Что такое ЭДФА? Как работают усилители с эрбиевым-волокном, легированным эрбием

Что такое ЭДФА?

ЭДФА – этооптический усилительв котором используется участок волокна,-легированного эрбием, для усиления световых сигналов непосредственно в оптической области. Традиционные ретрансляторы требуют преобразования оптического-в-электрического-в-оптического (O-E-O) на каждом этапе; EDFA пропускает все это. Сигнал остается легким от начала до конца -, что сохраняет полосу пропускания, сокращает задержку и устраняет целый уровень сложности сети.

Он работает в диапазоне C- (1530–1565 нм) и L-диапазоне (1565–1625 нм), как раз в окнах передачи с наименьшими-потерями для кварцевого волокна. Это спектральное перекрытие не случайно, - именно по этой причине EDFA стал усилителем по умолчанию в-сетях дальней связи, а также по причине того, что системы WDM и DWDM работают так, как они работают. Один EDFA может одновременно усиливать десятки или даже сотни каналов длины волны, проходящих через одно волокно.

Проблема EDFA, которую она решает

Оптические сигналы теряют силу при прохождении по оптоволокну. Затухание, потери на сращивании, потери на разъемах - все это складывается. До EDFA единственным вариантом было разместить вдоль маршрута электронные регенераторы. Эти устройства преобразовывали свет в электричество, очищали сигнал,-повторно усиливали его и преобразовывали обратно в свет. Каждый регенератор был дорогим и специфичным для-формата: он мог обрабатывать только одну скорость передачи данных и одну схему модуляции. Если вы хотели масштабировать систему WDM, вам нужно было умножить регенераторы на количество каналов. Стоимость и сложность резко возросли.

Прорыв произошел в 1987 году, когда исследователи показали, чтоволокно, легированное-эрбиемможет усиливать сигналы вблизи 1550 нм посредством стимулированного излучения. Два года спустя появился первый диод-накачкиэрбиевый-усилитель из волокна, легированного эрбиембыл проверен в лаборатории, доказав, что эта концепция может работать в реальных сетях. То, что сделало это настолько важным, было не только само усиление -, но и то, что один EDFA мог одновременно усиливать все каналы длины волны в системе WDM. Нет регенерации по-каналу. Именно эта возможность сделала плотное мультиплексирование с разделением по длине волны-экономически жизнеспособным и сделала подводные кабели терабитного-масштаба доступными.

Как работает EDFA?

Основной механизм: стимулированное излучение

EDFA действует по тому же принципу, что и лазерное - стимулированное излучение -, за исключением того, что оно усиливает существующий свет, а не генерирует новый свет.

Мощный-лазер накачки (работающий на длине волны 980 или 1480 нм) вводит энергию в волокно,-легированное эрбием. Ионы эрбия (Er³⁺) поглощают эту энергию накачки и переходят из основного состояния в возбужденное. Как только будет возбуждено достаточное количество ионов, вы получите инверсную населенность: - больше ионов будет находиться в состоянии с высокой-энергией, чем в основном состоянии. Это необходимое условие для усиления.

Теперь в легированное волокно поступает слабый оптический сигнал около 1550 нм. Его фотоны ударяются о возбужденные ионы эрбия, и каждое взаимодействие заставляет ион вернуться в основное состояние, высвобождая при этом новый фотон. Этот новый фотон идентичен сигнальному фотону - той же длины волны, той же фазы и того же направления. Умножьте это на миллиарды взаимодействий по длине волокна, и сигнал на другом конце выйдет значительно сильнее.

Усиление по своей сути является широкополосным. Спектр усиления эрбия охватывает примерно 30–40 нм в полосе C-. Это не умный инженерный обходной путь -, он заложен в физике структуры энергетических уровней иона эрбия. Благодаря этому один EDFA может одновременно обрабатывать 40, 80 или даже 96 каналов DWDM.

Ключевые компоненты внутри EDFA

Работающий модуль EDFA — это нечто большее, чем просто кусок легированного волокна. Пять основных компонентов работают вместе:

Волокно, легированное эрбием- (EDF), является усиливающей средой. Длина волокна, концентрация эрбия и состав стекла влияют на характеристики усиления и шума. Лазер накачки подает энергию для возбуждения ионов эрбия -, его мощность и стабильность определяют коэффициент усиления и коэффициент шума EDFA. Соединитель WDM объединяет свет накачки и сигнальный свет, поэтому они распространяются через легированное волокно вместе. Оптические изоляторы на входе и выходе блокируют обратные-отражения, которые могут дестабилизировать усилитель или вызвать паразитную генерацию. А оптический фильтр удаляет-вне-полосный шум и усиливает спонтанное излучение (ASE), сохраняя выходной сигнал чистым.

Накачка 980 нм против 1480 нм - Почему многие EDFA используют оба варианта

Длина волны накачки — одно из важнейших конструктивных решений в EDFA, и эти два варианта подразумевают реальный компромисс -, а не просто разные характеристики в технических характеристиках.

Накачка с длиной волны 980 нм возбуждает ионы эрбия на высокий энергетический уровень (E3), которые затем быстро релаксируют на метастабильный уровень (E2) в результате безызлучательного процесса. Этот двухэтапный путь - обеспечивает очень чистую инверсию населенности и более низкий коэффициент шума - обычно на 1–2 дБ лучше, чем 1480 нм. Для предусилителей, где важна каждая доля дБ шума, длина волны 980 нм — это то, что вам нужно.

Накачка с длиной волны 1480 нм использует короткий путь: она возбуждает ионы эрбия непосредственно до метастабильного уровня (E2). Более энергоэффективный-эффективный, более высокая выходная мощность, но более шумный. Это делает его более подходящим для усилителей мощности, где чистая мощность имеет большее значение, чем шумовые характеристики.

Многие высокопроизводительные- EDFA не выбирают ни тот, ни другой - они используют оба. 980 нм насоса в прямом направлении, чтобы снизить уровень шума, и насосы с длиной волны 1480 нм в обратном направлении, чтобы увеличить выходную мощность. Эта гибридная конфигурация является стандартной для подводных и-наземных систем дальнего плавания, и не зря: вы получаете преимущество в шуме 980 нм и преимущество в мощности 1480 нм в одном устройстве.

Три типа EDFA и когда использовать каждый

Расположение EDFA в оптическом канале определяет все, как его следует спроектировать. Характеристики усилителя практически не имеют значения для предварительного усилителя, и наоборот.

Бустерный усилитель

Идет сразу за передатчиком. Его задача — максимально увеличить мощность сигнала до того, как свет попадет в оптоволоконный участок. В системах DWDM мультиплексор вносит вносимые потери, которые съедают стартовую мощность, а усилитель компенсирует это. Наиболее важной характеристикой здесь является насыщенная выходная мощность -, обычно 16–23 дБм. Коэффициент шума является вторичным, поскольку входной сигнал все еще сильный.

Входной-линейный усилитель

Они располагаются в промежуточных точках оптоволоконного маршрута, обычно каждые 80–100 км, компенсируя потери пролета и удерживая сигнал выше минимального уровня шума. Им нужен высокий коэффициент усиления (20–30 дБ) с приличными шумовыми характеристиками. Вот в чем особенность линейных усилителей: шум накапливается на каждом этапе. Когда вы рассчитываете баланс шума для цепочки из 10, 20 или 100 каскадно подключенных EDFA в подводном кабеле, вклад каждого усилителя имеет значение. Ошибка даже с небольшим отрывом может означать разницу между работающей ссылкой и той, которая не закрывается.

Предварительный-усилитель

Сидит прямо перед приемником. К этому моменту сигнал, возможно, преодолел сотни или тысячи километров и достиг очень низкой мощности -, иногда ниже -30 дБм. На этих уровнях рост шума ASE является наихудшим. Коэффициент шума — самый важный параметр предусилителя. Улучшение шума на 1 дБ здесь может напрямую привести к увеличению радиуса действия или повышению частоты битовых ошибок для всей линии связи.

Ключевые параметры производительности

Прирост

Измеряется в дБ. Прирост в 30 дБ означает, что выходной сигнал в 1000 раз сильнее входного. Некоторые конструкции EDFA могут превышать 50 дБ, хотя большинство коммерческих устройств работают в диапазоне 15–35 дБ. Усиление зависит от длины EDF, мощности накачки и уровня входного сигнала. Это не фиксированное число -, поскольку входная мощность увеличивается, усиление сжимается из-за насыщения. Это необходимо учитывать при расчете бюджета ссылок.

Коэффициент шума (NF)

Определяет, сколько дополнительного шума добавляет EDFA. Теоретический минимум составляет 3 дБ (квантовый предел для фазо-нечувствительного усилителя с высоким коэффициентом усиления), а коммерческие EDFA обычно достигают 5–7 дБ в условиях слабого-сигнала. Для пред-усилителей и каскадных-каналов дальней связи NF часто является первым оптимизируемым параметром, поскольку он напрямую устанавливает бюджет OSNR для всей системы.

Насыщенная выходная мощность

Максимальная выходная мощность, которую может обеспечить EDFA, когда входной сигнал достаточно силен (обычно больше или равен 0 дБм), чтобы привести его в состояние насыщения. Это основной номер усилителей мощности. Большая выходная мощность означает, что вы можете подать больше сигнала в оптоволокно, что обычно означает более длинные промежутки между узлами усилителя.

Получите плоскостность

В системе DWDM со многими каналами каждый канал в идеале получает одинаковое усиление. Спектр усиления эрбия не взаимодействует - некоторые длины волн естественным образом усиливаются больше, чем другие. Неравномерность усиления измеряет это изменение, обычно выражаемое в виде пикового---дБ в рабочем диапазоне.

Проблема становится очевидной при каскадном включении усилителей. Скажем, один канал получает на 0,5 дБ меньше усиления на усилитель. После десяти усилителей он на 5 дБ слабее. После двадцати он может полностью упасть ниже порога чувствительности приемника. Подводные кабельные системы и-наземные сети дальней связи решают эту проблему с помощью фильтров выравнивания усиления- (GFF), встроенных в модуль EDFA, или путем настройки концентрации алюминия в стекле EDF для улучшения присущей спектру усиления неравномерности.

EDFA против других оптических усилителей

EDFA против SOA (полупроводниковый оптический усилитель)

В SOA вместо легированного волокна используется полупроводниковая усиливающая среда. Он меньше, дешевле и может быть интегрирован в фотонные чипы -, что дает реальные преимущества для городских сетей, оптической коммутации и обработки сигналов. Но для передачи на большие-расстояния он не выдерживает. Максимальное усиление SOA составляет около 15–25 дБ (EDFA может превышать 50 дБ), его коэффициент шума составляет 7–12 дБ (по сравнению с 5–7 дБ у EDFA), он чувствителен к поляризации- и вводит перекрестные помехи между каналами WDM, которых EDFA просто не создает.

SOA имеет свое место. EDFA имеет свое место. Для магистрального транспорта DWDM выбор не близок.

EDFA против рамановского усилителя

Комбинационное усиление работает по совершенно другому механизму - вынужденного комбинационного рассеяния - и происходит внутри самого передающего волокна, а не в отдельном легированном волокне. Поскольку сигнал усиливается постепенно по всему диапазону, а не сразу, он никогда не падает так низко, как при усилении только EDFA-. В результате эффективный коэффициент шума может быть ниже.

Однако недостатки реальны. Рамановские усилители требуют высокой мощности накачки (часто более 500 мВт), обеспечивают скромное усиление (обычно 10–15 дБ) и усложняют развертывание. С другой стороны, они -гибкие по длине волны, поэтому EDFA не может соответствовать -, просто сдвигая длину волны накачки для усиления другого диапазона.

Эти две технологии на самом деле не являются конкурентами. В большинстве сверх-дальних-систем и подводных систем используются оба варианта: комбинационное рассеяние обеспечивает "минимальный уровень" распределенного усиления, который не позволяет сигналу слишком сильно погружаться в шум, а EDFA обеспечивает концентрированное усиление с высоким-усилением на каждом ретрансляторе. Этот гибридный подход стал стандартным способом максимально расширить возможности и возможности.

Где сегодня используется EDFA

Наземные-сети дальней связи

Именно здесь EDFA зарабатывает себе на жизнь. В магистральных сетях, охватывающих национальные или континентальные расстояния, EDFA используются каждые 80–100 км для борьбы с затуханием волокна. Одиночныйоптоволоконный усилительпередача 80+ каналов DWDM со скоростью 100G или 400G на канал зависит от цепочки этих усилителей, позволяющей поддерживать качество сигнала на протяжении тысяч километров. Уберите EDFA из поля зрения, и экономика высокопроизводительного наземного транспорта рухнет.

Подводные кабельные системы

Подводные кабели представляют собой самую суровую среду, с которой когда-либо сталкивалась система EDFA. Трансокеанский кабель может простираться более чем на 10 000 км, при этом на дне океана расположено более 100 ретрансляторов EDFA. Эти агрегаты должны работать непрерывно в течение 25 лет без доступа к техническому обслуживанию. Надежность – это не просто приятно,-когда-имеет - сбой на морском дне, что означает дорогостоящее посещение корабля. Эти EDFA работают с резервными лазерами накачки и консервативными эксплуатационными запасами, предназначенными, прежде всего, для максимального увеличения срока службы.

Соединение центров обработки данных (DCI)

Гипермасштабным центрам обработки данных необходимы каналы с высокой-пропускной способностью и низкой-задержкой между кампусами, и эти каналы часто простираются на десятки и сотни километров. EDFA обеспечивает когерентную передачу 400G и 800G на этих маршрутах DCI. Поскольку обучение искусственному интеллекту все чаще распределяется по нескольким учреждениям, этот сегмент быстро растет.

DWDM-системы

EDFA не просто стал совместимым с DWDM -, он в первую очередь сделал DWDM практичным. Усиление 40, 80 или 96 каналов одновременно в одном устройстве позволяет сетевым операторам масштабировать пропускную способность оптоволокна без масштабирования инфраструктуры с той же скоростью. Каждая работающая сегодня система DWDM имеет EDFA.

Распределительные сети кабельного телевидения

Сети кабельного телевидения используют EDFA в качестве усилителей мощности для усиления оптического сигнала от головной станции, передавая его более крупной абонентской базе в более широкой зоне покрытия. Высокая выходная мощность усилителя EDFA-типа хорошо подходит для этой модели широковещательного распространения.

Другие приложения

EDFA также появляется воптоволоконный усилительразвертывание в локальных сетях-на основе оптоволокна (компенсация потерь при распределении), военной и аэрокосмической связи (где надежность и экологическая устойчивость не-не подлежат обсуждению) и развивающихся сетях квантовой связи (где усиление слабых сигналов без электрического преобразования имеет особое значение).

Как правильно выбрать ЭДФА

Выбор подходящего EDFA начинается с понимания его роли в вашей сети. Усилитель, встроенный-усилитель и пред-усилитель имеют совершенно разные стеки приоритетов. - Покупка малошумящего устройства для усилителя означает трату денег на спецификацию, которая вам не поможет.

Сначала определите роль. Booster означает, что вы заботитесь о насыщенной выходной мощности. In-линия означает, что вы балансируете усиление и шум. Предварительный-усилитель означает, что коэффициент шума имеет решающее значение.

Подтвердите свой рабочий диапазон. Диапазон C- (1530–1565 нм), диапазон L- (1565–1625 нм) или оба. C+L EDFA существуют, но доступность и производительность зависят от поставщика.

Рассчитайте требования к усилению и мощности, исходя из бюджета потерь на участке. Для усилителя сосредоточьтесь на насыщенной выходной мощности. Для встроенного-усилителя убедитесь, что усиление с запасом покрывает потери диапазона. Для предусилителя-проверьте минимальную входную мощность, которую он может выдержать, сохраняя при этом приемлемый коэффициент шума.

Тщательно оцените коэффициент шума, если вы используете каскадирование. Меньший NF означает больший запас OSNR, что означает большую дальность действия или лучший BER. В цепочке усилителей даже 1 дБ улучшения шума происходит в каждом диапазоне.

Проверьте неравномерность усиления -, особенно для DWDM с большим количеством каналов. Чем больше EDFA в вашей цепочке, тем жестче должна быть эта спецификация. Система с 40 каналами предъявляет другие требования к равномерности, чем система с 80.

Учитывайте среду развертывания. Монтаж в стойке-в помещении, в шкафу на открытом воздухе и под водой — это три совершенно разных мира. Диапазон рабочих температур, устойчивость к влажности, устойчивость к механическим ударам, среднее время безотказной работы - — все эти параметры меняются в зависимости от того, где находится устройство. Подводные устройства EDFA по сути представляют собой другую категорию продуктов, чем устройства, монтируемые в стойку.