ما هو EDFA؟ كيفية عمل -مضخمات الألياف المخدرة بالإربيوم

ما هو EDFA؟

EDFA هومكبر للصوت البصرييستخدم جزءًا من ألياف الإربيوم-المطعمة لتضخيم الإشارات الضوئية مباشرة في المجال البصري. تتطلب المكررات التقليدية تحويلًا بصريًا - إلى - كهربائيًا - إلى - بصريًا (O - E - O) في كل مرحلة؛ EDFA يتخطى كل ذلك. تظل الإشارة كضوء من البداية إلى النهاية - مما يحافظ على النطاق الترددي، ويقلل زمن الوصول، ويزيل طبقة كاملة من تعقيد الشبكة.

وهو يعمل في النطاق -C (1530–1565 نانومتر) والنطاق L-(1565–1625 نانومتر)، مباشرةً في نوافذ النقل ذات-أقل خسارة من ألياف السيليكا. هذا التداخل الطيفي ليس محض صدفة - إنه السبب في أن EDFA أصبح المضخم الافتراضي في شبكات النقل الطويلة-، والسبب في أن أنظمة WDM وDWDM تعمل بالطريقة التي تعمل بها. يمكن لـ EDFA واحد أن يعزز العشرات أو حتى المئات من قنوات الطول الموجي التي تنتقل عبر ليف واحد في نفس الوقت.

مشكلة EDFA تحلها

تفقد الإشارات الضوئية قوتها أثناء انتقالها عبر الألياف. التوهين، وخسائر الوصلات، وخسائر الموصلات - كلها تضيف إلى بعضها البعض. قبل EDFA، كان الخيار الوحيد هو وضع أجهزة إعادة التوليد الإلكترونية على طول الطريق. قامت هذه الأجهزة بتحويل الضوء إلى كهرباء، وتنظيف الإشارة،-وإعادة تضخيمها، وتحويلها مرة أخرى إلى ضوء. كان كل جهاز إعادة إنشاء مكلفًا ومحددًا بالتنسيق-: يمكنه التعامل مع معدل بيانات واحد فقط ونظام تعديل واحد. إذا أردت توسيع نطاق نظام WDM، كان عليك مضاعفة أجهزة إعادة التوليد بعدد القنوات. تم قياس التكلفة والتعقيد بوحشية.

وجاء هذا الإنجاز في عام 1987، عندما أظهر الباحثون ذلكألياف الإربيوم-المطعمةيمكنه تضخيم الإشارات بالقرب من 1550 نانومتر من خلال الانبعاث المحفز. وبعد ذلك بعامين، تم ضخ أول صمام ثنائي-.الإربيوم-مضخم ألياف مشبعتم التحقق من صحتها في المختبر، مما يثبت أن المفهوم يمكن أن يعمل في شبكات حقيقية. ما جعل هذا مهمًا جدًا لم يكن مجرد التضخيم نفسه - بل كان بإمكان EDFA واحد تضخيم جميع قنوات الطول الموجي في نظام WDM في وقت واحد. لا يوجد تجديد لكل-قناة. هذه الإمكانية الوحيدة هي التي جعلت تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي-مجديًا اقتصاديًا ووضع الكابلات البحرية ذات مقياس التيرابت-في متناول اليد.

كيف يعمل إدفا؟

الآلية الأساسية: الانبعاث المحفز

يعمل EDFA على نفس مبدأ انبعاث الليزر - المحفز - باستثناء أنه يعمل على تضخيم الضوء الموجود بدلاً من توليد ضوء جديد.

تعمل مضخة ليزر عالية الطاقة- (تعمل عند 980 نانومتر أو 1480 نانومتر) على ضخ الطاقة إلى ألياف الإربيوم-المطعمة. تمتص أيونات الإربيوم (Er³⁺) طاقة المضخة هذه وتقفز من حالتها الأرضية إلى الحالة المثارة. بمجرد إثارة ما يكفي من الأيونات، تحصل على انقلاب عددي بمقدار - عدد أكبر من الأيونات الموجودة في حالة الطاقة-العالية مقارنة بالحالة الأرضية. هذا هو الشرط الأساسي لحدوث التضخيم.

الآن تدخل إشارة ضوئية ضعيفة بالقرب من 1550 نانومتر إلى الألياف المخدرة. تصطدم فوتوناتها بأيونات الإربيوم المثارة، ويؤدي كل تفاعل إلى تحفيز أيون ليعود إلى الحالة الأرضية، ويطلق فوتونًا جديدًا في هذه العملية. وهذا الفوتون الجديد مطابق لفوتون الإشارة - بنفس الطول الموجي ونفس الطور ونفس الاتجاه. ضاعف ذلك عبر مليارات التفاعلات على طول الألياف، وستخرج الإشارة من الطرف الآخر أقوى بكثير.

التضخيم هو النطاق العريض بطبيعته. يمتد طيف كسب الإربيوم حوالي 30-40 نانومتر في النطاق C-. هذا ليس حلاً هندسيًا ذكيًا - ولكنه مدمج في فيزياء بنية مستوى الطاقة لأيون الإربيوم. يمكن لـ EDFA واحد التعامل مع 40 أو 80 أو حتى 96 قناة DWDM في وقت واحد لهذا السبب.

المكونات الرئيسية داخل EDFA

تحتوي وحدة EDFA العاملة على ما هو أكثر من مجرد قطعة من الألياف المخدرة. تعمل خمسة مكونات أساسية معًا:

تعتبر ألياف الإربيوم-المطعمة (EDF) هي وسيلة الكسب. طول الألياف، وتركيز الإربيوم، وتكوين الزجاج كلها تشكل خصائص الكسب والضوضاء. توفر مضخة الليزر الطاقة لإثارة أيونات الإربيوم - قوتها واستقرارها هما ما يحدد كسب EDFA وشكل الضوضاء. تقوم قارنة التوصيل WDM بدمج ضوء المضخة وضوء الإشارة بحيث ينتشران عبر الألياف المخدرة معًا. تعمل العوازل الضوئية عند المدخلات والمخرجات على حجب الانعكاسات -التي يمكن أن تزعزع استقرار مكبر الصوت أو تؤدي إلى إطلاق ليزر طفيلي. ويعمل مرشح بصري على إزالة-ضوضاء النطاق والانبعاث التلقائي المضخم (ASE) للحفاظ على نظافة الإخراج.

980 نانومتر مقابل 1480 نانومتر الضخ - لماذا تستخدم العديد من EDFAs كلاهما

يعد الطول الموجي للمضخة أحد أكبر قرارات التصميم في EDFA، ويتضمن الخياران مقايضة حقيقية - وليس مجرد مواصفات مختلفة في ورقة البيانات.

يعمل الضخ بمقدار 980 نانومتر على إثارة أيونات الإربيوم إلى مستوى طاقة مرتفع (E3)، والتي تسترخي بعد ذلك بسرعة إلى المستوى شبه المستقر (E2) من خلال عملية غير -إشعاعية. ينتج عن هذا المسار المكون من خطوتين- انعكاسًا سكانيًا نظيفًا للغاية ورقم ضوضاء أقل - عادةً ما يكون 1–2 ديسيبل أفضل من 1480 نانومتر. بالنسبة للمضخمات-السابقة التي يكون فيها كل جزء من ديسيبل في الضوضاء مهمًا، فإن 980 نانومتر هو ما تريده.

يأخذ الضخ بطول 1480 نانومتر طريقًا مختصرًا: فهو يثير أيونات الإربيوم مباشرة إلى المستوى شبه المستقر (E2). كفاءة أكبر في استخدام الطاقة-، وطاقة خرج أعلى يمكن تحقيقها، ولكنها أكثر ضوضاءً. وهذا يجعلها مناسبة بشكل أفضل لمكبرات الصوت المعززة حيث تكون الطاقة الخام أكثر أهمية من أداء الضوضاء.

لا تختار الكثير من EDFAs-الأداء العالي واحدًا أو آخر - فهي تستخدم مضختين . 980 نانومتر في الاتجاه الأمامي للحفاظ على انخفاض الضوضاء، ومضخات 1480 نانومتر في الاتجاه الخلفي لدفع طاقة الخرج لأعلى. يعتبر هذا التكوين الهجين قياسيًا في الأنظمة الأرضية البحرية والطويلة المدى، وذلك لسبب وجيه: تحصل على ميزة الضوضاء البالغة 980 نانومتر وميزة الطاقة البالغة 1480 نانومتر في وحدة واحدة.

ثلاثة أنواع من EDFA ومتى يتم استخدام كل منها

يحدد موقع EDFA في الوصلة الضوئية كل شيء يتعلق بكيفية تصميمه. المواصفات التي تهم المعزز تكون تقريبًا غير ذات صلة بالمضخم المسبق-، والعكس صحيح.

مكبر للصوت الداعم

يذهب مباشرة بعد الارسال. وتتمثل مهمتها في دفع قوة الإشارة إلى أعلى مستوى ممكن قبل أن يدخل الضوء إلى نطاق الألياف. في أنظمة DWDM، يُحدث مُضاعِف الإرسال خسارة في الإدخال مما يؤدي إلى تآكل قوة الإطلاق، ويعوض المعزز ذلك. المواصفات الأكثر أهمية هنا هي طاقة الخرج المشبعة - عادةً 16-23 ديسيبل مللي واط. يعد رقم الضوضاء ثانويًا لأن إشارة الإدخال لا تزال قوية.

في -مضخم الخط

وتقع هذه في نقاط متوسطة على طول مسار الألياف، عادة كل 80-100 كيلومتر، للتعويض عن فقدان الامتداد والحفاظ على الإشارة فوق مستوى الضوضاء. إنهم بحاجة إلى مكاسب عالية (20-30 ديسيبل) مع أداء ضوضاء لائق. هذا هو الأمر المتعلق بمكبرات الصوت الخطية-: تتراكم الضوضاء في كل مرحلة. عندما تقوم بتصميم ميزانية الضوضاء لسلسلة مكونة من 10 أو 20 أو 100 من EDFA المتتالية في كابل بحري، فإن مساهمة كل مضخم صوت مهمة. إن الخطأ في هذا حتى بفارق بسيط يمكن أن يعني الفرق بين الرابط العامل والرابط الذي لا يغلق.

ما قبل-مكبر الصوت

يجلس مباشرة أمام المتلقي. عند هذه النقطة، ربما تكون الإشارة قد عبرت مئات أو آلاف الكيلومترات ووصلت بقدرة منخفضة جدًا - أحيانًا أقل من -30 ديسيبل مللي واط. عند هذه المستويات، يكون نمو الضوضاء في بورصة عمان في أسوأ حالاته. يعد رقم الضوضاء هو المعلم الوحيد الأكثر أهمية لمضخم الصوت المسبق. يمكن أن يُترجم التحسين بمقدار 1 ديسيبل في NF هنا مباشرةً إلى وصول ممتد أو معدل خطأ أفضل للرابط بأكمله.

معلمات الأداء الرئيسية

يكسب

تقاس بالديسيبل. كسب قدره 30 ديسيبل يعني أن الإخراج أقوى 1000 مرة من الإدخال. يمكن أن تتجاوز بعض تصميمات EDFA 50 ديسيبل، على الرغم من أن معظم الوحدات التجارية تعمل في نطاق 15-35 ديسيبل. يعتمد الكسب على طول EDF وقوة المضخة ومستوى إشارة الإدخال. إنه ليس رقمًا ثابتًا - مع زيادة طاقة الإدخال وزيادة الضغط بسبب التشبع. تحتاج حسابات ميزانية الارتباط إلى حساب ذلك.

شكل الضوضاء (NF)

يحدد مقدار الضوضاء الإضافية التي يضيفها EDFA. الحد الأدنى النظري هو 3 ديسيبل (الحد الكمي لمكبر الصوت غير الحساس للطور - عند الكسب العالي)، وتحقق EDFAs التجارية عادةً 5-7 ديسيبل في ظروف الإشارة الصغيرة -. بالنسبة إلى -المضخمات المسبقة وروابط النقل-المتتالية الطويلة، غالبًا ما يكون NF هو المعلمة الأولى التي تقوم بتحسينها، لأنها تحدد ميزانية OSNR للنظام بأكمله بشكل مباشر.

طاقة الإخراج المشبعة

الحد الأقصى لطاقة الإخراج التي يمكن أن يوفرها EDFA عندما يكون الإدخال قويًا بدرجة كافية (عادةً أكبر من أو يساوي 0 ديسيبل ميلي واط) لدفعه إلى التشبع. هذا هو الرقم الرئيسي لمكبرات الصوت المعززة. المزيد من طاقة الخرج تعني أنه يمكنك إطلاق المزيد في الألياف، وهو ما يعني عمومًا فترات أطول بين مواقع مكبر الصوت.

اكتساب التسطيح

في نظام DWDM الذي يحتوي على العديد من القنوات، تحصل كل قناة على نفس الكسب بشكل مثالي. طيف كسب الإربيوم لا يتعاون - يتم تضخيم بعض الأطوال الموجية بشكل طبيعي أكثر من غيرها. يقيس تسطيح الكسب هذا التباين، ويتم التعبير عنه عادةً بالذروة-إلى-الذروة ديسيبل عبر نطاق التشغيل.

تصبح المشكلة واضحة عند تشغيل مكبرات الصوت. لنفترض أن قناة واحدة تحصل على ربح أقل بمقدار 0.5 ديسيبل لكل مكبر صوت. وبعد عشرة مكبرات صوت، يصبح الصوت أضعف بمقدار 5 ديسيبل. وبعد العشرين، قد تنخفض تمامًا عن عتبة حساسية المتلقي. تتعامل أنظمة الكابلات البحرية والشبكات الأرضية- طويلة المدى مع هذا من خلال مرشحات التسطيح (GFFs) المضمنة في وحدة EDFA، أو عن طريق ضبط تركيز الألومنيوم في زجاج EDF لتحسين التسطيح المتأصل لطيف الكسب.

EDFA مقابل مكبرات الصوت الضوئية الأخرى

EDFA مقابل SOA (مضخم بصري لأشباه الموصلات)

تستخدم SOA وسيلة كسب لأشباه الموصلات بدلاً من الألياف المخدرة. إنها أصغر حجمًا وأرخص ويمكن دمجها في الرقائق الضوئية - وهي مزايا حقيقية لشبكات المترو والتبديل البصري ومعالجة الإشارات. لكن بالنسبة للإرسال لمسافات طويلة-، فهو لا يصمد. يصل كسب SOA إلى حوالي 15-25 ديسيبل (يمكن أن يتجاوز EDFA 50 ديسيبل)، ويبلغ رقم ​​الضوضاء الخاص به 7-12 ديسيبل (مقابل 5-7 ديسيبل في EDFA)، وهو حساس للاستقطاب -، ويقدم تداخلًا بين قنوات WDM لا يفعله EDFA ببساطة.

الخدمية لها مكانها. EDFA لها مكانها. بالنسبة لنقل DWDM الأساسي، فإن الاختيار ليس قريبًا.

EDFA مقابل مضخم رامان

يعمل تضخيم رامان من خلال آلية مختلفة تمامًا - تحفز تشتت رامان - ويحدث ذلك داخل ألياف النقل نفسها، وليس في ألياف منفصلة مخدرة. نظرًا لأن الإشارة يتم تضخيمها تدريجيًا على طول النطاق بدلاً من تضخيمها مرة واحدة، فإنها لا تنخفض أبدًا إلى مستوى منخفض كما يحدث مع تضخيم EDFA-فقط. ونتيجة لذلك، يمكن أن يكون رقم الضوضاء الفعال أقل.

لكن السلبيات حقيقية. تتطلب مكبرات الصوت رامان طاقة مضخة عالية (غالبًا ما تزيد عن 500 ميجاوات)، وتوفر كسبًا متواضعًا (10-15 ديسيبل عادةً)، وتضيف تعقيدًا للنشر. من ناحية أخرى، فهي مرنة في الطول الموجي- بطريقة لا يمكن لـ EDFA مطابقتها مع - فقط قم بتغيير الطول الموجي للمضخة لتضخيم نطاق مختلف.

هاتان التقنيتان ليسا منافسين حقًا. تستخدم معظم أنظمة النقل-الطويلة جدًا-والغواصات كلا من: يوفر رامان "أرضية" كسب موزعة تمنع الإشارة من الانخفاض كثيرًا في الضوضاء، ويقدم EDFA تضخيمًا عاليًا-مركّزًا عند كل مكرر. لقد أصبح هذا النهج الهجين هو الطريقة القياسية لدفع القدرات والوصول إلى أقصى حدودها.

حيث يتم استخدام EDFA اليوم

الشبكات الأرضية-الطويلة

هذا هو المكان الذي تكسب فيه EDFA مكانتها. في الشبكات الأساسية التي تمتد على مسافات وطنية أو قارية، تدخل EDFAs كل 80 إلى 100 كيلومتر لمحاربة توهين الألياف. واحدمضخم الألياف الضوئيةيعتمد حمل 80+ قنوات DWDM بسرعة 100 جيجا أو 400 جيجا لكل قناة على سلسلة من هذه المضخمات للحفاظ على جودة الإشارة على مدى آلاف الكيلومترات. إذا أخرجنا EDFA من الصورة، فسوف تنهار اقتصاديات النقل الأرضي ذات السعة العالية-.

أنظمة الكابلات البحرية

تعد الكابلات البحرية أقسى بيئة ستواجهها EDFA على الإطلاق. يمكن أن يمتد الكابل العابر للمحيطات لمسافة تزيد عن 10000 كيلومتر مع وجود أكثر من 100 مكرر EDFA في قاع المحيط. يجب أن تعمل هذه الوحدات بشكل مستمر لمدة 25 عامًا دون الحاجة إلى الصيانة. الموثوقية ليست مجرد -من الجميل-أن يكون هناك - فشل في قاع البحر يعني زيارة سفينة باهظة الثمن. تعمل EDFAs هذه بمضخة ليزر زائدة عن الحاجة وهوامش تشغيل متحفظة مصممة لزيادة العمر الافتراضي إلى أقصى حد قبل كل شيء.

ربط مركز البيانات (DCI)

تحتاج مراكز البيانات ذات الحجم الكبير إلى-روابط ذات نطاق ترددي عالٍ وزمن وصول منخفض-بين الحرم الجامعي، وغالبًا ما تمتد هذه الروابط لعشرات إلى مئات الكيلومترات. يتيح EDFA النقل المتماسك 400G و800G على مسارات DCI هذه. ومع توزيع التدريب على الذكاء الاصطناعي بشكل متزايد عبر منشآت متعددة، فإن هذا القطاع ينمو بسرعة.

أنظمة DWDM

لم يصبح EDFA متوافقًا مع DWDM - فحسب، بل هو ما جعل DWDM عمليًا في المقام الأول. إن تضخيم 40 أو 80 أو 96 قناة في وقت واحد في جهاز واحد هو ما يسمح لمشغلي الشبكات بتوسيع سعة الألياف دون توسيع نطاق البنية التحتية بنفس المعدل. يحتوي كل نظام DWDM قيد التشغيل اليوم على EDFA.

شبكات توزيع الكيبل التلفزيوني

تستخدم شبكات تلفزيون الكابل EDFAs كمضخمات طاقة لتعزيز الإشارة الضوئية من الرأس، ودفعها إلى قاعدة مشتركين أكبر عبر منطقة تغطية أوسع. تتناسب طاقة الخرج العالية لنوع EDFAs -المعزز مع نموذج توزيع البث هذا بشكل جيد.

تطبيقات أخرى

يظهر EDFA أيضًا فيمكبر للصوت الأليافعمليات النشر داخل الشبكات المحلية-المعتمدة على الألياف (للتعويض عن خسائر التوزيع)، والاتصالات العسكرية والفضائية (حيث تكون الموثوقية والتسامح البيئي غير قابلين للتفاوض-)، وشبكات الاتصالات الكمومية الناشئة (حيث يكون لتضخيم الإشارات الضعيفة بدون تحويل كهربائي قيمة خاصة).

كيفية اختيار EDFA الصحيح

يبدأ اختيار EDFA المناسب بفهم دوره في شبكتك. يتمتع المعزز، والمضخم-المضمن، والمضخم-السابق بمجموعات أولوية مختلفة تمامًا - شراء وحدة منخفضة الضوضاء-لتطبيق معزز يعد إهدارًا للمال على مواصفات لا تساعدك.

تحديد الدور أولا. الداعم يعني أنك تهتم بقدرة الإخراج المشبعة. في-السطر يعني أنك توازن بين الكسب والضوضاء. Pre-amp يعني أن رقم الضوضاء هو الملك.

قم بتأكيد نطاق التشغيل الخاص بك. النطاق C- (1530–1565 نانومتر)، أو النطاق L-} (1565–1625 نانومتر)، أو كليهما. توجد C+L EDFAs، لكن التوفر والأداء يختلفان حسب البائع.

احسب الكسب ومتطلبات الطاقة من ميزانية خسارة الامتداد الخاصة بك. للحصول على التعزيز، ركز على طاقة الخرج المشبعة. بالنسبة لمضخم الصوت الداخلي-، تأكد من أن الكسب يغطي خسارة الامتداد بالهامش. بالنسبة لمضخم الصوت المسبق-، تحقق من الحد الأدنى من طاقة الإدخال التي يمكنه التعامل معها مع الاستمرار في الوصول إلى NF مقبول.

قم بتقييم رقم الضوضاء بعناية إذا كنت متتاليًا. انخفاض NF يعني المزيد من هامش OSNR، مما يعني وصولًا أطول أو معدل BER أفضل. في سلسلة من مكبرات الصوت، حتى 1 ديسيبل من مركبات تحسين NF عبر كل فترة.

تحقق من استواء الكسب - خاصة بالنسبة لـ DWDM مع عدد قنوات مرتفع. كلما زاد عدد EDFAs في سلسلتك، كلما كانت هذه المواصفات أكثر إحكامًا. النظام الذي يعمل بـ 40 قناة له متطلبات تسطيح مختلفة عن النظام الذي يعمل بـ 80.

عامل في بيئة النشر. يُعد حامل الحامل الداخلي-، والخزانة الخارجية، والسطح تحت سطح البحر ثلاثة عوالم مختلفة تمامًا. نطاق درجة حرارة التشغيل، وتحمل الرطوبة، ومعدل الصدمات الميكانيكية، وMTBF -، كل هذه التحولات تعتمد على المكان الذي تذهب إليه الوحدة. إن EDFAs تحت سطح البحر هي في الأساس فئة منتجات مختلفة عن وحدات التركيب على الحامل-.