Использование оптических усилителей EDFA

Оптические усилители EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) представляют собой ключевые компоненты современных волоконно-оптических систем передачи, использующихся при построении и експлуатации оптических магистралей. Наибольшее распространение EDFA-усилители получили при использовании оборудования DWDM.

EDFA-усилители – это устройства, которые усиливает оптический сигнал непосредственно в оптической кабеле, без необходимости преобразования этого сигнала в электрический, что позволяет компенсировать потери сигнала в оптоволоконных линиях, обеспечивая передачу данных на большие расстояния без необходимости регенерации.

EDFA работает на основе волокна, легированного ионами эрбия (Er³⁺). Принцип действия EDFA основан на явлении стимулированной эмиссии: ионы эрбия поглощают энергию от накачки и затем отдают эту энергию сигналу, усиливая его. Обычно EDFA применяется в DWDM-системах C-диапазоне (1528–1565 нм), где потери в стандартном одномодовом волокне (G.652) минимальны (около 0,2 дБ/км). Благодаря этому, EDFA являются практически идеальными устройствами для применения на магистральных, региональных и городских сетях, обеспечивая высокую пропускную способность и надежность.

EDFA-усилители необходимы в тех случаях, когда оптический сигнал ослабляется из-за затухания в оптическом волокне, явлений рассеяния или потерь на пассивных компонентах (мультиплексорах, разъемах, местах сварки и т.д.). Без EDFA-усилителей дальность передачи оптического сигнала от активного оборудования, как правило, ограничивается 80–100 км, но с применением EDFA протяженность трасы может достигать тысяч километров. Например, в системах DWDM EDFA позволяют одновременно усиливать до 96 каналов, минимизируя шум и искажения сигнала.

Как правило, EDFA состоит из следующих компонентов:

Принцип работы EDFA-усилителя можно разделить на следующие этапы:

1. Накачка — лазер накачки (помпа) излучает свет на длинах волн 980 нм (для быстрого возбуждения) или 1480 нм (для более эффективного использования энергии), благодаря чему ионы эрбия в волокне поглощают эту энергию и переходят из основного состояния (⁴I₁₅/₂) в возбужденное (⁴I₁₃/₂ через промежуточное ⁴I₁₁/₂ при 980 нм).

2. Инверсия уровней энергии (population inversion) – при достаточной остаточной мощности накачки (обычно 100–500 мВт) создается инверсия уровней энергии, когда больше ионов переходят в возбуждённое состояние, чем остаются в основном – это является необходим условием для усиления сигнала.
3. Стимулированная эмиссия — ходящий полезный оптический сигнал (на длине волны 1550 нм) стимулирует возбужденные ионы эрбия «вернуться» в основное состояние, излучая фотоны с той же длиной волны, фазой и направлением, что и полезный сигнал – таким образом, происходит усиление сигнала в оптическом волокне.
4. Подавление шума (фильтрация) – оптические изоляторы предотвращают обратное распространение усиленного спонтанного излучения (ASE – Amplified Spontaneous Emission), которое является основным источником шума в EDFA-усилителях.

Применение EDFA-усилителей имеет ряд преимуществ, среди которых стоит отметить следующие:

Однако EDFA-усилители достаточно чувствительны к входной мощности – при перегрузке возникает насыщение, и, в этом случае, не происходит усиления сигнала за пределами C/L-диапазонов без специальных модификаций.

EDFA применяются в ситуациях, когда потери сигнала превышают бюджет мощности системы (большая протяженность трассы, большое количество сварных соединений или пассивных компонентов на трассе и т.д.):

EDFA, обычно, не используют на коротких оптических линиях (до 40 км), где достаточно применения мощных оптических приемо-передатчиков (трансиверов). Но в сложных топологиях с множеством пассивных элементов (сплиттеры, OADM и т.д.) использование EDFA-усилителей будет практически неизбежным.

В технической литературе и документации принята следующая квалификация EDFA-усилителей, в зависимости от их расположения (позиции) в оптической линии:

В некоторых случаях используются комбинированные типы, например, BA+PA при соединениях точка-точка (Point‑to‑point,P2P).

Выбор типа EDFA-усилителей зависит, в первую очередь, от оптического бюджета: так для линии 100 км с затуханием 20 дБ подойдет LA (In-line Amplifier); а для 200 км уже необходима будет комбинация BA (Booster Amplifier) и LA (In-line Amplifier).

На сайте DWDM.ME предлагаются EDFA-усилители, которые интегрируются с платформой MU-серии. EDFA-усилители производства компании DWDM.ME поддерживают накачку на длинах волн 980/1480 нм, усиление оптического сигнала до 30 дБ и низкий уровень шумов (NF < 5 дБ). Таким образом EDFA-усилители производства компании DWDM.ME являются практически идеальными решениями для DWDM-систем с 80+ каналами.

Для проектирования систем с EDFA-усилителями будут полезны следующие несложные расчеты. Для начала необходимо рассмотреть ключевые параметры:

1. Коэффициент усиления (Gain, G):
   G = 10*log₁₀*(Pout/Pin),
   где Pout – выходная мощность, Pin – входная (в мВт).
   Пример:
   Если Pin = 0,1 мВт,
   Pout = 10 мВт,
   то: G = 10 * log₁₀(100) = 20 дБ.
   Это показывает, насколько EDFA усиливает сигнал.
2. Коэффициент шума (Noise Figure, NF):
   NF = 10*log₁₀*(SNRin/SNRout),
   где SNR – отношение сигнал/шум.
   Идеальный NF ~3 дБ, но реально 4–6 дБ.
   Пример:
   Если SNRin = 40 дБ,
   SNRout = 35 дБ,
   То: NF = 5 дБ.
   Высокий NF ухудшает качество сигнала на длинных линиях.
3. Бюджет потерь (Link Budget):
   Общий бюджет=Ptx+G_EDFA-Losses-Margin,
   где Ptx – мощность передатчика,
   Losses – суммарные потери (волокно + все компоненты),
   Margin – запас (5–10 дБ).
   Пример:
   Ptx = 0 дБм,
   G_EDFA = 25 дБ,
   Losses = 30 дБ (150 км*0,2 дБ/км),
   Margin = 5 дБ.
   Бюджет = 0+25-30-5 =-10 дБм.
   Если чувствительность приемника составляет >-20 дБм, система будет работать.
4. Мощность накачки (Pump Power):
   Для достижения G=25 дБ требуется ~200 мВт накачки.
   Формула достаточно приближенная, но для оценки параметров вполне рабочая:
   G ≈ η*Ppump/(h*ν*A),
   где η – эффективность,
   hν – энергия фотона,
   A – площадь сечения волокна (одномодове оптическое волокно 9/125 мкм, где 9 мкм – это диаметр светопроводящей сердцевины).

В реальных системах, таких как MU-series от DWDM.ME, встроенные системы мониторинга позволяют корректировать параметры в режиме онлайн.

1. Магистральная DWDM-сеть:
   В проекте соединения двух узлов, расположенных на расстоянии в 500 км, используются бустерный усилитель (Booster Amplifier, BA), установленный после мультиплексора, линейные (In-line Amplifier, LA) EDFA, установленные каждые 100 км и предварительный усилитель (Pre-Amplifier, PA) находится перед демультиплексором. Использовании шасси MU-380 (5U, 20 слотов) позволяет достичь 1,6 Тбит/с по 96 каналам. EDFA компенсируют 100 дБ потерь, обеспечивая BER < 10⁻¹².
2. Соединение дата-центров:
   Три ЦОД, расположенные в разных городах, соединены с использованием оборудования MU-серии и EDFA-усилителей. Бустерный усилитель (Booster Amplifier, BA) усиливает сигнал на выходе из мультиплексора, линейные услитиели (In-line Amplifier, LA) установлены на промежуточных узлах, пре-амплифайер (Pre-Amplifier, PA) улучшает сигнал на приеме. Дальность до 1000 км без регенерации, с возможной интеграцией оптических переключателей (OLP) для организации резервирования по схеме 1+1 или 1:1.
3. Региональный провайдер:
   Для CWDM/DWDM-тракта на 80–100 км используются EDFA-усилители (тип In-line Amplifier, LA), который интегрирован с MU-70 (1U).
   Пример: 4x100G мукспондер с EDFA-усилителем позволяет расширить емкость трассы без использования новых волокон.

Платформа MU-series производства DWDM.ME – это модульная система для построения DWDM-сетей, где EDFA размещаются в том же шасси, что и линейные платы и сервисные карты. Шасси MU-180 (2U, 8 слотов) позволяют комбинировать EDFA с транспондерами (LC-MP100-II) и оптическими переключателями OLP. Такое решение обеспечивает масштабируемость: от 10G до 400G. Помимо этого платы управления системы DWDM.ME позволяют организовать онлайн-мониторинг OSNR и мощности сигнала на передатчике и на приемнике.

Как видим, оптические усилители EDFA – это фундамент современных оптических сетей, который обеспечивает экономичную и эффективную передачу данных, позволяя организовать оптические сети большой протяженности при достаточно небольшом финансовом бюджете. Использование EDFA-усилителей дает возможность расширить существующих DWDM-систем.

На нашем сайте https://dwdm.me/ вы найдете всю необходимую информацыю по EDFA-усилителям и платформам передачи данных серии MU, для решения любых задач – от городских до магистральных сетей. При необходимости, наши специалисты всегда помогут вам подобрать оборудование под ваши задачи и проведут консультацию.