EDFA란 무엇입니까? 에르븀-도핑된 섬유 증폭기의 작동 원리

EDFA란 무엇입니까?

EDFA는광 증폭기에르븀- 도핑된 섬유 섹션을 사용하여 광학 영역에서 직접 광 신호를 증폭합니다. 기존 중계기는 모든 단계에서 광-에서-전기로-에서-광(O-E-O)으로 변환해야 합니다. EDFA는 이 모든 것을 건너뜁니다. 신호는 처음부터 끝까지 가볍게 유지되므로 - 대역폭을 보존하고 대기 시간을 단축하며 전체 네트워크 복잡성 계층을 제거합니다.

이는 실리카 섬유의 가장 낮은 손실 전송 창인 C-대역(1530~1565nm) 및 L{3}}대역(1565~1625nm)에서 작동합니다. 이러한 스펙트럼 중첩은 우연이 아닙니다. - 이것이 EDFA가 장거리 네트워크의 기본 증폭기가 된 이유이고- WDM 및 DWDM 시스템이 작동하는 방식입니다. 단일 EDFA는 동시에 하나의 광섬유를 통해 이동하는 수십 또는 수백 개의 파장 채널을 향상시킬 수 있습니다.

EDFA 문제가 해결됩니다

광 신호는 광섬유를 통해 이동하면서 강도를 잃습니다. 감쇠, 접속 손실, 커넥터 손실 - 모두 합산됩니다. EDFA 이전에는 경로를 따라 전자 재생기를 배치하는 것이 유일한 옵션이었습니다. 이러한 장치는 빛을 전기로 변환하고, 신호를 정리하고,-재증폭한 후 다시 빛으로 변환했습니다. 모든 재생기는 비용이 많이 들고 형식에 따라 다르며-하나의 데이터 속도와 하나의 변조 방식만 처리할 수 있었습니다. WDM 시스템을 확장하려면 재생기에 채널 수를 곱해야 했습니다. 비용과 복잡성이 엄청나게 증가했습니다.

연구자들은 1987년에 돌파구를 찾았습니다.에르븀-도핑 섬유유도 방출을 통해 1550nm 근처의 신호를 증폭할 수 있습니다. 2년 후, 첫 번째 다이오드-가 펌핑되었습니다.에르븀- 도핑된 섬유 증폭기실험실에서 검증되어 이 개념이 실제 네트워크에서 작동할 수 있음을 입증했습니다. 이것이 중요한 이유는 증폭 자체만이 아니라 - 단일 EDFA가 WDM 시스템의 모든 파장 채널을 동시에 증폭할 수 있다는 것입니다. 각-채널 재생성은 없습니다. 이 한 가지 기능 덕분에 밀도가 높은 파장-분할 다중화를 경제적으로 실행 가능하게 만들고 테라비트- 규모의 해저 케이블을 쉽게 사용할 수 있게 되었습니다.

EDFA는 어떻게 작동하나요?

핵심 메커니즘: 유도 방출

EDFA는 새로운 빛을 생성하는 대신 기존 빛을 증폭한다는 점을 제외하면 레이저 - 유도 방출 -과 동일한 원리로 작동합니다.

고출력 펌프 레이저(980 nm 또는 1480 nm에서 작동)는 에르븀- 도핑된 섬유에 에너지를 주입합니다. 에르븀 이온(Er³⁺)은 이 펌프 에너지를 흡수하여 바닥 상태에서 들뜬 상태로 점프합니다. 충분한 이온이 여기되면 바닥 상태보다 높은 에너지 상태에 있는 이온이 - 더 많이 반전됩니다.- 이것이 증폭이 일어나기 위한 전제 조건입니다.

이제 1550 nm 근처의 약한 광 신호가 도핑된 섬유로 들어갑니다. 그 광자는 여기된 에르븀 이온에 부딪히고, 각 상호 작용은 이온이 바닥 상태로 다시 떨어지도록 촉발하여 그 과정에서 새로운 광자를 방출합니다. 이 새로운 광자는 신호 광자 -와 동일한 파장, 동일한 위상, 동일한 방향입니다. 광섬유 길이를 따라 수십억 개의 상호 작용에 이를 곱하면 신호가 반대쪽 끝에서 훨씬 더 강하게 나옵니다.

증폭은 본질적으로 광대역입니다. 에르븀 이득 스펙트럼은 C-대역에서 대략 30~40 nm에 걸쳐 있습니다. 이는 영리한 엔지니어링 해결 방법이 아닙니다. - 이는 에르븀 이온의 에너지 준위 구조의 물리학에 적용됩니다. 이로 인해 단일 EDFA는 40, 80 또는 심지어 96개의 DWDM 채널을 동시에 처리할 수 있습니다.

EDFA 내부의 주요 구성 요소

작동하는 EDFA 모듈은 단지 도핑된 섬유 조각보다 더 많은 일을 하고 있습니다. 다섯 가지 핵심 구성 요소가 함께 작동합니다.

에르븀-도핑 섬유(EDF)는 이득 매질입니다. 섬유 길이, 에르븀 농도 및 유리 구성은 모두 이득 및 잡음 특성을 형성합니다. 펌프 레이저는 에르븀 이온을 여기시키는 에너지를 공급합니다. - 그 출력과 안정성은 EDFA의 이득과 잡음 지수를 결정합니다. WDM 커플러는 펌프광과 신호광을 병합하여 도핑된 광섬유를 통해 함께 전파됩니다. 입력 및 출력의 광 절연체는 증폭기를 불안정하게 하거나 기생 레이저를 유발할 수 있는 역-반사를 차단합니다. 그리고 광학 필터는-대역 잡음과 ASE(증폭 자연 방출)를 제거하여 출력을 깨끗하게 유지합니다.

980 nm 대 1480 nm 펌핑 - 많은 EDFA가 두 가지를 모두 사용하는 이유

펌프 파장은 EDFA의 가장 큰 설계 결정 중 하나이며 두 가지 옵션에는 데이터 시트의 사양이 다를 뿐만 아니라 진정한 절충 -이 포함됩니다.

980 nm 펌핑은 에르븀 이온을 높은 에너지 준위(E3)로 여기시킨 후 비-방사 과정을 통해 준안정 준위(E2)로 빠르게 완화시킵니다. 이 2단계-단계 경로는 매우 깨끗한 모집단 반전을 생성하고 일반적으로 1480nm보다 1~2dB 더 낮은 잡음 지수(-)를 생성합니다. 잡음의 1dB 단위까지 중요한 프리{11}증폭기의 경우 980nm가 원하는 것입니다.

1480nm 펌핑은 지름길을 택합니다. 즉, 에르븀 이온을 준안정 수준(E2)으로 직접 여기시킵니다. 더 많은 에너지-효율성과 달성 가능한 출력 전력이 더 높지만 소음이 더 많습니다. 따라서 잡음 성능보다 원시 전력이 더 중요한 부스터 증폭기에 더 적합합니다.

다수의 고성능-성능 EDFA는 둘 중 하나를 선택하지 않습니다. - 소음을 낮게 유지하기 위해 순방향으로 두 개의. 980 nm 펌프를 모두 사용하고, 출력 전력을 높이기 위해 역방향으로 1480 nm 펌프를 사용합니다. 이 하이브리드 구성은 잠수함 및 장거리{5}}지상 시스템의 표준이며, 그럴 만한 이유가 있습니다. 단일 장치에서 980nm의 소음 이점과 1480nm의 전력 이점을 얻을 수 있습니다.

EDFA의 세 가지 유형과 각각의 사용 시기

EDFA가 광학 링크의 위치에 따라 설계 방법에 대한 모든 것이 결정됩니다. 부스터에 중요한 사양은 프리{1}}앰프와 거의 관련이 없으며 그 반대도 마찬가지입니다.

부스터 증폭기

송신기 바로 뒤에 갑니다. 그 역할은 빛이 광섬유 범위에 들어가기 전에 신호 전력을 최대한 높이는 것입니다. DWDM 시스템에서 멀티플렉서는 발사 전력을 소모하는 삽입 손실을 발생시키고 부스터는 이를 보상합니다. 여기서 가장 중요한 사양은 포화 출력 전력 -(일반적으로 16~23dBm)입니다. 입력 신호가 여전히 강하기 때문에 노이즈 지수는 부차적입니다.

인라인 증폭기-

이들은 일반적으로 80~100km마다 광섬유 경로를 따라 중간 지점에 위치하여 스팬 손실을 보상하고 신호를 노이즈 플로어 이상으로 유지합니다. 적절한 소음 성능을 갖춘 높은 게인(20~30dB)이 필요합니다. 인-라인 증폭기에 관한 사항은 다음과 같습니다. 모든 단계에서 잡음이 축적됩니다. 해저 케이블의 10개, 20개 또는 100개 계단식 EDFA 체인에 대한 잡음 예산을 설계할 때 모든 증폭기의 기여도가 중요합니다. 작은 차이라도 잘못되면 작동하는 링크와 닫히지 않는 링크 사이의 차이를 의미할 수 있습니다.

프리{0}}앰프

수신자 바로 앞에 앉습니다. 이 시점에서 신호는 수백 또는 수천 킬로미터를 넘어 때로는 -30dBm 미만의 매우 낮은 전력 -에 도달했을 수 있습니다. 이 수준에서는 ASE 소음 증가가 최악입니다. 노이즈 지수는 프리앰프의 가장 중요한 매개변수입니다. 여기서 NF가 1dB 향상되면 도달 범위가 확장되거나 전체 링크에 대한 비트 오류율이 향상되는 것으로 직접 해석될 수 있습니다.

주요 성능 매개변수

얻다

dB 단위로 측정됩니다. 30dB의 이득은 출력이 입력보다 1,000배 더 강하다는 것을 의미합니다. 일부 EDFA 설계는 50dB를 초과할 수 있지만 대부분의 상용 장치는 15~35dB 범위에서 실행됩니다. 이득은 EDF 길이, 펌프 전력 및 입력 신호 레벨에 따라 달라집니다. 입력 전력이 증가함에 따라 고정된 숫자 -가 아니며 포화로 인해 게인이 압축됩니다. 링크 예산 계산에서는 이를 고려해야 합니다.

잡음 지수(NF)

EDFA가 추가하는 추가 노이즈의 양을 정량화합니다. 이론적 최소값은 3dB(고이득에서 위상 비감지 증폭기의 양자 한계)이며 상용 EDFA는 일반적으로 작은-신호 조건에서 5~7dB를 달성합니다. 프리-앰프와 계단식 장거리-링크의 경우 NF는 전체 시스템에 대한 OSNR 예산을 직접 설정하기 때문에 최적화하는 첫 번째 매개변수인 경우가 많습니다.

포화 출력 전력

입력이 포화 상태에 이를 만큼 충분히 강할 때(일반적으로 0dBm 이상) EDFA가 전달할 수 있는 최대 출력 전력입니다. 이것은 부스터 증폭기의 헤드라인 번호입니다. 출력 전력이 높을수록 광섬유에 더 많은 전력을 공급할 수 있으며, 이는 일반적으로 증폭기 사이트 간의 범위가 길어진다는 의미입니다.

평탄도 확보

채널이 많은 DWDM 시스템에서는 각 채널이 이상적으로 동일한 이득을 얻습니다. 에르븀 이득 스펙트럼은 협력하지 않습니다. - 일부 파장은 자연스럽게 다른 파장보다 더 많이 증폭됩니다. 게인 평탄도는 일반적으로 작동 대역 전체에서 피크-~-피크 dB로 표시되는 변화를 측정합니다.

문제는 증폭기를 캐스케이드할 때 명백해집니다. 한 채널이 증폭기당 0.5dB 적은 이득을 얻는다고 가정해 보겠습니다. 10개의 증폭기 이후에는 5dB 더 약해집니다. 20 이후에는 수신기의 감도 임계값 아래로 완전히 떨어질 수 있습니다. 해저 케이블 시스템과 장거리-장거리 지상파 네트워크는 EDFA 모듈에 내장된 이득-평탄화 필터(GFF)를 통해 또는 이득 스펙트럼의 고유 평탄도를 개선하기 위해 EDF 유리의 알루미늄 농도를 조정하여 이 문제를 처리합니다.

EDFA와 기타 광 증폭기 비교

EDFA와 SOA(반도체 광 증폭기)

SOA는 도핑된 광섬유 대신 반도체 이득 매체를 사용합니다. 더 작고 저렴하며 포토닉 칩에 통합될 수 있습니다. - 메트로 네트워크, 광 스위칭 및 신호 처리에 대한 실질적인 이점이 있습니다. 하지만 장거리-전송의 경우에는 견디지 못합니다. SOA의 이득은 약 15~25dB(EDFA는 50dB를 초과할 수 있음)이고, 잡음 지수는 7~12dB(EDFA의 5~7dB에 비해)이며, 편파에 민감하고{12}}EDFA에서는 발생하지 않는 WDM 채널 간의 누화를 발생시킵니다.

SOA가 그 자리를 차지했습니다. EDFA가 그 자리를 차지하고 있습니다. 백본 DWDM 전송의 경우 선택의 폭이 좁습니다.

EDFA 대 라만 증폭기

라만 증폭은 완전히 다른 메커니즘 - 자극 라만 산란 -을 통해 작동하며 별도의 도핑된 광섬유가 아닌 전송 광섬유 자체 내부에서 발생합니다. 신호는 한꺼번에 증폭되는 것이 아니라 범위를 따라 점진적으로 증폭되기 때문에 EDFA-전용 증폭만큼 낮게 떨어지지는 않습니다. 결과적으로 유효 잡음 지수가 낮아질 수 있습니다.

그러나 단점은 현실입니다. 라만 증폭기는 높은 펌프 전력(종종 500mW 이상)을 요구하고 적당한 이득(일반적으로 10~15dB)을 제공하며 배포 복잡성을 추가합니다. 반면에, 이는 EDFA가 일치할 수 없는 방식으로 파장이-유연합니다. - 다른 대역을 증폭하기 위해 펌프 파장을 이동하기만 하면 됩니다.

이 두 기술은 실제로 경쟁자가 아닙니다. 대부분의 초-장거리-해저 시스템은 두 가지를 모두 사용합니다. Raman은 신호가 잡음 속으로 너무 멀리 떨어지는 것을 방지하는 분산 이득 "플로어"를 제공하고 EDFA는 각 중계기에서 높은{3}}이득 집중 증폭을 제공합니다. 이러한 하이브리드 접근 방식은 용량과 한계에 도달하는 표준 방법이 되었습니다.

오늘날 EDFA가 사용되는 곳

장거리-지상파 네트워크

이것이 EDFA가 유지되는 곳입니다. 전국 또는 대륙 거리에 걸친 백본 네트워크에서 EDFA는 광섬유 감쇠를 방지하기 위해 80~100km마다 이동합니다. 싱글광섬유 증폭기채널당 100G 또는 400G로 80+ DWDM 채널을 전달하는 것은 수천 킬로미터에 걸쳐 신호 품질을 유지하기 위해 이러한 증폭기 체인에 달려 있습니다. EDFA를 그림에서 없애면 고용량 지상 운송의 경제성이-붕괴됩니다.

해저 케이블 시스템

해저 케이블은 EDFA가 직면하게 될 가장 가혹한 환경입니다. 대양저에 100개가 넘는 EDFA 중계기를 설치하면 대양 횡단 케이블의 길이가 10,000km 이상으로 늘어날 수 있습니다. 이러한 장치는 유지 관리에 대한 접근 없이 25년 동안 지속적으로 작동해야 합니다. 신뢰성은 단지 좋은 것이 아닙니다.--해저에서 실패하는 것은 - 값비싼 선박 방문을 의미합니다. 이러한 EDFA는 무엇보다 수명을 극대화하도록 설계된 중복 펌프 레이저와 보수적인 작동 마진으로 작동됩니다.

데이터 센터 상호 연결(DCI)

대규모 데이터 센터에는 캠퍼스 간 높은{0}}대역폭과 낮은 지연 시간의-링크가 필요하며 이러한 링크는 대개 수십 킬로미터에서 수백 킬로미터에 걸쳐 있습니다. EDFA는 이러한 DCI 경로에서 일관된 400G 및 800G 전송을 가능하게 합니다. AI 교육이 여러 시설에 점점 더 분산되면서 이 부문은 빠르게 성장하고 있습니다.

DWDM 시스템

EDFA는 DWDM과 호환될 뿐만 아니라 - 애초에 DWDM을 실용적으로 만든 것입니다. 하나의 장치에서 40, 80 또는 96개 채널을 동시에 증폭하면 네트워크 운영자가 인프라를 동일한 속도로 확장하지 않고도 광섬유 용량을 확장할 수 있습니다. 오늘날 실행되는 모든 DWDM 시스템에는 EDFA가 포함되어 있습니다.

CATV 유통망

케이블 TV 네트워크는 EDFA를 전력 증폭기로 사용하여 헤드엔드의 광 신호를 증폭시켜 더 넓은 적용 범위에 걸쳐 더 많은 가입자 기반으로 전달합니다. 부스터-형 EDFA의 높은 출력은 이 방송 배포 모델에 잘 맞습니다.

기타 애플리케이션

EDFA도 나타납니다.광섬유 증폭기광섬유 기반 LAN(분배 손실 보상), 군사 및 항공우주 통신(신뢰성과 환경 내성은 협상할 수 없는-), 신흥 양자 통신 네트워크(전기 변환 없이 약한 신호를 증폭하는 것이 특별한 가치가 있음) 내 배포가 있습니다.

올바른 EDFA를 선택하는 방법

올바른 EDFA를 선택하는 것은 네트워크에서의 역할을 이해하는 것부터 시작됩니다. 부스터,-인라인 앰프 및 프리{2}}앰프는 완전히 다른 우선순위 스택을 갖습니다. - 부스터 애플리케이션용 저잡음 장치를 구입하는 것은 도움이 되지 않는 사양에 돈을 낭비하는 것입니다.

먼저 역할을 정의하십시오. 부스터는 포화 출력 전력에 관심을 갖는다는 것을 의미합니다. 인라인-은 이득과 잡음의 균형을 맞추고 있음을 의미합니다. 프리-앰프는 노이즈 지수가 가장 높다는 것을 의미합니다.

작동 대역을 확인하세요. C-밴드(1530~1565nm), L-밴드(1565~1625nm) 또는 둘 다. C+L EDFA가 존재하지만 가용성과 성능은 공급업체에 따라 다릅니다.

스팬 손실 예산에서 이득 및 전력 요구 사항을 계산합니다. 부스터의 경우 포화 출력 전력에 중점을 둡니다. 인라인 앰프의 경우- 이득이 스팬 손실을 여유로 커버하는지 확인하세요. 프리-앰프의 경우 허용 가능한 NF에 도달하면서 처리할 수 있는 최소 입력 전력을 확인하세요.

계단식으로 배열하는 경우 노이즈 수치를 주의 깊게 평가하세요. NF가 낮다는 것은 더 많은 OSNR 마진을 의미하며, 이는 더 긴 도달 범위 또는 더 나은 BER을 의미합니다. 증폭기 체인에서는 모든 범위에 걸쳐 1dB의 NF 개선도 가능합니다.

특히 채널 수가 많은 DWDM의 경우 이득 평탄도-를 확인하세요. 체인에 EDFA가 많을수록 이 사양은 더욱 엄격해져야 합니다. 40개 채널을 실행하는 시스템은 80개 채널을 실행하는 시스템과 평탄도 요구 사항이 다릅니다.

배포 환경을 고려하세요. 실내 랙-마운트, 실외 캐비닛 및 해저에는 매우 다른 세 가지 세계가 있습니다. 작동 온도 범위, 습도 내성, 기계적 충격 등급, MTBF - 이 모든 것은 장치가 이동하는 위치에 따라 달라집니다. 해저 EDFA는 기본적으로 랙-장착 장치와는 다른 제품 범주입니다.