EDFA چیست؟ تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ شده اربیوم{0} چگونه کار می‌کنند

EDFA چیست؟

EDFA یک استتقویت کننده نوریکه از بخشی از فیبر دوپ شده با اربیوم{0}}برای تقویت سیگنال های نوری به طور مستقیم در حوزه نوری استفاده می کند. تکرارکننده‌های سنتی در هر مرحله نیازمند تبدیل نوری به-الکتریکی-به-اپتیکال (O-E-O) هستند. EDFA همه اینها را نادیده می گیرد. سیگنال از ابتدا تا انتها نور باقی می ماند - که پهنای باند را حفظ می کند، تأخیر را کاهش می دهد و یک لایه کامل از پیچیدگی شبکه را حذف می کند.

در باند C- (1530–1565 نانومتر) و L{3}} (1565–1625 نانومتر) درست در کمترین-پنجره‌های انتقال فیبر سیلیسی کار می‌کند. این همپوشانی طیفی تصادفی نیست - دلیل این است که EDFA به تقویت‌کننده پیش‌فرض در-شبکه‌های طولانی مدت تبدیل شده است، و دلیل این است که سیستم‌های WDM و DWDM به روشی کار می‌کنند. یک EDFA می‌تواند ده‌ها یا حتی صدها کانال طول موج را که همزمان از یک فیبر عبور می‌کنند، تقویت کند.

مشکل EDFA حل می شود

سیگنال های نوری با عبور از فیبر قدرت خود را از دست می دهند. تضعیف، تلفات اتصال، تلفات اتصال - همه اینها جمع می شود. قبل از EDFA، تنها گزینه قرار دادن احیاگرهای الکترونیکی در طول مسیر بود. این دستگاه‌ها نور را به الکتریسیته تبدیل کردند، سیگنال را تمیز کردند، دوباره{4}}تقویت کردند و دوباره به نور تبدیل کردند. هر بازسازی کننده گران بود و{6}}فرمت خاصی داشت: فقط می توانست یک نرخ داده و یک طرح مدولاسیون را مدیریت کند. اگر می‌خواهید یک سیستم WDM را مقیاس‌بندی کنید، باید احیاکننده‌ها را در تعداد کانال‌ها ضرب کنید. هزینه و پیچیدگی به طرز وحشیانه ای افزایش یافت.

این پیشرفت در سال 1987 اتفاق افتاد، زمانی که محققان نشان دادندفیبر دوپ شده با اربیوم-می تواند سیگنال های نزدیک به 1550 نانومتر را از طریق انتشار تحریک شده تقویت کند. دو سال بعد، اولین دیود-پمپ زدتقویت‌کننده فیبر{0}}اربیومدر یک آزمایشگاه تایید شد و ثابت کرد که این مفهوم می تواند در شبکه های واقعی کار کند. چیزی که این موضوع را بسیار مهم کرد فقط خود تقویت - نبود، بلکه این بود که یک EDFA واحد می‌توانست تمام کانال‌های طول موج را در یک سیستم WDM به یکباره تقویت کند. هیچ-بازسازی در هر کانال وجود ندارد. این یکی از قابلیت‌ها همان چیزی است که طول موج متراکم-تقسیم چندگانه را از نظر اقتصادی مقرون به صرفه کرد و کابل‌های زیردریایی مقیاس ترابیت{6}} را در دسترس قرار داد.

EDFA چگونه کار می کند؟

مکانیسم اصلی: انتشار تحریک شده

EDFA بر اساس همان اصل یک لیزر - تابش تحریک شده - عمل می کند، به جز اینکه به جای تولید نور جدید، نور موجود را تقویت می کند.

یک لیزر پمپ با توان بالا (با جریان 980 نانومتر یا 1480 نانومتر کار می کند) انرژی را به فیبر دوپ شده اربیوم- تزریق می کند. یون های اربیوم (Er3⁺) این انرژی پمپ را جذب کرده و از حالت پایه خود به حالت برانگیخته می پرند. هنگامی که یون های کافی برانگیخته شدند، وارونگی جمعیت - یون های بیشتری را دریافت می کنید که در حالت پرانرژی- نسبت به حالت پایه نشسته اند. این پیش نیاز برای تقویت است.

اکنون یک سیگنال نوری ضعیف نزدیک به 1550 نانومتر وارد فیبر دوپینگ می شود. فوتون‌های آن به یون‌های اربیوم برانگیخته برخورد می‌کنند و هر فعل و انفعال باعث می‌شود یونی به حالت پایه برگردد و در این فرآیند فوتون جدیدی آزاد شود. این فوتون جدید با فوتون سیگنال - همان طول موج، همان فاز، همان جهت است. آن را در میلیاردها فعل و انفعال در طول فیبر ضرب کنید، و سیگنال به طور قابل توجهی قوی تر از طرف دیگر خارج می شود.

تقویت ذاتا پهن باند است. طیف افزایش اربیوم تقریباً 30 تا 40 نانومتر در باند C- است. این یک راه حل مهندسی هوشمندانه نیست - بلکه در فیزیک ساختار سطح انرژی یون اربیوم ساخته شده است. به همین دلیل یک EDFA منفرد می تواند 40، 80 یا حتی 96 کانال DWDM را به طور همزمان مدیریت کند.

اجزای کلیدی داخل یک EDFA

یک ماژول EDFA در حال کار، چیزی بیشتر از یک تکه فیبر دوپینگ دارد. پنج جزء اصلی با هم کار می کنند:

فیبر دوپ شده با اربیوم (EDF) محیط افزایش است. طول فیبر، غلظت اربیوم و ترکیب شیشه همگی ویژگی‌های افزایش و نویز را شکل می‌دهند. لیزر پمپ انرژی را برای برانگیختن یون‌های اربیوم تامین می‌کند - قدرت و پایداری آن چیزی است که میزان بهره و نویز EDFA را تعیین می‌کند. یک کوپلر WDM نور پمپ و چراغ سیگنال را با هم ادغام می کند تا در فیبر دوپ شده با هم منتشر شوند. جداکننده‌های نوری در ورودی و خروجی بازتاب‌های{6}} را مسدود می‌کنند که می‌تواند تقویت‌کننده را بی‌ثبات کند یا لیزر انگلی را تحریک کند. و یک فیلتر نوری صدای باند و انتشار خودبه‌خودی تقویت‌شده (ASE) را حذف می‌کند تا خروجی را تمیز نگه دارد.

پمپاژ 980 نانومتر در مقابل 1480 نانومتر - چرا بسیاری از EDFA از هر دو استفاده می‌کنند

طول موج پمپ یکی از بزرگترین تصمیمات طراحی در یک EDFA است، و این دو گزینه شامل یک مبادله واقعی - نه فقط مشخصات متفاوت در برگه داده است.

پمپاژ 980 نانومتری یون‌های اربیوم را به سطح انرژی بالا (E3) برانگیخته می‌کند، که سپس از طریق یک فرآیند غیرتابشی به سرعت به سطح فراپایدار (E2) می‌رسد. این مسیر دو مرحله ای یک وارونگی جمعیت بسیار تمیز و یک رقم نویز کمتر - معمولاً 1-2 دسی بل بهتر از 1480 نانومتر ایجاد می کند. برای تقویت‌کننده‌های پیش{11} که هر کسری از دسی‌بل در نویز اهمیت دارد، 980 نانومتر همان چیزی است که می‌خواهید.

پمپاژ 1480 نانومتری یک میانبر دارد: یون‌های اربیوم را مستقیماً به سطح ناپایدار (E2) تحریک می‌کند. انرژی{3}}بازده بیشتر، توان خروجی قابل دستیابی بیشتر، اما پر سر و صداتر. این باعث می‌شود که برای تقویت‌کننده‌های تقویت‌کننده مناسب‌تر باشد، جایی که قدرت خام بیشتر از عملکرد نویز اهمیت دارد.

بسیاری از-EDFAهای با کارایی بالا یکی یا دیگری را انتخاب نمی‌کنند - از هر دو پمپ. 980 نانومتری در جهت جلو استفاده می‌کنند تا نویز را کم نگه دارند، از پمپ‌های 1480 نانومتری در جهت عقب برای بالا بردن توان خروجی استفاده می‌کنند. این پیکربندی ترکیبی در سیستم‌های زیردریایی و زمینی مسافت طولانی استاندارد است، و دلیل خوبی دارد: شما از مزیت نویز 980 نانومتر و مزیت قدرت 1480 نانومتر در یک واحد بهره می‌برید.

سه نوع EDFA و زمان استفاده از هر کدام

جایی که یک EDFA در پیوند نوری قرار دارد همه چیز را در مورد نحوه طراحی آن تعیین می کند. مشخصاتی که برای یک تقویت کننده مهم است برای یک تقویت کننده قبلی تقریباً بی ربط است و بالعکس.

تقویت کننده تقویت کننده

درست بعد از فرستنده می رود. وظیفه آن این است که قبل از اینکه نور وارد دهانه فیبر شود، قدرت سیگنال را تا جایی که ممکن است بالا ببرد. در سیستم‌های DWDM، مالتی پلکسر تلفات درج را معرفی می‌کند که قدرت پرتاب را کاهش می‌دهد و تقویت‌کننده آن را جبران می‌کند. مشخصاتی که در اینجا بیشترین اهمیت را دارد، توان خروجی اشباع شده - معمولاً 16-23 دسی بل است. رقم نویز ثانویه است زیرا سیگنال ورودی هنوز قوی است.

در{0}}تقویت‌کننده خط

اینها در نقاط میانی در طول مسیر فیبر، معمولاً هر 80 تا 100 کیلومتر، قرار می‌گیرند و کاهش دهانه را جبران می‌کنند و سیگنال را بالاتر از سطح نویز نگه می‌دارند. آنها به بهره بالا (20-30 دسی بل) با عملکرد نویز مناسب نیاز دارند. نکته در مورد تقویت‌کننده‌های خطی{6}}این است: نویز در هر مرحله جمع می‌شود. وقتی در حال طراحی بودجه نویز برای زنجیره ای از 10، 20 یا 100 EDFA آبشاری در یک کابل زیردریایی هستید، سهم هر تقویت کننده مهم است. اشتباه گرفتن این مورد حتی با یک حاشیه کوچک می تواند به معنای تفاوت بین یک پیوند فعال و پیوندی باشد که بسته نمی شود.

پیش{0}تقویت کننده

درست جلوی گیرنده می نشیند. در این مرحله، سیگنال ممکن است از صدها یا هزاران کیلومتر عبور کرده باشد و با قدرت بسیار پایین - گاهی اوقات زیر -30 دسی بل در متر رسیده باشد. در این سطوح، رشد نویز ASE در بدترین حالت خود قرار دارد. رقم نویز تنها مهمترین پارامتر برای یک پری آمپلی فایر است. بهبود 1 دسی بل در NF در اینجا می تواند مستقیماً به دسترسی گسترده یا نرخ خطای بیت بهتر برای کل پیوند تبدیل شود.

پارامترهای کلیدی عملکرد

به دست آوردن

بر حسب دسی بل اندازه گیری می شود. افزایش 30 دسی بل به این معنی است که خروجی 1000 برابر قوی تر از ورودی است. برخی از طرح‌های EDFA می‌توانند بیش از ۵۰ دسی‌بل باشند، اگرچه بیشتر واحدهای تجاری در محدوده ۱۵ تا ۳۵ دسی‌بل اجرا می‌شوند. بهره به طول EDF، قدرت پمپ و سطح سیگنال ورودی بستگی دارد. این یک عدد ثابت نیست - چون توان ورودی افزایش می‌یابد، به دلیل اشباع، فشرده می‌شود. محاسبات بودجه پیوند باید این را در نظر بگیرد.

شکل نویز (NF)

میزان نویز اضافی را که EDFA اضافه می کند، کمیت می کند. حداقل تئوری 3 دسی بل است (حد کوانتومی برای تقویت‌کننده‌های غیر حساس فاز در بهره بالا)، و EDFAهای تجاری معمولاً در شرایط سیگنال کوچک به 5-7 دسی‌بل می‌رسند. برای پیوندهای قبل از آمپر و آبشارهای طولانی-، NF اغلب اولین پارامتری است که بهینه می‌کنید، زیرا مستقیماً بودجه OSNR را برای کل سیستم تنظیم می‌کند.

توان خروجی اشباع شده

حداکثر توان خروجی که EDFA می تواند ارائه دهد زمانی که ورودی به اندازه کافی قوی باشد (معمولاً بزرگتر یا مساوی 0 dBm) تا آن را به حالت اشباع سوق دهد. این شماره تیتر برای تقویت کننده های تقویت کننده است. قدرت خروجی بیشتر به این معنی است که می توانید مقدار بیشتری را به فیبر پرتاب کنید، که به طور کلی به معنای فاصله طولانی تر بین سایت های تقویت کننده است.

به دست آوردن صافی

در یک سیستم DWDM با کانال های زیاد، هر کانال به طور ایده آل سود یکسانی را دریافت می کند. طیف بهره اربیوم با هم همکاری نمی کند - برخی از طول موج ها به طور طبیعی بیشتر از بقیه تقویت می شوند. مسطح بودن افزایش، این تغییر را که معمولاً به صورت پیک-تا-دسی بل در باند عملیاتی بیان می‌شود، اندازه‌گیری می‌کند.

مشکل زمانی آشکار می شود که تقویت کننده های آبشاری را انجام دهید. فرض کنید یک کانال در هر تقویت کننده 0.5 دسی بل بهره کمتری دریافت می کند. بعد از ده تقویت کننده، 5 دسی بل ضعیف تر است. بعد از بیست، ممکن است به طور کامل از آستانه حساسیت گیرنده پایین بیاید. سیستم‌های کابلی زیردریایی و شبکه‌های زمینی مسافت طولانی از طریق فیلترهای مسطح بهره (GFF) که در ماژول EDFA تعبیه شده است، یا با تنظیم غلظت آلومینیوم در شیشه EDF برای بهبود صافی ذاتی طیف بهره، با این مشکل مقابله می‌کنند.

EDFA در مقابل سایر تقویت کننده های نوری

EDFA در مقابل SOA (تقویت کننده نوری نیمه هادی)

SOA به جای فیبر دوپ شده از یک محیط افزایش نیمه هادی استفاده می کند. کوچک‌تر، ارزان‌تر است و می‌توان آن را روی تراشه‌های فوتونیک ادغام کرد - مزایای واقعی برای شبکه‌های مترو، سوئیچینگ نوری، و پردازش سیگنال. اما برای انتقال{3}}از راه دور، قابل تحمل نیست. بهره SOA در حدود 15 تا 25 دسی بل بالا می رود (EDFA می تواند از 50 دسی بل تجاوز کند)، رقم نویز آن 7 تا 12 دسی بل است (در مقابل 5 تا 7 دسی بل EDFA)، به قطبش{12} حساس است، و تداخل بین کانال های WDM ایجاد می کند که EDFA به سادگی انجام نمی دهد.

SOA جای خود را دارد. EDFA جای خود را دارد. برای انتقال DWDM ستون فقرات، انتخاب نزدیک نیست.

EDFA در مقابل تقویت کننده رامان

تقویت رامان از طریق مکانیسم کاملاً متفاوتی کار می‌کند - تحریک پراکندگی رامان - و در داخل فیبر انتقال اتفاق می‌افتد، نه در فیبر دوپینگ جداگانه. از آنجایی که سیگنال به‌جای یک‌باره، به تدریج در طول دهانه تقویت می‌شود، هرگز به اندازه تقویت{3} EDFA پایین نمی‌آید. در نتیجه، میزان نویز موثر می تواند کمتر باشد.

با این حال، نکات منفی واقعی هستند. تقویت کننده های رامان به توان پمپ بالایی (اغلب بیش از 500 مگاوات) نیاز دارند، بهره متوسط ​​(معمولاً 10 تا 15 دسی بل) را ارائه می دهند و پیچیدگی استقرار را اضافه می کنند. از سوی دیگر، طول موج آنها-به گونه‌ای انعطاف‌پذیر هستند که EDFA نمی‌تواند با - مطابقت داشته باشد.

این دو فناوری واقعاً رقیب یکدیگر نیستند. اکثر سیستم‌های-بلند-و زیردریایی از هر دو استفاده می‌کنند: رامان یک "کف" بهره توزیع شده را ارائه می‌کند که از افت بیش از حد سیگنال در نویز جلوگیری می‌کند، و EDFA تقویت-متمرکز بهره را در هر تکرارکننده ارائه می‌کند. این رویکرد ترکیبی به روشی استاندارد برای افزایش ظرفیت و رسیدن به محدودیت‌های آنها تبدیل شده است.

جایی که EDFA امروزه استفاده می شود

شبکه‌های زمینی طولانی-

اینجا جایی است که EDFA ذخیره خود را به دست می آورد. در شبکه‌های ستون فقرات که فواصل ملی یا قاره‌ای را در بر می‌گیرند، EDFAها هر 80 تا 100 کیلومتر برای مبارزه با تضعیف فیبر حرکت می‌کنند. یک مجردتقویت کننده فیبر نوریحمل 80+ کانال DWDM در 100G یا 400G در هر کانال به زنجیره ای از این تقویت کننده ها برای حفظ کیفیت سیگنال در هزاران کیلومتر بستگی دارد. EDFA را از تصویر خارج کنید، و اقتصاد حمل و نقل زمینی با ظرفیت بالا- سقوط می کند.

سیستم های کابلی زیردریایی

کابل های زیردریایی خشن ترین محیطی هستند که EDFA تا به حال با آن روبرو شده است. یک کابل بین اقیانوسی می تواند بیش از 10000 کیلومتر کشیده شود و بیش از 100 تکرار کننده EDFA در کف اقیانوس نشسته است. این واحدها باید به مدت 25 سال به طور مداوم با دسترسی به تعمیر و نگهداری صفر کار کنند. قابلیت اطمینان فقط خوب نیست-به-شکست در بستر دریا به معنای بازدید از کشتی گران قیمت نیست. این EDFA ها با لیزرهای پمپ اضافی و حاشیه های عملیاتی محافظه کارانه طراحی شده اند تا بیش از هر چیز دیگری طول عمر را به حداکثر برسانند.

اتصال مرکز داده (DCI)

مراکز داده فرامقیاس به پیوندهای-پهنای باند بالا و{1}}با تأخیر کم بین دانشگاه ها نیاز دارند و این پیوندها اغلب ده ها تا صدها کیلومتر را در بر می گیرند. EDFA انتقال منسجم 400G و 800G را در این مسیرهای DCI فعال می کند. با توزیع روزافزون آموزش هوش مصنوعی در چندین امکانات، این بخش به سرعت در حال رشد است.

سیستم های DWDM

EDFA فقط با DWDM سازگار نشد - این چیزی است که DWDM را در وهله اول کاربردی کرد. تقویت 40، 80 یا 96 کانال به طور همزمان در یک دستگاه چیزی است که به اپراتورهای شبکه اجازه می دهد ظرفیت فیبر را بدون مقیاس سازی زیرساخت با همان سرعت مقیاس کنند. هر سیستم DWDM که امروزه اجرا می شود دارای EDFA است.

شبکه های توزیع CATV

شبکه‌های تلویزیون کابلی از EDFA به عنوان تقویت‌کننده‌های قدرت برای تقویت سیگنال نوری از هدند استفاده می‌کنند و آن را به پایگاه مشترک بزرگ‌تر در یک منطقه تحت پوشش گسترده‌تر می‌رسانند. توان خروجی بالای EDFAهای-نوع تقویت کننده به خوبی با این مدل توزیع پخش مطابقت دارد.

سایر برنامه های کاربردی

EDFA نیز در آن ظاهر می شودتقویت کننده فیبراستقرار در شبکه‌های محلی مبتنی بر فیبر{0}}(جبران تلفات توزیع)، ارتباطات نظامی و هوافضا (که قابلیت اطمینان و تحمل محیطی قابل مذاکره نیست) و شبکه‌های ارتباطی کوانتومی در حال ظهور (که در آن تقویت سیگنال‌های ضعیف بدون تبدیل الکتریکی ارزش خاصی دارد).

نحوه انتخاب EDFA مناسب

انتخاب EDFA مناسب با درک نقش آن در شبکه شما شروع می شود. تقویت‌کننده،-تقویت‌کننده در خط، و یک تقویت‌کننده پیش- دارای اولویت‌های کاملاً متفاوتی هستند - خرید یک واحد-صدای کم برای یک برنامه تقویت‌کننده، هدر دادن پول برای مشخصاتی است که به شما کمکی نمی‌کند.

ابتدا نقش را مشخص کنید. تقویت کننده به این معنی است که شما به توان خروجی اشباع اهمیت می دهید. In-به این معنی است که شما در حال متعادل کردن سود در برابر نویز هستید. Pre{4}}آمپر به این معنی است که رقم نویز پادشاه است.

باند عملیاتی خود را تأیید کنید. باند C (1530-1565 نانومتر)، باند L{4} (1565-1625 نانومتر)، یا هر دو. C+L EDFA وجود دارد، اما در دسترس بودن و عملکرد بسته به فروشنده متفاوت است.

بهره و توان مورد نیاز را از بودجه تلفات دهانه خود محاسبه کنید. برای تقویت کننده، روی توان خروجی اشباع تمرکز کنید. برای تقویت‌کننده‌های خطی، مطمئن شوید که گین افت دهانه را با مارجین پوشش می‌دهد. برای یک آمپر پیش{4}، حداقل توان ورودی را که می‌تواند تحمل کند، در حالی که همچنان NF قابل قبول را می‌زند، تأیید کنید.

اگر در حال آبشار هستید، رقم نویز را به دقت ارزیابی کنید. NF کمتر به معنای حاشیه OSNR بیشتر است که به معنای دسترسی طولانی تر یا BER بهتر است. در زنجیره ای از تقویت کننده ها، حتی 1 دسی بل ترکیبات بهبود دهنده NF در هر بازه وجود دارد.

مسطح بودن بهره - را به ویژه برای DWDM با تعداد کانال بالا بررسی کنید. هرچه تعداد EDFA ها در زنجیره شما بیشتر باشد، این مشخصات باید محکم تر باشد. سیستمی که دارای 40 کانال است نسبت به سیستمی که دارای 80 کانال است نیاز به صافی متفاوتی دارد.

عامل در محیط استقرار. قفسه داخلی-، کابینت در فضای باز و زیر دریا سه دنیای بسیار متفاوت هستند. محدوده دمای عملیاتی، تحمل رطوبت، رتبه بندی شوک مکانیکی، MTBF - همه اینها بر اساس مکانی که دستگاه می رود تغییر می کند. EDFAهای زیردریایی اساساً یک دسته محصول متفاوت از دستگاه‌های{5}}راک هستند.