چه چیزی تقویت کننده نوری EDFA 1550 نانومتری را به ستون فقرات شبکه های فیبر مدرن تبدیل می کند؟

تقویت کننده نوری EDFA 1550 نانومتری چیست و چرا طول موج آن مهم است؟

EDFA - تقویت‌کننده فیبر دوپ شده با اربیوم - تقویت‌کننده‌ای نوری است که قدرت سیگنال‌های نوری را که در یک شبکه فیبر نوری حرکت می‌کنند، بدون اینکه ابتدا آنها را به شکل الکتریکی تبدیل کند، افزایش می‌دهد. تقویت به طور کامل در حوزه نوری اتفاق می افتد: بخشی از فیبر سیلیسی دوپ شده با یون های اربیوم با نور لیزر، معمولاً در 980 نانومتر یا 1480 نانومتر پمپ می شود، که اتم های اربیوم را به حالت انرژی بالاتر تحریک می کند. وقتی فوتون‌های سیگنال ۱۵۵۰ نانومتری از این فیبر فعال عبور می‌کنند، یون‌های اربیوم برانگیخته را تحریک می‌کنند تا فوتون‌های یکسانی را آزاد کنند - همان طول موج، همان فاز، همان جهت - و از طریق انتشار تحریک‌شده، افزایش تولید می‌کنند. نتیجه یک فرآیند تقویت شفاف است که می‌تواند سیگنال‌ها را بین 20 تا 40 دسی‌بل با ارقام نویز کمتر از 3 تا 5 دسی‌بل افزایش دهد.

طول موج 1550 نانومتر دلخواه نیست. این در مرکز پنجره‌های انتقال باند C (1530-1565 نانومتر) و باند L (1565-1625 نانومتر) قرار دارد، جایی که فیبر سیلیسی تک حالته استاندارد کمترین تضعیف خود را نشان می‌دهد - تقریباً 0.2 دسی بل در کیلومتر. این بدان معناست که سیگنال‌ها در 1550 نانومتر قبل از نیاز به تقویت بیشتر از هر طول موج دیگری در محدوده مادون قرمز حرکت می‌کنند. همزمانی طیف بهره پیک اربیوم با این پنجره انتقال کم تلفات، چیزی است که فناوری EDFA را برای ارتباطات نوری دوربرد متحول کرده است، و به همین دلیل است که تقویت‌کننده‌های EDFA 1550 نانومتری جزء فعال غالب در شبکه‌های فیبر ستون فقرات در سراسر جهان هستند.

چگونه یک EDFA 1550 نانومتری کار می کند: معماری داخلی

هسته هر EDFA 1550 نانومتری خود فیبر دوپ شده با اربیوم (EDF) است - بخش سیم پیچی از الیاف ساخته شده مخصوص که معمولاً بین 5 تا 30 متر طول دارد و غلظت یون اربیوم در طول ساخت پریفرم به دقت کنترل می شود تا به ضریب افزایش هدف برسد. EDF به مسیر سیگنال متصل می شود و با یک لیزر پمپ نیمه هادی پرقدرت پمپ می شود. انتخاب بین پمپاژ همزمان (به جلو) در 980 نانومتر و پمپاژ متقابل (عقب) در 1480 نانومتر شامل یک مبادله است: پمپاژ 980 نانومتر نویز کمتری تولید می کند که باعث می شود برای اولین مرحله تقویت پس از یک بازه طولانی ترجیح داده شود. پمپاژ 1480 نانومتری از نظر تبدیل توان پمپ به سیگنال کارآمدتر است و اغلب در تنظیمات تقویت کننده و تقویت کننده خطی استفاده می شود.

یک کوپلر مالتی پلکسی با تقسیم طول موج (WDM) پمپ و طول موج سیگنال را قبل از ورود به EDF روی فیبر یکسانی ترکیب می کند. یک جداکننده قرار داده شده در ورودی از ناپایدار کردن نور منعکس شده به عقب در محیط افزایش یا منابع لیزر بالادست جلوگیری می کند. جداساز دوم در خروجی، انتشار خود به خودی تقویت شده (ASE) را از انتشار به عقب در شبکه مسدود می کند. بسیاری از واحدهای تجاری همچنین دارای یک فیلتر صاف کننده بهره (GFF) هستند - یک فیلتر غیرفعال با دقت طراحی شده که طیف بهره غیریکنواخت اربیوم را جبران می کند و تضمین می کند که تمام کانال های WDM در باند C تقریباً تقویت یکسانی دریافت می کنند. بدون مسطح شدن بهره، کانال‌های نزدیک به 1532 و 1550 نانومتر قوی‌تر از کانال‌های نزدیک لبه‌های باند تقویت می‌شوند و یک شیب بهره را جمع می‌کنند که در چندین مرحله تقویت‌کننده در یک سیستم دوربرد ترکیب می‌شود.

اجزای داخلی کلیدی یک EDFA 1550 نانومتری

• فیبر دوپ شده با اربیوم (EDF): محیط افزایش فعال. طول، غلظت دوپینگ و هندسه هسته، ضریب بهره، قدرت اشباع و ویژگی های نویز تقویت کننده را تعیین می کند.
• پمپ لیزر دیود: معمولاً لیزرهای تک حالته 980 یا 1480 نانومتری با توان خروجی از 50 مگاوات تا بیش از 500 مگاوات بسته به بهره هدف و مشخصات توان خروجی.
• کوپلر WDM: پمپ و سیگنال را روی یک فیبر واحد با حداقل تلفات درج در هر دو طول موج، معمولاً کمتر از 0.5 دسی بل در مسیر سیگنال، ترکیب می کند.
• جدا کننده های نوری: در ورودی و خروجی قرار می گیرد تا از لیزر انگلی جلوگیری کند و از اجزای مجاور در برابر ASE یا انعکاس های عقب افتاده محافظت کند.
• فیلتر صاف کننده افزایشی (GFF): یک عنصر تلفات انتخابی با طول موج که بهره را در سراسر باند C برابر می کند، که برای سیستم های DWDM چند کاناله ضروری است.
• روی Couplers and Photodectors ضربه بزنید: سطوح توان ورودی و خروجی را کنترل کنید و حلقه‌های بازخورد کنترل خودکار بهره (AGC) یا کنترل سطح خودکار (ALC) را فعال کنید.
• کنترل الکترونیک: جریان لیزر پمپ را برای حفظ بهره ثابت یا توان خروجی ثابت تنظیم کنید و هشدارها و تله متری را از طریق رابط های مدیریتی مانند I²C، RS-232، یا SNMP از طریق اترنت ارائه دهید.

تنظیمات تقویت کننده EDFA: تقویت کننده، درون خطی و پیش تقویت کننده

EDFAهای 1550 نانومتری در سه موقعیت مجزا در یک پیوند فیبر مستقر شده‌اند و هر موقعیت الزامات متفاوتی را بر پارامترهای کلیدی تقویت‌کننده تحمیل می‌کند. درک این تنظیمات برای انتخاب واحد مناسب برای یک نقش شبکه خاص ضروری است.

تقویت کننده های تقویت کننده به گونه ای طراحی شده اند که بالاترین توان ممکن را به یک دهانه فیبر طولانی وارد کنند. آنها یک سیگنال با شرایط خوب از فرستنده دریافت می کنند و باید به طور موثر اشباع شوند تا توان خروجی 20 dBm یا بیشتر را به فیبر برسانند. از آنجایی که نسبت سیگنال به نویز ورودی به بوستر زیاد است، رقم نویز متوسط ​​- معمولاً 5 تا 7 دسی بل - قابل قبول است. تقویت کننده های درون خطی باید افزایش را در مقابل تجمع نویز متعادل کنند، زیرا هر ILA متوالی در یک زنجیره نویز ASE را اضافه می کند که در طول پیوند ترکیب می شود. پیش تقویت‌کننده‌ها با سخت‌ترین نیازهای نویز مواجه هستند، زیرا ضعیف‌ترین سیگنال‌ها را دریافت می‌کنند - آنهایی که تمام طول را از آخرین تقویت‌کننده طی کرده‌اند - و باید آنها را تا سطحی تقویت کنند که گیرنده بتواند با نسبت سیگنال به نویز نوری کافی (OSNR) پردازش کند.

مشخصات کلیدی عملکرد و معنای آنها در عمل

هنگام ارزیابی صفحات داده EDFA 1550 نانومتری، چندین پارامتر به طور ثابت ظاهر می شوند و برای مقایسه معتبر بین محصولات به تفسیر دقیق نیاز دارند.

Gain (dB) نسبت توان سیگنال خروجی به توان سیگنال ورودی را که به صورت لگاریتمی بیان می شود، توصیف می کند. تقویت کننده بهره 30 دسی بل قدرت سیگنال را در ضریب 1000 ضرب می کند. با این حال، رقم بهره فقط در زمینه محدوده توان ورودی که در آن مشخص شده است معنی دارد - فشرده سازی بهره با افزایش توان ورودی و نزدیک شدن تقویت کننده به اشباع رخ می دهد، بنابراین همیشه بررسی کنید که بهره اعلام شده در شرایط سیگنال کوچک (خطی) اعمال می شود یا در نقطه توان خروجی نامی.

شکل نویز (NF، dB) کاهش نسبت سیگنال به نویز ناشی از فرآیند تقویت را کمی نشان می‌دهد. حداقل رقم تئوری نویز برای تقویت‌کننده‌های نوری حساس به فاز 3 دسی‌بل است که مربوط به حد کوانتومی تعیین‌شده توسط انتشار خود به خودی است. EDFAهای 1550 نانومتری عملی به ارقام نویز 3.5 تا 5 دسی بل برای تنظیمات پیش تقویت کننده و 5 تا 7 دسی بل برای تنظیمات تقویت کننده دست می یابند. در یک زنجیره تقویت‌کننده آبشاری، کل OSNR سیستم تحت تأثیر سهم نویز اولین تقویت‌کننده است - به همین دلیل است که به حداقل رساندن NF در مرحله اول بیشتر از مراحل بعدی اهمیت دارد.

اشباع توان خروجی (Psat، dBm) حداکثر توان خروجی است که آمپلی‌فایر می‌تواند قبل از شروع به فشرده‌سازی قابل‌توجه بهره ارائه کند. برای برنامه های تقویت کننده DWDM که چندین کانال را به طور همزمان حمل می کنند، کل توان خروجی بین همه کانال ها تقسیم می شود - یک تقویت کننده 23 dBm که 40 کانال را حمل می کند تقریباً 7 dBm را در هر کانال ارائه می دهد. بررسی کنید که توان هر کانال در خروجی تقویت‌کننده با آستانه‌های غیرخطی فیبر و رتبه‌بندی‌های توان اجزای پایین‌دستی سازگار است.

کاربردهای اصلی تقویت کننده های EDFA 1550 نانومتری

• گیربکس دوربرد و فوق طولانی: کابل‌های زیردریایی و شبکه‌های ستون فقرات زمینی از زنجیره‌های EDFA آبشاری - گاهی صدها تقویت‌کننده به صورت سری - برای حمل 100G، 400G و بیش از ظرفیت هزاران کیلومتر بدون بازسازی الکتریکی استفاده می‌کنند.
• DWDM مترو و شبکه های منطقه ای: EDFAهای درون خطی از دست دادن انباشته دهانه های فیبر، مالتی پلکسرها، سوئیچ ها، و گره های افزودنی در شبکه های شهری را جبران می کنند و به اپراتورها اجازه می دهند بدون استقرار زیرساخت فیبر جدید، دسترسی را گسترش دهند و کانال ها را اضافه کنند.
• CATV و توزیع فیبر به خانه (FTTH): EDFAهای تقویت کننده با خروجی بالا در 30 dBm و بالاتر، سیگنال‌های نوری پایین‌دست را قبل از تقسیم شدن در درخت‌های بزرگ تقسیم‌کننده نوری غیرفعال تقویت می‌کنند و به یک فرستنده اجازه می‌دهند تا به صدها یا هزاران مشترک در معماری‌های HFC و GPON خدمات رسانی کند.
• سنجش نوری و LIDAR: تقویت‌کننده‌های پالسی 1550 نانومتری EDFA برای تقویت خروجی لیزرهای بذر در سیستم‌های LIDAR برد بلند، سنجش صوتی توزیع‌شده (DAS) در امتداد خطوط لوله و راه‌آهن، و سیستم‌های بازجویی گریتینگ فیبر براگ استفاده می‌شوند که در آن طول موج 1550 نانومتر، عملکرد ایمن برای چشم را ارائه می‌کند.
• تست و اندازه گیری: EDFA با بهره متغیر به عنوان منابع توان نوری کنترل شده در تنظیمات تست کامپوننت، تست حاشیه OSNR و مشخصه‌های حساسیت گیرنده عمل می‌کند و سیگنال‌های تقویت‌شده تمیز را در سراسر باند C با سطوح خروجی دقیق تنظیم می‌کند.

انتخاب EDFA 1550 نانومتری مناسب: چک لیست عملی

مشخص کردن الف EDFA 1550 نانومتری برای استقرار واقعی شامل تطبیق پارامترهای تقویت کننده با الزامات بودجه پیوند به جای انتخاب ساده واحد با بالاترین بهره یا بالاترین توان موجود است. درایو بیش از حد یک EDFA فراتر از محدوده توان ورودی نامی آن باعث فشرده‌سازی بهره و کاهش OSNR می‌شود. کارکردن آن در سطح ورودی خیلی پایین باعث هدر رفتن توان پمپ و افزایش نسبی نویز در خروجی می شود.

با محاسبه تلفات دهانه شروع کنید - مجموع تلفات ورودی بر حسب دسی بل از خروجی تقویت کننده تا ورودی تقویت کننده بعدی، محاسبه تضعیف فیبر در 0.2 دسی بل در کیلومتر، تلفات اتصال و اتصال، و تلفات درج هر جزء غیرفعال مانند کلیدهای ROADM یا سوئیچ های مسیر نوری. بهره تقویت کننده درون خطی باید حداقل با این تلفات دهانه برابر باشد تا سطح سیگنال ثابت از طریق پیوند حفظ شود. اضافه کردن حاشیه برای پیری و تعمیر اتصالات، معمولاً 3 تا 6 دسی بل بسته به استانداردهای طراحی شبکه.

برای برنامه‌های DWDM، تأیید کنید که پهنای باند عملیاتی EDFA همه کانال‌های مستقر شده را پوشش می‌دهد و مشخصه مسطح بودن بهره - معمولاً 0.5± تا 1.5 ± دسی‌بل در سراسر باند C - به اندازه کافی محکم است تا از انباشته شدن انشعابات توان کانال به سطوح غیرقابل قبول در تعداد مراحل تقویت‌کننده در مسیر جلوگیری کند. تجمع شیب بهره یکی از رایج‌ترین علل کاهش حاشیه در سیستم‌های DWDM نصب‌شده است و تقریباً همیشه می‌توان آن را به مشخصات مسطحیت ناکافی بهره در مرحله انتخاب تقویت‌کننده ردیابی کرد.