Hvað er EDFA? Hvernig Erbium-Dópaðir trefjamagnarar virka

Hvað er EDFA?

EDFA er anoptískur magnarisem notar hluta af erbíum-dópuðum trefjum til að magna ljósmerki beint í sjónsviðinu. Hefðbundnir endurvarparar krefjast ljóss-í-rafræns-í-optískrar (O-E-O) umbreytingu á hverju stigi; EDFA sleppir þessu öllu. Merkið helst létt frá upphafi til enda - sem varðveitir bandbreidd, dregur úr leynd og fjarlægir heilt lag af margbreytileika netsins.

Það starfar á C-bandinu (1530–1565 nm) og L-bandinu (1565–1625 nm), rétt í lægstu-tapsgluggum kísiltrefja. Þessi litrófsskörun er engin tilviljun - það er ástæðan fyrir því að EDFA varð sjálfgefinn magnari í langdrægni-netum og ástæðan fyrir því að WDM og DWDM kerfi virka eins og þau gera. Ein EDFA getur aukið tugi eða jafnvel hundruð bylgjulengdarrása sem ferðast um einn trefja á sama tíma.

EDFA vandamál sem það leysir

Ljósmerki missa styrk þegar þau ferðast í gegnum trefjar. Dempun, skeytatap, tengitap - þetta bætist allt saman. Fyrir EDFA var eini möguleikinn að setja rafræna endurnýjun á leiðinni. Þessi tæki breyttu ljósi í rafmagn, hreinsuðu merkið upp, endur-mögnuðu það og breyttu því aftur í ljós. Sérhver endurgjafi var dýr og sniðsértækur-: hann gat aðeins séð um einn gagnahraða og eitt mótunarkerfi. Ef þú vildir stækka WDM kerfi, þurftir þú að margfalda endurnýjara með fjölda rása. Kostnaðurinn og margbreytileikinn stækkaði hrottalega.

Byltingin kom árið 1987, þegar vísindamenn sýndu þaðerbium-dópuð trefjargæti magnað merki nálægt 1550 nm með örvaðri losun. Tveimur árum síðar dældi fyrsta díóðan-erbíum-dópaður trefjamagnarivar staðfest í rannsóknarstofu, sem sannaði að hugmyndin gæti virkað í raunverulegum netum. Það sem gerði þetta svo merkilegt var ekki bara mögnunin sjálf - heldur að ein EDFA gæti magnað allar bylgjulengdarrásir í WDM kerfi í einu. Engin endurnýjun á hverri-rás. Þessi eina hæfileiki er það sem gerði þétta bylgjulengd-deilingar margföldun efnahagslega hagkvæma og kom terabita-sæstrengjum innan seilingar.

Hvernig virkar EDFA?

Kjarnakerfi: Örvuð losun

EDFA starfar á sömu reglu og leysir - örvuð geislun - nema það magnar upp núverandi ljós í stað þess að búa til nýtt ljós.

Hár-dæluleysir (virkur við 980 nm eða 1480 nm) dælir orku inn í erbium-dópuð trefjar. Erbíumjónir (Er³⁺) gleypa þessa dæluorku og hoppa úr jörðu yfir í spennt ástand. Þegar nógu margar jónir hafa verið spenntar færðu íbúasnúningu - fleiri jónir sem sitja í há-orkuástandi en í jörðu. Það er forsenda þess að mögnun geti orðið.

Nú fer veikt ljósmerki nálægt 1550 nm inn í dópaða trefjarnar. Ljóseindir þess lenda í æstum erbíumjónum og hver víxlverkun kveikir á því að jón falli aftur niður í grunnstöðu og losar nýja ljóseind ​​í því ferli. Þessi nýja ljóseind ​​er eins og ljóseind ​​merki - sömu bylgjulengd, sama fasi, sömu stefnu. Margfaldaðu það yfir milljarða víxlverkana eftir lengd trefjarins og merkið kemur verulega sterkara út hinum endanum.

Magnunin er í eðli sínu breiðband. Erbium ávinningsrófið spannar um það bil 30–40 nm í C-bandinu. Þetta er ekki snjöll verkfræðileg lausn - það er bakað inn í eðlisfræði orkustigsbyggingar erbíumjónanna. Ein EDFA getur séð um 40, 80 eða jafnvel 96 DWDM rásir samtímis vegna þessa.

Lykilhlutir inni í EDFA

Vinnandi EDFA eining hefur meira í gangi en bara stykki af dópuðum trefjum. Fimm kjarnaþættir vinna saman:

Erbium-dópuð trefjar (EDF) er ávinningsmiðillinn. Trefjalengd, erbiumstyrkur og glersamsetning móta allt styrkleika- og hávaðaeiginleikana. Dæluleysirinn gefur orku til að örva erbíumjónir - kraftur hans og stöðugleiki eru það sem ákvarða aukningu og hávaða EDFA. WDM tengi sameinar dæluljósið og merkjaljósið þannig að þau breiðist út í gegnum dópuðu trefjarnar saman. Optískir einangrarar við inntak og úttak blokka aftur-endurspeglun sem gæti óstöðugleika magnarans eða kveikt á sníkjuleiðangri. Og ljóssía fjarlægir -af-hljómsveitarhljóð og magnaða sjálfsprottna útgeislun (ASE) til að halda úttakinu hreinu.

980 nm á móti 1480 nm dæling - Hvers vegna margir EDFA nota bæði

Dælubylgjulengdin er ein af stærstu hönnunarákvörðunum í EDFA og valmöguleikarnir tveir fela í sér ósvikinn málamiðlun - ekki bara mismunandi forskriftir á gagnablaði.

980 nm dæling örvar erbíumjónir í hátt orkustig (E3), sem slaknar síðan hratt niður í metstöðugleika (E2) í gegnum ó-geislunarferli. Þessi tveggja- þrepa leið framleiðir mjög hreina þýðisvendingu og lægri hávaða - venjulega 1–2 dB betri en 1480 nm. Fyrir for-magnara þar sem hvert brot úr dB í hávaða skiptir máli, þá er 980 nm það sem þú vilt.

1480 nm dæling tekur flýtileið: hún örvar erbíumjónir beint að metstöðugleikastigi (E2). Meiri orku-hagkvæmari, meiri framleiðsla sem hægt er að ná, en háværari. Það gerir það að verkum að hann passar betur fyrir örvunarmagnara þar sem hráafl skiptir meira máli en hávaðaafköst.

Mikið af-afkastamiklum EDFA-tækjum velja hvorki eina né aðra - þeir nota báðar. 980 nm dælurnar í áframhaldandi átt til að halda hávaða lágu, 1480 nm dælur í afturábak til að ýta aflgjafanum upp. Þessi blendingsstilling er staðalbúnaður í kafbáta- og langdrægum landkerfum- og ekki að ástæðulausu: þú færð hávaðaávinninginn 980 nm og aflávinninginn af 1480 nm í einni einingu.

Þrjár gerðir af EDFA og hvenær á að nota hverja

Hvar EDFA situr í sjóntenglinum ræður öllu um hvernig hann ætti að vera hannaður. Forskriftirnar sem skipta máli fyrir örvunartæki eru nánast óviðkomandi fyrir for-magnara og öfugt.

Booster magnari

Fer beint á eftir sendinum. Hlutverk þess er að ýta merkjaorku eins hátt og hægt er áður en ljósið fer inn í trefjasviðið. Í DWDM kerfum kynnir multiplexerinn innsetningartapi sem dregur úr ræsikrafti og örvunin bætir upp fyrir það. Sérstakan sem skiptir mestu máli hér er mettað úttaksafl - venjulega 16–23 dBm. Hávaðatala er aukaatriði vegna þess að inntaksmerkið er enn sterkt.

Í-Línumagnara

Þessir sitja á millipunktum meðfram trefjaleiðinni, venjulega á 80–100 km fresti, sem jafna upp togstap og halda merkinu yfir hávaðagólfinu. Þeir þurfa mikla aukningu (20–30 dB) með ágætis hávaða. Hér er málið með-línu magnara: hávaði safnast upp á hverju stigi. Þegar þú ert að hanna hávaðafjárhagsáætlun fyrir keðju af 10, 20 eða 100 EDFA í kaskaða í sæstreng skiptir framlag hvers magnara máli. Að misskilja þetta jafnvel með litlum mun getur þýtt muninn á virkum hlekk og þeim sem lokast ekki.

Formagnari.-

Situr rétt fyrir framan viðtækið. Á þessum tímapunkti gæti merkið farið yfir hundruð eða þúsundir kílómetra og komið á mjög lágu afli - stundum undir -30 dBm. Á þessum stigum er hávaðavöxtur ASE í versta falli. Hávaðatala er mikilvægasta færibreytan fyrir formagnara. 1 dB framför í NF hér getur beinlínis þýtt í aukið umfang eða betra bitavilluhlutfall fyrir allan hlekkinn.

Helstu afköst færibreytur

Hagnaður

Mælt í dB. Hagnaður upp á 30 dB þýðir að úttakið er 1.000 sinnum sterkara en inntakið. Sumar EDFA hönnun geta farið yfir 50 dB, þó að flestar viðskiptaeiningar keyri á bilinu 15–35 dB. Hagnaður fer eftir EDF lengd, dæluafli og inntaksmerkjastigi. Það er ekki föst tala - þar sem inntaksstyrkur eykst, aukning þjappist vegna mettunar. Útreikningar á fjárhagsáætlun tengja þurfa að taka tillit til þessa.

Noise Figure (NF)

Mælir hversu miklum auka hávaða EDFA bætir við. Fræðilega lágmarkið er 3 dB (skammtamörk fyrir fasa-ónæman magnara með háum styrkleika) og EDFA í atvinnuskyni ná venjulega 5–7 dB við lítil-merkjaskilyrði. Fyrir for-magnara og langdræga-tengla er NF oft fyrsta færibreytan sem þú fínstillir, vegna þess að hún stillir beint OSNR kostnaðarhámarkið fyrir allt kerfið.

Mettuð úttaksstyrkur

Hámarks úttaksafl sem EDFA getur skilað þegar inntakið er nógu sterkt (venjulega meira en eða jafnt og 0 dBm) til að keyra það í mettun. Þetta er fyrirsagnarnúmerið fyrir booster magnara. Meira úttakskraftur þýðir að þú getur hleypt meira inn í ljósleiðarann, sem þýðir almennt lengri bil á milli magnarastaða.

Fáðu flatneskju

Í DWDM kerfi með mörgum rásum fær hver rás helst sama ávinning. Erbium ávinningsrófið vinnur ekki saman - sumar bylgjulengdir magnast náttúrulega meira en aðrar. Fáðu flatneskjumælingar þessi breytileiki, venjulega gefinn upp sem hámarks-til-dB hámarks yfir rekstrarsviðið.

Vandamálið verður augljóst þegar þú kaskader magnara. Segjum að ein rás fái 0,5 dB minni ávinning á hvern magnara. Eftir tíu magnara er það 5 dB veikara. Eftir tvítugt gæti það farið alveg niður fyrir næmniviðtakandann. Sæstrengskerfi og landnet með langdrægni- takast á við þetta með því að -flatunarsíur (GFF) sem eru innbyggðar í EDFA-eininguna, eða með því að stilla álstyrkinn í EDF-glerinu til að bæta eðlislæga flatleika ávinningsrófsins.

EDFA vs aðrir optískir magnarar

EDFA vs SOA (hálfleiðara ljósmagnari)

SOA notar hálfleiðara styrkingarmiðil í stað dópaðra trefja. Hann er minni, ódýrari og hægt er að samþætta hann inn í ljóseindaflögur - raunverulegir kostir fyrir neðanjarðarnet, sjónrofa og merkjavinnslu. En fyrir langa-fjarsendingu, þá stenst það ekki. Ávinningur SOA er um 15–25 dB (EDFA getur farið yfir 50 dB), hávaðahlutfall hennar er 7–12 dB (á móti 5–7 dB EDFA), það er skautun-næmt og það kynnir yfirtalningu á milli WDM rása sem EDFA einfaldlega gerir ekki.

SOA hefur sinn stað. EDFA hefur sinn stað. Fyrir burðargetu DWDM flutninga er valið ekki nálægt.

EDFA vs Raman magnari

Raman mögnun virkar með allt öðru kerfi - örvaði Raman dreifingu - og það gerist inni í sjálfri flutningstrefnum, ekki í sérstökum dópuðum trefjum. Vegna þess að merkið magnast smám saman eftir breiddinni í stað þess að allt í einu lækkar það aldrei eins lágt og það myndi gera með EDFA-eingöngu mögnun. Virka hávaðatalan getur verið lægri fyrir vikið.

Gallarnir eru þó raunverulegir. Raman magnarar krefjast mikils dæluafls (oft yfir 500 mW), skila hóflegum ávinningi (10–15 dB venjulega) og auka flókið dreifing. Á hinn bóginn eru þeir bylgjulengd-sveigjanleg á þann hátt sem EDFA getur ekki passað við -, bara breyttu dælubylgjulengdinni til að magna upp annað band.

Þessar tvær tæknir eru í raun ekki keppinautar. Flest öfga-löng-- og kafbátakerfi nota bæði: Raman býður upp á dreifða „gólf“ sem kemur í veg fyrir að merkið falli of langt inn í hávaðann, og EDFA skilar háa-styrkja einbeittri mögnun við hvern endurvarpa. Þessi blendingsaðferð er orðin staðlað leið til að ýta bæði getu og ná að takmörkunum.

Þar sem EDFA er notað í dag

Langdrægt-jarðnet

Þetta er þar sem EDFA vinnur sér inn. Í burðarnetum sem spanna lands- eða meginlandsfjarlægðir fara EDFA á 80–100 km fresti til að berjast gegn trefjadeyfingu. EinhleypurljósleiðaramagnaraAð bera 80+ DWDM rásir á 100G eða 400G á hverja rás fer eftir keðju þessara magnara til að viðhalda merkjagæðum yfir þúsundir kílómetra. Taktu EDFA út úr myndinni og hagkvæmni há-flutninga á landi hrynur.

Sæstrengjakerfi

Sæstrengir eru erfiðasta umhverfi sem EDFA mun nokkurn tíma standa frammi fyrir. Yfirhafsstrengur getur teygt sig yfir 10.000 km með yfir 100 EDFA endurvarpa sem sitja á hafsbotni. Þessar einingar verða að keyra samfellt í 25 ár án viðhaldsaðgangs. Áreiðanleiki er ekki bara gaman að-að-lenda í - bilun á hafsbotni þýðir dýra skipsheimsókn. Þessar EDFA keyrir með óþarfa dæluleysistækjum og íhaldssömum rekstrarmörkum sem eru hönnuð til að hámarka líftíma umfram allt annað.

Samtenging gagnavera (DCI)

Ofstærðar gagnaver þurfa mikla-bandbreidd, litla-leynd á milli háskólasvæða og þessir tenglar spanna oft tugi til hundruð kílómetra. EDFA gerir samfellda 400G og 800G sendingu á þessum DCI leiðum. Þar sem gervigreindarþjálfun er dreifð í auknum mæli á margar aðstöður vex þessi hluti hratt.

DWDM kerfi

EDFA varð ekki bara samhæft við DWDM - það er það sem gerði DWDM hagnýt í fyrsta lagi. Að magna 40, 80 eða 96 rásir samtímis í einu tæki er það sem gerir netrekendum kleift að stækka ljósleiðaragetu án þess að stækka innviði á sama hraða. Sérhvert DWDM kerfi sem keyrir í dag hefur EDFA í sér.

CATV dreifikerfi

Kapalsjónvarpsnet nota EDFA sem aflmagnara til að auka sjónmerkið frá höfuðendanum og ýta því út til stærri áskrifenda yfir stærra útbreiðslusvæði. Hátt úttakskraftur EDFAs af-gerð örvunar passar vel við þetta útvarpsdreifingarlíkan.

Önnur forrit

EDFA birtist einnig ítrefjamagnaridreifing innan trefja-byggðar staðarneta (sem bætir upp dreifingartap), fjarskipti í her- og geimferðamálum (þar sem áreiðanleiki og umhverfisþol eru ekki-viðsemjanleg) og skammtasamskiptanet sem eru að koma upp (þar sem mögnun veik merki án rafbreytingar hefur sérstakt gildi).

Hvernig á að velja rétta EDFA

Að velja rétta EDFA byrjar á því að skilja hlutverk þess á netinu þínu. Booster,-línu magnari og for-magnari hafa gjörólíka forgangsstafla - að kaupa lágvaða-einingu fyrir örvunarforrit er að eyða peningum í forskrift sem hjálpar þér ekki.

Skilgreindu hlutverkið fyrst. Booster þýðir að þér er annt um mettað úttak. Í-línu þýðir að þú ert að jafna ávinning á móti hávaða. For-magnari þýðir að hávaðatalan er konungur.

Staðfestu rekstrarbandið þitt. C-band (1530–1565 nm), L-band (1565–1625 nm), eða bæði. C+L EDFA eru til, en framboð og afköst eru mismunandi eftir söluaðilum.

Reiknaðu ávinnings- og aflþörf út frá kostnaðarhámarkstapi þínu. Fyrir örvun, einbeittu þér að mettaðri framleiðsluafli. Fyrir í-línu magnara skaltu ganga úr skugga um að ávinningur nái yfir spantapi með framlegð. Fyrir for-magnara skaltu staðfesta lágmarksinntaksaflið sem hann þolir á meðan hann slær samt á viðunandi NF.

Metið hávaðatöluna vandlega ef þú ert að fossa. Lægri NF þýðir meiri OSNR framlegð, sem þýðir lengri ná eða betri BER. Í keðju magnara, jafnvel 1 dB af NF-bætandi efnasamböndum á hverju tímabili.

Athugaðu flatneskju - sérstaklega fyrir DWDM með háa rásafjölda. Því fleiri EDFA í keðjunni þinni, því þéttari þarf þessi sérstakur að vera. Kerfi sem keyrir 40 rásir hefur aðrar kröfur um flatleika en eitt sem keyrir 80.

Þáttur í dreifingarumhverfinu. Innanhússfesting-, utanhússskápur og neðansjávar eru þrír mjög ólíkir heimar. Rekstrarhitasvið, rakaþol, vélræn höggeinkunn, MTBF - allt þetta breytist eftir því hvert einingin fer. Subsea EDFA eru í meginatriðum annar vöruflokkur en einingar fyrir festingar fyrir-rekki.