광 전송에서 BA, LA 및 PA의 차이점

BA, LA, PA의 세부 사항을 살펴보기 전에 광 증폭기의 전반적인 역할을 이해하는 것이 중요합니다. 광 증폭기는 광 신호를 전기 신호로 변환하지 않고 전력을 증폭시키는 방식으로, 광섬유 통신 시스템의 효율을 높이고 지연 시간을 단축합니다. 주요 광 증폭기 유형에는 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA), 라만 증폭기, 반도체 광 증폭기(SOA)가 있으며, 그중 EDFA는 광통신에 사용되는 1550nm 파장 윈도우와 호환되므로 가장 널리 사용됩니다.

광 증폭기는 장거리 신호 감쇠나 잡음 축적과 같은 특정 문제를 해결하기 위해 전송 시스템의 여러 지점에 전략적으로 배치됩니다. BA, LA, PA의 배치, 설계 및 작동 특성은 이러한 역할에서의 효율성을 결정합니다.

BA(부스터 앰프)란 무엇인가요?

BA는 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA) 송신 측의 광 전력을 향상시키는 데 사용됩니다. 후치 증폭기라고도 하며, 다중화기(MUX)에서 발생하는 삽입 손실을 보상하고 광섬유로 들어오는 광 전력을 증가시킵니다. 파장 분할 다중화(WDM) 시스템에서는 파장 분할 다중화기(BA)가 다중화기 뒤에 배치되어 전송 전에 여러 파장 신호의 전력을 증폭합니다. 다중화된 신호는 일반적으로 더 높은 전력을 가지므로, BA는 낮은 잡음 지수를 요구하지 않지만 높은 출력 전력을 제공해야 합니다.

어플리케이션

BA는 장거리 및 광역 광 네트워크에서 신호 무결성을 보장하기 위해 높은 발사 전력이 필수적입니다. 예를 들어, 여러 파장이 동시에 전송되는 고밀도 파장 분할 다중화(DWDM) 시스템에서 BA는 각 채널이 다음 증폭 단계 또는 수신기에 도달할 수 있는 충분한 전력을 확보하도록 보장합니다. 또한, 긴 해저 광섬유 구간으로 인한 심각한 감쇠를 극복하기 위해 높은 전력이 필요한 해저 통신 시스템에도 사용됩니다.

장점과 한계

• 장점: BA는 높은 출력 전력을 제공하여 추가 증폭 없이도 장거리 전송이 가능합니다. 다중 채널 시스템에서 초기 손실을 극복하고 신호 품질을 유지하는 데 효과적입니다.
• 한계: 높은 출력 전력은 특히 DWDM 시스템에서 자기 위상 변조(SPM) 또는 4파장 혼합(FWM)과 같은 비선형 효과를 유발할 수 있습니다. 이러한 효과를 완화하려면 신중한 전력 관리가 필요합니다.

LA(라인 증폭기)란 무엇인가요?

LA는 광섬유 회선 중계 애플리케이션 전용 특수 광 전력 증폭기로, 주로 전송 손실 보상 및 중계 거리 연장에 사용됩니다. 일반적으로 80~120km 간격으로 설치되는 광 회선 증폭기(OLA) 사이트에 배치되는 LA는 양방향 광 신호를 증폭하여 레일리 산란 및 굽힘 손실과 같은 광섬유 감쇠를 보상하여 신호 무결성을 유지합니다. LA는 PA와 BA의 장점을 결합하여 저전력 신호에 대해 높은 이득(일반적으로 35~45dB)을 제공하는 동시에 저잡음 특성과 함께 높은 출력 전력(포화 전력 ≥20dBm)을 보장합니다. 일반적인 LA 유형으로는 에르븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA-LA)와 라만 광섬유 증폭기(RFA-LA)가 있습니다.

어플리케이션

LA는 대륙 횡단 광섬유 링크 및 해저 통신 시스템과 같은 장거리 광 네트워크에서 널리 사용됩니다. 여러 증폭 단계가 필요한 수천 킬로미터에 걸쳐 신호 강도를 유지하는 데 필수적입니다. 예를 들어, 4000km 해저 링크에서는 안정적인 신호 전송을 위해 100km마다 LA를 배치할 수 있습니다. 또한, 메트로 네트워크에서 네트워크 노드 간 광 신호 도달 범위를 확장하는 데에도 사용됩니다.

장점과 한계

• 장점: LA는 신호를 주기적으로 증폭하여 장거리 전송을 가능하게 하므로, 확장된 광 링크에 필수적입니다. 또한, 특정 시스템 요구 사항에 맞춰 이득을 유연하게 조정할 수 있도록 설계되었습니다.
• 한계점: 여러 LA에서 발생하는 누적 잡음은 광 신호 대 잡음비(OSNR)를 저하시켜 시스템의 증폭단 수를 제한할 수 있습니다. 또한, WDM 시스템에서 LA는 신호 왜곡을 방지하기 위해 정밀한 이득 제어가 필요합니다.

PA(프리앰프)란 무엇인가요?

PA는 또 다른 EDFA이지만, 신호 수신 감도를 높이기 위해 수신기 측에 위치합니다. 디멀티플렉서(디먹스), PA는 수신 신호를 증폭하여 수신기 감도를 향상시킵니다. 광 신호 대 잡음비(OSNR)가 적절하다면 더 높은 입력 전력을 사용하면 수신기 잡음을 억제하여 신호 감지를 향상시킬 수 있습니다. PA는 일반적으로 저잡음 EDFA를 사용하여 최소 잡음 지수를 우선시하는 반면, 출력 전력 요구 사항은 비교적 낮습니다.

어플리케이션

PA는 장거리 및 광통신망, 특히 수신기의 신호 전력이 수신기 감도 임계값에 근접하거나 그 이하인 시스템에서 사용됩니다. 여러 채널의 미약한 신호를 감지하기 전에 증폭해야 하는 고용량 DWDM 시스템에서 PA는 필수적입니다. PA는 수동형 광통신망(PON)과 같은 액세스 네트워크에서도 FTTH(Fiber-to-the-Home) 구축 시 수신기 성능을 향상시키기 위해 사용됩니다.

장점과 한계

• 장점: PA는 수신기 감도를 향상시켜 전송 거리를 늘리고 신호 감지 성능을 향상시킵니다. 낮은 잡음 지수는 링크 종단에서 신호 품질을 유지하는 데 도움이 됩니다.
• 한계: PA는 입력 신호가 이미 상위 증폭기의 잡음으로 심하게 저하된 경우 효과가 떨어집니다. 또한 PA는 신호를 추가 광섬유를 통해 전달하는 것이 아니라 감지 가능한 수준으로 증폭하는 것이 주 목적이기 때문에 BA에 비해 출력 전력이 제한적입니다.

비교 분석

기능적 차이

BA, LA, PA의 주요 차이점은 광 전송 시스템 내에서의 위치와 목적에 있습니다.

• BA: 장거리 전송을 위해 높은 발사 전력을 보장하기 위해 송신기의 신호를 증폭합니다.
• LA: 감쇠를 보상하기 위해 광섬유 링크를 따라 신호를 주기적으로 증폭합니다.
• PA: 수신기에서 약한 신호를 증폭하여 감지 감도를 향상시킵니다.

성능 매개 변수

• 출력 전력: BA는 초기 파이버 스팬을 통해 신호를 구동하기 위해 높은 출력 전력을 우선시하는 반면, LA는 신호 강도를 유지하기 위해 적당한 출력 전력을 제공하고, PA는 수신기 요구 사항에 맞춰 적당한 출력 전력으로 높은 이득에 중점을 둡니다.
• 잡음 지수: PA는 수신기에서의 성능 저하를 최소화하기 위해 가장 낮은 잡음 지수를 요구하며, BA는 체인 초기에 유입된 잡음이 전파될 수 있으므로 그 다음으로 잡음 지수가 낮습니다. LA는 잡음 지수가 약간 높지만, 이득과 잡음의 균형을 맞추도록 최적화되어 있습니다.
• 이득: LA와 PA는 일반적으로 BA보다 높은 이득이 필요합니다. 이는 상당한 신호 감쇠를 보상하는 반면, BA는 이미 강한 신호를 증폭하는 데 중점을 둡니다.

설계시 고려 사항

• BA: 최대 출력을 위한 고출력 펌프 레이저를 탑재한 단일 단계 EDFA.
• LA: WDM 시스템에서 균일한 증폭을 위한 이득 평탄화 기능을 갖춘 2단계 EDFA.
• PA: 수신기에 미치는 소음 영향을 최소화하기 위해 저잡음 설계를 적용한 단일 단계 EDFA입니다.

WDM 시스템의 응용 프로그램

DWDM 시스템에서는 세 개의 증폭기가 모두 상호 보완적인 역할을 합니다.

• BA: 링크 시작 시 모든 채널에 충분한 전력을 보장합니다.
• LA: 이득 평탄화를 사용하여 파장에 따른 전력 불균형을 방지하고 장거리에 걸쳐 채널 전체에서 균일한 전력을 유지합니다.
• PA: 모든 채널에서 약한 신호를 증폭하여 수신기에서 안정적으로 감지되도록 보장합니다.

시스템 설계의 실제 고려 사항

광 전송 시스템을 설계할 때 엔지니어는 성능을 최적화하기 위해 BA, LA, PA를 신중하게 선택하고 구성해야 합니다. 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.

시스템 길이: 시스템이 길수록 신호 강도를 유지하기 위해 더 많은 LA가 필요하고, BA와 PA는 엔드포인트에서 중요합니다.

채널 수: 인 DWDM 시스템증폭기는 광범위한 파장을 지원해야 하므로 이득 평탄화와 신중한 전력 관리가 필요합니다.

비선형 효과: BA의 높은 출력 전력은 비선형성을 초래할 수 있으므로 분산 보상이나 전력 최적화가 필요합니다.

비용 및 복잡성: BA와 PA는 일반적으로 단일 단계 증폭기이므로 장거리 애플리케이션의 경우 다단계 설계가 필요할 수 있는 LA보다 복잡하고 비용이 적게 듭니다.

새로운 트렌드 및 기술

광 증폭기 기술의 발전은 BA, LA, PA 애플리케이션의 미래를 형성하고 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

라만 증폭기: 분산형 라만 증폭은 LA에서 EDFA와 함께 사용되어 노이즈 성능을 개선하고 전송 거리를 확장하는 경우가 점점 더 많아지고 있습니다.

하이브리드 증폭기: EDFA를 라만 증폭기 또는 SOA와 결합하면 초장거리 시스템에서 BA, LA 및 PA의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

소프트웨어 정의 네트워킹(SDN): 소프트웨어 정의 광 네트워크에서 증폭기 이득과 전력을 동적으로 제어함으로써 BA, LA, PA 성능을 실시간으로 최적화할 수 있습니다.

결론

부스터 증폭기(BA), 라인 증폭기(LA), 프리앰프(PA)는 광 전송 시스템의 필수 구성 요소로, 각각 안정적인 신호 전송을 보장하는 데 고유한 역할을 합니다. BA는 송신기에서 높은 발사 전력을 제공하고, LA는 장거리 신호 강도를 유지하며, PA는 링크 종단에서 수신기 감도를 향상시킵니다. 각 증폭기는 기능, 설계 및 성능 매개변수의 차이점으로 인해 대용량 장거리 광통신을 구현하는 데 상호 보완적입니다. 엔지니어는 이러한 증폭기의 사용을 이해하고 최적화함으로써 현대 통신의 증가하는 수요를 충족하는 견고하고 효율적인 광 네트워크를 설계할 수 있습니다.