Apakah EDFA? Cara Erbium-Penguat Gentian Berdop Berfungsi

Apakah EDFA?

EDFA ialah sebuahpenguat optikyang menggunakan bahagian erbium-gentian terdop untuk menguatkan isyarat cahaya secara langsung dalam domain optik. Pengulang tradisional memerlukan penukaran optik-ke-elektrik-ke-optik (O-E-O) pada setiap peringkat; EDFA melangkau semua itu. Isyarat kekal ringan dari mula hingga akhir - yang mengekalkan lebar jalur, mengurangkan kependaman dan menghilangkan keseluruhan lapisan kerumitan rangkaian.

Ia beroperasi dalam jalur-C (1530–1565 nm) dan jalur L- (1565–1625 nm), betul-betul dalam tetingkap penghantaran kehilangan-terrendah gentian silika. Pertindihan spektrum itu bukan kebetulan - sebab EDFA menjadi penguat lalai dalam-rangkaian jarak jauh dan sebab sistem WDM dan DWDM berfungsi seperti yang mereka lakukan. Satu EDFA boleh meningkatkan berdozen atau bahkan ratusan saluran panjang gelombang yang bergerak melalui satu gentian pada masa yang sama.

Masalah EDFA Ia Selesai

Isyarat optik kehilangan kekuatan apabila ia bergerak melalui gentian. Pengecilan, kehilangan sambungan, kehilangan penyambung - semuanya dijumlahkan. Sebelum EDFA, satu-satunya pilihan ialah meletakkan penjana semula elektronik di sepanjang laluan. Peranti ini menukar cahaya kepada elektrik, membersihkan isyarat,-menguatkannya semula dan menukarnya kembali kepada cahaya. Setiap penjana semula adalah mahal dan format-khusus: ia hanya boleh mengendalikan satu kadar data dan satu skema modulasi. Jika anda ingin menskalakan sistem WDM, anda perlu mendarabkan penjana semula dengan bilangan saluran. Kos dan kerumitan meningkat secara kejam.

Kejayaan itu datang pada tahun 1987, apabila penyelidik menunjukkannyaerbium-gentian dopedboleh menguatkan isyarat berhampiran 1550 nm melalui pelepasan yang dirangsang. Dua tahun kemudian, diod pertama-dipamerbium-penguat gentian terdoptelah disahkan dalam makmal, membuktikan konsep itu boleh berfungsi dalam rangkaian sebenar. Apa yang menjadikan perkara ini begitu penting bukan sekadar penguatan itu sendiri - malah satu EDFA boleh menguatkan semua saluran panjang gelombang dalam sistem WDM sekaligus. Tiada penjanaan semula setiap-saluran. Keupayaan satu itulah yang menjadikan pemultipleksan bahagian-padat berdaya maju dari segi ekonomi dan meletakkan kabel dasar selam-terabit dalam jangkauan.

Bagaimana EDFA Berfungsi?

Mekanisme Teras: Pelepasan Terrangsang

EDFA beroperasi pada prinsip yang sama seperti pancaran rangsangan laser - - kecuali ia menguatkan cahaya sedia ada dan bukannya menjana cahaya baharu.

Laser pam kuasa tinggi-(beroperasi pada 980 nm atau 1480 nm) menyuntik tenaga ke dalam-gentian dop erbium. Ion erbium (Er³⁺) menyerap tenaga pam ini dan melompat dari keadaan asasnya kepada keadaan teruja. Setelah cukup ion teruja, anda mendapat penyongsangan populasi - lebih banyak ion yang berada dalam keadaan tenaga-tinggi berbanding keadaan dasar. Itulah prasyarat untuk amplifikasi berlaku.

Kini isyarat optik lemah berhampiran 1550 nm memasuki gentian doped. Fotonnya terkena ion erbium yang teruja, dan setiap interaksi mencetuskan ion untuk jatuh semula ke keadaan dasar, melepaskan foton baharu dalam proses. Foton baharu ini adalah sama dengan foton isyarat - panjang gelombang yang sama, fasa yang sama, arah yang sama. Darabkan itu merentas berbilion-bilion interaksi sepanjang gentian, dan isyarat keluar dari hujung yang satu lagi dengan lebih kuat.

Penguatan itu sememangnya jalur lebar. Spektrum perolehan erbium menjangkau kira-kira 30–40 nm dalam jalur C-. Itu bukan penyelesaian kejuruteraan yang bijak - ia dimasukkan ke dalam fizik struktur aras tenaga ion erbium. Satu EDFA boleh mengendalikan 40, 80, atau bahkan 96 saluran DWDM secara serentak kerana ini.

Komponen Utama Di Dalam EDFA

Modul EDFA yang berfungsi mempunyai lebih banyak perkara daripada hanya sekeping gentian doped. Lima komponen teras berfungsi bersama:

Erbium-fiber doped (EDF) ialah medium perolehan. Panjang gentian, kepekatan erbium, dan komposisi kaca semuanya membentuk ciri keuntungan dan bunyi. Laser pam membekalkan tenaga untuk merangsang ion erbium - kuasa dan kestabilannya yang menentukan perolehan dan angka hingar EDFA. Pengganding WDM menggabungkan lampu pam dan lampu isyarat supaya ia merambat melalui gentian doped bersama-sama. Pengasing optik pada input dan output menyekat balik-pantulan yang boleh menjejaskan kestabilan penguat atau mencetuskan pengelasan parasit. Dan penapis optik menghilangkan-bunyi-jalur dan pelepasan spontan (ASE) yang diperkuat untuk memastikan output bersih.

980 nm lwn 1480 nm Mengepam - Mengapa Banyak EDFA Menggunakan Kedua-duanya

Panjang gelombang pam ialah salah satu keputusan reka bentuk terbesar dalam EDFA dan kedua-dua pilihan itu melibatkan pertukaran tulen - bukan sekadar spesifikasi berbeza pada helaian data.

Pengepaman 980 nm merangsang ion erbium ke tahap tenaga tinggi (E3), yang kemudiannya mengendur dengan cepat ke tahap metastabil (E2) melalui proses bukan-radiatif. Laluan dua-langkah itu menghasilkan penyongsangan populasi yang sangat bersih dan angka hingar yang lebih rendah - biasanya 1–2 dB lebih baik daripada 1480 nm. Untuk pra{11}}penguat di mana setiap pecahan dB dalam bunyi penting, 980 nm ialah apa yang anda mahukan.

Pengepaman 1480 nm mengambil jalan pintas: ia merangsang ion erbium terus ke tahap metastabil (E2). Lebih cekap tenaga-, kuasa keluaran boleh dicapai lebih tinggi, tetapi lebih bising. Itu menjadikannya lebih sesuai untuk penguat penggalak di mana kuasa mentah lebih penting daripada prestasi bunyi.

Banyak EDFA-berprestasi tinggi tidak memilih satu atau yang lain - mereka menggunakan kedua-dua. 980 pam nm ke arah hadapan untuk mengekalkan hingar rendah, pam 1480 nm ke arah belakang untuk menaikkan kuasa output. Konfigurasi hibrid ini adalah standard dalam sistem daratan kapal selam dan-jauh, dan atas sebab yang baik: anda mendapat faedah hingar 980 nm dan faedah kuasa 1480 nm dalam satu unit.

Tiga Jenis EDFA dan Bila Perlu Digunakan Setiap satu

Di mana EDFA berada dalam pautan optik menentukan segala-galanya tentang cara ia harus direka bentuk. Spesifikasi yang penting untuk penggalak hampir tidak relevan untuk pra-penguat dan sebaliknya.

Penguat Penggalak

Pergi betul-betul selepas pemancar. Tugasnya adalah untuk menolak kuasa isyarat setinggi mungkin sebelum cahaya memasuki rentang gentian. Dalam sistem DWDM, pemultipleks memperkenalkan kehilangan sisipan yang memakan kuasa pelancaran, dan penggalak mengimbanginya. Spesifikasi yang paling penting di sini ialah kuasa keluaran tepu - biasanya 16–23 dBm. Angka hingar adalah sekunder kerana isyarat input masih kuat.

Dalam-Penguat Talian

Ini duduk di titik perantaraan di sepanjang laluan gentian, biasanya setiap 80–100 km, mengimbangi kehilangan rentang dan mengekalkan isyarat di atas lantai hingar. Mereka memerlukan keuntungan tinggi (20–30 dB) dengan prestasi bunyi yang baik. Inilah perkara tentang penguat dalam-talian: hingar terkumpul pada setiap peringkat. Apabila anda mereka bentuk belanjawan hingar untuk rangkaian 10, 20 atau 100 EDFA berlatarkan dalam kabel dasar selam, setiap sumbangan penguat adalah penting. Kesalahan ini walaupun dengan margin yang kecil boleh bermakna perbezaan antara pautan yang berfungsi dan yang tidak ditutup.

Pra-Penguat

Duduk betul-betul di hadapan penerima. Pada ketika ini, isyarat mungkin telah melintasi ratusan atau ribuan kilometer dan tiba pada kuasa yang sangat rendah - kadangkala di bawah -30 dBm. Pada tahap ini, pertumbuhan hingar ASE berada pada tahap paling teruk. Angka hingar ialah parameter tunggal yang paling penting untuk pra-amp. Peningkatan 1 dB dalam NF di sini boleh diterjemahkan secara langsung kepada jangkauan lanjutan atau kadar ralat bit yang lebih baik untuk keseluruhan pautan.

Parameter Prestasi Utama

Keuntungan

Diukur dalam dB. Keuntungan 30 dB bermakna output adalah 1,000 kali lebih kuat daripada input. Sesetengah reka bentuk EDFA boleh melebihi 50 dB, walaupun kebanyakan unit komersial berjalan dalam julat 15–35 dB. Keuntungan bergantung pada panjang EDF, kuasa pam dan tahap isyarat input. Ia bukan nombor tetap - kerana kuasa input meningkat, bertambah mampat kerana tepu. Pengiraan belanjawan pautan perlu mengambil kira perkara ini.

Angka Bunyi (NF)

Mengukur berapa banyak bunyi tambahan yang ditambahkan oleh EDFA. Minimum teori ialah 3 dB (had kuantum untuk penguat-tidak sensitif fasa pada perolehan tinggi) dan EDFA komersial biasanya mencapai 5–7 dB dalam-keadaan isyarat yang kecil. Untuk pra-pautan dan pautan jarak jauh-melantun, NF selalunya merupakan parameter pertama yang anda optimumkan, kerana ia menetapkan secara langsung belanjawan OSNR untuk keseluruhan sistem.

Kuasa Keluaran Tepu

Kuasa output maksimum yang EDFA boleh berikan apabila input cukup kuat (biasanya Lebih besar daripada atau sama dengan 0 dBm) untuk memacunya ke dalam ketepuan. Ini ialah nombor tajuk untuk penguat penggalak. Lebih banyak kuasa output bermakna anda boleh melancarkan lebih banyak ke dalam gentian, yang secara amnya bermakna jarak yang lebih panjang antara tapak penguat.

Mendapat Kerataan

Dalam sistem DWDM dengan banyak saluran, setiap saluran idealnya mendapat keuntungan yang sama. Spektrum perolehan erbium tidak bekerjasama - sesetengah panjang gelombang secara semula jadi dikuatkan lebih daripada yang lain. Dapatkan ukuran kerataan variasi itu, biasanya dinyatakan sebagai puncak-hingga-dB puncak merentas jalur kendalian.

Masalahnya menjadi jelas apabila anda melata penguat. Katakan satu saluran mendapat 0.5 dB kurang keuntungan bagi setiap penguat. Selepas sepuluh penguat, ia 5 dB lebih lemah. Selepas dua puluh, ia mungkin jatuh di bawah ambang sensitiviti penerima sepenuhnya. Sistem kabel dasar laut dan rangkaian-terrestrial jarak jauh menangani perkara ini melalui penambahan-penapis leper (GFF) yang dibina ke dalam modul EDFA, atau dengan menala kepekatan aluminium dalam kaca EDF untuk meningkatkan kerataan sedia ada spektrum perolehan.

EDFA lwn Penguat Optik Lain

EDFA lwn SOA (Penguat Optik Semikonduktor)

SOA menggunakan medium keuntungan semikonduktor dan bukannya gentian doped. Ia lebih kecil, lebih murah dan boleh disepadukan pada cip fotonik - kelebihan sebenar untuk rangkaian metro, pensuisan optikal dan pemprosesan isyarat. Tetapi untuk penghantaran-jauh, ia tidak tahan. Keuntungan SOA melebihi 15–25 dB (EDFA boleh melebihi 50 dB), angka hingarnya mencapai 7–12 dB (berbanding 5–7 dB EDFA), polarisasi-sensitif dan ia memperkenalkan crosstalk antara saluran WDM yang tidak dilakukan oleh EDFA.

SOA ada tempatnya. EDFA mempunyai tempatnya. Untuk pengangkutan DWDM tulang belakang, pilihannya tidaklah dekat.

EDFA lwn Raman Amplifier

Penguatan Raman berfungsi melalui mekanisme yang berbeza sama sekali - merangsang penyerakan Raman - dan ia berlaku di dalam gentian penghantaran itu sendiri, bukan dalam gentian terdop yang berasingan. Oleh kerana isyarat dikuatkan secara beransur-ansur di sepanjang rentang dan bukannya sekali gus, ia tidak pernah jatuh serendah dengan amplifikasi EDFA-sahaja. Angka hingar berkesan boleh menjadi lebih rendah akibatnya.

Kelemahan adalah nyata, walaupun. Penguat Raman memerlukan kuasa pam yang tinggi (selalunya melebihi 500 mW), memberikan keuntungan sederhana (biasanya 10–15 dB) dan menambah kerumitan penggunaan. Sebaliknya, ia adalah panjang gelombang-fleksibel dengan cara EDFA tidak dapat memadankan - hanya mengalihkan panjang gelombang pam untuk menguatkan jalur yang berbeza.

Kedua-dua teknologi ini sebenarnya bukan pesaing. Kebanyakan sistem jarak jauh-ultra-dan kapal selam menggunakan kedua-duanya: Raman menyediakan "lantai" perolehan teragih yang menghalang isyarat daripada jatuh terlalu jauh ke dalam hingar dan EDFA menyampaikan penguatan pekat perolehan tinggi-pada setiap pengulang. Pendekatan hibrid ini telah menjadi cara standard untuk menolak kedua-dua kapasiti dan mencapai hadnya.

Tempat EDFA Digunakan Hari Ini

Rangkaian Terestrial-Jarak Jauh

Di sinilah EDFA memperoleh simpanannya. Dalam rangkaian tulang belakang yang menjangkau jarak negara atau benua, EDFA pergi setiap 80–100 km untuk melawan pengecilan gentian. bujangpenguat gentian optikmembawa 80+ saluran DWDM pada 100G atau 400G setiap saluran bergantung pada rantaian penguat ini untuk mengekalkan kualiti isyarat sepanjang beribu-ribu kilometer. Keluarkan EDFA daripada gambar, dan ekonomi pengangkutan darat-berkapasiti tinggi runtuh.

Sistem Kabel Dasar Selam

Kabel dasar selam adalah persekitaran paling keras yang pernah dihadapi oleh EDFA. Kabel transoceanic boleh menjangkau melebihi 10,000 km dengan lebih 100 pengulang EDFA terletak di dasar lautan. Unit-unit ini perlu beroperasi secara berterusan selama 25 tahun tanpa akses penyelenggaraan. Kebolehpercayaan bukan sahaja bagus-untuk-mengalami - kegagalan di dasar laut bermakna lawatan kapal yang mahal. EDFA ini dijalankan dengan laser pam berlebihan dan margin operasi konservatif yang direka untuk memaksimumkan jangka hayat di atas segalanya.

Sambungan Pusat Data (DCI)

Pusat data hiperskala memerlukan-lebar lebar, rendah{1}}pautan kependaman antara kampus dan pautan tersebut selalunya menjangkau puluhan hingga ratusan kilometer. EDFA membolehkan penghantaran 400G dan 800G yang koheren pada laluan DCI ini. Dengan latihan AI yang semakin diedarkan merentasi pelbagai kemudahan, segmen ini berkembang pesat.

Sistem DWDM

EDFA bukan sahaja menjadi serasi dengan DWDM - tetapi juga yang menjadikan DWDM praktikal pada mulanya. Menguatkan 40, 80 atau 96 saluran secara serentak dalam satu peranti adalah perkara yang membolehkan pengendali rangkaian menskalakan kapasiti gentian tanpa menskala infrastruktur pada kadar yang sama. Setiap sistem DWDM yang berjalan hari ini mempunyai EDFA di dalamnya.

Rangkaian Pengedaran CATV

Rangkaian TV kabel menggunakan EDFA sebagai penguat kuasa untuk meningkatkan isyarat optik dari hujung kepala, menolaknya ke pangkalan pelanggan yang lebih besar merentasi kawasan liputan yang lebih luas. Kuasa keluaran tinggi bagi -jenis EDFA penggalak sesuai dengan model pengedaran siaran ini.

Aplikasi Lain

EDFA juga muncul dalampenguat gentianpenempatan dalam LAN berasaskan gentian-(mengimbangi kerugian pengedaran), komunikasi ketenteraan dan aeroangkasa (di mana kebolehpercayaan dan toleransi alam sekitar tidak-boleh dirundingkan), dan rangkaian komunikasi kuantum yang muncul (di mana menguatkan isyarat lemah tanpa penukaran elektrik mempunyai nilai tertentu).

Cara Memilih EDFA yang Betul

Memilih EDFA yang betul bermula dengan memahami peranannya dalam rangkaian anda. Penggalak, penguat-baris dan pra-amp mempunyai tindanan keutamaan yang berbeza sama sekali - membeli unit hingar-rendah untuk aplikasi penggalak membazirkan wang pada spesifikasi yang tidak membantu anda.

Tentukan peranan dahulu. Booster bermakna anda mengambil berat tentang kuasa keluaran tepu. Dalam-baris bermakna anda mengimbangi keuntungan dengan bunyi. Pra-amp bermaksud angka bunyi adalah raja.

Sahkan jalur operasi anda. C-band (1530–1565 nm), L-band (1565–1625 nm) atau kedua-duanya. C+L EDFA wujud, tetapi ketersediaan dan prestasi berbeza mengikut vendor.

Kira keperluan keuntungan dan kuasa daripada belanjawan span loss anda. Untuk penggalak, fokus pada kuasa keluaran tepu. Untuk amp dalam-baris, pastikan keuntungan meliputi kerugian span dengan margin. Untuk pra-amp, sahkan kuasa input minimum yang boleh dikendalikannya semasa masih memukul NF yang boleh diterima.

Nilai angka hingar dengan berhati-hati jika anda melata. NF yang lebih rendah bermakna lebih banyak margin OSNR, yang bermaksud capaian yang lebih panjang atau BER yang lebih baik. Dalam rantaian penguat, walaupun 1 dB sebatian peningkatan NF merentasi setiap rentang.

Semak kerataan perolehan - terutamanya untuk DWDM dengan kiraan saluran yang tinggi. Semakin banyak EDFA dalam rantai anda, semakin ketat spesifikasi ini. Sistem yang menjalankan 40 saluran mempunyai keperluan kerataan yang berbeza daripada yang menjalankan 80 saluran.

Faktor dalam persekitaran penempatan. Rak dalam-lekap, kabinet luar dan dasar laut ialah tiga dunia yang sangat berbeza. Julat suhu operasi, toleransi kelembapan, penarafan kejutan mekanikal, MTBF - semua ini beralih berdasarkan ke mana unit pergi. EDFA dasar laut pada asasnya ialah kategori produk yang berbeza daripada unit lekap-rak.