Što je EDFA?
EDFA jeoptičko pojačalokoji koristi dio vlakna-dopiranog erbijem za pojačavanje svjetlosnih signala izravno u optičkoj domeni. Tradicionalni repetitori zahtijevaju pretvorbu optičkog-u-električnog-u-optičkog (O-E-O) u svakom stupnju; EDFA sve to preskače. Signal ostaje lagan od početka do kraja - čime se čuva propusnost, smanjuje kašnjenje i uklanja čitav sloj mrežne složenosti.
Djeluje u C-pojasu (1530–1565 nm) i L-pojasu (1565–1625 nm), točno u prozorima prijenosa s najmanjim-gubicima silicij vlakana. To spektralno preklapanje nije slučajnost - to je razlog zašto je EDFA postao zadano pojačalo u-mrežama dugog dometa i razlog zašto WDM i DWDM sustavi rade na način na koji rade. Jedan EDFA može pojačati desetke ili čak stotine kanala valnih duljina koji putuju kroz jedno vlakno u isto vrijeme.
EDFA problem koji rješava
Optički signali gube snagu dok putuju kroz vlakno. Prigušenje, gubici spoja, gubici konektora - sve se zbraja. Prije EDFA-e, jedina opcija bila je postavljanje elektroničkih regeneratora duž trase. Ti su uređaji pretvarali svjetlost u električnu energiju, čistili signal, ponovno ga -pojačavali i pretvarali natrag u svjetlost. Svaki je regenerator bio skup i-specifičan za format: mogao je podnijeti samo jednu brzinu prijenosa podataka i jednu shemu modulacije. Ako ste htjeli skalirati WDM sustav, morali ste pomnožiti regeneratore s brojem kanala. Cijena i složenost brutalno su porasli.
Proboj je došao 1987., kada su istraživači to pokazalivlakna-dopirana erbijemmogao pojačati signale blizu 1550 nm putem stimulirane emisije. Dvije godine kasnije, prva dioda-je počela raditivlaknasto pojačalo s-erbijempotvrđen je u laboratoriju, dokazujući da koncept može funkcionirati u stvarnim mrežama. Ono što je ovo učinilo tako značajnim nije bilo samo pojačanje - nego to što je jedan EDFA mogao pojačati sve kanale valne duljine u WDM sustavu odjednom. Nema regeneracije po-kanalu. Ta je jedna sposobnost učinila multipleksiranje s-razdjelom guste valne duljine ekonomski isplativim i stavila podvodne kabele terabitne-veličine nadohvat ruke.
Kako EDFA radi?
Temeljni mehanizam: stimulirana emisija
EDFA radi na istom principu kao laserska - stimulirana emisija - osim što pojačava postojeću svjetlost umjesto da stvara novu svjetlost.
Laser s pumpom-visoke snage (radi na 980 nm ili 1480 nm) ubrizgava energiju u vlakno -dopirano erbijem. Erbijevi ioni (Er³⁺) apsorbiraju ovu energiju pumpe i skaču iz svog osnovnog stanja u pobuđeno stanje. Nakon što se dovoljno iona pobudi, dobivate inverziju naseljenosti - više iona koji se nalaze u visoko-energetskom stanju nego u osnovnom stanju. To je preduvjet da se pojačanje dogodi.
Sada slabi optički signal blizu 1550 nm ulazi u dopirano vlakno. Njegovi fotoni pogađaju pobuđene ione erbija, a svaka interakcija pokreće ion da se vrati u osnovno stanje, oslobađajući pritom novi foton. Ovaj novi foton identičan je signalnom fotonu - iste valne duljine, iste faze, istog smjera. Pomnožite to na milijarde interakcija duž duljine vlakna, a signal na drugom kraju izlazi znatno jači.
Pojačanje je inherentno širokopojasno. Spektar pojačanja erbija obuhvaća otprilike 30-40 nm u C-pojasu. To nije pametno inženjersko rješenje - ono je ugrađeno u fiziku strukture energetske razine erbijevog iona. Zbog toga jedan EDFA može upravljati s 40, 80 ili čak 96 DWDM kanala istovremeno.
Ključne komponente unutar EDFA
Radni EDFA modul ima više toga nego samo komad dopiranog vlakna. Pet osnovnih komponenti radi zajedno:
Vlakno -dopirano erbijem (EDF) je medij pojačanja. Duljina vlakana, koncentracija erbija i sastav stakla oblikuju pojačanje i karakteristike šuma. Laser pumpe daje energiju za pobuđivanje erbijevih iona - njegova snaga i stabilnost određuju pojačanje i šum EDFA-a. WDM spojnica spaja svjetlo pumpe i signalno svjetlo tako da se zajedno šire kroz dopirano vlakno. Optički izolatori na ulazu i izlazu blokiraju-refleksije koje bi mogle destabilizirati pojačalo ili potaknuti parazitsko zračenje. A optički filtar uklanja--šum pojasa i pojačanu spontanu emisiju (ASE) kako bi izlaz bio čist.
Pumpanje 980 nm u odnosu na 1480 nm - Zašto mnogi EDFA koriste oboje
Valna duljina pumpe jedna je od najvećih dizajnerskih odluka u EDFA, a dvije opcije uključuju pravi kompromis - ne samo različite specifikacije na podatkovnoj tablici.
Pumpa od 980 nm pobuđuje erbijeve ione na visoku energetsku razinu (E3), koji se zatim brzo opuštaju na metastabilnu razinu (E2) kroz ne-radijacijski proces. Taj -put od dva koraka proizvodi vrlo čistu inverziju naseljenosti i nižu vrijednost buke - obično 1–2 dB bolju od 1480 nm. Za pred-pojačala kod kojih je bitan svaki djelić dB buke, 980 nm je ono što želite.
Pumpanje od 1480 nm ide prečacem: pobuđuje ione erbija izravno na metastabilnu razinu (E2). Energetski-učinkovitiji, veća izlazna snaga, ali bučniji. To ga čini boljim za dodatna pojačala gdje je sirova snaga važnija od performansi buke.
Mnogi-EDFA-ovi visokih performansi ne odabiru ni jedno ni drugo - oni koriste obje. 980 nm pumpe u smjeru prema naprijed kako bi održali nisku buku, 1480 nm pumpe u smjeru unatrag kako bi povećali izlaznu snagu. Ova hibridna konfiguracija standardna je u podmorskim i-zemaljskim sustavima za dugolinijske prijevoze, i to s dobrim razlogom: dobivate korist od buke od 980 nm i prednost snage od 1480 nm u jednoj jedinici.
Tri vrste EDFA i kada svaku koristiti
Gdje se EDFA nalazi u optičkoj vezi određuje sve o tome kako treba biti dizajniran. Specifikacije koje su bitne za pojačivač gotovo su irelevantne za pret-pojačalo, i obrnuto.
Booster pojačalo
Ide odmah nakon odašiljača. Njegov zadatak je povećati snagu signala što je više moguće prije nego svjetlost uđe u raspon vlakana. U DWDM sustavima, multiplekser uvodi uneseni gubitak koji smanjuje snagu lansiranja, a pojačivač to kompenzira. Specifikacija koja je ovdje najvažnija je zasićena izlazna snaga - obično 16–23 dBm. Brojka šuma je sekundarna jer je ulazni signal još uvijek jak.
In-Linijsko pojačalo
Oni se nalaze na srednjim točkama duž vlakna, obično svakih 80-100 km, kompenzirajući gubitak raspona i održavajući signal iznad razine šuma. Potreban im je visok dobitak (20–30 dB) s pristojnim performansama buke. Evo što se tiče in-linijskih pojačala: šum se nakuplja u svakoj fazi. Kada dizajnirate proračun buke za lanac od 10, 20 ili 100 kaskadnih EDFA u podmorskom kabelu, doprinos svakog pojačala je važan. Pogriješiti čak i s malom razlikom može značiti razliku između veze koja radi i one koja se ne zatvara.
Pred-pojačalo
Nalazi se točno ispred slušalice. Do ove točke, signal je možda prešao stotine ili tisuće kilometara i dostigao vrlo malu snagu - ponekad ispod -30 dBm. Na tim je razinama rast buke ASE najgori. Šum je najvažniji parametar za pretpojačalo. Poboljšanje NF-a od 1 dB ovdje se može izravno prevesti u prošireni doseg ili bolju stopu pogreške u bitovima za cijelu vezu.
Ključni parametri izvedbe
dobitak
Mjereno u dB. Dobitak od 30 dB znači da je izlaz 1000 puta jači od ulaza. Neki EDFA dizajni mogu premašiti 50 dB, iako većina komercijalnih jedinica radi u rasponu od 15-35 dB. Dobitak ovisi o duljini EDF-a, snazi pumpe i razini ulaznog signala. To nije fiksni broj - kako se ulazna snaga povećava, pojačanje se komprimira zbog zasićenja. Izračuni proračuna veze to moraju uzeti u obzir.
Slika šuma (NF)
Kvantificira koliko dodatnog šuma dodaje EDFA. Teoretski minimum je 3 dB (kvantna granica za fazno-neosjetljivo pojačalo pri visokom pojačanju), a komercijalni EDFA obično postižu 5-7 dB u uvjetima slabog-signala. Za pret-pojačala i kaskadne dugo-veze, NF je često prvi parametar koji optimizirate, jer izravno postavlja OSNR proračun za cijeli sustav.
Zasićena izlazna snaga
Maksimalna izlazna snaga koju EDFA može isporučiti kada je ulaz dovoljno jak (obično veći od ili jednak 0 dBm) da ga dovede do zasićenja. Ovo je glavni broj za dodatna pojačala. Veća izlazna snaga znači da možete lansirati više u vlakno, što općenito znači veće raspone između mjesta pojačala.
Dobijte ravnomjernost
U DWDM sustavu s mnogo kanala, idealno bi bilo da svaki kanal dobije isti dobitak. Spektar pojačanja erbija ne surađuje - neke se valne duljine prirodno više pojačavaju od drugih. Ravnost pojačanja mjeri tu varijaciju, obično izraženu kao -do-vršni dB preko radnog pojasa.
Problem postaje očit kada kaskadirate pojačala. Recimo da jedan kanal ima 0,5 dB manje pojačanja po pojačalu. Nakon deset pojačala slabiji je za 5 dB. Nakon dvadeset, mogao bi u potpunosti pasti ispod praga osjetljivosti prijemnika. Podmorski kabelski sustavi i dugo{6}}zemaljske mreže rješavaju ovo preko-filtara za izravnavanje pojačanja (GFF) ugrađenih u EDFA modul ili podešavanjem koncentracije aluminija u EDF staklu kako bi se poboljšala inherentna ravnomjernost spektra pojačanja.
EDFA u odnosu na druga optička pojačala
EDFA nasuprot SOA (poluvodičko optičko pojačalo)
SOA koristi poluvodički medij umjesto dopiranog vlakna. Manji je, jeftiniji i može se integrirati u fotonske čipove - stvarne prednosti za metro mreže, optičko prebacivanje i obradu signala. Ali za prijenos-na velike udaljenosti, ne može izdržati. SOA dobitak iznosi oko 15–25 dB (EDFA može premašiti 50 dB), njegov broj šuma kreće se od 7–12 dB (u odnosu na EDFA 5–7 dB), osjetljiv je na polarizaciju-i uvodi preslušavanje između WDM kanala koje EDFA jednostavno nema.
SOA ima svoje mjesto. EDFA ima svoje mjesto. Za okosnicu DWDM prijenosa, izbor nije blizu.
EDFA vs Ramanovo pojačalo
Ramanovo pojačanje djeluje kroz potpuno drugačiji mehanizam - stimulirano Ramanovo raspršenje - i događa se unutar samog prijenosnog vlakna, a ne u zasebnom dopiranom vlaknu. Budući da se signal pojačava postupno duž raspona umjesto odjednom, nikad ne padne tako nisko kao što bi bio s pojačanjem samo EDFA{3}}. Efektivna vrijednost buke može biti manja kao rezultat.
Loše strane su ipak stvarne. Ramanova pojačala zahtijevaju veliku snagu pumpe (često preko 500 mW), isporučuju skromno pojačanje (10–15 dB obično) i dodaju složenost postavljanja. S druge strane, oni su valne duljine-fleksibilni na način na koji EDFA ne može parirati - samo pomaknite valnu duljinu pumpe da pojačate drugačiji pojas.
Ove dvije tehnologije zapravo nisu konkurenti. Većina ultra{1}}dug-sustava i podmorskih sustava koristi oboje: Raman osigurava distribuirani "pod" pojačanja koji sprječava da signal padne predaleko u šum, a EDFA daje koncentrirano pojačanje visokog-pojačanja na svakom repetitoru. Ovaj hibridni pristup postao je standardni način za povećanje kapaciteta i dosega do svojih granica.
Gdje se EDFA danas koristi
Zemaljske-mreže dugog dometa
Ovdje EDFA zarađuje. U glavnim mrežama koje se protežu na nacionalnim ili kontinentalnim udaljenostima, EDFA ulaze svakih 80-100 km kako bi se borili protiv prigušenja vlakana. Jednostrukasvjetlovodno pojačaloprijenos 80+ DWDM kanala na 100G ili 400G po kanalu ovisi o lancu ovih pojačala za održavanje kvalitete signala na tisućama kilometara. Izbacite EDFA iz slike i ekonomija zemaljskog-transporta velikog kapaciteta kolabira.
Podmorski kabelski sustavi
Podmorski kabeli su najteže okruženje s kojim se EDFA ikada suočio. Prekooceanski kabel može se protezati preko 10 000 km s više od 100 EDFA repetitora koji se nalaze na dnu oceana. Ove jedinice moraju raditi neprekidno 25 godina bez pristupa održavanju. Pouzdanost nije samo-lijepo-imati - kvar na morskom dnu znači skupu posjetu brodu. Ovi EDFA uređaji rade s redundantnim laserima pumpe i konzervativnim radnim maržama dizajniranim za maksimiziranje životnog vijeka prije svega.
Međusobno povezivanje podatkovnog centra (DCI)
Podatkovni centri hiperrazmjera trebaju veze između kampusa velike-propusnosti, niske-latencije, a te se veze često protežu na desetke do stotine kilometara. EDFA omogućuje koherentan prijenos 400G i 800G na ovim DCI rutama. Uz AI obuku koja se sve više distribuira u više objekata, ovaj segment brzo raste.
DWDM sustavi
EDFA nije samo postao kompatibilan s DWDM - već je DWDM uopće učinio praktičnim. Pojačavanje 40, 80 ili 96 kanala istovremeno u jednom uređaju je ono što mrežnim operaterima omogućuje skaliranje kapaciteta vlakana bez skaliranja infrastrukture istom brzinom. Svaki DWDM sustav koji danas radi ima EDFA u sebi.
CATV distribucijske mreže
Kabelske TV mreže koriste EDFA kao pojačala snage za pojačavanje optičkog signala iz glavne stanice, gurajući ga do veće baze pretplatnika preko šireg područja pokrivenosti. Velika izlazna snaga EDFA-pojačivača dobro odgovara ovom modelu distribucije emitiranja.
Ostale aplikacije
EDFA se također pojavljuje uvlaknasto pojačaloimplementacije unutar LAN-ova-temeljenih na optičkim vlaknima (kompenziranje gubitaka u distribuciji), vojnih i zrakoplovnih komunikacija (gdje se o pouzdanosti i toleranciji na okoliš ne- pregovara) i kvantnih komunikacijskih mreža u nastajanju (gdje pojačavanje slabih signala bez električne pretvorbe ima posebnu vrijednost).
Kako odabrati pravi EDFA
Odabir pravog EDFA-e počinje s razumijevanjem njegove uloge u vašoj mreži. Pojačivač, linijski-pojačalo i pret-pojačalo imaju potpuno različite skupove prioriteta - kupnja jedinice s niskim-šumom za pojačivač je bacanje novca na specifikaciju koja vam ne pomaže.
Prvo definirajte ulogu. Booster znači da vam je stalo do zasićene izlazne snage. In-line znači da balansirate pojačanje i šum. Pred-pojačalo znači da je broj buke glavni.
Potvrdite svoj radni opseg. C-pojas (1530–1565 nm), L-pojas (1565–1625 nm) ili oboje. C+L EDFA postoje, ali dostupnost i performanse ovise o dobavljaču.
Izračunajte pojačanje i zahtjeve za snagom iz proračuna za gubitke raspona. Za pojačivač, usredotočite se na zasićenu izlaznu snagu. Za in-linijski pojačalo, pobrinite se da dobitak pokriva gubitak raspona s marginom. Za pret-pojačalo, provjerite minimalnu ulaznu snagu koju može podnijeti dok još uvijek postiže prihvatljivi NF.
Pažljivo procijenite broj buke ako kaskadno spajate. Niži NF znači veću marginu OSNR-a, što znači duži doseg ili bolji BER. U lancu pojačala, čak 1 dB poboljšanja NF spojeva u svakom rasponu.
Provjerite ravnomjernost pojačanja - posebno za DWDM s velikim brojem kanala. Što je više EDFA u vašem lancu, to ova specifikacija mora biti čvršća. Sustav koji pokreće 40 kanala ima drugačije zahtjeve ravnosti od onog koji pokreće 80.
Uzmite u obzir okruženje implementacije. Unutarnji stalak-montaža, vanjski ormarić i podmorje tri su vrlo različita svijeta. Raspon radne temperature, tolerancija vlage, stupanj mehaničkog udara, MTBF - sve se to mijenja ovisno o tome gdje se jedinica kreće. Podvodni EDFA u biti su druga kategorija proizvoda od jedinica za-montažu na stalak.
FAQ
P: Može li EDFA pojačati bilo koju valnu duljinu?
O: Ne. EDFA pokriva samo C-pojas (1530–1565 nm) i L-pojas (1565–1625 nm). Za valne duljine izvan tog raspona - kao što je O-pojas (1260–1360 nm) koji se koristi u nekim aplikacijama kratkog{12}}dometa - potrebna vam je drugačija tehnologija pojačala, kao što je SOA ili Raman.
P: Koja je razlika između EDFA i tradicionalnog repetitora?
O: Tradicionalni repetitor pretvara optički signal u električni, regenerira ga i pretvara natrag u svjetlost (O-E-O). EDFA izravno pojačava svjetlost, bez električne konverzije u bilo kojem trenutku. To ga čini jednostavnijim, bržim, transparentnijim za format podataka i sposobnim rukovati svim WDM kanalima odjednom. Repetitor bi trebao poseban hardver za svaki kanal.
P: Koliko EDFA-ova možete kaskadno postaviti u jednu vezu?
O: To ovisi o vašem OSNR proračunu. Svaki EDFA dodaje ASE šum, tako da kvaliteta signala opada sa svakom fazom. Podvodni kabelski sustavi rutinski kaskadiraju više od 100 EDFA-a, ali potrebno je pažljivo upravljanje pojačanjem, izlaznom snagom i ravnomjernošću pojačanja na svakom mjestu pojačala da bi funkcioniralo.
P: Trebam li koristiti 980 nm ili 1480 nm pumpanje?
O: Ako je brojka šuma vaš prioritet - pred-pojačala, dugi kaskadni lanci - idu s 980 nm. Ako je izlazna snaga važnija - pojačivači,-aplikacije velike-snage - 1480 nm je bolji izbor. Mnogi vrhunski-EDFA-ovi koriste oboje: 980 nm naprijed, 1480 nm natrag.
P: Koliko košta EDFA?
O: Ima širok raspon. Osnovni jedno-kanalni C-pojasni modul može koštati nekoliko stotina dolara. Više{4}}kanalna jedinica s ugrađenim-ujednačavanjem pojačanja za DWDM može pokrenuti nekoliko tisuća. EDFA-klase za podmornice s poboljšanom pouzdanošću koštaju znatno više. Izlazna snaga, broj šuma i broj kanala utječu na cijene - potražite ponude izravno od dobavljača za bilo što specifično.
P: Što da radim ako je ASE šum mog EDFA previsok?
O: Prvo provjerite snagu lasera pumpe - slabiji izlaz čest je krivac. Uvjerite se da je snaga ulaznog signala unutar specifikacije jer rad ispod minimalnog ulaza pogoršava ASE. Pregledajte konektore i spojeve za prekomjerne gubitke. Ako je jedinica bila u upotrebi godinama, starenje lasera crpke je vjerojatni glavni uzrok. U kaskadnim sustavima također pogledajte gura li nagib pojačanja u lancu neke kanale u teritorij niske-snage gdje ASE počinje dominirati.
P: Radi li EDFA u CWDM sustavima?
O: Samo djelomično. CWDM obuhvaća mnogo širu mrežu valnih duljina (1270–1610 nm) nego DWDM, a EDFA pokriva samo pojaseve C i L. Kanali unutar 1530–1625 nm mogu se pojačati; ostalo ne može. Potpuna CWDM pokrivenost pojasa zahtijeva kombiniranje EDFA s drugim vrstama pojačala.
P: Koliko dugo traje EDFA?
O: Komercijalne jedinice obično su projektirane za 10-25 godina neprekidnog rada. Laser pumpe je primarna komponenta trošenja - njegova postupna degradacija je ono što u konačnici ograničava životni vijek. Podmorski EDFA su izgrađeni prema najstrožim standardima, sa redundantnim pumpama i konzervativnim radnim točkama kako bi se osigurala desetljeća rada bez ikakvog pristupa održavanju.
