Optiliste EDFA-võimendite kasutamine

EDFA optilised võimendid (Erbium-Doped Fiber Amplifier) on kaasaegsete fiiberoptiliste ülekandesüsteemide võtmekomponendid, mida kasutatakse optiliste magistraalvõrkude rajamisel ja käitamisel. Kõige laiemalt on EDFA-võimendeid kasutusele võetud DWDM-seadmetes.

EDFA-võimendid on seadmed, mis võimendavad optilist signaali otse optilises kius, ilma et oleks vaja signaali teisendada elektriliseks. See võimaldab kompenseerida fiiberoptiliste liinide signaalikadusid ning tagada andmeedastus suurtele vahemaadele ilma regenereerimiseta.

EDFA töötab erbiumiioonidega (Er³⁺) legeeritud kiu baasil. EDFA tööpõhimõte põhineb stimuleeritud emissioonil: erbiumiioonid neelavad pumbast energiat ja annavad selle seejärel signaalile, võimendades seda. Tavaliselt kasutatakse EDFA-d DWDM-süsteemides C-ribal (1528–1565 nm), kus standardse ühemoodkiu (G.652) kaod on minimaalsed (umbes 0,2 dB/km). Seetõttu on EDFA-võimendid praktiliselt ideaalsed magistraal-, regionaal- ja linnavõrkudes, tagades suure läbilaskevõime ja töökindluse.

EDFA-võimendeid on vaja juhtudel, kui optiline signaal nõrgeneb kiu sumbumise, hajumisnähtuste või passiivkomponentide (multiplekserid, pistikud, keevitus-/liitepunktid jne) kadude tõttu. Ilma EDFA-võimenditeta on optilise signaali edastuskaugus aktiivseadmetest reeglina piiratud 80–100 km-ga, kuid EDFA kasutamisel võib trassi pikkus ulatuda tuhandete kilomeetriteni. Näiteks DWDM-süsteemides võimaldab EDFA samaaegselt võimendada kuni 96 kanalit, minimeerides müra ja signaalimoonutusi.

Reeglina koosneb EDFA järgmistest komponentidest:

EDFA-võimendi töö võib jagada järgmisteks etappideks:

1. Pumbamine – pump-laser (pump) kiirgab valgust lainepikkustel 980 nm (kiireks ergastuseks) või 1480 nm (energia tõhusamaks kasutamiseks), mille tulemusel erbiumiioonid neelavad energia ning siirduvad põhiseisundist (⁴I₁₅/₂) ergastatud seisundisse (⁴I₁₃/₂ läbi vahepealse taseme ⁴I₁₁/₂ 980 nm korral).

2. Energiatasemete inversioon (population inversion) – piisava jääkpumbavõimsuse korral (tavaliselt 100–500 mW) tekib populatsiooni inversioon, kus rohkem ioone on ergastatud seisundis kui põhiseisundis. See on signaali võimendamiseks vajalik tingimus.
3. Stimuleeritud emissioon – leviv kasulik optiline signaal (lainepikkusel umbes 1550 nm) stimuleerib ergastatud erbiumiioone „naasma” põhiseisundisse, kiirgates footoneid sama lainepikkuse, faasi ja suunaga nagu kasulik signaal. Nii toimub signaali võimendus optilises kius.
4. Müra summutamine (filtreerimine) – optilised isolaatorid takistavad võimendatud spontaankiirguse (ASE – Amplified Spontaneous Emission) tagasilevimist, mis on EDFA-võimendite peamine müraallikas.

EDFA-võimendite kasutamisel on mitmeid eeliseid:

Samas on EDFA-võimendid üsna tundlikud sisendvõimsuse suhtes – ülekoormusel tekib küllastus ning sel juhul ei ole võimalik signaali võimendada väljaspool C/L-ribasid ilma erimodifikatsioonideta.

EDFA-d kasutatakse olukordades, kus signaalikaod ületavad süsteemi võimsusbilansi (pikk trass, suur hulk liitekohti või passiivkomponente trassil jne):

EDFA-d ei kasutata tavaliselt lühikestel optilistel liinidel (kuni 40 km), kus piisab suure võimsusega optilistest transiiveritest. Kuid keerukates topoloogiates, kus on palju passiivseid elemente (splitterid, OADM jne), on EDFA-võimendite kasutamine praktiliselt vältimatu.

Tehnilises kirjanduses ja dokumentatsioonis on EDFA-võimendid klassifitseeritud vastavalt nende asukohale optilises liinis:

Mõnel juhul kasutatakse kombineeritud lahendusi, näiteks BA+PA punktist punkti (Point-to-point, P2P) ühendustes.

EDFA tüübi valik sõltub eelkõige optilisest eelarvest: näiteks 100 km liinile 20 dB sumbumisega sobib LA (In-line Amplifier); 200 km puhul on juba vajalik BA (Booster Amplifier) ja LA (In-line Amplifier) kombinatsioon.

DWDM.ME veebilehel pakutakse EDFA-võimendeid, mis integreeruvad MU-seeria platvormiga. DWDM.ME tootmise EDFA-võimendid toetavad pumbamist lainepikkustel 980/1480 nm, optilise signaali võimendust kuni 30 dB ning madalat mürataset (NF < 5 dB). Seega on DWDM.ME EDFA-võimendid praktiliselt ideaalsed lahendused DWDM-süsteemidele 80+ kanaliga.

EDFA-võimenditega süsteemide projekteerimisel on kasulikud järgmised lihtsad arvutused. Alustuseks tuleb vaadata võtmeparameetreid:

1. Võimendus (Gain, G):
   G = 10log₁₀(Pout/Pin),
   kus Pout on väljundvõimsus ja Pin sisendvõimsus (mW).
   Näide:
   Kui Pin = 0,1 mW,
   Pout = 10 mW,
   siis: G = 10 * log₁₀(100) = 20 dB.
   See näitab, kui palju EDFA signaali võimendab.
2. Mürategur (Noise Figure, NF):
   NF = 10log₁₀(SNRin/SNRout),
   kus SNR on signaali/müra suhe.
   Ideaalne NF ~3 dB, reaalselt 4–6 dB.
   Näide:
   Kui SNRin = 40 dB,
   SNRout = 35 dB,
   siis: NF = 5 dB.
   Suur NF halvendab signaali kvaliteeti pikkadel liinidel.
3. Liini eelarve (Link Budget):
   Kogueelarve = Ptx + G_EDFA − Losses − Margin,
   kus Ptx on saatja võimsus,
   Losses on kogukaod (kiud + kõik komponendid),
   Margin on varu (5–10 dB).
   Näide:
   Ptx = 0 dBm,
   G_EDFA = 25 dB,
   Losses = 30 dB (150 km * 0,2 dB/km),
   Margin = 5 dB.
   Eelarve = 0 + 25 − 30 − 5 = −10 dBm.
   Kui vastuvõtja tundlikkus on parem kui −20 dBm, süsteem töötab.
4. Pumbavõimsus (Pump Power):
   G = 25 dB saavutamiseks on vaja umbes 200 mW pumbavõimsust.
   Valem on üsna ligikaudne, kuid parameetrite hindamiseks sobiv:
   G ≈ ηPpump/(hν*A),
   kus η on efektiivsus,
   hν on footoni energia,
   A on kiu ristlõikepindala (ühemoodkiud 9/125 µm, kus 9 µm on valgusjuhtiva südamiku läbimõõt).

Reaalsetes süsteemides, nagu DWDM.ME MU-series, võimaldavad sisseehitatud monitooringusüsteemid parameetreid jooksvalt korrigeerida.

1. Magistraalne DWDM-võrk:
   Projektis, kus ühendatakse kaks sõlme 500 km kaugusel, kasutatakse booster-võimendit (Booster Amplifier, BA), mis on paigaldatud pärast multiplekserit, liini EDFA-võimendeid (In-line Amplifier, LA) iga 100 km järel ning eelvõimendit (Pre-Amplifier, PA) enne demultiplekserit. MU-380 šassii (5U, 20 pesa) kasutamine võimaldab saavutada 1,6 Tbit/s 96 kanali kaudu. EDFA-d kompenseerivad 100 dB kaod, tagades BER < 10⁻¹².
2. Andmekeskuste ühendus:
   Kolm eri linnades asuvat andmekeskust on ühendatud MU-seeria seadmete ja EDFA-võimendite abil. Booster-võimendi (Booster Amplifier, BA) võimendab signaali multiplekseri väljundis, liinivõimendid (In-line Amplifier, LA) on paigaldatud vahepealsetesse sõlmedesse ning eelvõimendi (Pre-Amplifier, PA) parandab vastuvõtusignaali. Kaugus kuni 1000 km ilma regenereerimiseta, võimaliku optiliste kaitselülitite (OLP) integratsiooniga varunduse korraldamiseks skeemides 1+1 või 1:1.
3. Regionaalne teenusepakkuja:
   CWDM/DWDM trassil 80–100 km kasutatakse EDFA-võimendeid (In-line Amplifier, LA), mis on integreeritud MU-70 (1U) platvormiga.
   Näide: 4×100G muxponder koos EDFA-võimendiga võimaldab trassi läbilaske suurendamist ilma uusi kiude kasutamata.

DWDM.ME MU-series platvorm on modulaarne süsteem DWDM-võrkude ehitamiseks, kus EDFA moodulid paiknevad samas šassiis kui liinikaardid ja teenindusmoodulid. MU-180 šassii (2U, 8 pesa) võimaldab kombineerida EDFA-sid transporderitega (LC-MP100-II) ja optiliste kaitselülititega OLP. Selline lahendus tagab skaleeritavuse: 10G kuni 400G. Lisaks võimaldavad DWDM.ME juhtkaardid korraldada OSNR-i ja signaalivõimsuse online-monitooringut nii saatjas kui vastuvõtjas.

Nagu näha, on EDFA optilised võimendid kaasaegsete optiliste võrkude alus, mis tagab kulutõhusa ja tõhusa andmeedastuse ning võimaldab rajada pikki optilisi trasse suhteliselt väikese eelarvega. EDFA-võimendite kasutamine võimaldab laiendada olemasolevaid DWDM-süsteeme.

Meie veebilehelt https://dwdm.me/ leiate kogu vajaliku teabe EDFA-võimendite ja MU-seeria andmeedastusplatvormide kohta, et lahendada mis tahes ülesandeid – alates linnavõrkudest kuni magistraalvõrkudeni. Vajadusel aitavad meie spetsialistid alati valida teie ülesannetele sobiva seadme ning pakuvad konsultatsiooni.