光伝送におけるBA、LA、PAの違い

2025 年 6 月 10 日

キャサリン

光通信エンジニア

BA、LA、PAの詳細に入る前に、光増幅器の役割全般を理解することが重要です。光増幅器は、光信号を電気信号に変換することなく増幅します。このプロセスにより、光ファイバー通信システムの効率が向上し、遅延が低減されます。主な光増幅器の種類には、エルビウム添加光ファイバー増幅器（EDFA）、ラマン増幅器、半導体光増幅器（SOA）があり、光通信で使用される1550nmの波長帯との互換性があるため、EDFAが最も一般的です。

光増幅器は、長距離伝送における信号減衰やノイズ蓄積といった特定の課題に対処するために、伝送システムの様々なポイントに戦略的に配置されます。BA、LA、PAの配置、設計、動作特性によって、これらの役割における有効性が左右されます。

BA（ブースターアンプ）とは何ですか？

BAはエルビウム添加光ファイバ増幅器（EDFA）送信側で光パワーを増強するために使用されます。ポストアンプとも呼ばれ、マルチプレクサ（MUX）によって生じる挿入損失を補償し、光ファイバーに入力される光パワーを増強します。波長分割多重（WDM）システムでは、BAはMUXの後段に配置され、送信前に複数波長の信号のパワーを増強します。多重化された信号は通常高出力であるため、BAは低い雑音指数を必要としませんが、高い出力パワーを提供する必要があります。

アプリケーション

BAは、長距離およびメトロ光ネットワークにおいて、長距離にわたる信号品質の確保に高い送信パワーが求められる場合に不可欠です。例えば、複数の波長を同時に伝送する高密度波長分割多重（DWDM）システムでは、BAによって各チャネルが次の増幅段または受信機に到達するのに十分なパワーを確保できます。また、海底通信システムでも、長距離の海底光ファイバー伝送による大きな減衰を克服するために高いパワーが求められます。

利点と制限

利点：BAは高い出力を提供するため、追加の増幅を必要とせずに長距離伝送が可能です。マルチチャネルシステムにおける初期損失の克服と信号品質の維持に効果的です。
制限事項：高出力は、特にDWDMシステムにおいて、自己位相変調（SPM）や四光波混合（FWM）などの非線形効果を引き起こす可能性があります。これらの影響を軽減するには、慎重な電力管理が必要です。

LA（ラインアンプ）とは何ですか？

LAは、光ファイバー回線中継アプリケーション専用の特殊な光パワー増幅器で、主に伝送損失を補償し、中継距離を延長するために使用されます。通常80～120 km間隔で設置される光回線増幅器（OLA）サイトに設置されるLAは、双方向光信号を増幅し、レイリー散乱や曲げ損失などのファイバー減衰を補償して信号の整合性を維持します。LAはPAとBAの利点を兼ね備えており、低電力信号に対して高ゲイン（通常35～45 dB）を提供しながら、低ノイズ特性で高出力（飽和電力≥20 dBm）を実現します。一般的なLAの種類には、エルビウム添加光ファイバー増幅器（EDFA-LA）とラマン光ファイバー増幅器（RFA-LA）があります。

アプリケーション

LAは、大陸横断光ファイバーリンクや海底通信システムなどの長距離光ネットワークで広く使用されています。数千キロメートルに及ぶ信号強度を維持するためには、複数の増幅段が必要となるため、LAは不可欠です。例えば、4000kmの海底リンクでは、信頼性の高い信号伝送を確保するために、100kmごとにLAを設置する場合があります。また、メトロネットワークでは、ネットワークノード間の光信号伝送距離を延長するためにも使用されます。

利点と制限

利点：LAは信号を定期的に増幅することで長距離伝送を可能にするため、拡張光リンクには欠かせない存在です。その設計により、特定のシステム要件に合わせてゲインを柔軟に調整できます。
制限事項：複数のLAからの累積ノイズは光信号対雑音比（OSNR）を低下させる可能性があり、システム内の増幅段数に制限が生じます。さらに、WDMシステムにおける信号歪みを回避するため、LAは正確なゲイン制御を必要とします。

PA（プリアンプ）とは何ですか？

PAは別のEDFAですが、受信感度を高めるために受信側に配置されます。デマルチプレクサ（デマルチプレックスPA（パワー・アンプ）は、受信信号を増幅して受信感度を向上させます。光信号対雑音比（OSNR）が適切であれば、入力電力を大きくすることで受信ノイズを抑制し、信号検出能力を向上させることができます。PAでは通常、低ノイズEDFAが採用され、出力電力要件は比較的低く抑えつつ、ノイズ指数を最小に抑えることが優先されます。

アプリケーション

PAは長距離光ネットワークとメトロ光ネットワークの両方で使用され、特に受信機における信号パワーが受信機の感度閾値に近いかそれ以下であるシステムで使用されます。PAは、複数チャネルからの微弱な信号を検出する前に増幅する必要がある大容量DWDMシステムでは不可欠です。また、PAはパッシブ光ネットワーク（PON）などのアクセスネットワークでも使用され、FTTH（Fiber To The Home）展開における受信機性能を向上させます。

利点と制限

利点：PAは受信感度を高め、伝送距離の延長と信号検出の向上を実現します。また、ノイズ指数が低いため、リンクの終端における信号品質の維持に役立ちます。
制限事項：PAは、入力信号が上流の増幅器からのノイズによって既に著しく劣化している場合、効果が低下します。また、PAの主な目的は信号を検出可能なレベルまで増幅することであり、追加のファイバーを通して駆動することではないため、BAに比べて出力電力が制限されます。

比較解析

機能の違い

BA、LA、PA の主な違いは、光伝送システム内での配置と目的にあります。

BA: 送信機で信号を増幅し、長距離伝送のための高い発射パワーを確保します。
LA: 減衰を補うためにファイバーリンクに沿って信号を定期的に増幅します。
PA: 受信機で弱い信号を増幅して検出感度を向上させます。

性能パラメータ

出力電力: BA は、最初のファイバースパンを通じて信号を駆動するために高出力電力を優先しますが、LA は信号強度を維持するために中程度の出力電力を提供し、PA は受信機の要件に合わせて中程度の出力電力で高ゲインに重点を置いています。
ノイズ指数：PAは、受信機での劣化を最小限に抑えるために最も低いノイズ指数を必要とします。次にBAが重要になります。これは、チェーンの初期段階で発生したノイズが伝播する可能性があるためです。LAのノイズ指数はわずかに高くなりますが、ゲインとノイズのバランスをとるように最適化されています。
ゲイン: LA と PA は通常、BA よりも高いゲインを必要とします。これは、LA と PA が大幅な信号減衰を補正し、BA がすでに強い信号を増幅することに重点を置いているためです。

設計上の考慮事項

BA: 最大出力を実現する高出力ポンプレーザーを備えたシングルステージ EDFA。
LA: WDM システムで均一な増幅を実現するゲイン平坦化機能を備えた 2 段 EDFA。
PA: 受信機へのノイズの影響を最小限に抑える低ノイズ設計のシングルステージ EDFA。

WDMシステムにおけるアプリケーション

DWDM システムでは、3 つの増幅器すべてが補完的な役割を果たします。

BA: リンクの開始時にすべてのチャネルに十分な電力が確保されます。
LA: ゲイン平坦化を使用して波長に依存する電力不均衡を防ぎ、長距離にわたってチャネル全体で均一な電力を維持します。
PA: すべてのチャネルにわたって弱い信号を増幅し、受信機での信頼性の高い検出を実現します。

システム設計における実践的な考慮事項

光伝送システムを設計する際には、エンジニアはBA、LA、PAを慎重に選択し、構成することでパフォーマンスを最適化する必要があります。主な考慮事項は次のとおりです。

システムの長さ: システムが長くなると、信号強度を維持するためにより多くの LA が必要になりますが、エンドポイントでは BA と PA が重要になります。

チャンネル数: DWDM システム増幅器は広範囲の波長をサポートする必要があり、ゲイン平坦化と慎重な電力管理が必要になります。

非線形効果: BA からの高出力によって非線形性が生じる可能性があり、分散補償または電力最適化が必要になります。

コストと複雑さ: BA と PA は通常、シングルステージアンプであるため、長距離アプリケーションにマルチステージ設計が必要になる可能性のある LA よりも複雑さとコストが低くなります。

新たなトレンドとテクノロジー

光増幅器技術の進歩は、BA、LA、PAアプリケーションの未来を形作っています。例えば：

ラマン増幅器: 分布型ラマン増幅器は、ノイズ性能を改善し、伝送距離を延長するために、LA 内の EDFA と併用されることが増えています。

ハイブリッドアンプ: EDFA をラマンアンプまたは SOA と組み合わせると、超長距離システムの BA、LA、および PA のパフォーマンスを向上できます。

ソフトウェア定義ネットワーク (SDN): ソフトウェア定義光ネットワークにおける増幅器のゲインと電力の動的制御により、BA、LA、および PA のパフォーマンスをリアルタイムで最適化できます。

まとめ：

ブースターアンプ（BA）、ラインアンプ（LA）、プリアンプ（PA）は光伝送システムに不可欠なコンポーネントであり、それぞれが信頼性の高い信号伝送を確保するために異なる役割を果たします。BAは送信機に高い出力を供給し、LAは長距離にわたって信号強度を維持し、PAはリンク末端における受信機の感度を向上させます。これらのアンプは機能、設計、性能パラメータにおいてそれぞれ異なるため、大容量・長距離光通信の実現において互いに補完し合います。これらのアンプを理解し、最適な使用方法を見つけることで、エンジニアは現代の通信の高まる需要に応える堅牢で効率的な光ネットワークを設計できます。