Ce este EDFA? Cum funcționează amplificatoarele cu fibre dopate cu erbiu-

Ce este EDFA?

EDFA este unamplificator opticcare utilizează o secțiune de fibră-dopată cu erbiu pentru a amplifica semnalele luminoase direct în domeniul optic. Repetoarele tradiționale necesită conversie optică-în-electrică-în-optică (O-E{-O) în fiecare etapă; EDFA omite toate acestea. Semnalul rămâne la fel de ușor de la început până la sfârșit -, ceea ce păstrează lățimea de bandă, reduce latența și elimină un întreg strat de complexitate a rețelei.

Funcționează în banda C-(1530–1565 nm) și L-(1565–1625 nm), chiar în ferestrele de transmisie cu cea mai mică-pierdere a fibrei de siliciu. Această suprapunere spectrală nu este o coincidență - este motivul pentru care EDFA a devenit amplificatorul implicit în rețelele-de lungă distanță și motivul pentru care sistemele WDM și DWDM funcționează așa cum funcționează. Un singur EDFA poate stimula zeci sau chiar sute de canale cu lungime de undă care călătoresc printr-o fibră în același timp.

Problema EDFA pe care o rezolvă

Semnalele optice își pierd puterea pe măsură ce călătoresc prin fibră. Atenuare, pierderi de îmbinare, pierderi de conector - totul se adună. Înainte de EDFA, singura variantă era amplasarea de regeneratoare electronice de-a lungul traseului. Aceste dispozitive au transformat lumina în electricitate, au curățat semnalul, l-au re-amplificat și l-au convertit înapoi în lumină. Fiecare regenerator era costisitor și specific-formatului: putea gestiona o singură rată de date și o singură schemă de modulație. Dacă doreai să scalați un sistem WDM, trebuia să înmulți regeneratoarele cu numărul de canale. Costul și complexitatea au crescut brutal.

Descoperirea a avut loc în 1987, când cercetătorii au arătat astafibră-dopată cu erbiuar putea amplifica semnale aproape de 1550 nm prin emisie stimulată. Doi ani mai târziu, prima diodă-a pompatamplificator cu fibră dopată-erbiua fost validat într-un laborator, dovedind că conceptul ar putea funcționa în rețele reale. Ceea ce a făcut acest lucru atât de semnificativ nu a fost doar amplificarea în sine -, ci și faptul că un singur EDFA ar putea amplifica simultan toate canalele de lungime de undă dintr-un sistem WDM. Fără regenerare pe-canal. Această singură capacitate este cea care a făcut ca multiplexarea cu lungime de undă densă-divizată să fie viabilă din punct de vedere economic și a pus la îndemână cablurile submarine la scară terabit-.

Cum funcționează EDFA?

Mecanismul de bază: Emisia stimulată

EDFA funcționează pe același principiu ca o emisie stimulată cu laser - -, cu excepția faptului că amplifică lumina existentă în loc să genereze lumină nouă.

Un laser cu pompă-de mare putere (care funcționează la 980 nm sau 1480 nm) injectează energie în fibra-dopată cu erbiu. Ionii de erbiu (Er³⁺) absorb această energie de pompă și trec din starea lor fundamentală la starea excitată. Odată ce sunt excitați suficienți ioni, obțineți inversarea populației cu - mai mulți ioni aflați în starea de-înaltă energie decât în ​​starea fundamentală. Aceasta este condiția prealabilă pentru ca amplificarea să aibă loc.

Acum un semnal optic slab aproape de 1550 nm intră în fibra dopată. Fotonii săi lovesc ionii de erbiu excitați și fiecare interacțiune declanșează ca un ion să cadă înapoi la starea fundamentală, eliberând un nou foton în acest proces. Acest nou foton este identic cu fotonul semnal - aceeași lungime de undă, aceeași fază, aceeași direcție. Înmulțiți asta în miliarde de interacțiuni de-a lungul lungimii fibrei, iar semnalul iese la celălalt capăt semnificativ mai puternic.

Amplificarea este în mod inerent în bandă largă. Spectrul de câștig de erbiu se întinde pe aproximativ 30–40 nm în banda C-. Aceasta nu este o soluție de inginerie inteligentă -, ci este inclusă în fizica structurii nivelului de energie a ionului de erbiu. Din acest motiv, un singur EDFA poate gestiona 40, 80 sau chiar 96 de canale DWDM simultan.

Componente cheie în cadrul unui EDFA

Un modul EDFA funcțional are mai multe lucruri de făcut decât doar o bucată de fibră dopată. Cinci componente de bază lucrează împreună:

Fibra dopată cu erbiu-(EDF) este mediul de câștig. Lungimea fibrei, concentrația de erbiu și compoziția sticlei, toate modelează caracteristicile de câștig și zgomot. Pompa laser furnizează energia pentru a excita ionii de erbiu - puterea și stabilitatea acestuia sunt cele care determină câștigul și zgomotul EDFA. Un cuplaj WDM unește lumina pompei și lumina de semnal, astfel încât acestea să se propagă prin fibra dopată împreună. Izolatoarele optice la intrare și la ieșire blochează reflexiile înapoi-care ar putea destabiliza amplificatorul sau declanșa laser parazit. Și un filtru optic elimină-de-zgomotul din bandă și emisia spontană amplificată (ASE) pentru a menține ieșirea curată.

Pompare 980 nm vs 1480 nm - De ce multe EDFA le folosesc pe ambele

Lungimea de undă a pompei este una dintre cele mai mari decizii de proiectare într-un EDFA, iar cele două opțiuni implică un compromis real - nu doar specificații diferite pe o fișă de date.

Pomparea la 980 nm excită ionii de erbiu la un nivel de energie ridicat (E3), care apoi se relaxează rapid la nivelul metastabil (E2) printr-un proces non-radiativ. Acea cale în doi-pași produce o inversare a populației foarte curată și o cifră de zgomot mai mică -, de obicei, cu 1–2 dB mai bună decât 1480 nm. Pentru pre-amplificatoarele în care fiecare fracțiune de dB în zgomot contează, 980 nm este ceea ce doriți.

Pomparea la 1480 nm necesită o scurtătură: excită ionii de erbiu direct la nivelul metastabil (E2). Mai eficient-energetic, putere de ieșire mai mare, dar mai zgomotoasă. Acest lucru îl face să fie mai potrivit pentru amplificatoarele de amplificare, unde puterea brută contează mai mult decât performanța de zgomot.

Multe-EDFA-uri de înaltă performanță nu aleg una sau alta - folosesc ambele pompe. 980 nm în direcția înainte pentru a menține zgomotul scăzut, pompe de 1480 nm în direcția înapoi pentru a crește puterea de ieșire. Această configurație hibridă este standard în sistemele submarine și-terestre pe distanțe lungi și pentru un motiv întemeiat: beneficiezi de zgomot de 980 nm și de putere de 1480 nm într-o singură unitate.

Trei tipuri de EDFA și când să utilizați fiecare

Acolo unde se află un EDFA în legătura optică determină totul despre modul în care ar trebui să fie proiectat. Specificațiile care contează pentru un amplificator sunt aproape irelevante pentru un pre-amplificator și invers.

Amplificator Booster

Merge imediat după transmițător. Sarcina sa este de a împinge puterea semnalului cât mai mare posibil înainte ca lumina să intre în intervalul de fibre. În sistemele DWDM, multiplexorul introduce pierderi de inserție care consumă puterea de lansare, iar amplificatorul compensează acest lucru. Specificația care contează cel mai mult aici este puterea saturată de ieșire -, de obicei 16–23 dBm. Cifra de zgomot este secundară deoarece semnalul de intrare este încă puternic.

Amplificator în-linie

Acestea se află în puncte intermediare de-a lungul traseului fibrei, de obicei la fiecare 80–100 km, compensând pierderea de deschidere și menținând semnalul deasupra nivelului de zgomot. Au nevoie de un câștig mare (20–30 dB) cu performanțe decente la zgomot. Iată treaba cu-amplificatoarele în linie: zgomotul se acumulează în fiecare etapă. Când proiectați bugetul de zgomot pentru un lanț de 10, 20 sau 100 de EDFA în cascadă într-un cablu submarin, contribuția fiecărui amplificator contează. A greși acest lucru chiar și cu o marjă mică poate însemna diferența dintre o legătură funcțională și una care nu se închide.

Pre-amplificator

Se așează chiar în fața receptorului. Până în acest moment, este posibil ca semnalul să fi traversat sute sau mii de kilometri și să fi ajuns la o putere foarte mică - uneori sub -30 dBm. La aceste niveluri, creșterea zgomotului ASE este cel mai rău. Cifra de zgomot este cel mai important parametru pentru un preamplificator. O îmbunătățire de 1 dB a NF aici se poate traduce direct într-o acoperire extinsă sau o rată de eroare de biți mai bună pentru întreaga legătură.

Parametri cheie de performanță

Câştig

Măsurată în dB. Un câștig de 30 dB înseamnă că ieșirea este de 1.000 de ori mai puternică decât intrarea. Unele modele EDFA pot depăși 50 dB, deși majoritatea unităților comerciale rulează în intervalul 15-35 dB. Câștigul depinde de lungimea EDF, puterea pompei și nivelul semnalului de intrare. Nu este un număr fix - pe măsură ce puterea de intrare crește, câștigul se comprimă din cauza saturației. Calculele bugetului de link trebuie să țină cont de acest lucru.

Cifra de zgomot (NF)

Cuantifică cât de mult zgomot suplimentar adaugă EDFA. Minimul teoretic este de 3 dB (limita cuantică pentru un amplificator insensibil la fază-la câștig mare), iar EDFA comerciale ating de obicei 5–7 dB în condiții de semnal mic-. Pentru pre-amplificatoare și legături-de lungă distanță în cascadă, NF este adesea primul parametru pe care îl optimizați, deoarece stabilește direct bugetul OSNR pentru întregul sistem.

Putere de ieșire saturată

Puterea maximă de ieșire pe care o poate furniza EDFA atunci când intrarea este suficient de puternică (de obicei, mai mare sau egală cu 0 dBm) pentru a o duce la saturație. Acesta este numărul de titlu pentru amplificatoarele de amplificare. Mai multă putere de ieșire înseamnă că puteți lansa mai mult în fibră, ceea ce înseamnă, în general, distanțe mai lungi între locurile de amplificare.

Câștigă planeitatea

Într-un sistem DWDM cu mai multe canale, în mod ideal, fiecare canal obține același câștig. Spectrul de câștig de erbiu nu cooperează - unele lungimi de undă sunt în mod natural amplificate mai mult decât altele. Planeitatea câștigului măsoară această variație, de obicei exprimată ca de vârf-la-dB de-a lungul benzii de operare.

Problema devine evidentă când puneți în cascadă amplificatoare. Să presupunem că un canal primește cu 0,5 dB mai puțin câștig per amplificator. După zece amplificatoare, este cu 5 dB mai slab. După douăzeci, s-ar putea să scadă complet sub pragul de sensibilitate al receptorului. Sistemele de cabluri submarine și rețelele terestre-pe distanțe lungi se ocupă de acest lucru prin filtre-de aplatizare a câștigului (GFF) încorporate în modulul EDFA sau prin reglarea concentrației de aluminiu din sticla EDF pentru a îmbunătăți planeitatea inerentă a spectrului de câștig.

EDFA vs alte amplificatoare optice

EDFA vs SOA (amplificator optic cu semiconductor)

SOA folosește un mediu de câștig semiconductor în loc de fibră dopată. Este mai mic, mai ieftin și poate fi integrat pe cipuri fotonice - avantaje reale pentru rețelele de metrou, comutarea optică și procesarea semnalului. Dar pentru transmisia pe distanțe lungi-, nu rezistă. Câștigul SOA depășește în jur de 15–25 dB (EDFA poate depăși 50 dB), cifra de zgomot este de 7–12 dB (față de 5–7 dB EDFA), este sensibil-la polarizare și introduce diafonie între canalele WDM pe care EDFA pur și simplu nu o face.

SOA are locul ei. EDFA are locul lui. Pentru transportul backbone DWDM, alegerea nu este aproape.

EDFA vs amplificator Raman

Amplificarea Raman funcționează printr-un mecanism complet diferit - a stimulat împrăștierea Raman - și are loc în interiorul fibrei de transmisie însăși, nu într-o fibră dopată separată. Deoarece semnalul este amplificat treptat de-a lungul intervalului, nu deodată, nu scade niciodată la fel de jos precum ar fi cu amplificarea numai EDFA-. Ca rezultat, cifra efectivă a zgomotului poate fi mai mică.

Dezavantajele sunt reale, totuși. Amplificatoarele Raman necesită o putere mare a pompei (adesea peste 500 mW), oferă un câștig modest (de obicei 10–15 dB) și adaugă complexitate de implementare. Pe de altă parte, sunt flexibile la lungime de undă-într-un mod în care EDFA nu se poate potrivi -, doar schimbă lungimea de undă a pompei pentru a amplifica o bandă diferită.

Aceste două tehnologii nu sunt chiar concurente. Majoritatea sistemelor ultra-lungi- și submarine folosesc ambele: Raman oferă o „podă” cu câștig distribuit care împiedică semnalul să cadă prea mult în zgomot, iar EDFA oferă amplificarea concentrată-cu câștig mare la fiecare repetor. Această abordare hibridă a devenit modalitatea standard de a împinge atât capacitatea, cât și de a atinge limitele lor.

Unde este folosit EDFA astăzi

Rețele terestre pe distanță lungă{0}

Aici își câștigă EDFA. În rețelele de coloană vertebrală care se întind pe distanțe naționale sau continentale, EDFA-urile merg la fiecare 80-100 km pentru a combate atenuarea fibrei. Un singuramplificator cu fibra opticatransportul de 80+ canale DWDM la 100G sau 400G pe canal depinde de un lanț al acestor amplificatoare pentru a menține calitatea semnalului pe mii de kilometri. Scoateți EDFA din imagine, iar economia transportului terestru de-capacitate mare se prăbușește.

Sisteme de cabluri submarine

Cablurile submarine sunt cel mai dur mediu cu care EDFA se va confrunta vreodată. Un cablu transoceanic se poate întinde peste 10.000 km cu peste 100 de repetoare EDFA așezate pe fundul oceanului. Aceste unități trebuie să funcționeze continuu timp de 25 de ani, fără acces la întreținere. Fiabilitatea nu este doar un lucru plăcut--a avea - o defecțiune pe fundul mării înseamnă o vizită costisitoare a navei. Aceste EDFA funcționează cu lasere de pompă redundante și marje de operare conservatoare concepute pentru a maximiza durata de viață mai presus de orice.

Interconectarea centrului de date (DCI)

Centrele de date la scară largă au nevoie de legături cu lățime de bandă mare-, cu latență redusă- între campusuri, iar aceste legături se întind adesea pe zeci până la sute de kilometri. EDFA permite transmisia coerentă 400G și 800G pe aceste rute DCI. Cu instruirea AI distribuită din ce în ce mai mult în mai multe facilități, acest segment crește rapid.

Sisteme DWDM

EDFA nu doar a devenit compatibil cu DWDM -, ci este ceea ce a făcut ca DWDM să fie practic în primul rând. Amplificarea a 40, 80 sau 96 de canale simultan într-un singur dispozitiv este ceea ce le permite operatorilor de rețea să crească capacitatea de fibră fără a scala infrastructura la aceeași rată. Fiecare sistem DWDM care rulează astăzi are EDFA în el.

Rețele de distribuție CATV

Rețelele de televiziune prin cablu folosesc EDFA-uri ca amplificatoare de putere pentru a spori semnalul optic de la headend, împingându-l către o bază mai mare de abonați pe o zonă de acoperire mai largă. Puterea mare de ieșire a EDFA de tip booster-se potrivește bine acestui model de distribuție a difuzării.

Alte aplicații

EDFA apare și înamplificator cu fibrăimplementări în rețele LAN bazate pe fibră-(compensând pierderile de distribuție), comunicații militare și aerospațiale (unde fiabilitatea și toleranța la mediu nu sunt-negociabile) și rețelele de comunicații cuantice emergente (unde amplificarea semnalelor slabe fără conversie electrică are o valoare deosebită).

Cum să alegi EDFA potrivit

Alegerea EDFA potrivită începe cu înțelegerea rolului acestuia în rețeaua dvs. Un amplificator, un-amplificator în linie și un pre-amplificator au stive de prioritate complet diferite - Cumpărarea unei unități cu zgomot redus-pentru o aplicație de amplificare înseamnă a pierde bani pe o specificație care nu vă ajută.

Definiți mai întâi rolul. Booster înseamnă că vă pasă de puterea saturată de ieșire. În-înseamnă că echilibrați câștigul cu zgomotul. Pre-amplificator înseamnă că zgomotul este rege.

Confirmați banda de funcționare. Banda C-(1530–1565 nm), banda L-(1565–1625 nm) sau ambele. Există EDFA C+L, dar disponibilitatea și performanța variază în funcție de furnizor.

Calculați cerințele de câștig și putere din bugetul dvs. de pierdere. Pentru un amplificator, concentrați-vă pe puterea de ieșire saturată. Pentru un amplificator în-linie, asigurați-vă că câștigul acoperă pierderea cu marjă. Pentru un pre-amplificator, verificați puterea minimă de intrare pe care o poate gestiona, în timp ce atingeți NF acceptabil.

Evaluați cu atenție cifra de zgomot dacă sunteți în cascadă. NF mai mic înseamnă o marjă OSNR mai mare, ceea ce înseamnă o acoperire mai lungă sau un BER mai bun. Într-un lanț de amplificatoare, chiar și 1 dB de compuși de îmbunătățire a NF în fiecare interval.

Verificați planeitatea câștigului - în special pentru DWDM cu număr mare de canale. Cu cât mai multe EDFA în lanțul dvs., cu atât această specificație trebuie să fie mai strictă. Un sistem care rulează 40 de canale are cerințe diferite de planeitate decât unul care rulează 80.

Luați în considerare mediul de implementare. Montarea în rack-interioare, dulapul exterior și submarinul sunt trei lumi foarte diferite. Intervalul de temperatură de funcționare, toleranța la umiditate, gradul de șoc mecanic, MTBF - toate acestea se schimbă în funcție de locul în care merge unitatea. EDFA-urile submarine sunt în esență o categorie de produse diferită de unitățile de montare în rack-.