با نحوه کار تقویت کننده های نوری EDFA 1550 نانومتری، کاربردهای آنها در شبکه های فیبر، مشخصات کلیدی و معیارهای انتخاب برای عملکرد بهینه آشنا شوید.

تقویت کننده فیبر دوپ شده اربیوم (EDFA) که در 1550 نانومتر کار می کند یکی از حیاتی ترین اجزای سیستم های ارتباطی فیبر نوری مدرن است. این دستگاه تخصصی سیگنال های نوری را مستقیماً در حوزه نوری بدون نیاز به تبدیل به سیگنال های الکتریکی تقویت می کند و امکان انتقال از راه دور و معماری های پیچیده شبکه را فراهم می کند که در غیر این صورت غیرممکن بود. طول موج 1550 نانومتر مربوط به باند C ارتباطات نوری است، جایی که فیبر تک حالته استاندارد کمترین ویژگی های تضعیف خود را نشان می دهد و آن را به پنجره طول موج ترجیحی برای مخابرات دوربرد، شبکه های مترو و سیستم های توزیع تلویزیون کابلی تبدیل می کند.

اهمیت اساسی فناوری EDFA در توانایی آن برای غلبه بر محدودیت‌های تضعیف فیبر است که قبلاً فاصله انتقال را تا حدود 80 تا 100 کیلومتر قبل از نیاز به بازسازی سیگنال محدود می‌کرد. قبل از اینکه استقرار EDFA در دهه 1990 گسترده شود، سیگنال‌های نوری به بازسازی‌کننده‌های نوری الکترونیکی گران‌قیمتی نیاز داشتند که سیگنال‌های نوری را به شکل الکتریکی تبدیل می‌کردند، آنها را به صورت الکترونیکی تقویت و تغییر شکل می‌دادند، سپس برای ادامه انتقال به سیگنال‌های نوری تبدیل می‌شدند. EDFAها با ارائه تقویت تمام نوری با عملکرد نویز برتر، انعطاف پذیری طول موج و مقرون به صرفه، ارتباطات راه دور را متحول کردند. درک نحوه عملکرد این تقویت کننده ها، مشخصات فنی آنها و استراتژی های پیاده سازی مناسب برای مهندسان شبکه، یکپارچه سازان سیستم و متخصصان مخابرات که با زیرساخت فیبر نوری کار می کنند ضروری است.

اصول عملیاتی و فناوری اصلی

EDFA بر اساس اصول انتشار تحریک شده مشابه اصول حاکم بر عملکرد لیزر عمل می کند، اما برای تقویت سیگنال های موجود به جای تولید نور جدید پیکربندی شده است. جزء اصلی شامل بخشی از فیبر نوری است که ماتریس شیشه‌ای آن با یون‌های اربیوم در غلظت‌های معمولاً بین 100 تا 1000 قسمت در میلیون دوپ شده است. وقتی این یون‌های اربیوم انرژی را از لیزر پمپ جذب می‌کنند، به حالت‌های انرژی برانگیخته تبدیل می‌شوند. همانطور که فوتون های سیگنال در 1550 نانومتر از فیبر دوپ شده با اربیوم عبور می کنند، باعث انتشار تحریک شده از یون های اربیوم برانگیخته می شوند و فوتون های اضافی را آزاد می کنند که با فوتون های سیگنال منسجم و یکسان هستند و در نتیجه سیگنال نوری را تقویت می کنند.

سیستم های پمپ لیزری

لیزر پمپ انرژی لازم برای برانگیختن یون های اربیوم را به حالت تقویت کننده آنها فراهم می کند. EDFAهای مدرن معمولاً از لیزرهای پمپ نیمه هادی استفاده می کنند که در طول موج های 980 نانومتر یا 1480 نانومتر کار می کنند، که هر کدام مزایای مشخصی دارند. طول موج پمپ 980 نانومتری عملکرد نویز کمتری را ارائه می‌کند زیرا یون‌های اربیوم را به سطح انرژی بالاتری برمی‌انگیزد و در نتیجه تقویت سه سطحی کارآمدتر با حداقل انتشار خودبه‌خودی ایجاد می‌کند. با این حال، پمپاژ 1480 نانومتری راندمان تبدیل بالاتری را ارائه می‌کند و گرمای کمتری تولید می‌کند، که آن را برای کاربردهای پرقدرت ترجیح می‌دهد. طرح‌های پیشرفته EDFA اغلب هر دو طول موج پمپ را در پیکربندی‌های دو مرحله‌ای ترکیب می‌کنند، از پمپاژ 980 نانومتری برای مرحله اول برای به حداقل رساندن نویز و پمپاژ 1480 نانومتری برای مرحله خروجی برای به حداکثر رساندن راندمان توان استفاده می‌کنند.

مولفه های چندپلکس کننده تقسیم طول موج

در بسته EDFA، کوپلرهای تقسیم طول موج چندگانه (WDM) عملکرد حیاتی ترکیب نور پمپ با نور سیگنال و جداسازی این طول موج ها در نقاط مناسب در زنجیره تقویت کننده را انجام می دهند. این اجزای نوری غیرفعال باید تلفات درج کم را برای طول موج سیگنال از خود نشان دهند در حالی که به طور موثر انرژی پمپ را به فیبر دوپ شده اربیوم متصل می کنند. کوپلرهای WDM با کیفیت بالا همچنین بین مسیرهای پمپ و سیگنال ایزوله می‌کنند و از رسیدن نور پمپ به پورت‌های خروجی جلوگیری می‌کنند که می‌تواند به تجهیزات پایین دست آسیب برساند یا در عملکرد سیستم اختلال ایجاد کند. ساخت دقیق این کوپلرها به طور قابل توجهی بر عملکرد و قابلیت اطمینان کلی EDFA تأثیر می گذارد.

مشخصات و پارامترهای کلیدی عملکرد

انتخاب تجهیزات EDFA مناسب مستلزم درک مشخصات فنی است که عملکرد تقویت کننده را تعریف می کند و چگونه این پارامترها بر عملکرد سطح سیستم تأثیر می گذارد. برنامه های کاربردی مختلف ویژگی های مختلف را اولویت بندی می کنند و درک مشخصات را برای انتخاب بهینه اجزا ضروری می کنند.

مشخصات شکل نویز مستحق توجه ویژه است زیرا اساساً تعداد تقویت کننده هایی را که می توانند آبشاری شوند و در عین حال کیفیت سیگنال قابل قبولی را حفظ می کنند، محدود می کند. هر EDFA نویز انتشار خودبه‌خودی تقویت‌شده (ASE) را به سیگنال اضافه می‌کند و نسبت سیگنال به نویز نوری (OSNR) را کاهش می‌دهد. در سیستم های طولانی مدت با چندین مرحله تقویت کننده، نویز تجمعی در نهایت می تواند سیگنال را تحت الشعاع قرار دهد و باعث نرخ خطای بیت غیرقابل قبول شود. EDFAهای ممتاز با ارقام نویز که به حد کوانتومی 3 دسی بل نزدیک می شوند، آبشارهای طولانی تر و حاشیه های سیستم بالاتری را امکان پذیر می کنند، اگرچه آنها معمولاً قیمت گذاری برتر را که منعکس کننده الزامات طراحی و ساخت پیچیده آنها است، سفارش می دهند.

مسطح بودن بهره در سیستم‌های مالتی پلکس تقسیم طول موج که کانال‌های متعدد را در سراسر باند C حمل می‌کنند، اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. طیف بهره طبیعی اربیوم تغییرات قابل توجهی وابسته به طول موج را نشان می دهد، با حداکثر بهره در حدود 1530 نانومتر و کاهش بهره در طول موج های طولانی تر. بدون جبران، این افزایش غیر یکنواخت باعث عدم تعادل توان کانال می شود که از طریق تقویت کننده های آبشاری بدتر می شود و در نهایت برخی از کانال ها را غیرقابل استفاده می کند در حالی که برخی دیگر از محدودیت های کنترل توان تجهیزات فراتر می روند. EDFAهای پیشرفته دارای فیلترهای مسطح بهره هستند—عناصر نوری غیرفعال با پاسخ‌های طیفی مکمل که بهره را در پهنای باند عملیاتی برابر می‌کنند و امکان تقویت یکنواخت ده‌ها کانال WDM را به طور همزمان فراهم می‌کنند.

دسته بندی برنامه ها و موارد استفاده

تطبیق پذیری از EDFA 1550 نانومتری این فناوری امکان استقرار در برنامه های مختلف مخابراتی را فراهم می کند که هر کدام دارای الزامات عملکرد و ملاحظات عملیاتی خاص هستند. درک این دسته از برنامه ها به انتخاب تقویت کننده های پیکربندی مناسب و اجرای موثر آنها کمک می کند.

سیستم های انتقال مسافت طولانی و فوق طولانی

سیستم های فیبر نوری طولانی مدت که صدها یا هزاران کیلومتر را در بر می گیرد، اصلی ترین و پرتقاضاترین کاربرد فناوری EDFA را نشان می دهد. این سیستم‌ها به تقویت‌کننده‌هایی با عملکرد نویز استثنایی، قابلیت توان خروجی بالا و پایداری عالی در محدوده دمایی وسیع و دوره‌های عملیاتی طولانی نیاز دارند. سیستم‌های کابلی زیردریایی نمونه‌ای از کاربرد نهایی در مسافت‌های طولانی هستند، با تقویت‌کننده‌هایی که به طور مداوم به مدت 25 سال یا بیشتر در کف اقیانوس کار می‌کنند، جایی که دسترسی به خدمات اساساً غیرممکن است. چنین الزامات اطمینان شدیدی باعث می‌شود که طراحی‌های تخصصی EDFA شامل لیزرهای پمپ اضافی، حفاظت از محیط زیست بهبودیافته، و آزمایش‌های صلاحیتی گسترده که عملکرد را در شرایط پیری تسریع تأیید می‌کند، ایجاد کند.

متروپولیتن و شبکه های دسترسی

شبکه‌های شهری و سیستم‌های دسترسی فیبر به خانه از EDFA در پیکربندی‌های مختلف استفاده می‌کنند که برای فواصل کوتاه‌تر، تعداد کانال‌های کمتر و محیط‌های حساس به هزینه بهینه شده‌اند. EDFA های مترو اغلب برخی عملکرد نویز را به نفع بسته بندی فشرده، مصرف انرژی کمتر و کاهش هزینه قربانی می کنند. برنامه های کاربردی شبکه دسترسی ممکن است از EDFA ها به عنوان تقویت کننده های توزیع، تقویت کننده قدرت سیگنال قبل از تقسیم به چندین نقطه پایانی، یا به عنوان پیش تقویت کننده هایی که حساسیت گیرنده را در شبکه های نوری غیرفعال دوربرد بهبود می بخشند، استفاده کنند. این برنامه‌ها معمولاً شامل سناریوهای آبشاری کم‌تر می‌شوند، اما به عملکرد قابل اعتماد در محیط‌های کنترل‌نشده از جمله کابینت‌های خارج از منزل در معرض دمای افراطی و آلودگی محیطی بالقوه نیاز دارند.

CATV و پخش پخش

اپراتورهای تلویزیون کابلی از EDFAهای 1550 نانومتری به طور گسترده در شبکه‌های فیبر کواکسیال ترکیبی (HFC) استفاده می‌کنند، جایی که انتقال نوری سیگنال‌های پخش و پخش باریک را از سر به گره‌های همسایگی ارائه می‌دهد. برنامه های CATV الزامات منحصر به فردی از جمله مشخصات اعوجاج کامپوزیت بسیار کم را برای حفظ کیفیت ویدئوی آنالوگ، توان خروجی بالا برای پشتیبانی از تقسیم سیگنال برای چندین گره و فرمت های مدولاسیون تخصصی که ده ها یا صدها کانال RF را حمل می کنند، تحمیل می کنند. EDFA برای خدمات CATV معمولاً دارای طرح‌های خطی‌شده است که محصولات درون‌مدولاسیون را به حداقل می‌رساند، مراحل خروجی با توان بالا که 20 dBm یا بیشتر را ارائه می‌دهند، و قابلیت‌های نظارتی برای ردیابی پارامترهای حیاتی که بر کیفیت خدمات تأثیر می‌گذارند.

گزینه های پیکربندی و تغییرات معماری

محصولات مدرن EDFA گزینه‌های پیکربندی و تغییرات معماری متعددی را ارائه می‌کنند که برای بهینه‌سازی عملکرد برای کاربردها یا شرایط عملیاتی خاص طراحی شده‌اند. درک این گزینه ها، مشخصات و برنامه ریزی استقرار مناسب را امکان پذیر می کند.

• تقویت‌کننده‌های تک مرحله‌ای ساده‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین پیکربندی را ارائه می‌کنند، که از یک بخش فیبر دوپ شده با اربیوم با لیزر پمپ مرتبط و اپتیک کوپلینگ تشکیل شده است. این طرح‌ها برای برنامه‌هایی که نیاز به بهره و توان خروجی متوسطی دارند، جایی که رقم نویز نگرانی اصلی نیست، به خوبی کار می‌کنند.
• تقویت‌کننده‌های دو مرحله‌ای دو بخش فیبر دوپ شده با اربیوم را با یک جداکننده نوری در بین مراحل ترکیب می‌کنند و از بازتاب‌ها از بی‌ثباتی تقویت‌کننده جلوگیری می‌کنند و در عین حال بهینه‌سازی هر مرحله را برای عملکردهای مختلف ممکن می‌سازند. معمولاً مرحله اول از پمپاژ 980 نانومتری برای نویز کم استفاده می کند در حالی که مرحله دوم از پمپاژ 1480 نانومتری برای توان خروجی بالا استفاده می کند که عملکرد کلی بالاتری را در مقایسه با طرح های تک مرحله ای ارائه می دهد.
• EDFA های مسطح شده شامل عناصر فیلتر طیفی هستند که بهره را در سراسر باند C برابر می کنند که برای برنامه های WDM ضروری است. فیلتر صاف کننده ممکن است از توری های الیافی طولانی مدت، فیلترهای تداخل لایه نازک یا ساختارهای ماخ زندر مبتنی بر فیبر تشکیل شده باشد که هرکدام از آنها معاوضه های عملکرد متفاوتی را در مورد تحمل صافی، از دست دادن درج و پایداری دما ارائه می دهند.
• تقویت‌کننده‌های بهره متغیر دارای مدارهای کنترل بهره خودکار هستند که بدون توجه به تغییرات توان ورودی، بهره ثابت را حفظ می‌کنند و در برابر رویدادهای اضافه یا حذف کانال در سیستم‌های WDM پویا محافظت می‌کنند. این طرح‌ها سطوح توان ورودی و خروجی را کنترل می‌کنند و قدرت پمپ را به صورت پویا تنظیم می‌کنند تا نقطه تنظیم بهره هدف را حفظ کنند.
• EDFAهای به کمک رامان، تقویت مرسوم اربیوم را با تقویت رامان توزیع شده با استفاده از فیبر انتقال به عنوان محیط بهره ترکیب می کنند. این رویکرد ترکیبی فاصله دهانه موثر را گسترش می‌دهد و عملکرد نویز را با توزیع تقویت در طول فیبر به جای تمرکز آن در مکان‌های مجزا، بهبود می‌بخشد.

ملاحظات نصب و ادغام

استقرار موفقیت آمیز EDFA مستلزم توجه به شیوه های نصب، عوامل یکپارچه سازی سیستم و ملاحظات عملیاتی فراتر از انتخاب صرفاً مشخصات تجهیزات مناسب است. رویه‌های نصب مناسب تضمین می‌کند که تقویت‌کننده‌ها به عملکرد رتبه‌بندی خود دست می‌یابند و قابلیت اطمینان را در طول عمر عملیاتی خود حفظ می‌کنند.

کیفیت اتصال فیبر به شدت بر عملکرد EDFA تأثیر می گذارد، به ویژه در مورد بازتاب های برگشتی که می تواند عملکرد تقویت کننده را بی ثبات کند یا باعث نوسانات بهره شود. همه اتصالات فیبر باید از کانکتورهای صیقلی زاویه دار (APC) به جای اتصالات تماس فیزیکی (PC) استفاده کنند تا بازتاب های برگشتی را تا سطوح زیر 60 دسی بل به حداقل برسانند. تمیز کردن کامل صفحات انتهایی رابط قبل از جفت گیری و بازرسی با میکروسکوپ های فیبری از تلفات ناشی از آلودگی و نقاط بازتاب جلوگیری می کند. اتصالات ضعیف می تواند 1-2 دسی بل تلفات اضافی ایجاد کند، که به طور مستقیم حاشیه های سیستم را کاهش می دهد و فاصله های دهانه قابل دستیابی را کاهش می دهد.

ملاحظات منبع تغذیه بر عملکرد و قابلیت اطمینان تأثیر می گذارد. EDFA ها به برق DC پایدار نیاز دارند، معمولاً -48 ولت در برنامه های مخابراتی یا 110/220 ولت AC در تأسیسات تجاری. نویز منبع تغذیه یا نوسانات ولتاژ می تواند خروجی لیزر پمپ را تعدیل کند و تغییرات دامنه را در سیگنال تقویت شده ایجاد کند. منابع تغذیه با کیفیت با فیلتر و تنظیم ولتاژ کافی، عملکرد تمیز تقویت کننده را تضمین می کند. پیکربندی‌های منبع تغذیه اضافی از خرابی‌های یک نقطه‌ای در برنامه‌های حیاتی محافظت می‌کنند و در صورت خرابی منابع اولیه، به طور خودکار به منابع پشتیبان تغییر می‌کنند.

عوامل محیطی از جمله دما، رطوبت و ارتعاش بر عملکرد و طول عمر EDFA تأثیر می گذارد. در حالی که بیشتر تقویت کننده های درجه مخابرات محدوده دمای عملیاتی را از -5 درجه سانتیگراد تا 65 درجه سانتیگراد مشخص می کنند، پارامترهای عملکرد از جمله میزان بهره و نویز تا حدودی در این محدوده متفاوت است. اتاق‌های تجهیزات کنترل‌شده با دما یا کابینت‌های فضای باز با کنترل آب و هوا شرایط عملیاتی پایدارتری را فراهم می‌کنند، به ویژه برای سیستم‌هایی که نزدیک به محدودیت‌های مشخصات کار می‌کنند. کنترل رطوبت از تراکم که می تواند تماس های الکتریکی را خورده یا اتصالات نوری را تخریب کند، جلوگیری می کند، در حالی که جداسازی ارتعاش از ترازهای نوری حساس در محیط های با لرزش بالا محافظت می کند.

الزامات نظارت و نگهداری

نظارت مؤثر و برنامه‌های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، قابلیت اطمینان عملیاتی EDFA را به حداکثر می‌رساند و امکان تشخیص زودهنگام مشکلات در حال توسعه را قبل از ایجاد خرابی‌های مؤثر بر خدمات فراهم می‌کند. تقویت‌کننده‌های مدرن دارای قابلیت‌های نظارت داخلی گسترده‌ای هستند که وضعیت عملکرد و روند عملکرد را مشاهده می‌کنند.

پارامترهای کلیدی که نیاز به نظارت منظم دارند شامل سطوح توان نوری ورودی و خروجی، جریان و توان خروجی لیزر پمپ، خوانش دمای داخلی و نشانگرهای وضعیت آلارم است. پایش توان ورودی شکستگی فیبر یا خرابی تجهیزات بالادستی را تشخیص می‌دهد، در حالی که ردیابی توان خروجی عملکرد ضعیف یا خرابی قطعات را در تقویت‌کننده شناسایی می‌کند. جریان لیزر پمپ یک هشدار اولیه در مورد تخریب ارائه می دهد - با افزایش سن دیودهای پمپ، آنها نیاز به افزایش جریان درایو برای حفظ توان خروجی ثابت دارند و در نهایت به نقطه ای می رسند که دیگر نمی توانند قدرت پمپ کافی را برای تقویت مناسب ارائه دهند. پایش دما کارکرد را در چارچوب مشخصات تضمین می کند و می تواند مشکلات کنترل محیطی یا خنک کننده ناکافی را قبل از ایجاد خرابی شناسایی کند.

اکثر EDFA ها از نظارت از راه دور از طریق SNMP، Telnet یا پروتکل های مدیریت اختصاصی پشتیبانی می کنند و امکان دید متمرکز از مراکز عملیات شبکه را فراهم می کنند. ایجاد اندازه‌گیری‌های عملکرد خط پایه در طول نصب اولیه، داده‌های مرجع را برای تجزیه و تحلیل روند فراهم می‌کند - تخریب تدریجی در پارامترهای کلیدی اغلب نشان‌دهنده مشکلاتی است که می‌توانند در طول پنجره‌های تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌شده به جای تماس‌های خدمات اضطراری برطرف شوند. جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل منظم داده‌ها به بهینه‌سازی برنامه‌های تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، جایگزینی اجزا بر اساس شرایط واقعی به جای فواصل زمانی ثابت کمک می‌کند.

انتخاب EDFA مناسب برای برنامه شما

انتخاب تجهیزات EDFA مناسب شامل متعادل کردن الزامات فنی، محدودیت های بودجه و ملاحظات عملیاتی خاص برای هر برنامه است. یک فرآیند انتخاب سیستماتیک تمام عوامل مرتبط را برای شناسایی راه حل های بهینه در نظر می گیرد.

با محاسبه بودجه پیوندها شروع کنید که شامل تضعیف فیبر، تلفات غیرفعال اجزا، نسبت سیگنال نوری به نویز مورد نیاز در گیرنده‌ها و هرگونه تلفات تقسیم یا انشعاب است. این محاسبات بهره تقویت کننده مورد نیاز و مشخصات توان خروجی را تعیین می کند. برای زنجیره‌های تقویت‌کننده آبشاری، مشارکت‌های نویز تجمعی را تجزیه و تحلیل کنید تا از حاشیه‌های OSNR کافی در گیرنده‌های نهایی اطمینان حاصل کنید - سیستم‌هایی که دارای مراحل تقویت‌کننده زیادی هستند، نسبت به لینک‌های کوتاه‌تر به مشخصات نویز کمتری نیاز دارند. در نظر بگیرید که آیا برنامه به عملکرد تک کاناله نیاز دارد یا باید از WDM پشتیبانی کند، زیرا سیستم‌های چند کاناله تقویت‌کننده‌های مسطح بهره با یکنواختی بهره مشخص شده در پهنای باند عملیاتی را می‌طلبند.

الزامات عملیاتی از جمله محدودیت‌های اندازه فیزیکی، محدودیت‌های مصرف برق، شرایط محیطی و انتظارات قابلیت اطمینان را ارزیابی کنید. تقویت‌کننده‌های فشرده مناسب تجهیزات مخابراتی نصب شده روی قفسه هستند، در حالی که برنامه‌های کاربردی در فضای باز به محفظه‌های مقاوم با محدوده دمایی گسترده و آب‌بندی محیطی نیاز دارند. برنامه‌های کاربردی با قابلیت اطمینان بالا تقویت‌کننده‌های ممتاز را با اجزای اضافی و پوشش گارانتی طولانی‌تر توجیه می‌کنند، در حالی که استقرارهای حساس به هزینه ممکن است طرح‌های پایه‌تری را با مجموعه ویژگی‌های کاهش‌یافته بپذیرند. قابلیت های مدیریت و نظارت به طور قابل توجهی در محصولات متفاوت است - تعیین کنید که آیا نشانگرهای وضعیت LED ساده کافی هستند یا اینکه یکپارچه سازی جامع SNMP با نظارت بر عملکرد و هشدار سرمایه گذاری اضافی را توجیه می کند. با ارزیابی روشمند این عوامل در برابر الزامات برنامه، برنامه ریزان شبکه می توانند راه حل های EDFA را شناسایی کنند که عملکرد و ارزش بهینه را برای سناریوهای استقرار خاص خود ارائه می دهند.