Как использовать EDFA в системе DWDM?

Оптоволоконная связь — это метод передачи, в котором свет используется в качестве носителя информации, а оптоволокно — в качестве среды передачи. Он сначала преобразует электрические сигналы телеграмм, изображений и данных в оптические сигналы на передающем конце, а затем передает их на приемный конец по оптоволокну. Приемный конец преобразует принятый оптический сигнал в электрический сигнал, и, наконец, он восстанавливается до исходного сигнала.

В настоящее время использование оптических волокон для передачи информации стало важным методом передачи информации. Оптическое усиление является важным звеном в системе оптоволоконной связи. Оптические усилители могут напрямую усиливать слабые оптические сигналы, что сделало качественный скачок в технологии оптоволоконной связи и сделало технологию оптического мультиплексирования с разделением по длине волны (DWDM) зрелой и коммерциализированной. Оптическое волокно также заложило прочную основу для будущей полностью оптической сети связи, став незаменимым устройством в системе связи.

В последние годы, чтобы удовлетворить потребности расширения пропускной способности связи и высокой функциональности волоконно-оптических сетей передачи на большие расстояния, технология DWDM развивается с популяризацией магистральных волоконно-оптических линий. Наиболее мощной технологией в системе DWDM является практическое применение оптоволоконного усилителя. В системе связи, ограниченной условиями прокладки волокна на первых порах, сложно передавать высокоскоростные сигналы по одному волокну. Но это легче реализовать, если используется четырехволновая передача DWDM со скоростью 2.5 Гбит/с×4. Таким образом, развитие DWDM с конца 1990-х годов также способствовало развитию EDFA.

Оптоволоконная система связи

Систему оптоволоконной связи можно разделить на три основных блока: оптический передатчик, оптоволокно и оптический приемник.

Схематическая диаграмма показана на рисунке 1-1.

Принципиальная схема системы оптоволоконной связи

 

Оптический передатчик состоит из преобразователя, который преобразует электрический сигнал с информацией в оптический сигнал, и передающего устройства, которое посылает оптический сигнал в оптическое волокно. Источником света является его основное устройство, состоящее из лазерного диода LD. Оптические волокна обычно существуют в виде оптических кабелей в практических системах. Оптический приемник состоит из фотодетектора, схемы усилителя и схемы восстановления сигнала. В систему оптоволоконной связи также включено большое количество активных и пассивных устройств. Соединители используются для подключения различных устройств и оптических волокон, а оптические соединители используются в тех случаях, когда необходимо передавать оптическое разделение или объединение. Оптический усилитель играет роль усиления световой волны и служит для компенсации ослабления оптической мощности, вызванного затуханием оптического волокна после передачи оптического сигнала на определенное расстояние.

Легированный волоконный усилитель

Усилитель

Оптические усилители — это устройства, которые могут напрямую усиливать оптические сигналы. После того, как оптический сигнал пройдет определенное расстояние по оптическому волокну, он будет ослаблен из-за затухания оптического волокна, поэтому расстояние передачи ограничено. На заре волоконно-оптической связи оптико-электрооптические регенеративные ретрансляторы использовались для фотоэлектрического преобразования, электрического усиления, формирования импульсов с повторной синхронизацией и электрооптического преобразования. В волоконно-оптических сетях, когда имеется множество оптических передатчиков, посылающих свет на несколько приемников с разной скоростью передачи данных и в разных форматах, нельзя использовать традиционные повторители, что создает необходимость в оптических усилителях.

По сравнению с традиционными повторителями он имеет два явных преимущества:

• Может усиливать сигнал любого битрейта и формата;
• Он предназначен не только для одной длины волны сигнала, но может усиливать несколько сигналов в определенном диапазоне длин волн.

Как работает усилитель

Оптический усилитель усиливает мощность падающего света на основе механизма вынужденного излучения. Принцип работы показан на рис. 2-1.

Рисунок 2-1 Принципиальная схема оптического усилителя

Активная среда на рисунке представляет собой волокно, легированное редкоземельными элементами, которое поглощает энергию, обеспечиваемую ртутным источником, заставляет электроны переходить на более высокий энергетический уровень и производит инверсию числа частиц. Фотоны входного сигнала проходят через эти активированные электроны в процессе стимулированного излучения, заставляя их переходить на более низкие энергетические уровни, тем самым создавая усиленный сигнал.

Легированный волоконный усилитель

Усилители с легированным волокном используют механизм усиления, вызванный легированием редкоземельных элементов в оптических волокнах, для достижения оптического усиления. Наиболее подходящими усилителями на легированных волокнах для систем связи на основе волоконно-оптических волокон являются усилители на легированных волокнах с рабочей длиной волны 1550 нм или 1300 нм.

Структура ЭДФА

Волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA), представляет собой устройство, в котором в качестве усиливающей среды используется волокно, легированное эрбием, а для усиления сигнального света используется свет накачки от лазерного диода. Структура EDFA показана на рисунке 2-2.

Структура волоконного усилителя, легированного эрбием

 

Волокно, легированное эрбием, является основным компонентом EDFA. В качестве матрицы используется кварцевое волокно, сердцевина которого легирована твердым рабочим веществом лазера – эрбием. В легированном эрбием волокне длиной от нескольких метров до десятков метров усиливается и усиливается взаимодействие света и вещества.

Диаметр поля моды легированного эрбием волокна составляет 3-6 мкм, что намного меньше, чем 9-16 мкм обычного волокна. Это делается для увеличения плотности энергии сигнального света и света накачки, тем самым увеличивая эффективность их взаимодействия. Однако уменьшение диаметра сердцевины волокна, легированного эрбием, также делает его несоответствующим модовому полю обычного волокна, что приводит к большему отражению и потерям. Решение состоит в том, чтобы добавить в волокно немного фтора, чтобы уменьшить показатель преломления и увеличить радиус поля моды до такой степени, чтобы его можно было согласовать с обычными волокнами.

Для достижения более эффективного усиления большая часть ионов эрбия концентрируется в центральной области сердцевины при изготовлении волокон, легированных эрбием. Это связано с тем, что в оптическом волокне оптическое поле сигнального света и света накачки приблизительно представлено как распределение Гаусса - интенсивность света наибольшая на оси сердцевины волокна. Ионы эрбия в приосевой области заставят свет и вещество полностью взаимодействовать, тем самым повысив эффективность преобразования энергии.

EDFA от FiberMall

 

Типичный EDFA в основном состоит из следующих частей:

• Источник накачки: еще один основной компонент EDFA, он обеспечивает достаточно энергии для усиления оптического сигнала, что является необходимым условием для реализации инверсии населенностей усиливающей среды. Поскольку источник накачки напрямую определяет производительность ЭДФА, требуется высокая мощность, хорошая стабильность и долгий срок службы. Практическими источниками накачки EDFA являются полупроводниковые лазерные диоды с двумя длинами волн накачки: 980 нм и 1480 нм. В основном используется источник накачки 980 нм, который отличается низким уровнем шума и высокой мощностью накачки.
• Мультиплексор с разделением по длине волны: также известный как мультиплексор (MUX), его функция заключается в объединении света накачки и сигнального света с длинами волн 980/1550 нм или 1480/1550 нм и отправке его на волокно, легированное эрбием. Требования к нему — малые вносимые потери и нечувствительность к поляризации света.
• Оптический изолятор: делает передачу однонаправленной и предотвращает отражение света обратно к исходному устройству, так как это отражение увеличивает шум усилителя и снижает эффективность усиления.
• Оптический фильтр: отфильтровывает шум в оптическом усилителе за пределами рабочей полосы пропускания, чтобы улучшить отношение сигнал/шум в системе.

Изолятор Фарадея пропускает свет только в одном направлении.

 

Принцип работы EDFA

Механизм работы EDFA основан на стимулированном излучении. Для реализации вынужденного излучения необходимо создать инверсию населенностей между энергетическим уровнем 2 и энергетическим уровнем 1, то есть необходим источник накачки для возбуждения ионов эрбия с энергетического уровня 1 на энергетический уровень 2.

• Источник накачки с длиной волны 980 нм: частицы переходят с уровня энергии 1 на уровень энергии 3 и в течение короткого времени остаются на уровне 1 мкм. Он падает на уровень энергии 2 без излучения и остается на уровне энергии 2 в течение 10 мкм, а частицы продолжают поступать на уровень энергии 2. Таким образом, количество частиц на уровне 2 намного больше, чем на уровне энергии 1, что реализует инверсию количество частиц на энергетических уровнях 1 и 2. Сигнал возбуждает ионы эрбия с энергетического уровня 2 обратно на энергетический уровень 1, и небольшое количество частиц возвращается на энергетический уровень 1 за счет спонтанного излучения. Они производят спонтанный эмиссионный шум, свойства которого изменяются и усиливаются.
• Источник накачки с длиной волны 1480 нм: непосредственно переводит ионы эрбия с энергетического уровня 1 на энергетический уровень 2 для достижения инверсии числа частиц, а затем с уровня 2 на 1 при возбуждении входным светом. Характеристики испускаемого света такие же, как у входного света и увеличены.

EDFA повышает плоскостность

Неравномерность усиления относится к взаимосвязи между усилением и длиной волны. Искомый EDFA должен иметь относительно плоский коэффициент усиления в нужном нам рабочем диапазоне длин волн, особенно при использовании в системах DWDM требуется, чтобы длина волны была одинакова для всех каналов. прирост. Однако добиться идеальной равномерности усиления волокна, легированного эрбием, — основного компонента EDFA — непросто.

Чтобы получить относительно плоскую характеристику усиления и увеличить пропускную способность EDFA, есть два метода:

•  Принять новый тип широкополосного легированного волокна;
•  Поместите выравнивающий фильтр на волокно, легированное эрбием.

Технология мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM)

Хотя текущая скорость передачи технологии, сочетающей одноволновую оптическую несущую и традиционное электрическое мультиплексирование с временным разделением (TDM), может достигать уровня 40 Гбит/с, дальнейшее повышение скорости передачи очень затруднено из-за ограничения электронной скорость миграции. Кроме того, когда к оптической сети применяется одноволновая длина волны передачи, необходимо построить новый волоконно-оптический маршрут. Все это ограничивает разработку и применение одноволновых волоконно-оптических систем передачи.

Есть два способа обойти эти ограничения:

• Использование технологии DWDM для увеличения пропускной способности оптического волокна за счет увеличения количества каналов, передаваемых по одному оптическому волокну;
• Принять технологию OTDM (оптическое мультиплексирование с временным разделением) для увеличения скорости одноканальной передачи, тем самым достигнув цели увеличения пропускной способности связи.

В настоящее время максимальная скорость, достигнутая по технологии DWDM, достигла 11 Тбит/с, а максимальная скорость одноканального соединения, реализованная по технологии OTDM в лаборатории, достигла 640 Гбит/с.

Принцип работы DWDM

Технология DWDM — это технология, которая использует световые волны в качестве несущих для одновременной передачи нескольких оптических несущих сигналов с разными длинами волн по одному оптическому волокну. Световые волны разных длин волн могут передавать голос, данные и сигналы изображения независимо друг от друга, поэтому технология DWDM может удвоить пропускную способность одного волокна. На рис. 3-1 показан принцип работы Система передачи DWDM.

Рисунок 3-1 Принцип работы системы передачи DWDM

На передающем конце n (многочисленных) оптических передатчиков работают соответственно на n различных длинах волн. Эти n различных длин волн разделены соответствующими интервалами, которые соответственно записываются как λ_1, λ_2,…,λ_n, которые соответственно модулируются сигналами в качестве несущих для передачи информации. Мультиплексор с разделением по длине волны объединяет эти оптические несущие сигналы с разными длинами волн и связывает их в одномодовое волокно. В приемной части демультиплексор разделяет оптические несущие сигналы разных длин волн и отправляет их на соответствующие приемники для обнаружения.

В длинноволновом диапазоне оптическое волокно имеет два окна передачи с малыми потерями, а именно окна 1310 нм и 1550 нм. Диапазоны длин волн этих двух окон составляют 1270–1350 нм и 1480–1600 нм, что соответствует ширине спектра 80 нм и 120 нм соответственно. Однако для высококачественного источника света с длиной волны 1550 нм, используемого в существующей волоконно-оптической системе связи, максимальная ширина выходной спектральной линии после модуляции не превышает 0.2 нм. Учитывая дрейф длины волны, вызванный старением и температурой, разумно дать запас по ширине спектра около 0.41.6–XNUMX нм.

 

Основные компоненты системы DWDM

В системе DWDM должны быть лазеры, работающие на разных длинах волн, мультиплексоры и демультиплексоры, способные объединять, выбирать и разделять оптические сигналы разных длин волн. Он также имеет оптический приемник для фотоэлектрического обнаружения демультиплексированных оптических сигналов с целью восстановления исходного сигнала. Для передачи на большие расстояния также требуется усилитель, способный одновременно усиливать различные оптические сигналы.

Система DWDM также должна иметь часть оптического мониторинга и часть управления сетью.

Система DWDM включает однонаправленную передачу по двойному волокну и двунаправленную передачу по одному волокну. Двухволоконная однонаправленная передача означает, что одно волокно передает в одном направлении, а другое волокно передает в противоположном направлении. Поскольку передача в двух направлениях осуществляется по двум оптическим волокнам соответственно, одна и та же длина волны может использоваться в обоих направлениях одновременно. Двунаправленная передача по одному волокну предназначена для передачи в двух направлениях по одному и тому же волокну, и сигналам в двух направлениях должны быть назначены разные длины волн. Одна и та же длина волны не может использоваться сигналами в обоих направлениях одновременно.

Теоретическая системная схема технологии dwdm

 

Основные особенности технологии DWDM

•  В полной мере использовать огромные ресурсы полосы пропускания оптического волокна для увеличения пропускной способности одного оптического волокна в несколько раз или в десятки раз по сравнению с передачей на одной длине волны, тем самым увеличивая пропускную способность оптического волокна и снижая стоимость, что имеет большую прикладную ценность и экономическая ценность.
• Поскольку длины волн, используемые в DWDM технологии независимы друг от друга, он может передавать сигналы с совершенно разными характеристиками, выполнять интеграцию и разделение различных сигналов, а также осуществлять смешанную передачу мультимедийных сигналов.
• Поскольку многие коммуникации осуществляются в полнодуплексном режиме, технология DWDM может значительно сократить расходы на линию.

Оптический усилитель в системе DWDM

В системе DWDM, когда есть несколько длин волн передачи сигнала, повторитель не будет работать. Необходимо сначала демультиплексировать, а затем повторять обработку для каждой длины волны, что приведет к очень большому и сложному ретранслятору. Это важная проблема, ограничивающая развитие технологии DWDM. Таким образом, можно представить волоконный усилитель EDFA, легированный эрбием. Поскольку EDFA имеет высокий коэффициент усиления в полосе пропускания около 35 нм вблизи окна передачи с низкими потерями 1550 нм волокна, он может одновременно усиливать несколько световых сигналов в режиме онлайн, чтобы компенсировать ослабление сигнала в волокне без необходимости оптико-электрическое и электрическо-оптическое преобразование. Поэтому он решает проблему многоканального усиления сигнала в системе DWDM и заменяет повторитель.

При применении EDFA в системе DWDM необходимо обратить внимание на следующие три момента:

• Получить плоскость

Когда EDFA используется только для усиления сигнала одной длины волны, он имеет хорошие характеристики усиления. Однако, когда в EDFA поступает несколько длин волн, одни сигналы будут иметь высокое усиление, а другие — низкое из-за неравномерного усиления. Когда несколько EDFA соединены каскадом, разность мощностей будет усиливаться, что не только приводит к различному соотношению сигнал-шум в каждом канале приемника, но также может привести к тому, что мощность сигнала, достигающего приемника, превысит динамический диапазон приемника. и привести к неисправности приемника.

Каскадное усиление неравномерности или неравномерности усиления усилителя

 

Вот два способа выровнять эту неравномерность:

① Предварительная коррекция: мощность каждого канала предварительно устанавливается на разные значения на стороне оптического передатчика, а мощность канала, который получит высокий коэффициент усиления в усилителе, устанавливается на низкую мощность, в противном случае она устанавливается на высокую власть.

② Добавьте хорошо спроектированный фильтр к модулю EDFA, чтобы его характеристика полосы пропускания просто компенсировала неравномерное усиление усилителя, чтобы достичь цели выравнивания усиления усилителя.

Одним из основных компонентов этого оптического усилителя для DWDM является фильтр, который может сглаживать коэффициент усиления усилителя. Фильтры, используемые на этом этапе, в основном представляют собой многослойные диэлектрические тонкопленочные фильтры и фильтры с волоконными решетками. Характеристики потерь таких фильтров обычно фиксированы. Таким образом, когда в системе применяется EDFA, его равномерность усиления может быть гарантирована только при определенных условиях работы, а усиление не является равномерным при других условиях.

• Переходная мощность и автоматическая регулировка усиления

В реальной системе, когда некоторые каналы внезапно выходят из строя или обрываются или добавляются/отключаются в сетевых узлах, входная мощность EDFA будет внезапно увеличиваться/уменьшаться, что приводит к кратковременному изменению коэффициента усиления EDFA. Усиление, которое другие каналы получают от EDFA, будет уменьшаться или увеличиваться, что в конечном итоге приведет к кратковременному изменению мощности тех каналов, которые остаются на оптоволоконной линии связи, достигающей их соответствующих приемников, что называется переходным процессом мощности.

Чтобы предотвратить возникновение переходных процессов мощности, необходимо контролировать коэффициент усиления усилителя. Обычно существует три режима работы EDFA в системе DWDM: режим автоматической регулировки усиления, режим автоматической регулировки мощности и режим автоматической регулировки тока. При работе в режиме автоматической регулировки усиления его усиление постоянно. Если входная оптическая мощность изменяется, схема управления может отрегулировать ток накачки в соответствии с требуемым усилением, чтобы EDFA по-прежнему работал в указанной точке усиления.

 

Автоматическая регулировка усиления

•  АСЕ-шум:

При каскадировании EDFA шум ASE предыдущего каскада в виде сигнала поступает вместе с реальным сигналом на следующий каскад EDFA и усиливается. Шум ASE накапливается, вызывая ухудшение отношения сигнал/шум в системе. Поэтому при применении в системе DWDM коэффициент шума EDFA должен быть как можно меньше.

 

Заключение

В этой статье представлены структуры, принципы работы и приложения технологий EDFA и DWDM. EDFA решает проблему многоканального усиления сигнала в системе DWDM. Благодаря зрелости и коммерциализации технологии EDFA технология DWDM быстро развивается и применяется. Если будут проведены более глубокие исследования в области оптоволоконной связи, FiberMall продолжит публиковать статьи, чтобы информировать вас.