Šta je EDFA? Kako funkcionišu pojačivači vlakana dopiranih erbijem{0}}

Šta je EDFA?

EDFA je anoptičko pojačalokoji koristi dio vlakana dopiranog erbijem- za pojačavanje svjetlosnih signala direktno u optičkoj domeni. Tradicionalni repetitori zahtijevaju optičku-u-električnu-u-optičku (O-E-O) konverziju u svakoj fazi; EDFA sve to preskače. Signal ostaje lagan od početka do kraja - što čuva propusni opseg, smanjuje kašnjenje i uklanja čitav sloj složenosti mreže.

Radi u C-opsegu (1530–1565 nm) i L-opsegu (1565–1625 nm), upravo u najnižim-prozorima prijenosa od silicijum vlakana. To spektralno preklapanje nije slučajnost - to je razlog zašto je EDFA postao zadano pojačalo u dugotrajnim-mrežama, i razlog zašto WDM i DWDM sistemi rade na način na koji rade. Jedan EDFA može potaknuti desetine ili čak stotine kanala talasnih dužina koji putuju kroz jedno vlakno u isto vrijeme.

EDFA problem koji se rješava

Optički signali gube snagu dok putuju kroz vlakno. Slabljenje, gubici spoja, gubici konektora - sve se to zbraja. Prije EDFA, jedina opcija je bila postavljanje elektronskih regeneratora duž rute. Ovi uređaji su pretvarali svjetlost u električnu energiju, čistili signal, -pojačali ga i ponovo pretvarali u svjetlo. Svaki regenerator je bio skup i specifičan za format-: mogao je podnijeti samo jednu brzinu podataka i jednu modulacijsku šemu. Ako ste hteli da skalirate WDM sistem, morali ste da pomnožite regeneratore sa brojem kanala. Cijena i složenost su brutalno porasli.

Proboj je došao 1987. godine, kada su istraživači to pokazalierbijum{0}}dopirano vlaknomože pojačati signale blizu 1550 nm kroz stimulisanu emisiju. Dvije godine kasnije, prva dioda{2}}pumpaerbijum{0}}dopirano vlakno pojačaloje potvrđen u laboratoriji, dokazujući da koncept može raditi u stvarnim mrežama. Ono što je ovo učinilo tako značajnim nije samo samo pojačanje -, već to što jedan EDFA može istovremeno pojačati sve kanale talasne dužine u WDM sistemu. Nema regeneracije po-kanalu. Ta jedna sposobnost je ono što je učinilo multipleksiranje guste talasne dužine-dijeljenjem ekonomski održivim i stavilo podmorske kablove terabita-na dosegu.

Kako radi EDFA?

Osnovni mehanizam: stimulisana emisija

EDFA radi na istom principu kao laserska - stimulirana emisija - osim što pojačava postojeću svjetlost umjesto da stvara novu svjetlost.

Laser{0}}pumpa velike snage (koji radi na 980 nm ili 1480 nm) ubrizgava energiju u vlakno dopirano erbijem{3}}. Joni erbija (Er³⁺) apsorbuju ovu energiju pumpe i skaču iz svog osnovnog stanja u pobuđeno stanje. Jednom kada je dovoljno jona pobuđeno, dobijate inverziju populacije - više jona koji se nalaze u visoko-energetskom stanju nego u osnovnom stanju. To je preduslov da dođe do pojačanja.

Sada slab optički signal blizu 1550 nm ulazi u dopirano vlakno. Njegovi fotoni udaraju u pobuđene jone erbija, a svaka interakcija pokreće jon da se vrati u osnovno stanje, oslobađajući novi foton u procesu. Ovaj novi foton je identičan signalnom fotonu - iste talasne dužine, iste faze, istog smjera. Pomnožite to preko milijardi interakcija duž dužine vlakna i signal će na drugom kraju biti znatno jači.

Pojačanje je inherentno širokopojasno. Spektar pojačanja erbijuma se proteže otprilike 30-40 nm u C-opsegu. To nije pametno inženjersko rješenje - već je uklopljeno u fiziku strukture energetskog nivoa jona erbijuma. Zbog toga jedan EDFA može istovremeno upravljati sa 40, 80 ili čak 96 DWDM kanala.

Ključne komponente unutar EDFA

Radni EDFA modul ima više dešavanja nego samo komad dopiranog vlakna. Pet osnovnih komponenti rade zajedno:

Erbij{0}}dopirano vlakno (EDF) je medij za pojačanje. Dužina vlakana, koncentracija erbija i sastav stakla sve oblikuju karakteristike pojačanja i buke. Laser pumpe opskrbljuje energiju za pobuđivanje jona erbija - njegova snaga i stabilnost su ono što određuje pojačanje i šum EDFA-a. WDM spojnica spaja svjetlo pumpe i signalno svjetlo tako da se zajedno šire kroz dopirano vlakno. Optički izolatori na ulazu i izlazu blokiraju povratne-odraze koji bi mogli destabilizirati pojačalo ili pokrenuti parazitsko lasersko zračenje. A optički filter uklanja--šum u opsegu i pojačanu spontanu emisiju (ASE) kako bi izlaz bio čist.

980 nm vs 1480 nm Pumpanje - Zašto mnogi EDFA koriste oba

Talasna dužina pumpe je jedna od najvećih dizajnerskih odluka u EDFA, a dvije opcije uključuju pravi kompromis -, a ne samo različite specifikacije u tablici sa podacima.

Pumpanje od 980 nm pobuđuje jone erbijuma do visokog energetskog nivoa (E3), koji se zatim brzo opuštaju do metastabilnog nivoa (E2) kroz ne-radijativni proces. Taj put od dva-koraka proizvodi vrlo čistu inverziju populacije i nižu cifru šuma - tipično za 1-2 dB bolje od 1480 nm. Za pred{11}}pojačala gdje je svaki dio dB buke bitan, 980 nm je ono što želite.

Pumpanje od 1480 nm ima prečicu: pobuđuje jone erbija direktno do metastabilnog nivoa (E2). Energetski{3}}efikasniji, veća izlazna snaga, ali bučnija. To ga čini pogodnijim za pojačala pojačala gdje je sirova snaga važnija od performansi buke.

Mnogi EDFA-i visokih{0}}performansi ne biraju ni jednu ni drugu - već koriste obje. 980 nm pumpe u smjeru naprijed kako bi održale nisku razinu buke, 1480 nm pumpe u smjeru unazad kako bi povećale izlaznu snagu. Ova hibridna konfiguracija je standardna u podmorskim i dugolinijskim kopnenim sistemima, i to sa dobrim razlogom: dobijate prednost buke od 980 nm i snagu od 1480 nm u jednoj jedinici.

Tri vrste EDFA i kada ih koristiti

Gdje se EDFA nalazi u optičkoj vezi određuje sve o tome kako bi trebao biti dizajniran. Specifikacije koje su bitne za pojačivač su gotovo irelevantne za pred-pojačalo, i obrnuto.

Booster Amplifier

Ide odmah nakon predajnika. Njegov zadatak je da pojača snagu signala što je više moguće prije nego što svjetlost uđe u raspon vlakana. U DWDM sistemima, multipleksor uvodi gubitak umetanja koji jede snagu pokretanja, a pojačivač to kompenzuje. Specifikacija koja je ovdje najvažnija je zasićena izlazna snaga - tipično 16–23 dBm. Broj šuma je sekundarni jer je ulazni signal još uvijek jak.

U-linijsko pojačalo

Oni se nalaze na srednjim tačkama duž putanje vlakana, obično svakih 80-100 km, kompenzujući gubitak raspona i zadržavajući signal iznad nivoa buke. Potrebno im je veliko pojačanje (20–30 dB) sa pristojnim performansama buke. Evo što se tiče in-linijskih pojačala: šum se akumulira u svakoj fazi. Kada dizajnirate budžet za buku za lanac od 10, 20 ili 100 kaskadnih EDFA u podmorskom kablu, doprinos svakog pojačala je bitan. Ako ovo pogrešno shvatite čak i za malu marginu, to može značiti razliku između funkcionalne veze i one koja se ne zatvara.

Pred{0}}Pojačalo

Sjedi tačno ispred prijemnika. Do ovog trenutka, signal je možda prešao stotine ili hiljade kilometara i stigao do vrlo male snage - ponekad ispod -30 dBm. Na ovim nivoima, rast buke ASE je najgori. Broj šuma je najvažniji parametar za pretpojačalo. Poboljšanje NF-a od 1 dB ovdje se može direktno prevesti u prošireni doseg ili bolju stopu greške u bitovima za cijelu vezu.

Ključni parametri performansi

Dobitak

Izmjereno u dB. Pojačanje od 30 dB znači da je izlaz 1000 puta jači od ulaza. Neki EDFA dizajni mogu premašiti 50 dB, iako većina komercijalnih jedinica radi u rasponu od 15 do 35 dB. Pojačanje zavisi od dužine EDF-a, snage pumpe i nivoa ulaznog signala. To nije fiksni broj - kako se ulazna snaga povećava, pojačanje se komprimuje zbog zasićenja. Izračuni budžeta veza to moraju uzeti u obzir.

Noise Figure (NF)

Kvantifikuje koliko dodatne buke dodaje EDFA. Teoretski minimum je 3 dB (kvantna granica za fazno-neosjetljivo pojačalo pri velikom pojačanju), a komercijalni EDFA tipično postižu 5-7 dB u uslovima malog-signala. Za pred-pojačala i kaskadne duge-veze, NF je često prvi parametar koji optimizirate, jer direktno postavlja OSNR budžet za cijeli sistem.

Zasićena izlazna snaga

Maksimalna izlazna snaga koju EDFA može isporučiti kada je ulaz dovoljno jak (obično veći ili jednak 0 dBm) da ga dovede do zasićenja. Ovo je broj naslova za pojačala pojačala. Više izlazne snage znači da možete više pokrenuti u vlakno, što općenito znači duži raspon između mjesta pojačala.

Gain Flatness

U DWDM sistemu sa mnogo kanala, svaki kanal idealno dobija isto pojačanje. Spektar pojačanja erbija ne sarađuje - neke talasne dužine se prirodno pojačavaju više od drugih. Gain ravnomjernost mjeri tu varijaciju, koja se obično izražava kao vršni-do-vršni dB u cijelom radnom opsegu.

Problem postaje očigledan kada kaskadno postavite pojačala. Recimo da jedan kanal dobija 0,5 dB manje pojačanja po pojačalu. Nakon deset pojačala, slabiji je za 5 dB. Nakon dvadeset, može u potpunosti pasti ispod praga osjetljivosti prijemnika. Podmorski kablovski sistemi i zemaljske-mreže na daljinu rješavaju se ovim putem filtera-za izravnavanje pojačanja (GFF) ugrađenih u EDFA modul, ili podešavanjem koncentracije aluminijuma u EDF staklu kako bi se poboljšala inherentna ravnost spektra pojačanja.

EDFA u odnosu na druga optička pojačala

EDFA vs SOA (Poluvodičko optičko pojačalo)

SOA koristi poluprovodnički medij za pojačanje umjesto dopiranog vlakna. Manji je, jeftiniji i može se integrirati u fotonske čipove - stvarne prednosti za metro mreže, optičku komutaciju i obradu signala. Ali za-prenos na velike udaljenosti, ne izdrži. Pojačanje SOA-e dostiže oko 15–25 dB (EDFA može premašiti 50 dB), njegov šum je 7–12 dB (nasuprot EDFA 5–7 dB), osjetljiv je na polarizaciju{12}}i uvodi preslušavanje između WDM kanala koje EDFA jednostavno nema.

SOA ima svoje mjesto. EDFA ima svoje mjesto. Za glavni DWDM transport, izbor nije blizak.

EDFA vs Raman pojačalo

Ramanovo pojačanje radi kroz potpuno drugačiji mehanizam - stimulira Ramanovo raspršenje - i dešava se unutar samog prijenosnog vlakna, a ne u zasebnom dopiranom vlaknu. Budući da se signal postepeno pojačava duž raspona umjesto odjednom, nikada ne pada tako nisko kao što bi bio sa EDFA-samo pojačavanjem. Efektivna cifra buke može biti niža kao rezultat.

Nedostaci su ipak stvarni. Raman pojačala zahtijevaju veliku snagu pumpe (često preko 500 mW), daju skromno pojačanje (obično 10-15 dB) i dodaju složenost implementacije. S druge strane, oni su talasno-fleksibilni na način na koji EDFA ne može parirati - samo pomjerite talasnu dužinu pumpe da pojačate drugačiji opseg.

Ove dvije tehnologije zapravo nisu konkurenti. Većina ultra-dugih-sistema i podmorničkih sistema koriste i jedno i drugo: Raman pruža "pod" raspodijeljenog pojačanja koji sprječava da signal pada previše u šum, a EDFA isporučuje koncentrisano pojačanje visokog-pojačanja na svakom repetitoru. Ovaj hibridni pristup postao je standardni način da se i kapaciteti i dosežu do njihovih granica.

Gdje se EDFA danas koristi

Zemaljske{0}}mreže za velike udaljenosti

Ovo je mjesto gdje EDFA zarađuje. U glavnim mrežama koje se protežu na nacionalne ili kontinentalne udaljenosti, EDFA ulaze na svakih 80-100 km kako bi se borili protiv slabljenja vlakana. Samacoptičko pojačaloprenos 80+ DWDM kanala na 100G ili 400G po kanalu zavisi od lanca ovih pojačala za održavanje kvaliteta signala na hiljadama kilometara. Uklonite EDFA sa slike i ekonomija kopnenog transporta velikog{4}}kapaciteta propada.

Podmorski kablovski sistemi

Podmorski kablovi su najteže okruženje sa kojim će se EDFA ikada suočiti. Prekookeanski kabl se može protegnuti preko 10.000 km sa preko 100 EDFA repetitora koji se nalaze na dnu okeana. Ove jedinice moraju raditi neprekidno 25 godina bez pristupa održavanju. Pouzdanost nije samo lijepo--imati - kvar na morskom dnu znači skupu posjetu brodu. Ovi EDFA rade sa redundantnim laserima pumpe i konzervativnim radnim marginama dizajniranim da maksimiziraju životni vek iznad svega.

Povezivanje podatkovnih centara (DCI)

Hyperscale data centri trebaju veze velike-propusnosti i niske{1}}kašnje između kampusa, a te veze se često protežu na desetine do stotine kilometara. EDFA omogućava koherentan 400G i 800G prijenos na ovim DCI rutama. Sa AI obukom koja se sve više distribuira u više objekata, ovaj segment brzo raste.

DWDM Systems

EDFA nije samo postao kompatibilan sa DWDM -, već je DWDM uopće učinio praktičnim. Pojačavanje 40, 80 ili 96 kanala istovremeno u jednom uređaju je ono što omogućava mrežnim operaterima da skaliraju kapacitet vlakana bez skaliranja infrastrukture istom brzinom. Svaki DWDM sistem koji danas radi ima EDFA u sebi.

CATV distributivne mreže

Mreže kablovske televizije koriste EDFA kao pojačivače snage za pojačavanje optičkog signala iz glavnog uređaja, ističući ga na veću bazu pretplatnika na širem području pokrivenosti. Visoka izlazna snaga EDFA-tipa EDFA dobro se uklapa u ovaj model distribucije emitovanja.

Ostale aplikacije

EDFA se također pojavljujefiber amplifierimplementacije unutar LAN-a zasnovanih na vlaknima-(kompenzacija gubitaka u distribuciji), vojnih i zračnih komunikacija (gdje se o pouzdanosti i ekološkoj toleranciji ne može pregovarati-) i novih kvantnih komunikacijskih mreža (gdje pojačanje slabih signala bez električne konverzije ima posebnu vrijednost).

Kako odabrati pravi EDFA

Odabir pravog EDFA počinje s razumijevanjem njegove uloge u vašoj mreži. Booster, in{1}}line pojačalo i pred-pojačalo imaju potpuno različite prioritetne stekove - kupovina niskošumne-jedinice za pojačivačku aplikaciju gubi novac na specifikaciju koja vam ne pomaže.

Prvo definirajte ulogu. Booster znači da vam je stalo do zasićene izlazne snage. U-linija znači da balansirate pojačanje i šum. Pred{4}}pojačalo znači da je broj buke kralj.

Potvrdite svoj radni opseg. C-opseg (1530–1565 nm), L-opseg (1565–1625 nm) ili oboje. C+L EDFA postoje, ali dostupnost i performanse variraju od dobavljača.

Izračunajte potrebe za pojačanjem i snagom iz vašeg budžeta za gubitak raspona. Za pojačivač, fokusirajte se na zasićenu izlaznu snagu. Za in-linijsko pojačalo, pobrinite se da pojačanje pokriva gubitak raspona sa marginom. Za pred{4}}pojačalo, provjerite minimalnu ulaznu snagu koju može podnijeti dok još uvijek postiže prihvatljiv NF.

Pažljivo procijenite cifru buke ako radite kaskadno. Niži NF znači više OSNR margine, što znači duži doseg ili bolji BER. U lancu pojačala, čak 1 dB NF jedinjenja za poboljšanje u svakom rasponu.

Provjerite ravnomjernost pojačanja - posebno za DWDM sa velikim brojem kanala. Što je više EDFA u vašem lancu, to je stroža specifikacija. Sistem koji ima 40 kanala ima različite zahtjeve za ravnošću od sistema koji radi 80.

Faktor u okruženju implementacije. Unutarnji -držač, vanjski ormarić i podvodni prostor su tri vrlo različita svijeta. Raspon radne temperature, tolerancija vlage, ocjena mehaničkog udara, MTBF - sve se to pomjera u zavisnosti od toga gdje se jedinica kreće. Podmorski EDFA su u suštini druga kategorija proizvoda od jedinica za{5}}montažu u stalak.