Mis on EDFA? Kuidas erbium{0}}legeeritud kiudvõimendid töötavad

Mis on EDFA?

EDFA onoptiline võimendimis kasutab erbium{0}}legeeritud kiudude osa valgussignaalide võimendamiseks otse optilises domeenis. Traditsioonilised repiiterid nõuavad igal etapil optilist-elektriliseks-elektriliseks-optiliseks (O-E-O) teisendust; EDFA jätab selle kõik vahele. Signaal jääb algusest lõpuni heledaks -, mis säilitab ribalaiuse, vähendab latentsust ja eemaldab terve kihi võrgu keerukusest.

See töötab sagedusalas C- (1530–1565 nm) ja L- (1565–1625 nm), otse ränidioksiidi -väikseimates ülekandeaknades. Spektri kattumine pole juhus - see on põhjus, miks EDFA-st sai pikamaavõrkude-vaikevõimendi, ning põhjus, miks WDM- ja DWDM-süsteemid töötavad nii, nagu nad töötavad. Üks EDFA võib võimendada kümneid või isegi sadu lainepikkusega kanaleid, mis liiguvad läbi ühe kiu samaaegselt.

EDFA probleem lahendab

Optilised signaalid kaotavad tugevuse, kui nad liiguvad läbi kiudude. Sumbumine, ühenduskaod, konnektorikaod - see kõik liidetakse kokku. Enne EDFA-d oli ainus võimalus paigutada marsruudile elektroonilised regeneraatorid. Need seadmed muutsid valguse elektriks, puhastasid signaali,{4}}võimendasid seda ja muutsid selle uuesti valguseks. Iga regeneraator oli kallis ja -vorminguspetsiifiline: see suutis käsitleda ainult ühte andmeedastuskiirust ja ühte modulatsiooniskeemi. Kui tahtsite WDM-süsteemi skaleerida, pidite regeneraatorid korrutama kanalite arvuga. Kulud ja keerukus suurenesid jõhkralt.

Läbimurre saabus 1987. aastal, kui teadlased seda näitasiderbium{0}}legeeritud kiudvõib stimuleeritud emissiooni kaudu võimendada signaale 1550 nm lähedal. Kaks aastat hiljem hakkas esimene diood-pumpamaerbium{0}}leegeeritud fiiberoptimendigavalideeriti laboris, tõestades, et kontseptsioon võib reaalsetes võrkudes toimida. Selle ei muutnud nii oluliseks mitte ainult võimendus ise -, vaid see, et üks EDFA suutis korraga võimendada kõiki WDM-süsteemi lainepikkuse kanaleid. Kanalite kaupa-regenereerimist ei toimu. See üks võimalus muutis tiheda lainepikkusega -jaotusmultipleksimise majanduslikult elujõuliseks ja muutis terabiidi-mõõtkavas veealused kaablid käeulatusse.

Kuidas EDFA töötab?

Põhimehhanism: stimuleeritud emissioon

EDFA toimib samal põhimõttel nagu laseriga - stimuleeritud emissioon -, välja arvatud see, et see võimendab olemasolevat valgust, selle asemel et tekitada uut valgust.

Suure-võimsusega pumplaser (töötab lainepikkusel 980 nm või 1480 nm) süstib energiat erbium-legeeritud kiudu. Erbiumioonid (Er³⁺) neelavad selle pumba energia ja hüppavad põhiolekust ergastatud olekusse. Kui piisavalt ioone on ergastatud, tekib populatsiooni inversioon - rohkem ioone, mis istuvad kõrge-energia olekus kui põhiolekus. See on võimenduse toimumise eeltingimus.

Nüüd siseneb legeeritud kiudu nõrk optiline signaal 1550 nm lähedal. Selle footonid tabavad erbiumi ioone ja iga interaktsioon käivitab iooni, mis langeb tagasi põhiolekusse, vabastades protsessi käigus uue footoni. See uus footon on identne signaali footoniga - sama lainepikkus, sama faas, sama suund. Korrutage see miljardite interaktsioonide korral kogu kiu pikkuses ja signaal väljub teisest otsast oluliselt tugevamana.

Võimendiks on oma olemuselt lairibaühendus. Erbiumi võimendusspekter ulatub C--ribas ligikaudu 30–40 nm. See ei ole nutikas insenertehniline lahendus -, see on erbiumioonide energiataseme struktuuri füüsikasse sisse kirjutatud. Üks EDFA suudab üheaegselt hallata 40, 80 või isegi 96 DWDM-kanalit.

EDFA põhikomponendid

Töötavas EDFA-moodulis toimub midagi enamat kui lihtsalt tükike legeeritud kiudu. Viis põhikomponenti töötavad koos:

Erbium{0}}legeeritud kiud (EDF) on võimenduskeskkond. Kiu pikkus, erbiumi kontsentratsioon ja klaasi koostis mõjutavad võimendus- ja müraomadusi. Pumba laser varustab energiat erbiumioonide ergutamiseks - selle võimsus ja stabiilsus määravad EDFA võimenduse ja müra. WDM-liitmik ühendab pumba tule ja signaaltule, nii et need levivad koos legeeritud kiu kaudu. Optilised isolaatorid sisendis ja väljundis blokeerivad tagasipeegeldusi,{6}} mis võivad võimendi destabiliseerida või käivitada parasiitlaseri. Ja optiline filter eemaldab -sagedusriba-müra ja võimendatud spontaanse emissiooni (ASE), et hoida väljund puhtana.

980 nm vs 1480 nm pumpamine - Miks paljud EDFA-d kasutavad mõlemat

Pumba lainepikkus on üks suurimaid disainilahendusi EDFA-s ja need kaks võimalust hõlmavad tõelist kompromissi - mitte ainult andmelehel olevaid erinevaid tehnilisi andmeid.

980 nm pumpamine ergastab erbiumi ioonid kõrge energiatasemeni (E3), mis seejärel lõdvestuvad kiiresti metastabiilsele tasemele (E2) mitte--kiirgusprotsessi kaudu. See kahe{5}}astmeline tee annab väga puhta populatsiooni inversiooni ja madalama mürataseme -, mis on tavaliselt 1–2 dB parem kui 1480 nm. Eelvõimendite puhul, kus iga dB müra osa on oluline, on 980 nm see, mida soovite.

1480 nm pumpamine võtab otsetee: see ergastab erbiumi ioonid otse metastabiilsele tasemele (E2). Energiasäästlikum-, suurem saavutatav väljundvõimsus, kuid mürarikkam. Seetõttu sobib see paremini võimendusvõimendite jaoks, kus toorvõimsus loeb rohkem kui müra.

Paljud suure -jõudlusega EDFA-d ei vali üht ega teist - nad kasutavad mõlemat. 980 nm pumpa edasisuunas, et hoida müra madalal, ja 1480 nm pumpa tagasisuunas, et tõsta väljundvõimsust. See hübriidkonfiguratsioon on allveelaevade ja pikamaa maapealsete süsteemide standardvarustuses ja sellel on mõjuv põhjus: saate ühes seadmes 980 nm müra ja 1480 nm võimsuse.

Kolm EDFA tüüpi ja millal neid kasutada

See, kus EDFA asub optilises lingis, määrab kõik selle kujundamise kohta. Võimendi puhul olulised tehnilised andmed on eelvõimendi puhul-peaaegu ebaolulised ja vastupidi.

Võimendi võimendi

Läheb kohe pärast saatjat. Selle ülesanne on suruda signaali võimsus nii kõrgele kui võimalik, enne kui valgus siseneb kiu vahemikku. DWDM-süsteemides toob multiplekser sisse sisestuskadu, mis sööb käivitusvõimsust, ja võimendi kompenseerib selle. Siin on kõige olulisem spetsifikatsioon küllastunud väljundvõimsus -, tavaliselt 16–23 dBm. Müra näitaja on teisejärguline, kuna sisendsignaal on endiselt tugev.

In-Reavõimendi

Need asuvad kiu marsruudi vahepunktides, tavaliselt iga 80–100 km järel, kompenseerides ulatuse kadu ja hoides signaali müratasemest kõrgemal. Nad vajavad suurt võimendust (20–30 dB) ja korralikku müra. Siin on jutt in-reavõimenditest: müra koguneb igal etapil. Kui koostate müraeelarvet 10, 20 või 100 kaskaadiga EDFA-st koosneva ahela jaoks merekaablis, on iga võimendi panus oluline. Selle eksimine isegi väikese varuga võib tähendada erinevust toimiva ja mittesulguva lingi vahel.

Eel{0}}võimendi

Istub otse vastuvõtja ees. Selleks hetkeks võib signaal olla ületanud sadu või tuhandeid kilomeetreid ja saabunud väga väikese võimsusega -, mõnikord alla -30 dBm. Nendel tasemetel on ASE müra kasv kõige halvem. Müra näitaja on eelvõimendi kõige olulisem parameeter. NF-i 1 dB paranemine võib siin otse tähendada kogu lingi laiendatud ulatust või paremat bitiveamäära.

Peamised jõudlusparameetrid

Kasu

Mõõdetud dB-des. 30 dB võimendus tähendab, et väljund on 1000 korda tugevam kui sisend. Mõned EDFA konstruktsioonid võivad ületada 50 dB, kuigi enamik kaubanduslikke seadmeid töötab vahemikus 15–35 dB. Võimendus sõltub EDF pikkusest, pumba võimsusest ja sisendsignaali tasemest. See ei ole fikseeritud arv -, kuna sisendvõimsus suureneb, võimendus tiheneb küllastuse tõttu. Linkide eelarve arvutamisel tuleb seda arvesse võtta.

Mürakuju (NF)

Kvantifitseerib, kui palju lisamüra EDFA lisab. Teoreetiline miinimum on 3 dB (suure võimendusega faasi-tundetu võimendi kvantlimiit) ja kaubanduslikud EDFA-d saavutavad tavaliselt 5–7 dB väikese -signaali tingimustes. Eel-võimendite ja kaskaadsete pikamaa{8}}linkide puhul on NF sageli esimene parameeter, mida optimeerite, kuna see määrab otse kogu süsteemi OSNR-i eelarve.

Küllastunud väljundvõimsus

Maksimaalne väljundvõimsus, mida EDFA suudab pakkuda, kui sisend on piisavalt tugev (tavaliselt suurem kui 0 dBm või sellega võrdne), et see küllastusse viia. See on võimendusvõimendite pealkirja number. Suurem väljundvõimsus tähendab, et saate kiu sisse lülitada rohkem, mis tähendab üldiselt pikemaid vahesid võimendi asukohtade vahel.

Lameduse saavutamine

Paljude kanalitega DWDM-süsteemis saab iga kanal ideaaljuhul sama võimenduse. Erbiumi võimendusspekter ei tööta - mõned lainepikkused võimenduvad loomulikult rohkem kui teised. Võimendustasasus mõõdab seda variatsiooni, tavaliselt väljendatuna tipust-to-dB-ni kogu tööriba ulatuses.

Probleem ilmneb võimendite kaskaadimisel. Oletame, et üks kanal saab 0,5 dB vähem võimendust võimendi kohta. Pärast kümmet võimendit on see 5 dB nõrgem. Kahekümne pärast võib see langeda täielikult alla vastuvõtja tundlikkusläve. Veealused kaablisüsteemid ja pikamaa{6}}maapealsed võrgud tegelevad sellega EDFA-moodulisse sisseehitatud võimendus-tasandusfiltrite (GFF-ide) või EDF-i klaasi alumiiniumikontsentratsiooni häälestamise kaudu, et parandada võimendusspektrile omast tasasust.

EDFA vs muud optilised võimendid

EDFA vs SOA (pooljuhtoptiline võimendi)

SOA kasutab legeeritud kiu asemel pooljuhtide võimenduskeskkonda. See on väiksem, odavam ja seda saab integreerida fotoonkiipidele - tõelised eelised metroovõrkude, optilise ümberlülituse ja signaalitöötluse jaoks. Kuid pikamaa-edastuse puhul see vastu ei pea. SOA võimendus on umbes 15–25 dB (EDFA võib ületada 50 dB), selle müratase on 7–12 dB (võrreldes EDFA-ga 5–7 dB), see on polarisatsioonitundlik ja tekitab WDM-kanalite vahelist läbirääkimist, mida EDFA lihtsalt ei tee.

SOA-l on oma koht. EDFA-l on oma koht. Põhivõrgu DWDM-transpordi puhul pole valik lähedal.

EDFA vs Ramani võimendi

Ramani võimendus toimib täiesti erineva mehhanismi kaudu - stimuleeritud Ramani hajumise - kaudu ja see toimub ülekandekiu enda sees, mitte eraldi legeeritud kius. Kuna signaali võimendatakse järk-järgult piki ulatust, mitte korraga, ei lange see kunagi nii madalale kui ainult EDFA{3}}võimenduse korral. Efektiivne müratase võib seetõttu olla madalam.

Miinused on siiski tõelised. Ramani võimendid nõuavad suurt pumbavõimsust (sageli üle 500 mW), tagavad mõõduka võimenduse (tavaliselt 10–15 dB) ja muudavad kasutuselevõtu keerukamaks. Teisest küljest on need lainepikkuses{5}}paindlikud viisil, mis EDFA-le ei sobi, - lihtsalt nihutage pumba lainepikkust, et võimendada erinevat riba.

Need kaks tehnoloogiat ei ole tegelikult konkurendid. Enamik ülipikkade vahemaade ja allveelaevade süsteeme kasutavad mõlemat: Raman pakub hajutatud võimenduse "põrandat", mis hoiab signaalil liiga kaugele mürasse langemast, ja EDFA tagab iga repiiteri suure-võimenduse kontsentreeritud võimenduse. Sellest hübriidsest lähenemisviisist on saanud standardviis nii võimsuse kui ka piirini jõudmiseks.

Kus EDFA-d tänapäeval kasutatakse

Pikamaa{0}}maapealsed võrgud

Siin teenib EDFA oma hoiu. Riigi või mandri vahemaid ulatuvates magistraalvõrkudes sisenevad EDFA-d iga 80–100 km järel, et võidelda kiu nõrgenemise vastu. Üksikfiiberoptiline võimendi80+ DWDM-kanali kandmine 100 G või 400 G kanali kohta sõltub nende võimendite ahelast, et säilitada signaali kvaliteet tuhandete kilomeetrite jooksul. Võtke EDFA pildist välja ja suure-võimsusega maismaatranspordi ökonoomika kukub kokku.

Allveelaevade kaablisüsteemid

Veealused kaablid on kõige karmim keskkond, millega EDFA eales kokku puutub. Ookeaniülene kaabel võib ulatuda üle 10 000 km, kui ookeani põhjas on üle 100 EDFA repiiteri. Need seadmed peavad töötama pidevalt 25 aastat ilma hoolduseta. Usaldusväärsus ei ole lihtsalt meeldiv--merepõhja rike - tähendab kallist laevakülastust. Need EDFA-d töötavad üleliigsete pumplaserite ja konservatiivsete töövarudega, mis on loodud eelkõige eluea maksimeerimiseks.

Andmekeskuse ühendamine (DCI)

Hüperskaala andmekeskused vajavad ülikoolilinnakute vahel suure{0}}ribalaiuse ja madala-latentsusega linke ning need lingid ulatuvad sageli kümnetest kuni sadade kilomeetriteni. EDFA võimaldab nendel DCI marsruutidel sidusat 400G ja 800G edastamist. Kuna tehisintellekti koolitust jaotatakse üha enam mitme rajatise vahel, kasvab see segment kiiresti.

DWDM süsteemid

EDFA ei muutunud lihtsalt DWDM-iga ühilduvaks - see muutis DWDM-i praktiliseks. 40, 80 või 96 kanali samaaegne võimendamine ühes seadmes võimaldab võrguoperaatoritel kiudoptilist võimsust skaleerida ilma infrastruktuuri sama kiirusega skaleerimata. Igas tänapäeval töötavas DWDM-süsteemis on EDFA.

CATV jaotusvõrgud

Kaabeltelevisioonivõrgud kasutavad EDFA-sid võimsusvõimenditena, et võimendada peajaamast tulevat optilist signaali, tuues selle välja suuremale abonendibaasile laiemas levialas. Booster{1}}tüüpi EDFA-de suur väljundvõimsus sobib selle leviedastuse mudeliga hästi.

Muud rakendused

EDFA ilmub ka sissekiud võimendikasutuselevõtt kiud{0}}põhistes kohtvõrkudes (jaotuskadude kompenseerimine), sõjalises ja kosmosesides (kus töökindlus ja keskkonnataluvus ei ole läbiräägitav) ja tärkavates kvantsidevõrkudes (kus nõrkade signaalide võimendamine ilma elektrilise muundamiseta on eriline väärtus).

Kuidas valida õige EDFA

Õige EDFA valimine algab selle rolli mõistmisest teie võrgus. Võimendil, sisemisel-liinivõimendil ja eel{2}}võimendil on täiesti erinevad prioriteedid -. Kui ostetakse võimendirakendusele madala-müratasemega seade, raiskate raha spetsifikatsioonile, mis teid ei aita.

Esmalt määrake roll. Booster tähendab, et hoolite küllastunud väljundvõimsusest. In-joon tähendab, et tasakaalustate kasu ja müra. Eel-võimendi tähendab, et müra on kuningas.

Kinnitage oma töösagedus. C-riba (1530–1565 nm), L-riba (1565–1625 nm) või mõlemad. C+L EDFA-d on olemas, kuid saadavus ja jõudlus on tarnijati erinev.

Arvutage võimenduse ja võimsuse nõuded oma vahemiku kao eelarvest. Võimendiks keskenduge küllastunud väljundvõimsusele. Sisene-võimendi puhul veenduge, et võimendus kataks vahemiku kadu koos varuga. Eel-võimendi puhul kontrollige minimaalset sisendvõimsust, mida see suudab taluda, saavutades samal ajal vastuvõetava NF-i.

Kui kasutate kaskaadset müra, hinnake hoolikalt müra. Madalam NF tähendab suuremat OSNR-i marginaali, mis tähendab pikemat ulatust või paremat BER-i. Võimendite ahelas parandab igas vahemikus isegi 1 dB NF-i.

Kontrollige võimenduse tasasust -, eriti suure kanalite arvuga DWDM-i puhul. Mida rohkem EDFA-sid teie ketis on, seda rangem see spetsifikatsioon peab olema. 40 kanaliga süsteemil on erinevad tasasuse nõuded kui 80 kanaliga süsteemil.

Tegur juurutuskeskkonnas. Siseriiul-kinnitus, välikapp ja veealune ruum on kolm väga erinevat maailma. Töötemperatuuri vahemik, niiskustaluvus, mehaanilise löögi reiting, MTBF - kõik need muutuvad sõltuvalt sellest, kuhu seade läheb. Subsea EDFA-d on sisuliselt erinev tootekategooria rack{5}}kinnitusüksustest.