Kas ir EDFA? Kā darbojas Erbija{0}}šķiedru pastiprinātāji

Kas ir EDFA?

EDFA iroptiskais pastiprinātājskas izmanto erbija{0}}leģētas šķiedras daļu, lai pastiprinātu gaismas signālus tieši optiskajā jomā. Tradicionālajiem atkārtotājiem katrā posmā ir nepieciešama optiskā-uz-elektriskā-uz-optiskā (O-E-O) pārveidošana; EDFA to visu izlaiž. Signāls paliek viegls no sākuma līdz beigām -, kas saglabā joslas platumu, samazina latentumu un novērš veselu tīkla sarežģītības slāni.

Tas darbojas C-joslā (1530–1565 nm) un L-joslā (1565–1625 nm), tieši silīcija šķiedras -zaudējumu pārvades logā. Spektru pārklāšanās nav nejaušība - tas ir iemesls, kāpēc EDFA kļuva par noklusējuma pastiprinātāju tālsatiksmes-tīklos, un iemesls, kāpēc WDM un DWDM sistēmas darbojas tā, kā tās darbojas. Viens EDFA var palielināt desmitiem vai pat simtiem viļņu garuma kanālu, kas vienlaikus pārvietojas pa vienu šķiedru.

EDFA problēma tiek atrisināta

Optiskie signāli zaudē spēku, pārvietojoties pa šķiedru. Vājināšanās, savienojuma zudumi, savienotāja zudumi - tas viss summējas. Pirms EDFA vienīgā iespēja bija maršrutā izvietot elektroniskos reģeneratorus. Šīs ierīces pārveidoja gaismu elektrībā, iztīrīja signālu, atkārtoti-pastiprināja to un pārvērta to atpakaļ gaismā. Katrs reģenerators bija dārgs un{6}}specifisks formātam: tas varēja apstrādāt tikai vienu datu pārraides ātrumu un vienu modulācijas shēmu. Ja vēlaties mērogot WDM sistēmu, jums bija jāreizina reģeneratori ar kanālu skaitu. Izmaksas un sarežģītība tika brutāli samazinātas.

Izrāviens notika 1987. gadā, kad pētnieki to pierādījaerbija{0}}leģēta šķiedravarētu pastiprināt signālus tuvu 1550 nm, izmantojot stimulētu emisiju. Divus gadus vēlāk tika iedarbināta pirmā diode{2}ar erbija{0}}leģētu šķiedru pastiprinātājutika apstiprināts laboratorijā, pierādot, ka koncepcija var darboties reālos tīklos. To padarīja tik nozīmīgu ne tikai pati pastiprināšana -, bet arī tas, ka viens EDFA vienlaikus varēja pastiprināt visus WDM sistēmas viļņa garuma kanālus. Nav reģenerācijas katram kanālam. Šī viena iespēja ir tas, kas padarīja blīvu viļņu garuma{5}}dales multipleksēšanu par ekonomiski dzīvotspējīgu un sniedza sasniedzamā attālumā terabitu-mēroga zemūdens kabeļus.

Kā darbojas EDFA?

Pamatmehānisms: stimulēta emisija

EDFA darbojas pēc tāda paša principa kā lāzera - stimulēta emisija -, izņemot to, ka tā pastiprina esošo gaismu, nevis rada jaunu gaismu.

Lieljaudas -sūkņa lāzers (kas darbojas pie 980 nm vai 1480 nm) injicē enerģiju erbija-leģētā šķiedrā. Erbija joni (Er³⁺) absorbē šo sūkņa enerģiju un pāriet no sava pamata stāvokļa uz ierosināto stāvokli. Kad tiek ierosināts pietiekami daudz jonu, jūs iegūstat populācijas inversiju par - vairāk jonu, kas atrodas augstas-enerģijas stāvoklī nekā pamatstāvoklī. Tas ir priekšnoteikums, lai notiktu pastiprināšana.

Tagad vājš optiskais signāls tuvu 1550 nm nonāk leģētajā šķiedrā. Tās fotoni ietriecas ierosinātajos erbija jonos, un katra mijiedarbība izraisa jonu nokrišanu atpakaļ sākotnējā stāvoklī, šajā procesā atbrīvojot jaunu fotonu. Šis jaunais fotons ir identisks signāla fotonam - vienāds viļņa garums, tā pati fāze, vienāds virziens. Reiziniet to miljardos mijiedarbības visā šķiedras garumā, un signāls iznāks no otra gala ievērojami spēcīgāks.

Pastiprinājums pēc būtības ir platjoslas savienojums. Erbija pastiprinājuma spektrs aptver aptuveni 30–40 nm C - joslā. Tas nav gudrs inženierijas risinājums -, tas ir iekļauts erbija jonu enerģijas līmeņa struktūras fizikā. Šī iemesla dēļ viens EDFA var vienlaikus apstrādāt 40, 80 vai pat 96 DWDM kanālus.

Galvenās sastāvdaļas EDFA iekšienē

Darbojošā EDFA modulī notiek vairāk nekā tikai leģētas šķiedras gabals. Pieci galvenie komponenti darbojas kopā:

Erbija{0}}leģētā šķiedra (EDF) ir pastiprināšanas vide. Šķiedru garums, erbija koncentrācija un stikla sastāvs nosaka pastiprinājuma un trokšņa raksturlielumus. Sūkņa lāzers piegādā enerģiju erbija jonu ierosināšanai - tā jauda un stabilitāte nosaka EDFA pastiprinājuma un trokšņa rādītāju. WDM savienotājs apvieno sūkņa gaismu un signāllampu, lai tie kopā izplatās pa leģēto šķiedru. Optiskie izolatori pie ieejas un izejas bloķē atpakaļ{6}}atspīdumus, kas var destabilizēt pastiprinātāju vai izraisīt parazītu lāzeru. Un optiskais filtrs novērš joslas-trokšņus- un pastiprinātu spontānu emisiju (ASE), lai izvade būtu tīra.

980 nm pret 1480 nm sūknēšana - Kāpēc daudzi EDFA izmanto abus

Sūkņa viļņa garums ir viens no lielākajiem dizaina lēmumiem EDFA, un abas iespējas ietver īstu kompromisu -, nevis tikai dažādas specifikācijas datu lapā.

980 nm sūknēšana ierosina erbija jonus līdz augstam enerģijas līmenim (E3), kas pēc tam ātri atslābina līdz metastabilajam līmenim (E2), izmantojot ne-radiācijas procesu. Šis divu -pakāpju ceļš rada ļoti tīru populācijas inversiju un zemāku trokšņa rādītāju -, kas parasti ir par 1–2 dB labāk nekā 1480 nm. Iepriekš{11}}pastiprinātājiem, kur katrai dB daļai trokšņa ir nozīme, 980 nm ir tas, ko vēlaties.

1480 nm sūknēšana notiek īsceļā: tas ierosina erbija jonus tieši līdz metastabilajam līmenim (E2). Energoefektīvāka-, lielāka sasniedzamā izejas jauda, ​​taču trokšņaināks. Tas padara to labāk piemērotu pastiprinātājiem, kur neapstrādātā jauda ir svarīgāka par trokšņu veiktspēju.

Daudzi augstas veiktspējas -EDFA neizvēlas vienu vai otru - tie izmanto abus. 980 nm sūkņus virzienā uz priekšu, lai samazinātu troksni, 1480 nm sūkņus atpakaļ virzienā, lai palielinātu izejas jaudu. Šī hibrīda konfigurācija ir standarta zemūdens un tālsatiksmes sauszemes sistēmās, un tas ir pamatota iemesla dēļ: jūs iegūstat 980 nm trokšņa priekšrocības un 1480 nm jaudas priekšrocības vienā vienībā.

Trīs EDFA veidi un kad katru izmantot

Tas, kur EDFA atrodas optiskajā saitē, nosaka visu, kā tas ir jāizstrādā. Specifikācijas, kas ir svarīgas pastiprinātājam, gandrīz nav svarīgas priekš-pastiprinātājam un otrādi.

Pastiprināšanas pastiprinātājs

Iet uzreiz aiz raidītāja. Tās uzdevums ir virzīt signāla jaudu pēc iespējas augstāk, pirms gaisma nonāk šķiedras diapazonā. DWDM sistēmās multipleksors rada ievietošanas zudumu, kas patērē palaišanas jaudu, un pastiprinātājs to kompensē. Šeit vissvarīgākā specifikācija ir piesātinātā izejas jauda -, parasti 16–23 dBm. Trokšņa rādītājs ir sekundārs, jo ieejas signāls joprojām ir spēcīgs.

In-līnijas pastiprinātājs

Tie atrodas starppunktos visā šķiedras maršrutā, parasti ik pēc 80–100 km, kompensējot laiduma zudumu un saglabājot signālu virs trokšņa līmeņa. Viņiem ir nepieciešams augsts pastiprinājums (20–30 dB) ar pienācīgu trokšņa līmeni. Lūk, kas attiecas uz-līnijas pastiprinātājiem: troksnis uzkrājas katrā posmā. Izstrādājot trokšņu budžetu 10, 20 vai 100 kaskādes EDFA ķēdei zemūdens kabelī, katra pastiprinātāja ieguldījums ir svarīgs. Kļūda pat ar nelielu rezervi var nozīmēt atšķirību starp strādājošu saiti un tādu, kas neaizveras.

Iepriekšējais-pastiprinātājs

Sēž tieši pirms uztvērēja. Līdz šim brīdim signāls var būt šķērsojis simtiem vai tūkstošiem kilometru un sasniedzis ļoti zemu jaudu -, dažreiz zem -30 dBm. Šajos līmeņos ASE trokšņu pieaugums ir vissliktākais. Trokšņa rādītājs ir vienīgais svarīgākais priekšpastiprinātāja parametrs. 1 dB uzlabojums NF šeit var tieši nozīmēt paplašinātu sasniedzamību vai labāku bitu kļūdu līmeni visai saitei.

Galvenie veiktspējas parametri

Ieguvums

Mērīts dB. Pastiprinājums 30 dB nozīmē, ka izeja ir 1000 reižu spēcīgāka nekā ieeja. Daži EDFA modeļi var pārsniegt 50 dB, lai gan lielākā daļa komerciālo vienību darbojas 15–35 dB diapazonā. Pastiprinājums ir atkarīgs no EDF garuma, sūkņa jaudas un ieejas signāla līmeņa. Tas nav fiksēts skaitlis -, jo palielinās ievades jauda, ​​pastiprinājums tiek saspiests piesātinājuma dēļ. Saites budžeta aprēķinos tas ir jāņem vērā.

Trokšņa attēls (NF)

Nosaka, cik daudz papildu trokšņu pievieno EDFA. Teorētiskais minimums ir 3 dB (kvantu ierobežojums fāzes -nejutīgam pastiprinātājam ar lielu pastiprinājumu), un komerciālie EDFA parasti sasniedz 5–7 dB maza -signāla apstākļos. Priekš-pastiprinātājiem un kaskādes tālsatiksmes{8}}saitēm NF bieži ir pirmais optimizējamais parametrs, jo tas tieši nosaka OSNR budžetu visai sistēmai.

Piesātināta izejas jauda

Maksimālā izejas jauda, ​​ko EDFA var nodrošināt, ja ieeja ir pietiekami spēcīga (parasti lielāka vai vienāda ar 0 dBm), lai to piesātinātu. Šis ir pastiprināšanas pastiprinātāju virsraksta numurs. Lielāka izejas jauda nozīmē, ka varat palaist vairāk šķiedras, kas parasti nozīmē garākus attālumus starp pastiprinātāju vietām.

Iegūstiet plakanumu

DWDM sistēmā ar daudziem kanāliem ideālā gadījumā katrs kanāls iegūst vienādu pastiprinājumu. Erbija pastiprinājuma spektrs nesadarbojas - daži viļņu garumi dabiski tiek pastiprināti vairāk nekā citi. Pastiprinājuma līdzenums mēra šīs variācijas, kas parasti tiek izteiktas kā no maksimālās-līdz -dB maksimuma visā darbības joslā.

Problēma kļūst acīmredzama, kaskādes pastiprinātājus. Pieņemsim, ka viens kanāls saņem par 0,5 dB mazāku pastiprinājumu vienam pastiprinātājam. Pēc desmit pastiprinātājiem tas ir par 5 dB vājāks. Pēc divdesmit tas var pilnībā nokrist zem uztvērēja jutības sliekšņa. Zemūdens kabeļu sistēmas un tālsatiksmes -virszemes tīkli to risina, izmantojot pastiprināšanas-saplacināšanas filtrus (GFF), kas iebūvēti EDFA modulī, vai regulējot alumīnija koncentrāciju EDF stiklā, lai uzlabotu pastiprinājuma spektram raksturīgo līdzenumu.

EDFA pret citiem optiskajiem pastiprinātājiem

EDFA vs SOA (pusvadītāju optiskais pastiprinātājs)

SOA izmanto pusvadītāju pastiprināšanas vidi, nevis leģētu šķiedru. Tas ir mazāks, lētāks, un to var integrēt fotoniskajās mikroshēmās - reālas priekšrocības metro tīkliem, optiskajai komutācijai un signālu apstrādei. Taču pārraidei no attāluma- tas neiztur. SOA pastiprinājums pārsniedz 15–25 dB (EDFA var pārsniegt 50 dB), tā trokšņu līmenis ir 7–12 dB (pret EDFA 5–7 dB), tas ir jutīgs pret polarizāciju un rada šķērsrunu starp WDM kanāliem, ko EDFA vienkārši neveic.

SOA ir sava vieta. EDFA ir sava vieta. Pamata DWDM transportam izvēle nav tuvu.

EDFA pret Ramana pastiprinātāju

Ramana pastiprināšana darbojas, izmantojot pilnīgi citu mehānismu - stimulēta Ramana izkliede -, un tā notiek pašā pārraides šķiedrā, nevis atsevišķā leģētā šķiedrā. Tā kā signāls tiek pastiprināts pakāpeniski visā diapazonā, nevis viss uzreiz, tas nekad nesamazinās tik zemā līmenī, kā tas notiktu tikai ar EDFA{3}}pastiprinājumu. Tādējādi efektīvais trokšņa rādītājs var būt zemāks.

Mīnusi tomēr ir reāli. Ramana pastiprinātājiem ir nepieciešama liela sūkņa jauda (bieži vien virs 500 mW), tie nodrošina nelielu pastiprinājumu (parasti 10–15 dB) un palielina izvietošanas sarežģītību. No otras puses, to viļņa garums-ir elastīgs tādā veidā, ka EDFA nevar saskaņot -, vienkārši mainiet sūkņa viļņa garumu, lai pastiprinātu citu joslu.

Šīs divas tehnoloģijas nav īsti konkurentes. Lielākajā daļā ultra-tālo attālumu un zemūdens sistēmu tiek izmantotas abas: Ramana nodrošina sadalītu pastiprinājuma "grīdu", kas neļauj signālam pārāk tālu nokrist troksnī, un EDFA nodrošina augstu-pastiprinājuma koncentrētu pastiprinājumu katrā atkārtotājā. Šī hibrīdā pieeja ir kļuvusi par standarta veidu, kā palielināt gan jaudu, gan sasniegt savas robežas.

Kur mūsdienās tiek izmantots EDFA

Garie{0}}virszemes tīkli

Šeit EDFA nopelna savu naudu. Pamattīklos, kas aptver valsts vai kontinentālos attālumus, EDFA darbojas ik pēc 80–100 km, lai cīnītos pret šķiedru vājināšanos. Vientuļaoptiskās šķiedras pastiprinātājs80+ DWDM kanālu pārraide ar 100 G vai 400 G kanālu ir atkarīga no šo pastiprinātāju ķēdes, lai saglabātu signāla kvalitāti tūkstošiem kilometru. Izņemiet EDFA no attēla, un lielas-jaudas sauszemes transporta ekonomika sabruks.

Zemūdens kabeļu sistēmas

Zemūdens kabeļi ir visskarbākā vide, ar kādu EDFA jebkad saskarsies. Aizokeāna kabelis var izstiepties vairāk nekā 10 000 km ar vairāk nekā 100 EDFA retranslatoriem, kas atrodas okeāna dibenā. Šīm vienībām ir nepārtraukti jādarbojas 25 gadus bez piekļuves apkopei. Uzticamība nav tikai patīkama--kļūme jūras gultnē - nozīmē dārgu kuģa apmeklējumu. Šie EDFA darbojas ar liekiem sūkņu lāzeriem un konservatīvām darbības rezervēm, kas paredzētas, lai maksimāli palielinātu kalpošanas laiku.

Datu centra starpsavienojums (DCI)

Hipermēroga datu centriem ir nepieciešamas lielas{0}}joslas platuma un zemas-latences saites starp pilsētiņām, un šīs saites bieži sniedzas no desmitiem līdz simtiem kilometru. EDFA nodrošina saskaņotu 400G un 800G pārraidi šajos DCI maršrutos. Tā kā AI apmācība arvien vairāk tiek izplatīta vairākās iekārtās, šis segments strauji aug.

DWDM sistēmas

EDFA ne tikai kļuva saderīgs ar DWDM -, tas vispirms padarīja DWDM praktisku. Vienlaicīga 40, 80 vai 96 kanālu pastiprināšana vienā ierīcē ļauj tīkla operatoriem mērogot optiskās šķiedras jaudu, nepārkāpjot infrastruktūru ar tādu pašu ātrumu. Katrā DWDM sistēmā, kas darbojas šodien, ir EDFA.

CATV sadales tīkli

Kabeļtelevīzijas tīkli izmanto EDFA kā jaudas pastiprinātājus, lai pastiprinātu optisko signālu no galvas gala, izspiežot to lielākai abonentu bāzei plašākā pārklājuma zonā. Pastiprināšanas{1}}tipa EDFA lielā izejas jauda labi atbilst šim apraides izplatīšanas modelim.

Citas lietojumprogrammas

Tiek parādīts arī EDFAšķiedru pastiprinātājsizvietošana optisko šķiedru LAN (kompensējot sadales zudumus), militārajos un kosmosa sakaros (kur uzticamība un vides tolerance nav-apspriežama) un topošajos kvantu sakaru tīklos (kuriem ir īpaša vērtība vāju signālu pastiprināšanai bez elektriskās pārveidošanas).

Kā izvēlēties pareizo EDFA

Pareizā EDFA izvēle sākas ar izpratni par tā lomu jūsu tīklā. Pastiprinātājam, -līnijas pastiprinātājam un priekš-pastiprinātājam ir pilnīgi atšķirīgas prioritātes, - pērkot zema-trokšņa vienību pastiprinātāja lietojumprogrammai, tiek tērēta nauda specifikācijai, kas jums nepalīdz.

Vispirms definējiet lomu. Pastiprinātājs nozīmē, ka jums rūp piesātināta izejas jauda. In-line nozīmē, ka jūs līdzsvarojat ieguvumu un troksni. Priekš-pastiprinātājs nozīmē, ka trokšņa līmenis ir karalisks.

Apstipriniet savu darbības diapazonu. C-josla (1530–1565 nm), L-josla (1565–1625 nm) vai abas. Pastāv C+L EDFA, taču pieejamība un veiktspēja atšķiras atkarībā no pārdevēja.

Aprēķiniet pastiprinājuma un jaudas prasības no sava diapazona zuduma budžeta. Lai palielinātu, koncentrējieties uz piesātinātu izejas jaudu. Ja izmantojat iekšpuses-pastiprinātāju, pārliecinieties, ka pastiprinājums sedz diapazona zudumus ar rezervi. Priekš-pastiprinātājam pārbaudiet minimālo ieejas jaudu, ko tas spēj apstrādāt, vienlaikus sasniedzot pieņemamu NF.

Rūpīgi novērtējiet trokšņa līmeni, ja izmantojat kaskādes režīmu. Zemāks NF nozīmē lielāku OSNR rezervi, kas nozīmē garāku sasniedzamību vai labāku BER. Pastiprinātāju ķēdē pat 1 dB NF uzlabojas savienojumi katrā diapazonā.

Pārbaudiet pastiprinājuma vienmērīgumu -, īpaši DWDM ar lielu kanālu skaitu. Jo vairāk EDFA jūsu ķēdē, jo stingrāk jābūt šai specifikācijai. Sistēmai, kurā darbojas 40 kanāli, ir atšķirīgas plakanuma prasības nekā sistēmai, kurā darbojas 80 kanāli.

Izvēršanas vides faktors. Iekštelpu statīvs-, āra skapis un zemūdens ir trīs ļoti dažādas pasaules. Darba temperatūras diapazons, mitruma tolerance, mehāniskā trieciena reitings, MTBF - tas viss mainās atkarībā no ierīces atrašanās vietas. Zemūdens EDFA būtībā atšķiras no statīva{5}}montāžas vienībām.