimi delovnimi maržami, ki so zasnovane predvsem za maksimalno podaljšanje življenjske dobe.

Povezava podatkovnega centra (DCI)

Podatkovni centri v hiperrazsežnosti potrebujejo visoko{0}}pasovno širino in nizko-zakasnitev med kampusi, te povezave pa se pogosto raztezajo na desetine do stotine kilometrov. EDFA omogoča koherenten prenos 400G in 800G na teh poteh DCI. Ker je usposabljanje z umetno inteligenco vedno bolj porazdeljeno po več objektih, ta segment hitro raste.

sistemi DWDM

EDFA ni samo postal združljiv z DWDM - DWDM je postal praktičen. Hkratno ojačanje 40, 80 ali 96 kanalov v eni napravi je tisto, kar omrežnim operaterjem omogoča povečanje zmogljivosti optičnih vlaken brez prilagajanja infrastrukture z enako hitrostjo. Vsak sistem DWDM, ki deluje danes, ima v sebi EDFA.

CATV distribucijska omrežja

Omrežja kabelske televizije uporabljajo EDFA kot ojačevalnike moči za povečanje optičnega signala iz glavne enote in ga potisnejo k večji bazi naročnikov v širšem območju pokritosti. Visoka izhodna moč ojačevalnih-vrst EDFA dobro ustreza temu modelu distribucije oddajanja.

Druge aplikacije

EDFA se pojavi tudi vojačevalnik vlakenuvedbe v optičnih-omrežjih LAN (ki kompenzirajo distribucijske izgube), vojaških in vesoljskih komunikacijah (kjer se o zanesljivosti in okoljski toleranci -ne da pogajati) in nastajajočih kvantnih komunikacijskih omrežjih (kjer ima ojačanje šibkih signalov brez električne pretvorbe posebno vrednost).

Kako izbrati pravo EDFA

Izbira pravega EDFA se začne z razumevanjem njegove vloge v vašem omrežju. Ojačevalnik, linijski-ojačevalnik in pred-ojačevalnik imajo povsem različne prednostne nize - nakup enote z nizkim-šumom za ojačevalnik pomeni zapravljanje denarja za specifikacijo, ki vam ne pomaga.

Najprej določite vlogo. Booster pomeni, da vam je mar za nasičeno izhodno moč. In-line pomeni, da uravnavate ojačanje in šum. Pred-ojačevalnik pomeni, da je hrup glavni.

Potrdite svoj delovni pas. C-pas (1530–1565 nm), L-pas (1565–1625 nm) ali oba. C+L EDFA obstajajo, vendar se razpoložljivost in zmogljivost razlikujeta glede na prodajalca.

Izračunajte zahteve po pridobitvi in ​​moči iz vašega proračuna za izgube razpona. Za ojačevalnik se osredotočite na nasičeno izhodno moč. Pri linijskem-ojačevalniku se prepričajte, da ojačanje z rezervo pokriva izgubo razpona. Za pred-ojačevalnik preverite najmanjšo vhodno moč, ki jo lahko prenese, medtem ko še vedno dosega sprejemljivo NF.

Če kaskadno napajate, natančno ocenite stopnjo hrupa. Nižji NF pomeni večjo mejo OSNR, kar pomeni daljši doseg ali boljši BER. V verigi ojačevalnikov se celo 1 dB izboljšave NF združi v vsakem razponu.

Preverite enakomernost ojačanja -, zlasti za DWDM z velikim številom kanalov. Več kot je EDFA v vaši verigi, bolj tesna mora biti ta specifikacija. Sistem, ki poganja 40 kanalov, ima drugačne zahteve glede ravnosti kot tisti, ki poganja 80.

Upoštevajte okolje uvajanja. Notranja omarica-, zunanja omara in podmorje so trije zelo različni svetovi. Delovno temperaturno območje, toleranca na vlago, stopnja mehanskih udarcev, MTBF - vse to se spreminja glede na to, kam gre enota. Podvodni EDFA so v bistvu drugačna kategorija izdelkov od enot za vgradnjo v stojalo-.