Если вы только начинаете знакомиться с миром волоконной оптики, все технические термины и сокращения могут показаться вам непосильными. Именно поэтому я создал этот серия глоссариев по волокнам - поможет вам понять, что на самом деле означают эти термины, самым простым способом.

Я объясняю все с точки зрения инсайдера, используя реальные фотографии, когда это возможно (а не просто причудливые рендеры). Я также избегаю слишком сложных объяснений, сохраняя язык ясным и прямым, так что вы можете быть уверены, что после прочтения поймете реальное значение этих терминов.

Сегодня мы поговорим о: Усилитель на волокне с эрбиевым легированием (EDFA)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Краткий ответ: Что такое EDFA?

Усилитель на волокне с эрбиевой добавкой (EDFA) — это устройство, которое усиливает слабый оптический сигнал без его предварительного преобразования в электрический сигнал.

Внутри усилителя находится короткий отрезок оптического волокна, в сердцевине которого содержится небольшое количество эрбия. Лазер-насос подает энергию на ионы эрбия. Когда входящий сигнал проходит через это возбужденное волокно, он стимулирует выделение дополнительного света на той же длине волны, что и у сигнала. В результате получается более мощный оптический выходной сигнал.

EDFA в основном используются в диапазоне около 1550 нм, особенно в C-диапазоне, а при наличии соответствующих конструкций — и в L-диапазоне. Эти диапазоны длин волн играют важную роль в сетях передачи данных на большие расстояния и сетях с мультиплексированием по длине волны.

Что означает аббревиатура EDFA?

Принцип работы EDFA

EDFA означает усилитель на волокне, легированном эрбием:

  • Эрбийявляется редкоземельным элементом.
  • Легированное волокно— это стекловолокно, в сердечник которого добавлено небольшое количество эрбия.
  • Усилительозначает, что устройство увеличивает мощность оптического сигнала.

Вы также можете встретить термин EDF, что означает «волокно, легированное эрбием». EDF — это активное волокно внутри устройства. EDFA — это усилитель в сборе, включающий активное волокно, лазер накачки, соединители, изоляторы, схему управления и другие компоненты.

Почему в оптоволоконных сетях нужны усилители?

Оптические сигналы теряют мощность при прохождении. Само оптоволокно вызывает затухание. Разъёмы, сращивания, разветвители, фильтры и мультиплексоры приводят к дополнительным потерям. Наши руководства по волоконно-оптические разъёмы и волоконно-оптические коммутационные шнуры Объясните, из каких двух общих элементов состоит этот оптический путь.

Если сигнал, поступающий на приемник, слишком слабый, приемник может не смочь достоверно считать данные. Поэтому проектировщик сети составляет бюджет канала связи. В бюджете суммируются ожидаемые потери и проверяется, останется ли у приемника достаточная мощность.

Усилитель может восстановить оптическую мощность до того, как сигнал станет непригодным для использования.

Оптическое усиление и регенерация по схеме O-E-O

EDFA работает непосредственно в оптической области. Обычно он не считывает биты и не преобразует сигнал в электричество.

Регенератор типа O-E-O выполняет три этапа: преобразование из оптического в электрический сигнал, обработку сигнала и обратное преобразование из электрического в оптический сигнал. Это позволяет изменить форму и синхронизацию сигнала, однако данный процесс в большей степени зависит от скорости передачи данных и формата сигнала.

EDFA обладает большей прозрачностью. Он способен усиливать несколько длин волн одновременно. Однако он также усиливает шумы и не может устранить все виды повреждений сигнала.

Как работает EDFA?

Основной процесс состоит из трёх этапов.

Шаг 1: Лазер с накачкой добавляет энергию

Насосный лазер, обычно работающий на длине волны около 980 нм или около 1480 нм, направляет насосный свет в волокно, легированное эрбием. Эта энергия переводит ионы эрбия в более высокое энергетическое состояние.

Шаг 2: Сигнал поступает в активное волокно

Мультиплексор с волновым разделением объединяет свет накачки и входящий оптический сигнал. Оба сигнала проходят через волокно, легированное эрбием.

Шаг 3: Сигнал вызывает появление дополнительного сигнального огня

Когда сигнальный фотон вступает во взаимодействие с возбужденным ионом эрбия, он может вызвать выброс другого фотона с соответствующими оптическими свойствами. Этот процесс называется вынужденным излучением. По мере того как он повторяется вдоль активного волокна, мощность сигнала увеличивается.

Чтобы понять суть этого принципа на практике, не нужно рассчитывать атомные энергетические уровни: насос подает энергию, эрбий на короткое время аккумулирует её, а проходящий сигнал вызывает выделение этой энергии в виде дополнительного сигнального света.

Какие детали входят в состав EDFA?

Примечания FS EDFA

Источник изображения: FS

Стандартный EDFA обычно состоит из:

  • Один или несколько лазеров с насосной системой
  • Волокно, легированное эрбием
  • WDM-комбинатор, объединяющий накачку и сигнальный свет
  • Оптические изоляторы, снижающие уровень вредных обратных отражений
  • Контрольные фотодиоды
  • Схема управления и питания

Некоторые устройства также оснащены фильтрами выравнивания коэффициента усиления, регулируемыми оптическими аттенюаторами, резервными насосами, оптическими разветвителями, сигнализацией и интерфейсами для управления сетью.

Конкретная конструкция зависит от того, является ли усилитель бустером, линейным усилителем или предусилителем.

Почему EDFA работает в диапазоне около 1550 нм?

Эрбий обеспечивает значительное оптическое усиление в диапазоне длин волн около 1550 нм. Этот диапазон также пересекается с окном передачи с низкими потерями в кварцевом волокне. Совокупность этих свойств делает EDFA очень полезным для оптической связи на большие расстояния.

К коммерческим объектам обычно относятся:

  • C-диапазон:примерно от 1530 до 1565 нм
  • L-диапазон:примерно от 1565 до 1625 нм

Точные диапазоны зависят от конструкции и технических характеристик. Не следует предполагать, что EDFA в C-диапазоне способен усиливать сигналы с длиной волны 1310 нм. Наш Руководство по типам одномодовых волокон содержит дополнительную информацию о типичных длинах волн передачи. При планировании длин волн также следует учитывать хроматическая дисперсия, поскольку усилитель восстанавливает мощность, но не устраняет дисперсию, которая уже повлияла на сигнал.

Усилитель, встроенный усилитель и предусилитель

Встроенный предусилитель с усилительным блоком EDFA
Роль EDFA Где он находится Основная работа Важный аспект проектирования
Усилитель-бустер
После передатчика
Подайте больше мощности в оптоволокно
Высокая выходная мощность и безопасные пределы приемника
Встроенный усилитель
По длинному маршруту
Компенсировать потерю пролета
Коэффициент усиления, выходная мощность, уровень шума, линейность и надежность
Предусилитель
Перед приемником
Усилить слабый входящий сигнал
Низкий коэффициент шума и совместимость с приемниками

Само по себе слово “EDFA” не даёт понять, для каких задач предназначено данное устройство. Усилитель высокой мощности и малошумящий предусилитель могут иметь совершенно разные входные диапазоны и элементы управления.

Четыре технических параметра EDFA, которые следует знать

1. Усиление

Коэффициент усиления характеризует степень усиления мощности сигнала усилителем:

Коэффициент усиления (дБ) = P_out (дБм) − P_in (дБм)

Если входной сигнал составляет −20 дБм, а выходной — +5 дБм, то коэффициент усиления равен:

+5 − (−20) = 25 дБ

Этот простой расчет полезен, однако коэффициент усиления не остается постоянным при любых условиях. Он изменяется в зависимости от входной мощности, нагрузки на выходе, длины волны, количества каналов, температуры и режима управления.

Кривая насыщения коэффициента усиления EDFA

2. Выходная мощность и насыщение

Максимальная или насыщенная выходная мощность показывает, какую общую оптическую мощность может обеспечить усилитель. Когда входной сигнал становится сильным или присутствует большое количество каналов WDM, EDFA приближается к состоянию насыщения. Он больше не может обеспечивать одинаковое усиление по малому сигналу для каждого дополнительного входного сигнала.

Всегда уточняйте, указана ли выходная мощность на один канал или в виде суммарной мощности по всем каналам. Также проверьте, включает ли это значение шум, связанный с усиленным спонтанным излучением.

3. Коэффициент шума и ASE

EDFA вносит шумы. Даже при отсутствии сигнала возбужденный эрбий может хаотично испускать фотоны. Это явление называется усиленным спонтанным излучением (ASE). Затем усилитель усиливает часть этого нежелательного излучения.

Коэффициент шума показывает, насколько усилитель ухудшает соотношение сигнал/шум. Как правило, чем ниже этот показатель, тем лучше, особенно для предусилителя. Однако сравнивать коэффициент шума следует при одинаковых значениях длины волны, входной мощности, коэффициента усиления и условиях измерения.

4. Равномерность усиления

Система WDM передает множество каналов различных длин волн. Если EDFA обеспечивает большее усиление для одних длин волн, чем для других, мощности каналов становятся неравномерными. Равномерность усиления характеризует эти колебания в заданном диапазоне длин волн.

Фильтры выравнивания коэффициента усиления позволяют уменьшить эту разницу. Это приобретает ещё большее значение, когда несколько усилителей соединены последовательно, поскольку небольшие отклонения могут суммироваться.

Пример реальной спецификации продукта

Компания FiberLabs публикует следующие характеристики для отдельных моделей из линейки настольных EDFA в C-диапазоне:

Параметр Указанная стоимость и состояние
Диапазон длин волн сигнала
от 1530 до 1560 нм
Выходная мощность
От +13 до +22 дБм, в зависимости от модели, при номинальной входной мощности 0 дБм
Усиление
От 25 до 40 дБ, в зависимости от модели, при входной мощности −30 дБм
Коэффициент шума
Не более 5–6 дБ, в зависимости от модели, при входной мощности −30 дБм
Равномерность усиления
Не более 3 дБ для указанных моделей серии W при сигналах в диапазоне от 1530 до 1560 нм с общей входной мощностью 0 дБм
Рабочая температура
от 0 до 40 °C

Эти данные относятся к конкретным изделиям при указанных условиях. Они не являются универсальными значениями, применимыми ко всем EDFA. Кроме того, они показывают, почему коэффициент усиления, выходная мощность, коэффициент шума и линейность не следует сравнивать без учета входной мощности и конфигурации модели.

На что способен EDFA — а на что нет?

EDFA может… EDFA не может…
Прямое увеличение оптической мощности
Усиление всех оптических длин волн
Одновременное усиление нескольких каналов WDM в C- или L-диапазоне
Устранить хроматическую дисперсию
Увеличить расстояние или компенсировать потери в компонентах
Полностью восстановить искаженную синхронизацию или форму сигнала
Работа без знания скорости передачи данных во многих системах
Добавьте неограниченное усиление без увеличения шума
Использовать в качестве бустера, встроенного усилителя или предусилителя
Игнорировать перегрузку приемника и пределы оптической безопасности

Это разграничение позволяет избежать распространённой ошибки при проектировании: добавления ещё одного усилителя в тех случаях, когда настоящая проблема заключается в дисперсии, нелинейных эффектах, низком оптическом соотношении сигнал/шум, отражении или перегрузке приёмника.

EDFA в сравнении с другими вариантами

Технология Основная сильная сторона Основное ограничение
EDFA
Эффективное усиление в диапазоне около 1550 нм; позволяет усиливать множество каналов WDM
Ограничивает диапазоны длин волн и добавляет шум ASE
Полупроводниковый оптический усилитель
Компактные и доступные для различных диапазонов длин волн
Как правило, характеризуется более высоким уровнем шума и более выраженными эффектами, зависящими от сигнала
Усилитель Рамана
Распределенное усиление может улучшить характеристики конструкций с большим пролетом
Более сложная и требует высокой мощности насоса в передающем волокне
Регенератор O-E-O
Может изменять форму, синхронизацию и повторно передавать сигнал
Более сложный и зависящий от формата сигнала и скорости передачи данных

Не существует единого оптимального варианта, подходящего для всех сетей. Правильный выбор зависит от длины волны, расстояния, формата сигнала, плана каналов, уровня шума, стоимости и потребностей в техническом обслуживании.

Как выбрать EDFA

Как проверить EDFA

Прежде чем выбрать устройство, задайте себе следующие вопросы:

  1. Каков точный диапазон длин волн сигнала: C-диапазон, L-диапазон или какой-то другой?
  2. Устройство необходимо в качестве усилителя сигнала, линейного усилителя или предусилителя?
  3. Каковы минимальная и максимальная входная мощность?
  4. Какие значения выходной мощности и коэффициента усиления требуются?
  5. Сколько каналов WDM будет доступно и какова общая входная мощность?
  6. Какие значения коэффициента шума и плоскостности усиления может выдержать данная линия связи?
  7. Какой режим управления требуется: с постоянным коэффициентом усиления, с постоянной выходной мощностью или какой-либо другой?
  8. Какие разъёмы, тип монтажа в стойку, источник питания, средства сигнализации, системы мониторинга и рабочий температурный диапазон требуются?
  9. Какова максимальная безопасная мощность на следующем пассивном элементе и приемнике?

Не следует выбирать EDFA, ориентируясь исключительно на максимальное усиление. Модель с очень высоким усилением может оказаться неподходящей, если её входной диапазон, предельное значение выходного сигнала, уровень шума, линейность или характеристики управления не соответствуют условиям канала связи.

Распространенные проблемы и ошибки при работе с EDFA

Ошибка 1: Использование EDFA для длины волны 1310 нм

Стандартные телекоммуникационные EDFA рассчитаны на полосы усиления эрбия вблизи 1550 нм. Проверьте указанный диапазон длин волн, а не предполагайте, что один оптический усилитель охватывает все диапазоны.

Ошибка № 2: Слишком сильное ускорение

Большая мощность не всегда лучше. Чрезмерная мощность излучения может усилить нелинейные эффекты в волокне. Чрезмерная мощность приема может привести к перегрузке или повреждению приемника.

Ошибка № 3: Игнорирование шума ASE

После усиления оптический спектр может казаться более интенсивным, в то время как качество сигнала ухудшается. Каскадированные EDFA накапливают ASE и снижают оптическое отношение сигнал/шум.

Ошибка № 4: Путаница между общей мощностью и мощностью на канал

Общая выходная мощность +20 дБм, распределяемая между многими каналами WDM, не означает, что каждый канал получает +20 дБм.

Ошибка № 5: Игнорирование отражений и состояния соединителей

Загрязнённые или повреждённые торцевые поверхности приводят к увеличению потерь и отражения. Оптические изоляторы помогают защитить усилитель, однако по-прежнему необходимо проводить надлежащий осмотр, очистку и правильно подбирать разъёмы.

Ошибка 6: надежда на то, что усиление устранит дисперсию

EDFA восстанавливает мощность. Он не устраняет растежение импульсов, вызванное дисперсией. При проектировании системы необходимо рассматривать мощность, шум, дисперсию и нелинейные эффекты как отдельные, но взаимосвязанные вопросы.

Оптическая безопасность

Мощность на выходе EDFA может быть настолько высокой, что создает опасность для зрения. Инфракрасный свет с длиной волны около 1550 нм невидим, поэтому оптоволокно под напряжением может выглядеть тёмным.

Ни в коем случае не смотрите в разъем или на конец волокна. Соблюдайте указания на этикетке оборудования, правила безопасности при работе с лазерами и действующие правила техники безопасности на рабочем месте. Перед осмотром или очисткой отключите источник излучения, если это требуется в соответствии с процедурой, и проверьте его состояние с помощью подходящего контрольно-измерительного оборудования.

Часто задаваемые вопросы

Преобразует ли EDFA свет в электричество?

Не в рамках обычного тракта усиления. Он усиливает оптический сигнал напрямую. Внутренние фотодиоды могут контролировать мощность, но для сигнала данных преобразование O-E-O не требуется.

Да. Это одно из его основных преимуществ в системах WDM, работающих в C-диапазоне или L-диапазоне. При этом необходимо проверить поддерживаемый диапазон, суммарную входную мощность, выходную мощность и ровность коэффициента усиления.

Стандартный EDFA этого не делает. Он рассчитан на полосы усиления эрбия вблизи 1550 нм. Для других диапазонов длин волн используются другие технологии усиления.

Да, но этот соединитель больше не гарантирует сохранение поляризации за пределами секции PM. Потери могут также возникать из-за несоответствия модовых полей.

Да. При использовании подходящего устройства для сращивания необходимо определить и совместить структуры или оси напряжений. Обычное совмещение сердечников само по себе может обеспечить низкие потери, но при этом привести к неудовлетворительным показателям поляризации.

Его можно разместить после передатчика, на трассе или перед приемником. Оптимальное расположение определяется исходя из общего бюджета канала связи, бюджета шума, ограничений приемника и конструкции пролета.

Да, и в системах дальнего действия часто используется более одной схемы. Однако шумы ASE, смещение коэффициента усиления, нелинейные эффекты и ограничения по мощности суммируются. Каскадная конструкция требует проектирования на системном уровне.

Краткое резюме

EDFA использует энергию накачки лазера и волокно, легированное эрбием, для усиления оптических сигналов в диапазоне около 1550 нм без их предварительного преобразования в электрические сигналы.

Запомните четыре момента:

  1. EDFA — это, в основном, технология, работающая в C-диапазоне или L-диапазоне, а не универсальный усилитель для всех длин волн.
  2. Одного коэффициента усиления недостаточно; важны также выходная мощность, коэффициент шума, ровность частотной характеристики и диапазон входных сигналов.
  3. Усилитель восстанавливает мощность, но не устраняет дисперсию и не восстанавливает поврежденный сигнал в полной мере.
  4. Каждую техническую характеристику необходимо рассматривать с учётом её длины волны, входной мощности, нагрузки на канал и условий испытаний.

Этих базовых знаний достаточно, чтобы ознакомиться с большинством страниц с описанием продукции EDFA и задавать более конкретные вопросы перед выбором.

Источник

    1. МСЭ-Т G.661 — Определения и методы испытаний соответствующих общих параметров оптических усилительных устройств и подсистем
    2. IEC 61291-1:2018 — Оптические усилители. Общие технические условия
    3. IEC TR 61292-3:2020 — Классификация, характеристики и области применения подсистем оптических усилителей
    4. IEEE — Обзор темы «Усилитель на волокне, легированном эрбием»
    5. FiberLabs — Глоссарий по усилителям на волокне, легированном эрбием
    6. FiberLabs — Технические характеристики настольного EDFA в C-диапазоне
    EXFO — Измерение коэффициента усиления и коэффициента шума EDFA с помощью оптического спектрального анализатора

У вас еще остались вопросы?

Если вы все еще сомневаетесь в чем-то, не стесняйтесь обращаться к нам.

Хотите узнать больше терминов по оптоволокну? Зайдите на наш сайт раздел блога.

Если нужный вам термин еще не охвачен, дайте мне знать - я добавлю его в список приоритетов!

И, наконец, если вы являетесь телекоммуникационным провайдером, оператором сети или занимаетесь развитием оптоволоконной инфраструктуры и ищете надежного партнера в сфере оптоволоконных компонентов — не стесняйтесь связаться с нами.