Wie verwende ich EDFA im DWDM-System?

Die Glasfaserkommunikation ist ein Übertragungsverfahren, das Licht als Informationsträger und Glasfaser als Übertragungsmedium verwendet. Es wandelt die elektrischen Signale von Telegrammen, Bildern und Daten zunächst auf der Sendeseite in optische Signale um und überträgt sie dann über eine Glasfaser an die Empfangsseite. Das Empfangsende wandelt das empfangene optische Signal in ein elektrisches Signal um und stellt schließlich das ursprüngliche Signal wieder her.

Heutzutage ist es zu einem wesentlichen Informationsübertragungsverfahren geworden, optische Fasern zum Übertragen von Informationen zu verwenden. Die optische Verstärkung ist ein bedeutendes Glied im Lichtwellenleiter-Kommunikationssystem. Optische Verstärker können schwache optische Signale direkt verstärken, was einen qualitativen Sprung in der Glasfaser-Kommunikationstechnologie gemacht und die Technologie des optischen Wellenlängenmultiplexens (DWDM) ausgereift und kommerzialisiert hat. Glasfaser hat auch eine solide Grundlage für das zukünftige rein optische Kommunikationsnetz gelegt und ist zu einem unverzichtbaren Gerät im Kommunikationssystem geworden.

In den letzten Jahren hat sich die DWDM-Technologie mit der Popularisierung von Glasfaser-Amtsleitungen entwickelt, um den Anforderungen der Erweiterung der Kommunikationskapazität und der hohen Funktionalität von Glasfaser-Langstreckenübertragungsnetzen gerecht zu werden. Die leistungsfähigste Technologie im DWDM-System ist die praktische Anwendung des Faserverstärkers. In dem Kommunikationssystem, das durch die Bedingungen der Faserverlegung in den frühen Tagen beschränkt war, war es kompliziert, Hochgeschwindigkeitssignale durch eine Faser zu übertragen. Es ist jedoch einfacher zu realisieren, wenn die Vier-Wellen-DWDM-Übertragung von 2.5 Gbps × 4 verwendet wird. Daher hat die Entwicklung von DWDM seit Ende der 1990er Jahre auch den Fortschritt von EDFA gefördert.

Das Glasfaser-Kommunikationssystem

Das optische Faserkommunikationssystem kann in drei Grundeinheiten unterteilt werden: optischer Sender, optische Faser und optischer Empfänger.

Das schematische Diagramm ist in Abbildung 1-1 dargestellt.

Schematische Darstellung eines Glasfaser-Kommunikationssystems

 

Der optische Sender besteht aus einer Umwandlungseinrichtung, die ein elektrisches Signal mit Informationen in ein optisches Signal umwandelt, und einer Übertragungseinrichtung, die das optische Signal in eine optische Faser sendet. Die Lichtquelle ist sein Kerngerät, das aus einer Laserdiode LD besteht. Optische Fasern liegen in praktischen Systemen im Allgemeinen in Form von optischen Kabeln vor. Der optische Empfänger besteht aus einem Fotodetektor, einer Verstärkerschaltung und einer Signalrückgewinnungsschaltung. Eine große Anzahl aktiver und passiver Vorrichtungen sind auch in dem optischen Faserkommunikationssystem enthalten. Steckverbinder werden zum Verbinden verschiedener Geräte und Glasfasern verwendet, und Optokoppler werden für Fälle verwendet, in denen optisches Teilen oder Kombinieren übertragen werden muss. Der optische Verstärker spielt die Rolle der Verstärkung der Lichtwelle und wird verwendet, um die schwächende optische Leistung zu kompensieren, die durch die Dämpfung der optischen Faser verursacht wird, nachdem das optische Signal über eine bestimmte Entfernung übertragen wurde.

Dotierter Faserverstärker

Verstärker

Optische Verstärker sind Geräte, die optische Signale direkt verstärken können. Nachdem das optische Signal eine bestimmte Entfernung entlang der Glasfaser übertragen hat, wird es aufgrund der Dämpfung der Glasfaser geschwächt, sodass die Übertragungsentfernung begrenzt ist. In den frühen Tagen der Glasfaserkommunikation wurden optisch-elektrisch-optische regenerative Repeater verwendet, um die photoelektrische Umwandlung, elektrische Verstärkung, neu getaktete Impulsformung und elektrooptische Umwandlung durchzuführen. Wenn in Glasfasernetzen viele optische Sender Licht mit unterschiedlichen Bitraten und in unterschiedlichen Formaten an mehrere Empfänger senden, können herkömmliche Repeater nicht verwendet werden, wodurch optische Verstärker erforderlich werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Repeatern hat es zwei entscheidende Vorteile:

• Es kann das Signal jeder Bitrate und jedes Formats verstärken;
• Es ist nicht nur für eine einzelne Signalwellenlänge geeignet, sondern kann mehrere Signale innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs verstärken.

Wie der Verstärker funktioniert

Der optische Verstärker verstärkt die einfallende Lichtleistung basierend auf dem stimulierten Emissionsmechanismus. Das Arbeitsprinzip ist in Abbildung 2-1 dargestellt.

Abbildung 2-1 Arbeitsprinzipdiagramm des optischen Verstärkers

Das aktive Medium in der Abbildung ist eine mit seltenen Erden dotierte Faser, die die von der Quecksilberquelle bereitgestellte Energie absorbiert, die Elektronen auf ein hohes Energieniveau springen lässt und eine Teilchenzahlinversion erzeugt. Die Photonen des Eingangssignals passieren diese aktivierten Elektronen im Prozess der stimulierten Emission und bewirken, dass sie auf niedrigere Energieniveaus übergehen, wodurch ein verstärktes Signal erzeugt wird.

Dotierter Faserverstärker

Dotierte Faserverstärker nutzen den Verstärkungsmechanismus, der durch das Dotieren von seltenen Erden in optischen Fasern verursacht wird, um eine optische Verstärkung zu erreichen. Die am besten geeigneten dotierten Faserverstärker für optische Faserkommunikationssysteme sind dotierte Faserverstärker mit einer Betriebswellenlänge von 1550 nm oder 1300 nm.

EDFA-Struktur

Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) ist ein Gerät, das Erbium-dotierte Faser als Verstärkungsmedium verwendet und Pumplicht von einer Laserdiode verwendet, um Signallicht zu verstärken. Die Struktur des EDFA ist in Abbildung 2-2 dargestellt.

Struktur eines Erbium-dotierten Faserverstärkers

 

Erbium-dotierte Faser ist die Kernkomponente von EDFA. Es verwendet als Matrix Quarzfasern, deren Kern mit dem festen Laserarbeitsstoff Erbium dotiert ist. In der Erbium-dotierten Faser von mehreren Metern bis zu mehreren zehn Metern wird die Wechselwirkung von Licht und Materie verstärkt und verstärkt.

Der Modenfelddurchmesser der Erbium-dotierten Faser beträgt 3–6 μm, was viel kürzer ist als die 9–16 μm der herkömmlichen Faser. Dadurch soll die Energiedichte des Signallichts und des Pumplichts erhöht werden, wodurch die Effizienz ihrer Wechselwirkung erhöht wird. Die Verringerung des Kerndurchmessers der Erbium-dotierten Faser führt jedoch auch zu einer Fehlanpassung an das Modenfeld der herkömmlichen Faser, was zu größerer Reflexion und Verlust führt. Die Lösung besteht darin, der Faser etwas Fluor hinzuzufügen, um den Brechungsindex zu verringern und den Modenfeldradius so weit zu erhöhen, dass er mit herkömmlichen Fasern angepasst werden kann.

Um eine effizientere Verstärkung zu erreichen, werden die meisten Erbiumionen bei der Herstellung von mit Erbium dotierten Fasern im zentralen Bereich des Kerns konzentriert. Denn in der optischen Faser stellt sich das optische Feld des Signallichts und des Pumplichts näherungsweise als Gaußsche Verteilung dar – die Lichtintensität ist auf der Achse des Faserkerns am stärksten. Die Erbiumionen in der paraxialen Region sorgen dafür, dass Licht und Materie vollständig interagieren, wodurch die Energieumwandlungseffizienz verbessert wird.

EDFA von FiberMall

 

Ein typischer EDFA besteht hauptsächlich aus den folgenden Teilen:

• Pumpquelle: Eine weitere Kernkomponente von EDFA, die genügend Energie für die optische Signalverstärkung liefert, was eine notwendige Bedingung für die Verwirklichung der Besetzungsinversion des Verstärkungsmediums ist. Da die Pumpquelle direkt die Leistung bestimmt EDFA, es muss eine hohe Leistung, gute Stabilität und lange Lebensdauer aufweisen. Praktische EDFA-Pumpquellen sind Halbleiterlaserdioden mit zwei Pumpwellenlängen: 980 nm und 1480 nm. Meist wird die 980-nm-Pumpquelle verwendet, die sich durch geringes Rauschen und hohe Pumpleistung auszeichnet.
• Wellenlängenmultiplexer: Auch als Multiplexer (MUX) bekannt, seine Funktion besteht darin, das Pumplicht und das Signallicht mit Wellenlängen von 980/1550 nm oder 1480/1550 nm zu kombinieren und an die mit Erbium dotierte Faser zu senden. Die Anforderungen dafür sind geringe Einfügungsdämpfung und Unempfindlichkeit gegenüber der Polarisation von Licht.
• Optischer Isolator: Er macht die Übertragung unidirektional und verhindert die Reflexion von Licht zurück zum ursprünglichen Gerät, da diese Reflexion das Rauschen des Verstärkers erhöht und die Verstärkungseffizienz verringert.
• Optischer Filter: Filtert das Rauschen im optischen Verstärker über die Arbeitsbandbreite hinaus, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Systems zu verbessern.

Faraday-Isolatoren ermöglichen die Lichtübertragung in nur eine Richtung

 

Arbeitsprinzip des EDFA

Der Wirkmechanismus von EDFA basiert auf stimulierter Strahlung. Um eine stimulierte Emission zu realisieren, ist es notwendig, eine Besetzungsinversion zwischen Energieniveau 2 und Energieniveau 1 zu erzeugen, d. h. es ist eine Pumpquelle erforderlich, um Erbiumionen von Energieniveau 1 auf Energieniveau 2 anzuregen.

• Pumpquelle mit 980 nm Wellenlänge: Die Partikel gehen von Energiestufe 1 auf Energiestufe 3 über und bleiben kurzzeitig bei 1 μm. Ohne Strahlung fällt es auf Energieniveau 2 und bleibt 2 μm lang auf Energieniveau 10, und die Teilchen treten weiterhin in Energieniveau 2 ein. Daher ist die Anzahl der Teilchen auf Energieniveau 2 viel größer als auf Energieniveau 1, wodurch die Umkehrung von realisiert wird die Anzahl der Teilchen in den Energieniveaus 1 und 2. Das Signal regt die Erbiumionen von Energieniveau 2 zurück auf Energieniveau 1 an, und eine kleine Anzahl von Teilchen kehrt durch spontane Emission auf Energieniveau 1 zurück. Sie erzeugen spontanes Emissionsrauschen, dessen Eigenschaften sich ändern und verstärkt werden.
• Pumpquelle mit 1480 nm Wellenlänge: Überträgt Erbium-Ionen direkt von Energiestufe 1 auf Energiestufe 2, um eine Teilchenzahlinversion zu erreichen, und dann von Stufe 2 auf 1 unter Anregung durch Eingangslicht. Die Eigenschaften des freigesetzten Lichts sind die gleichen wie die des einfallenden Lichts und vergrößert.

EDFA-Gewinn-Ebenheit

Die Verstärkungsflachheit bezieht sich auf das Verhältnis zwischen Verstärkung und Wellenlänge. Der gewünschte EDFA sollte eine relativ flache Verstärkung in dem von uns benötigten Betriebswellenlängenbereich haben, insbesondere wenn er in den DWDM-Systemen verwendet wird, ist es erforderlich, dass er für alle Kanäle die gleiche Wellenlänge hat. gewinnen. Es ist jedoch nicht einfach, die ideale Verstärkungsflachheit einer mit Erbium dotierten Faser, der Kernkomponente von EDFA, zu erreichen.

Um eine relativ flache Verstärkungscharakteristik zu erhalten und die Bandbreite des EDFA zu erhöhen, gibt es zwei Methoden:

•  Nehmen Sie eine neue Art von dotierten Breitbandfasern an;
•  Platzieren Sie einen Entzerrungsfilter auf der mit Erbium dotierten Faserverbindung.

Wellenlängenmultiplextechnologie (WDM)

Obwohl die aktuelle Übertragungsrate der Technologie, die einen optischen Träger mit einer Wellenlänge und traditionelles elektrisches Zeitmultiplex (TDM) kombiniert, das Niveau von 40 Gb/s erreichen kann, ist es aufgrund der Begrenzung des Elektrons sehr schwierig, die Übertragungsrate weiter zu verbessern Migrationsrate. Darüber hinaus muss, wenn die Einzelwellenlänge-Übertragungswellenlänge auf das optische Netzwerk angewendet wird, eine neue optische Faserroute aufgebaut werden. All dies schränkt die Entwicklung und Anwendung von optischen Faserübertragungssystemen mit einer einzelnen Wellenlänge ein.

Es gibt zwei Methoden, um diese Einschränkungen zu umgehen:

• Verwenden Sie die DWDM-Technologie, um die Übertragungskapazität der Glasfaser zu erhöhen, indem Sie die Anzahl der Kanäle erhöhen, die in einer einzelnen Glasfaser übertragen werden.
• Wenden Sie die OTDM-Technologie (Optical Time-Division Multiplexing) an, um die Einkanal-Übertragungsrate zu erhöhen und so den Zweck der Erhöhung der Kommunikationskapazität zu erreichen.

Gegenwärtig hat die höchste durch die DWDM-Technologie erreichte Geschwindigkeit 11 Tb/s erreicht, und die höchste durch die OTDM-Technologie im Labor realisierte Einzelkanalgeschwindigkeit hat 640 Gb/s erreicht.

Das Arbeitsprinzip von DWDM

Die DWDM-Technologie ist eine Technologie, die Lichtwellen als Träger verwendet, um mehrere optische Trägersignale unterschiedlicher Wellenlängen gleichzeitig in einer Glasfaser zu übertragen. Lichtwellen unterschiedlicher Wellenlängen können Sprach-, Daten- und Bildsignale unabhängig voneinander übertragen, sodass die DWDM-Technologie die Übertragungskapazität einer einzelnen Faser verdoppeln kann. Abbildung 3-1 zeigt das Arbeitsprinzip des DWDM-Übertragungssystem.

Abbildung 3-1 Funktionsprinzip des DWDM-Übertragungssystems

Auf der Sendeseite arbeiten n (mehrere) optische Sender auf jeweils n verschiedenen Wellenlängen. Diese n unterschiedlichen Wellenlängen sind durch geeignete Intervalle getrennt, die jeweils als λ aufgezeichnet werden_1, λ_2,…,λ_n, die jeweils durch Signale als Träger moduliert werden, um Informationen zu tragen. Ein Wellenlängenmultiplexer kombiniert diese optischen Trägersignale unterschiedlicher Wellenlängen und koppelt sie in eine Singlemode-Faser ein. Im Empfangsteil trennt ein Demultiplexer die optischen Trägersignale unterschiedlicher Wellenlängen und sendet sie zur Detektion an jeweilige Empfänger.

Im Langwellenband hat die optische Faser zwei verlustarme Übertragungsfenster, nämlich das 1310-nm- und das 1550-nm-Fenster. Die Wellenlängenbereiche dieser beiden Fenster sind 1270–1350 nm und 1480–1600 nm, entsprechend den spektralen Breiten von 80 nm bzw. 120 nm. Für die hochqualitative 1550-nm-Lichtquelle, die in dem derzeitigen optischen Faserkommunikationssystem verwendet wird, überschreitet die maximale Ausgangsspektrallinienbreite nach der Modulation 0.2 nm nicht. In Anbetracht der durch Alterung und Temperatur verursachten Wellenlängendrift ist es sinnvoll, einen Spielraum für die spektrale Breite von etwa 0.41.6 nm anzugeben.

 

Grundlegende Komponenten des DWDM-Systems

Das DWDM-System muss Laser haben, die auf verschiedenen Wellenlängen arbeiten, sowie Multiplexer und Demultiplexer, die optische Signale verschiedener Wellenlängen kombinieren, auswählen und aufteilen können. Es hat auch den optischen Empfänger zur fotoelektrischen Erfassung demultiplexierter optischer Signale, um das ursprüngliche Signal wiederherzustellen. Auch für die Übertragung über große Distanzen wird ein Verstärker benötigt, der verschiedene optische Signale gleichzeitig verstärken kann.

Das DWDM-System sollte auch einen optischen Überwachungsteil und einen Netzwerkverwaltungsteil haben.

Das DWDM-System umfasst eine unidirektionale Übertragung mit zwei Fasern und eine bidirektionale Übertragung mit einer Faser. Unidirektionale Übertragung über zwei Fasern bedeutet, dass eine Faser in eine Richtung überträgt, während die andere Faser in die entgegengesetzte Richtung überträgt. Da die Übertragung in die zwei Richtungen jeweils durch zwei optische Fasern vervollständigt wird, kann die gleiche Wellenlänge in beiden Richtungen gleichzeitig verwendet werden. Die bidirektionale Einzelfaserübertragung soll in zwei Richtungen durch die gleiche Faser übertragen werden, und den Signalen in den beiden Richtungen müssen unterschiedliche Wellenlängen zugewiesen werden. Die gleiche Wellenlänge kann nicht gleichzeitig von Signalen in beide Richtungen verwendet werden.

Theoretisches Systemdiagramm der dwdm-Technologie

 

Hauptmerkmale der DWDM-Technologie

•  Nutzen Sie die enormen Bandbreitenressourcen von Glasfasern voll aus, um die Übertragungskapazität einer Glasfaser im Vergleich zur Übertragung mit einer Wellenlänge um ein Vielfaches bis zu einem Dutzend Mal zu erhöhen, wodurch die Übertragungskapazität von Glasfasern erhöht und die Kosten gesenkt werden, was einen großen Anwendungswert hat und wirtschaftlicher Wert.
• Da die verwendeten Wellenlängen in DWDM Technologie voneinander unabhängig sind, können sie Signale mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften übertragen, die Integration und Trennung verschiedener Signale vollziehen und die gemischte Übertragung von Multimedia-Signalen realisieren.
• Da viele Kommunikationen im Vollduplexmodus erfolgen, kann die DWDM-Technologie eine Menge Leitungsinvestitionen einsparen.

Optischer Verstärker im DWDM-System

In einem DWDM-System funktioniert der Repeater nicht, wenn mehrere Wellenlängen der Signalübertragung vorhanden sind. Es ist notwendig, zuerst zu demultiplexen und dann die Verarbeitung für jede Wellenlänge zu wiederholen, was zu einem sehr großen und komplexen Repeater führt. Dies ist ein wichtiges Problem, das die Entwicklung der DWDM-Technologie einschränkt. So kann ein Erbium-dotierter Faserverstärker EDFA eingeführt werden. Da EDFA im Bandbreitenbereich von etwa 35 nm in der Nähe des verlustarmen Übertragungsfensters von 1550 nm der Faser eine hohe Verstärkung aufweist, kann es gleichzeitig mehrere Lichtwellensignale online verstärken, um die Schwächung des Signals in der Faser zu kompensieren, ohne dass dies erforderlich ist optisch-elektrische und elektrisch-optische Umwandlung. Daher löst es das Problem der Mehrkanal-Signalverstärkung im DWDM-System und ersetzt den Repeater.

Beim Einsatz von EDFA im DWDM-System sind folgende drei Punkte zu beachten:

• Flachheit gewinnen

Wenn EDFA nur verwendet wird, um das Signal einer Wellenlänge zu verstärken, hat es gute Verstärkungseigenschaften. Wenn jedoch mehrere Wellenlängen in den EDFA eintreten, haben einige Signale eine hohe Verstärkung, während andere aufgrund der ungleichmäßigen Verstärkung eine niedrige Verstärkung haben. Wenn mehrere EDFAs kaskadiert werden, wird die Leistungsdifferenz verstärkt, was nicht nur zu einem unterschiedlichen Signal-Rausch-Verhältnis jedes Kanals auf dem Empfänger führt, sondern auch dazu führen kann, dass die den Empfänger erreichende Signalleistung den Dynamikbereich des Empfängers überschreitet und eine Fehlfunktion des Empfängers verursachen.

Kaskadierende Verstärkung der Verstärkerverstärkung Ebenheit oder Unebenheit

 

Hier sind zwei Möglichkeiten, diese Unebenheiten auszugleichen:

① Vorentzerrung: Die Leistung jedes Kanals wird auf der Seite des optischen Senders auf unterschiedliche Werte voreingestellt, und die Leistung des Kanals, der im Verstärker eine hohe Verstärkung erhält, wird auf niedrige Leistung eingestellt, andernfalls auf hoch Energie.

②Fügen Sie dem EDFA-Modul einen gut konzipierten Filter hinzu, sodass seine Durchlasscharakteristik gerade die ungleichmäßige Verstärkung des Verstärkers kompensiert, um den Zweck der Glättung der Verstärkerverstärkung zu erreichen.

Eine der Kernkomponenten dieses optischen Verstärkers für DWDM ist ein Filter, der die Verstärkung des Verstärkers glätten kann. Die in diesem Stadium verwendeten Filter sind hauptsächlich mehrschichtige dielektrische Dünnschichtfilter und Fasergitterfilter. Die Verlusteigenschaften solcher Filter sind üblicherweise fest. Auf diese Weise kann, wenn der EDFA in dem System angewendet wird, seine Verstärkungsflachheit nur unter bestimmten Betriebsbedingungen garantiert werden, und die Verstärkung ist unter anderen Bedingungen nicht flach.

• Leistungstransienten und automatische Verstärkungsregelung

Wenn im tatsächlichen System einige Kanäle plötzlich an Netzwerkknoten ausfallen oder fallen oder hinzugefügt/entfernt werden, wird die Eingangsleistung des EDFA plötzlich zunehmen/sinken, was zu einer vorübergehenden Änderung der Verstärkung des EDFA führt. Die Verstärkung, die andere Kanäle vom EDFA erhalten, nimmt ab oder zu, was schließlich zu einer vorübergehenden Änderung der Leistung dieser Kanäle führt, die auf der Glasfaserverbindung verbleiben und ihre jeweiligen Empfänger erreichen, was als Leistungstransient bezeichnet wird.

Um das Auftreten von Leistungstransienten zu verhindern, muss die Verstärkung des Verstärkers gesteuert werden. Normalerweise gibt es drei Modi, wenn EDFA in einem DWDM-System arbeitet: automatischer Verstärkungsregelungsmodus, automatischer Leistungsregelungsmodus und automatischer Stromregelungsmodus. Beim Arbeiten im automatischen Verstärkungsregelungsmodus ist die Verstärkung konstant. Wenn sich die optische Eingangsleistung ändert, kann die Steuerschaltung den Pumpstrom entsprechend der erforderlichen Verstärkung anpassen, so dass der EDFA immer noch am angegebenen Verstärkungspunkt arbeitet.

 

Automatic Gain Control

•  ASE-Rauschen:

Wenn der EDFA kaskadiert ist, wird das ASE-Rauschen der vorherigen Stufe als Signal mit dem realen Signal in die nächste Stufe des EDFA eingegeben und verstärkt. Das ASE-Rauschen häuft sich an und verursacht die Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Systems. Daher muss bei Anwendung in einem DWDM-System die Rauschzahl von EDFA so klein wie möglich sein.

 

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellt die Strukturen, Arbeitsprinzipien und Anwendungen der EDFA- und DWDM-Technologie vor. EDFA löst das Problem der Mehrkanal-Signalverstärkung im DWDM-System. Dank der Reife und Kommerzialisierung der EDFA-Technologie entwickelt sich die DWDM-Technologie schnell und wird angewendet. Wenn es eingehendere Forschungen zur Glasfaserkommunikation gibt, wird FiberMall weiterhin Artikel veröffentlichen, um Sie zu informieren.