DWDM 시스템에서 EDFA를 사용하는 방법은 무엇입니까?

광섬유 통신은 정보의 캐리어로 빛을 사용하고 전송 매체로 광섬유를 사용하는 전송 방식입니다. 먼저 전보, 영상, 데이터의 전기적 신호를 송신단에서 광신호로 변환한 후 광섬유를 통해 수신단으로 전송한다. 수신단은 수신된 광 신호를 전기 신호로 변환하고 최종적으로 원래 신호로 복원합니다.

오늘날 광섬유를 사용하여 정보를 전송하는 것은 필수 정보 전송 방법이 되었습니다. 광 증폭은 광섬유 통신 시스템에서 중요한 링크입니다. 광증폭기는 미약한 광신호를 직접 증폭할 수 있어 광섬유 통신 기술의 질적 비약을 이룩하고 광파장분할다중(DWDM) 기술을 성숙시켜 상용화했다. 광섬유는 또한 미래의 전광 통신망을 위한 견고한 기반을 마련하여 통신 시스템에서 없어서는 안될 장치가 되었습니다.

최근 몇 년 동안 장거리 전송 광섬유 네트워크의 통신 용량 확장 및 고기능성의 요구를 충족시키기 위해 광섬유 간선의 대중화와 함께 DWDM 기술이 발전하고 있습니다. DWDM 시스템에서 가장 강력한 기술은 광섬유 증폭기의 실제 적용입니다. 통신 시스템은 초기에 광섬유 부설 조건의 제약을 받아 하나의 광섬유로 고속 신호를 전송하는 것이 복잡했습니다. 그러나 2.5Gbps×4의 1990파장 DWDM 전송을 사용하면 더 쉽게 알 수 있다. 따라서 XNUMX년대 후반 이후 DWDM의 발전은 EDFA의 발전도 촉진시켰다.

광섬유 통신 시스템

광섬유 통신 시스템은 광 송신기, 광섬유 및 광 수신기의 세 가지 기본 단위로 나눌 수 있습니다.

개략도는 그림 1-1에 나와 있습니다.

광섬유 통신 시스템의 개략도

 

광 송신기는 정보를 포함한 전기 신호를 광 신호로 변환하는 변환 장치와 광 신호를 광섬유로 보내는 전송 장치로 구성됩니다. 광원은 레이저 다이오드 LD로 구성된 핵심 장치입니다. 광섬유는 일반적으로 실제 시스템에서 광 케이블 형태로 존재합니다. 광 수신기는 광 검출기, 증폭기 회로 및 신호 복구 회로로 구성됩니다. 광섬유 통신 시스템에는 많은 수의 능동 및 수동 장치도 포함됩니다. 커넥터는 각종 장치와 광섬유를 연결하는 데 사용되며, 광 커플러는 광 분할 또는 결합 전송이 필요한 경우에 사용됩니다. 광증폭기는 광파를 증폭시키는 역할을 하며 광신호를 일정 거리 전송 후 광섬유의 감쇠로 인해 약해지는 광출력을 보상하기 위해 사용된다.

도핑된 섬유 증폭기

증폭기

광 증폭기는 광 신호를 직접 증폭할 수 있는 장치입니다. 광 신호는 광섬유를 따라 일정 거리를 전송한 후 광섬유의 감쇠로 인해 약화되므로 전송 거리가 제한됩니다. 광섬유 통신의 초기에는 광-전기-광학 재생 중계기가 광전 변환, 전기 증폭, 재시간 펄스 성형 및 전기 광학 변환을 수행하는 데 사용되었습니다. 광섬유 네트워크에서 다른 비트 전송률과 다른 형식으로 여러 수신기에 빛을 보내는 많은 광 송신기가 있는 경우 기존 중계기를 사용할 수 없으므로 광 증폭기가 필요합니다.

기존 중계기와 비교할 때 두 가지 뚜렷한 이점이 있습니다.

• 모든 비트 전송률 및 형식의 신호를 증폭할 수 있습니다.
• 단일 신호 파장용일 뿐만 아니라 특정 파장 범위 내에서 여러 신호를 증폭할 수 있습니다.

증폭기 작동 방식

광 증폭기는 유도 방출 메커니즘을 기반으로 입사광 전력을 증폭합니다. 작동 원리는 그림 2-1에 나와 있습니다.

그림 2-1 광 증폭기의 작동 원리도

그림의 활성 매질은 희토류가 도핑된 섬유로, 수은 소스에서 제공하는 에너지를 흡수하고 전자를 높은 에너지 수준으로 점프하고 입자 수 역전을 생성합니다. 입력 신호 광자는 유도 방출 과정에서 이러한 활성화된 전자를 통과하여 더 낮은 에너지 수준으로 전환되어 증폭된 신호를 생성합니다.

도핑된 섬유 증폭기

도핑된 광섬유 증폭기는 광섬유에 희토류를 도핑하여 발생하는 이득 메커니즘을 이용하여 광 증폭을 달성합니다. 광섬유 통신 시스템에 가장 적합한 도핑된 광섬유 증폭기는 작동 파장이 1550nm 또는 1300nm인 도핑된 광섬유 증폭기입니다.

EDFA 구조

EDFA(Erbium-doped Fiber Amplifier)는 에르븀이 도핑된 광섬유를 이득 매질로 사용하고 레이저 다이오드의 펌프 광을 사용하여 신호광을 증폭하는 장치입니다. EDFA의 구조는 그림 2-2와 같습니다.

에르븀 도핑된 광섬유 증폭기의 구조

 

에르븀이 도핑된 섬유는 EDFA의 핵심 구성 요소입니다. 코어에 고체 레이저 작동 물질인 에르븀이 도핑된 실리카 섬유를 매트릭스로 사용합니다. 수 미터에서 수십 미터의 에르븀 도핑된 섬유에서 빛과 물질의 상호 작용이 증폭되고 강화됩니다.

에르븀이 도핑된 섬유의 모드 필드 직경은 3-6μm로 기존 섬유의 9-16μm보다 훨씬 짧습니다. 이는 신호등과 펌프등의 에너지 밀도를 높여 상호작용의 효율성을 높이기 위함입니다. 그러나, 에르븀이 도핑된 광섬유의 코어 직경의 감소는 또한 기존 광섬유의 모드 필드와 일치하지 않아 더 큰 반사 및 손실을 초래합니다. 해결책은 광섬유에 약간의 불소를 추가하여 굴절률을 줄이고 모드 필드 반경을 기존 광섬유와 일치시킬 수 있는 정도로 늘리는 것입니다.

더 효율적인 증폭을 달성하기 위해, 에르븀이 도핑된 섬유를 만들 때 대부분의 에르븀 이온은 코어의 중앙 영역에 집중됩니다. 광섬유에서 신호광과 펌프광의 광학계는 대략 가우스 분포로 나타나며, 광도는 광섬유 코어의 축에서 가장 강하기 때문입니다. 근축 영역의 에르븀 이온은 빛과 물질이 완전히 상호 작용하여 에너지 변환 효율을 향상시킵니다.

FiberMall의 EDFA

 

일반적인 EDFA는 주로 다음 부분으로 구성됩니다.

• 펌프 소스: EDFA의 또 다른 핵심 구성 요소로, 이득 매질의 인구 반전을 실현하는 데 필요한 조건인 광 신호 증폭에 충분한 에너지를 제공합니다. 펌프 소스가 성능을 직접 결정하기 때문에 EDFA, 고출력, 우수한 안정성 및 긴 수명이 요구됩니다. 실제 EDFA 펌프 소스는 980nm 및 1480nm의 두 가지 펌프 파장을 갖는 반도체 레이저 다이오드입니다. 980nm 펌프 소스를 주로 사용하며 저잡음과 높은 펌프 파워를 자랑합니다.
• 파장 분할 멀티플렉서: 멀티플렉서(MUX)라고도 하는 이 기능은 펌프 광과 신호 광을 980/1550nm 또는 1480/1550nm의 파장과 결합하여 에르븀 도핑된 섬유로 보내는 것입니다. 이에 대한 요구 사항은 작은 삽입 손실과 빛의 편광에 대한 둔감성입니다.
• 광 아이솔레이터: 전송을 단방향으로 만들고 빛이 원래 장치로 다시 반사되는 것을 방지합니다. 이 반사는 증폭기의 노이즈를 증가시키고 증폭 효율을 감소시키기 때문입니다.
• 광학 필터: 시스템의 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 작업 대역폭을 초과하는 광학 증폭기의 잡음을 필터링합니다.

패러데이 아이솔레이터는 한 방향으로만 빛을 전달할 수 있습니다.

 

EDFA의 작동 원리

EDFA의 작동 메커니즘은 유도 방사선을 기반으로 합니다. 유도방출을 실현하기 위해서는 에너지 준위 2와 에너지 준위 1 사이의 인구 역전이 발생해야 합니다. 즉, 에르븀 이온을 에너지 준위 1에서 에너지 준위 2로 여기시키기 위한 펌프 소스가 필요합니다.

• 980nm 파장의 펌프 소스: 입자가 에너지 수준 1에서 에너지 수준 3으로 전환되고 짧은 시간 동안 1μm에 머뭅니다. 방사선이 없으면 에너지 준위 2로 떨어지고 2μm 동안 에너지 준위 10에 머물며 입자는 계속해서 에너지 준위 2로 들어갑니다. 따라서 준위 2의 입자 수는 에너지 준위 1의 입자 수보다 훨씬 많아 에너지 준위 1과 2에 있는 입자의 수. 신호는 에르븀 이온을 에너지 준위 2에서 다시 에너지 준위 1로 여기시키고 소수의 입자가 자발적 방출에 의해 에너지 준위 1로 돌아갑니다. 그들은 특성이 변하고 증폭되는 자발 방출 소음을 생성합니다.
• 1480nm 파장의 펌프 소스: 에르븀 이온을 에너지 수준 1에서 에너지 수준 2로 직접 전환하여 입자 수 반전을 달성한 다음 입력 광 여기에서 수준 2에서 1로 전환합니다. 방출된 빛의 특성은 입력된 빛의 특성과 동일하며 확대되어 있습니다.

EDFA 게인 평탄도

이득 평탄도는 이득과 파장 사이의 관계를 나타냅니다. 원하는 EDFA는 우리가 필요로 하는 작동 파장 범위에서 상대적으로 평평한 이득을 가져야 하며, 특히 DWDM 시스템에서 사용할 때 모든 채널에 대해 동일한 파장을 가져야 합니다. 얻다. 그러나 EDFA의 핵심 성분인 에르븀이 도핑된 섬유의 이상적인 이득 평탄도를 달성하는 것은 쉽지 않습니다.

상대적으로 평평한 이득 특성을 얻고 EDFA의 대역폭을 늘리기 위해 두 가지 방법이 있습니다.

•  새로운 유형의 광대역 도핑 섬유를 채택하십시오.
•  에르븀 도핑된 섬유 링크에 균등화 필터를 놓습니다.

파장 분할 다중화 기술(WDM)

단파장 광 캐리어와 기존의 TDM(Electrical Time-Division Multiplexing)을 결합한 기술의 현재 전송 속도는 40Gb/s 수준에 도달할 수 있지만 전자의 한계로 인해 전송 속도를 더 향상시키는 것은 매우 어렵습니다. 이주율. 또한 단일 파장 전송 파장이 광 네트워크에 적용되는 경우 새로운 광섬유 경로를 구축해야 합니다. 이 모든 것이 단파장 광섬유 전송 시스템의 개발 및 적용을 제한합니다.

이러한 제한을 우회하는 두 가지 방법이 있습니다.

• 단일 광섬유에서 전송되는 채널 수를 늘려 광섬유의 전송 용량을 늘리는 DWDM 기술 사용
• OTDM(optical time-division multiplexing) 기술을 채택하여 단일 채널 전송 속도를 높여 통신 용량을 늘리는 목적을 달성합니다.

현재 DWDM 기술이 달성한 최고 속도는 11Tb/s에 이르렀고, 실험실에서 OTDM 기술로 구현한 단일 채널의 최고 속도는 640Gb/s에 이르렀다.

DWDM의 작동 원리

DWDM 기술은 광파를 반송파로 사용하여 하나의 광섬유에서 서로 다른 파장의 여러 광 반송파 신호를 동시에 전송하는 기술입니다. 파장이 다른 광파는 음성, 데이터 및 이미지 신호를 독립적으로 전달할 수 있으므로 DWDM 기술은 단일 광섬유의 전송 용량을 두 배로 늘릴 수 있습니다. 그림 3-1은 작동 원리를 보여줍니다. DWDM 전송 시스템.

그림 3-1 DWDM 전송 시스템의 작동 원리

송신 측에서 n(수많은) 광 송신기는 각각 n개의 서로 다른 파장에서 작동합니다. 이 n개의 서로 다른 파장은 적절한 간격으로 분리되며 각각 λ로 기록됩니다._1, λ_2,…,λ_n, 정보를 전달하기 위해 캐리어로 신호에 의해 각각 변조됩니다. 파장 분할 다중화기는 이러한 서로 다른 파장의 광 캐리어 신호를 결합하고 단일 모드 광섬유로 결합합니다. 수신부에서는 디멀티플렉서(demultiplexer)가 파장이 다른 광 반송파 신호를 분리하여 각각의 수신기로 보내 검출한다.

장파장 대역에서 광섬유는 1310개의 저손실 전송 창, 즉 1550nm 및 1270nm 창을 가지고 있습니다. 이 두 창의 파장 범위는 각각 1350 nm 및 1480 nm의 스펙트럼 폭에 해당하는 1600-80 nm 및 120-1550 nm입니다. 그러나 현재 광섬유 통신 시스템에 사용되는 고품질 0.2nm 광원의 경우 변조 후 최대 출력 스펙트럼 선폭이 0.41.6nm를 초과하지 않습니다. 노화와 온도로 인한 파장 드리프트를 고려하면 약 XNUMXnm 정도의 스펙트럼 폭 마진을 주는 것이 합리적입니다.

 

DWDM 시스템의 기본 구성 요소

DWDM 시스템에는 서로 다른 파장의 광 신호를 결합, 선택 및 분할할 수 있는 서로 다른 파장, 멀티플렉서 및 디멀티플렉서에서 작동하는 레이저가 있어야 합니다. 또한 원래 신호를 복원하기 위해 역다중화된 광 신호의 광전 감지를 위한 광 수신기가 있습니다. 장거리 전송을 위해서는 다양한 광신호를 동시에 증폭할 수 있는 증폭기도 필요하다.

DWDM 시스템에는 광 모니터링 부분과 네트워크 관리 부분도 있어야 합니다.

DWDM 시스템에는 이중 광섬유 단방향 전송과 단일 광섬유 양방향 전송이 포함됩니다. 이중 광섬유 단방향 전송은 한 광섬유가 한 방향으로 전송하고 다른 광섬유는 반대 방향으로 전송하는 것을 의미합니다. 두 방향의 전송은 각각 두 개의 광섬유에 의해 완료되므로 동일한 파장을 양방향에서 동시에 활용할 수 있습니다. 단일 광섬유 양방향 전송은 동일한 광섬유로 두 방향으로 전송하는 것이며 두 방향의 신호에는 서로 다른 파장이 할당되어야 합니다. 동일한 파장은 동시에 양방향 신호에서 사용할 수 없습니다.

dwdm 기술의 이론적 시스템 다이어그램

 

DWDM 기술의 주요 특징

•  광섬유의 거대한 대역폭 자원을 최대한 활용하여 하나의 광섬유의 전송 용량을 단일 파장 전송에 비해 몇 배에서 수십 배까지 증가시켜 광섬유의 전송 용량을 늘리고 비용을 절감하여 응용 가치가 높고 비용을 절감할 수 있습니다. 경제적 가치.
• 에 사용된 파장 때문에 DWDM 기술은 서로 독립적이며 완전히 다른 특성을 가진 신호를 전송하고 다양한 신호의 통합 및 분리를 완료하며 멀티미디어 신호의 혼합 전송을 실현할 수 있습니다.
• 많은 통신이 전이중 모드에 있기 때문에 DWDM 기술은 회선 투자를 많이 절약할 수 있습니다.

DWDM 시스템의 광 증폭기

DWDM 시스템에서 신호 전송의 여러 파장이 있는 경우 중계기는 작동하지 않습니다. 먼저 역다중화한 다음 각 파장에 대해 처리를 반복해야 하므로 매우 크고 복잡한 중계기가 생성됩니다. 이는 DWDM 기술의 발전을 제한하는 중요한 문제이다. 따라서 에르븀이 도핑된 광섬유 증폭기 EDFA를 도입할 수 있습니다. EDFA는 광섬유의 35nm의 저손실 전송 창 근처에서 약 1550nm의 대역폭 범위에서 높은 이득을 갖기 때문에 여러 광파 신호를 온라인으로 동시에 증폭하여 광섬유의 신호 약화를 보상할 수 있습니다. 광-전기 및 전기-광 변환. 따라서 DWDM 시스템에서 다채널 신호 증폭 문제를 해결하고 중계기를 대체합니다.

DWDM 시스템에서 EDFA를 적용할 때 다음 세 가지 사항에 주의해야 합니다.

• 평탄도 확보

EDFA는 한 파장의 신호를 증폭하는 데만 사용하면 증폭 특성이 좋습니다. 그러나 여러 파장이 EDFA에 들어갈 때 일부 신호는 이득이 높고 다른 신호는 이득이 고르지 않아 이득이 낮습니다. 여러 EDFA가 종속 연결되면 전력 차이가 증폭되어 수신기의 각 채널의 신호 대 잡음비가 다를 뿐만 아니라 수신기에 도달하는 신호 전력이 수신기의 동적 범위를 초과할 수 있습니다. 수신기의 오작동을 일으킬 수 있습니다.

증폭기 이득 평탄도 또는 비평탄도의 계단식 증폭

 

다음은 이 불균일성을 균등화하는 두 가지 방법입니다.

① Pre-equalization : 광송신단에서 각 채널의 전력을 서로 다른 값으로 미리 설정하고, 증폭기에서 high gain을 얻을 채널의 전력을 low power로, 그렇지 않으면 high로 설정한다. 힘.

② EDFA 모듈에 잘 설계된 필터를 추가하여 통과 대역 특성이 증폭기의 고르지 않은 이득을 보상하여 증폭기 이득을 평평하게 하는 목적을 달성합니다.

이 DWDM용 광증폭기의 핵심 부품 중 하나는 증폭기의 이득을 평탄화할 수 있는 필터입니다. 이 단계에서 사용되는 필터는 주로 다층 유전체 박막 필터와 섬유 격자 필터입니다. 이러한 필터의 손실 특성은 일반적으로 고정되어 있습니다. 이러한 방식으로 EDFA가 시스템에 적용될 때 이득 평탄도는 특정 작동 조건에서만 보장될 수 있으며 다른 조건에서는 이득이 평평하지 않습니다.

• 전력 과도 및 자동 이득 제어

실제 시스템에서 일부 채널이 갑자기 실패하거나 네트워크 노드에서 드롭 또는 추가/삭제되면 EDFA의 입력 전력이 갑자기 증가/감소하여 EDFA 이득의 일시적인 변화가 발생합니다. EDFA에서 다른 채널을 얻는 이득은 감소하거나 증가하여 결국 광섬유 링크에 남아 있는 해당 채널의 전력이 해당 수신기에 도달하는 일시적인 변화를 초래합니다. 이를 전력 과도 현상이라고 합니다.

전력 과도 현상을 방지하려면 증폭기의 이득을 제어해야 합니다. 일반적으로 DWDM 시스템에서 EDFA가 작동할 때 자동 이득 제어 모드, 자동 전력 제어 모드 및 자동 전류 제어 모드의 세 가지 모드가 있습니다. 자동 이득 제어 모드에서 작업할 때 이득은 일정합니다. 입력 광 전력이 변경되면 제어 회로는 EDFA가 여전히 지정된 이득 포인트에서 작동하도록 필요한 이득에 따라 펌핑 전류를 조정할 수 있습니다.

 

자동 게인 제어

•  ASE 노이즈:

EDFA가 캐스케이드되면 이전단의 ASE 잡음을 신호로 입력하여 EDFA의 다음단으로 실제 신호를 입력하여 증폭한다. ASE 노이즈가 누적되어 시스템의 신호 대 노이즈 비율이 저하됩니다. 따라서 DWDM 시스템에 적용할 때 EDFA의 잡음 지수는 가능한 한 작아야 합니다.

 

결론

이 기사에서는 EDFA 및 DWDM 기술의 구조, 작동 원리 및 응용 프로그램을 소개합니다. EDFA는 DWDM 시스템에서 다중 채널 신호 증폭 문제를 해결합니다. EDFA 기술의 성숙과 상용화에 힘입어 DWDM 기술이 빠르게 발전하고 적용되고 있습니다. 광섬유 통신에 대한 더 깊은 연구가 있으면 FiberMall은 계속해서 기사를 게시하여 알려드립니다.