¿Cómo utilizar EDFA en el sistema DWDM?

La comunicación por fibra óptica es un método de transmisión que utiliza la luz como portadora de información y la fibra óptica como medio de transmisión. Primero convierte las señales eléctricas de telegramas, imágenes y datos en señales ópticas en el extremo transmisor y luego las transmite al extremo receptor a través de una fibra óptica. El extremo receptor convierte la señal óptica recibida en una señal eléctrica y finalmente se restaura a la señal original.

Hoy en día, se ha convertido en un método de transmisión de información esencial para utilizar fibras ópticas para transmitir información. La amplificación óptica es un enlace importante en el sistema de comunicación de fibra óptica. Los amplificadores ópticos pueden amplificar directamente señales ópticas débiles, lo que ha dado un salto cualitativo en la tecnología de comunicación de fibra óptica y ha hecho madurar y comercializar la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda óptica (DWDM). La fibra óptica también ha sentado una base sólida para la futura red de comunicación totalmente óptica, convirtiéndose en un dispositivo indispensable en el sistema de comunicación.

En los últimos años, para satisfacer las necesidades de expansión de la capacidad de comunicación y la alta funcionalidad de las redes de fibra óptica de transmisión de larga distancia, la tecnología DWDM se ha desarrollado con la popularización de las líneas troncales de fibra óptica. La tecnología más poderosa en el sistema DWDM es la aplicación práctica del amplificador de fibra. En el sistema de comunicación, restringido por las condiciones de tendido de fibra en los primeros días, es complicado transmitir señales de alta velocidad por una fibra. Pero es más fácil darse cuenta si se utiliza la transmisión DWDM de cuatro ondas de 2.5 Gbps×4. Por lo tanto, el desarrollo de DWDM desde finales de la década de 1990 también ha promovido el progreso de EDFA.

El sistema de comunicación de fibra óptica

El sistema de comunicación por fibra óptica se puede dividir en tres unidades básicas: transmisor óptico, fibra óptica y receptor óptico.

El diagrama esquemático se muestra en la Figura 1-1.

Diagrama esquemático del sistema de comunicación de fibra óptica.

 

El transmisor óptico consta de un dispositivo de conversión que convierte una señal eléctrica con información en una señal óptica y un dispositivo de transmisión que envía la señal óptica a una fibra óptica. La fuente de luz es su dispositivo central, que está compuesto por un diodo láser LD. Las fibras ópticas existen generalmente en forma de cables ópticos en sistemas prácticos. El receptor óptico consta de un fotodetector, un circuito amplificador y un circuito de recuperación de señal. Una gran cantidad de dispositivos activos y pasivos también se incluyen en el sistema de comunicación de fibra óptica. Los conectores se utilizan para conectar varios dispositivos y fibras ópticas, y los acopladores ópticos se utilizan para ocasiones en las que es necesario transmitir división o combinación óptica. El amplificador óptico cumple la función de amplificar la onda de luz y se utiliza para compensar el debilitamiento de la potencia óptica causado por la atenuación de la fibra óptica después de que la señal óptica se transmita a cierta distancia.

Amplificador de fibra dopada

Amplificador

Los amplificadores ópticos son dispositivos que pueden amplificar directamente señales ópticas. Después de que la señal óptica transmita una cierta distancia a lo largo de la fibra óptica, se debilitará debido a la atenuación de la fibra óptica, por lo que la distancia de transmisión es limitada. En los primeros días de la comunicación por fibra óptica, se usaban repetidores regenerativos óptico-eléctricos-ópticos para realizar la conversión fotoeléctrica, la amplificación eléctrica, la conformación de pulsos reprogramados y la conversión electro-óptica. En las redes de fibra óptica, cuando hay muchos transmisores ópticos que envían luz a múltiples receptores a diferentes tasas de bits y en diferentes formatos, los repetidores tradicionales no se pueden usar, lo que genera la necesidad de amplificadores ópticos.

Comparado con los repetidores tradicionales, tiene dos claras ventajas:

• Puede amplificar la señal de cualquier tasa de bits y formato;
• No es solo para una sola longitud de onda de señal, sino que puede amplificar varias señales dentro de un cierto rango de longitud de onda.

Cómo funciona el amplificador

El amplificador óptico amplifica la potencia de la luz incidente basándose en el mecanismo de emisión estimulada. El principio de funcionamiento se muestra en la Figura 2-1.

Figura 2-1 Diagrama del principio de funcionamiento del amplificador óptico

El medio activo de la figura es una fibra dopada con tierras raras, que absorbe la energía proporcionada por la fuente de mercurio, hace que los electrones salten a un nivel de alta energía y produce una inversión del número de partículas. Los fotones de la señal de entrada pasan a través de estos electrones activados en el proceso de emisión estimulada, lo que hace que pasen a niveles de energía más bajos, produciendo así una señal amplificada.

Amplificador de fibra dopada

Los amplificadores de fibra dopada aprovechan el mecanismo de ganancia causado por el dopaje de tierras raras en las fibras ópticas para lograr la amplificación óptica. Los amplificadores de fibra dopada más adecuados para los sistemas de comunicación de fibra óptica son los amplificadores de fibra dopada con una longitud de onda operativa de 1550nm o 1300nm.

Estructura EDFA

El amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) es un dispositivo que utiliza fibra dopada con erbio como medio de ganancia y utiliza la luz de bombeo de un diodo láser para amplificar la luz de la señal. La estructura del EDFA se muestra en la Figura 2-2.

Estructura del amplificador de fibra dopada con erbio

 

La fibra dopada con erbio es el componente central de EDFA. Utiliza fibra de sílice como matriz, cuyo núcleo está dopado con la sustancia sólida de trabajo del láser: erbio. En la fibra dopada con erbio de varios metros a decenas de metros, la interacción de la luz y la materia se amplifica y mejora.

El diámetro del campo modal de la fibra dopada con erbio es de 3 a 6 μm, que es mucho más corto que los 9 a 16 μm de la fibra convencional. Esto es para aumentar la densidad de energía de la luz de la señal y la luz de la bomba, aumentando así la eficiencia de su interacción. Sin embargo, la reducción del diámetro del núcleo de la fibra dopada con erbio también hace que no coincida con el campo modal de la fibra convencional, lo que da como resultado una mayor reflexión y pérdida. La solución es añadir un poco de flúor a la fibra para reducir el índice de refracción y aumentar el radio del campo modal, hasta el punto de que se pueda combinar con las fibras convencionales.

Para lograr una amplificación más eficiente, la mayoría de los iones de erbio se concentran en la región central del núcleo cuando se fabrican fibras dopadas con erbio. Esto se debe a que, en la fibra óptica, el campo óptico de la luz de la señal y la luz de la bomba se presenta aproximadamente como una distribución gaussiana: la intensidad de la luz es más fuerte en el eje del núcleo de la fibra. Los iones de erbio en la región paraxial harán que la luz y la materia interactúen completamente, mejorando así la eficiencia de conversión de energía.

EDFA de FiberMall

 

Un EDFA típico consta principalmente de las siguientes partes:

• Fuente de bombeo: otro componente central de EDFA, proporciona suficiente energía para la amplificación de la señal óptica, que es una condición necesaria para realizar la inversión de población del medio de ganancia. Dado que la fuente de la bomba determina directamente el rendimiento de EDFA, se requiere que sea de alta potencia, buena estabilidad y larga vida. Las fuentes de bombeo EDFA prácticas son diodos láser semiconductores con dos longitudes de onda de bombeo: 980 nm y 1480 nm. La fuente de bomba de 980nm se usa principalmente, que cuenta con bajo nivel de ruido y alta potencia de bomba.
• Multiplexor por división de longitud de onda: también conocido como multiplexor (MUX), su función es combinar la luz de la bomba y la luz de la señal con longitudes de onda de 980/1550nm o 1480/1550nm y enviarla a la fibra dopada con erbio. Los requisitos para ello son una pequeña pérdida de inserción e insensibilidad a la polarización de la luz.
• Aislador óptico: Hace que la transmisión sea unidireccional y evita el reflejo de la luz hacia el dispositivo original, ya que este reflejo aumentará el ruido del amplificador y reducirá la eficiencia de amplificación.
• Filtro óptico: filtra el ruido del amplificador óptico más allá del ancho de banda de trabajo para mejorar la relación señal-ruido del sistema.

El aislador de Faraday permite la transmisión de luz en una sola dirección

 

Principio de funcionamiento del EDFA

El mecanismo de trabajo de EDFA se basa en la radiación estimulada. Para realizar la emisión estimulada, es necesario generar una inversión de población entre el nivel de energía 2 y el nivel de energía 1, es decir, se requiere una fuente de bombeo para excitar los iones de erbio del nivel de energía 1 al nivel de energía 2.

• Fuente de bombeo con longitud de onda de 980 nm: las partículas pasan del nivel de energía 1 al nivel de energía 3 y permanecen en 1 μm por un corto tiempo. Cae al nivel de energía 2 sin radiación y permanece en el nivel de energía 2 durante 10 μm, y las partículas continúan ingresando al nivel de energía 2. Por lo tanto, el número de partículas en el nivel 2 es mucho mayor que el del nivel de energía 1, que realiza la inversión de el número de partículas en los niveles de energía 1 y 2. La señal excita los iones de erbio del nivel de energía 2 de regreso al nivel de energía 1, y una pequeña cantidad de partículas regresan al nivel de energía 1 por emisión espontánea. Producen ruido de emisión espontánea, cuyas propiedades cambian y se amplifican.
• Fuente de bombeo con longitud de onda de 1480nm: transfiere directamente los iones de erbio del nivel de energía 1 al nivel de energía 2 para lograr la inversión del número de partículas, y luego del nivel 2 al 1 bajo la excitación de la luz de entrada. Las características de la luz liberada son las mismas que las de la luz de entrada y se magnifican.

EDFA gana planitud

La planitud de ganancia se refiere a la relación entre ganancia y longitud de onda. El EDFA deseado debe tener una ganancia relativamente plana en el rango de longitud de onda operativo que necesitamos, especialmente cuando se usa en los sistemas DWDM, se requiere tener la misma longitud de onda para todos los canales. ganar. Sin embargo, no es fácil lograr la planitud de ganancia ideal de la fibra dopada con erbio, el componente central de EDFA.

Para obtener una característica de ganancia relativamente plana y aumentar el ancho de banda del EDFA, existen dos métodos:

•  Adoptar un nuevo tipo de fibra dopada de banda ancha;
•  Coloque un filtro de ecualización en el enlace de fibra dopada con erbio.

Tecnología de multiplexación por división de longitud de onda (WDM)

Aunque la velocidad de transmisión actual de la tecnología que combina portadora óptica de longitud de onda única y multiplexación eléctrica por división de tiempo (TDM) tradicional puede alcanzar el nivel de 40 Gb/s, es muy difícil mejorar aún más la velocidad de transmisión debido a la limitación del electrón. tasa de migración Además, cuando la longitud de onda de transmisión de longitud de onda única se aplica a la red óptica, es necesario construir una nueva ruta de fibra óptica. Todo esto limita el desarrollo y la aplicación de sistemas de transmisión de fibra óptica de longitud de onda única.

Hay dos métodos para eludir estas limitaciones:

• Use la tecnología DWDM para aumentar la capacidad de transmisión de la fibra óptica aumentando la cantidad de canales transmitidos en una sola fibra óptica;
• Adopte la tecnología OTDM (multiplexación por división de tiempo óptico) para aumentar la velocidad de transmisión de un solo canal, logrando así el propósito de aumentar la capacidad de comunicación.

En la actualidad, la velocidad más alta alcanzada por la tecnología DWDM ha alcanzado los 11 Tb/s, y la velocidad más alta de un solo canal realizada por la tecnología OTDM en el laboratorio ha alcanzado los 640 Gb/s.

El principio de funcionamiento de DWDM

La tecnología DWDM es una tecnología que utiliza ondas de luz como portadoras para transmitir múltiples señales portadoras ópticas de diferentes longitudes de onda en una fibra óptica al mismo tiempo. Las ondas de luz de diferentes longitudes de onda pueden transportar señales de voz, datos e imágenes de forma independiente, por lo que la tecnología DWDM puede duplicar la capacidad de transmisión de una sola fibra. La figura 3-1 muestra el principio de funcionamiento del Sistema de transmisión DWDM.

Figura 3-1 Principio de funcionamiento del sistema de transmisión DWDM

En el extremo emisor, n (numerosos) transmisores ópticos trabajan en n longitudes de onda diferentes respectivamente. Estas n longitudes de onda diferentes están separadas por intervalos apropiados, que se registran respectivamente como λ_1, λ_2,…,λ_n, que son respectivamente moduladas por señales como portadoras para transportar información. Un multiplexor por división de longitud de onda combina estas señales portadoras ópticas de diferentes longitudes de onda y las acopla en una fibra monomodo. En la parte receptora, un demultiplexor separa las señales portadoras ópticas de diferentes longitudes de onda y las envía a los respectivos receptores para su detección.

En la banda de longitud de onda larga, la fibra óptica tiene dos ventanas de transmisión de baja pérdida, a saber, las ventanas de 1310nm y 1550nm. Los rangos de longitud de onda de estas dos ventanas son 1270-1350 nm y 1480-1600 nm, correspondientes a los anchos espectrales de 80 nm y 120 nm, respectivamente. Sin embargo, para la fuente de luz de alta calidad de 1550 nm utilizada en el sistema de comunicación de fibra óptica actual, el ancho máximo de la línea espectral de salida después de la modulación no supera los 0.2 nm. Teniendo en cuenta la deriva de la longitud de onda causada por el envejecimiento y la temperatura, es razonable dar un margen de ancho espectral de aproximadamente 0.41.6 nm.

 

Componentes básicos del sistema DWDM

El sistema DWDM debe tener láseres que funcionen en diferentes longitudes de onda, multiplexores y demultiplexores que puedan combinar, seleccionar y dividir señales ópticas de diferentes longitudes de onda. También dispone del receptor óptico para detección fotoeléctrica de señales ópticas demultiplexadas con el fin de restaurar la señal original. También se requiere un amplificador que pueda amplificar simultáneamente varias señales ópticas para transmitir largas distancias.

El sistema DWDM también debe tener una parte de monitoreo óptico y una parte de administración de red.

El sistema DWDM incluye transmisión unidireccional de doble fibra y transmisión bidireccional de fibra única. La transmisión unidireccional de doble fibra significa que una fibra transmite en una dirección, mientras que la otra fibra transmite en la dirección opuesta. Dado que la transmisión en las dos direcciones se completa con dos fibras ópticas respectivamente, se puede utilizar la misma longitud de onda en ambas direcciones al mismo tiempo. La transmisión bidireccional de fibra única consiste en transmitir en dos direcciones por la misma fibra, y las señales en las dos direcciones deben tener diferentes longitudes de onda asignadas. La misma longitud de onda no puede ser utilizada por señales en ambas direcciones al mismo tiempo.

Esquema teórico del sistema de la tecnología dwdm

 

Características principales de la tecnología DWDM

•  Aproveche al máximo los enormes recursos de ancho de banda de la fibra óptica para aumentar la capacidad de transmisión de una fibra óptica varias veces a docenas de veces en comparación con la transmisión de una sola longitud de onda, aumentando así la capacidad de transmisión de la fibra óptica y reduciendo el costo, lo que tiene un gran valor de aplicación y valor económico.
• Dado que las longitudes de onda utilizadas en DWDM La tecnología es independiente entre sí, puede transmitir señales con características completamente diferentes, completar la integración y separación de varias señales y realizar la transmisión mixta de señales multimedia.
• Dado que muchas comunicaciones están en modo dúplex completo, la tecnología DWDM puede ahorrar una gran cantidad de inversión en línea.

Amplificador óptico en el sistema DWDM

En un sistema DWDM, cuando hay múltiples longitudes de onda de transmisión de señal, el repetidor no funcionará. Es necesario demultiplexar primero y luego repetir el procesamiento para cada longitud de onda, lo que dará como resultado un repetidor muy grande y complejo. Este es un problema importante que restringe el desarrollo de la tecnología DWDM. Por lo tanto, se puede introducir un amplificador de fibra dopado con erbio EDFA. Dado que EDFA tiene una alta ganancia en el rango de ancho de banda de aproximadamente 35 nm cerca de la ventana de transmisión de baja pérdida de 1550 nm de la fibra, puede amplificar simultáneamente múltiples señales de ondas de luz en línea para compensar el debilitamiento de la señal en la fibra, sin necesidad de conversión óptica a eléctrica y eléctrica a óptica. Por lo tanto, resuelve el problema de la amplificación de señal multicanal en el sistema DWDM y reemplaza al repetidor.

Se debe prestar atención a los siguientes tres puntos al aplicar EDFA en el sistema DWDM:

• Ganancia Horizontal

Cuando EDFA solo se usa para amplificar la señal de una longitud de onda, tiene buenas características de amplificación. Sin embargo, cuando ingresan múltiples longitudes de onda al EDFA, algunas señales tendrán una ganancia alta mientras que otras tendrán una ganancia baja debido a la ganancia desigual. Cuando se conectan en cascada múltiples EDFA, la diferencia de potencia se amplificará, lo que no solo conduce a una relación señal/ruido diferente de cada canal en el receptor, sino que también puede causar que la potencia de la señal que llega al receptor exceda el rango dinámico del receptor. y causar el mal funcionamiento del receptor.

Amplificación en cascada de la planitud o falta de planitud de la ganancia del amplificador

 

Aquí hay dos formas de igualar este desnivel:

① Preecualización: la potencia de cada canal está preestablecida en diferentes valores en el extremo del transmisor óptico, y la potencia del canal que obtendrá una alta ganancia en el amplificador se configura en baja potencia; de lo contrario, se configura en alta energía.

② Agregue un filtro bien diseñado al módulo EDFA, de modo que su característica de banda de paso solo compense la ganancia desigual del amplificador, para lograr el propósito de aplanar la ganancia del amplificador.

Uno de los componentes principales de este amplificador óptico para DWDM es un filtro que puede aplanar la ganancia del amplificador. Los filtros utilizados en esta etapa son principalmente filtros de película fina dieléctricos multicapa y filtros de rejilla de fibra. Las características de pérdida de estos filtros suelen ser fijas. De esta forma, cuando se aplica el EDFA en el sistema, su ganancia plana solo puede garantizarse bajo ciertas condiciones de operación, y la ganancia no es plana bajo otras condiciones.

• Control de ganancia automático y transitorio de potencia

En el sistema real, cuando algunos canales fallan repentinamente o caen o se agregan/caen en los nodos de la red, la potencia de entrada del EDFA aumentará/disminuirá repentinamente, lo que dará como resultado un cambio transitorio en la ganancia del EDFA. La ganancia que otros canales obtienen del EDFA disminuirá o aumentará, lo que eventualmente resultará en un cambio transitorio en la potencia de aquellos canales que permanecen en el enlace de fibra que llega a sus respectivos receptores, lo que se denomina transitorio de potencia.

Para evitar la ocurrencia de transitorios de potencia, se debe controlar la ganancia del amplificador. Por lo general, hay tres modos cuando EDFA funciona en un sistema DWDM: modo de control automático de ganancia, modo de control automático de potencia y modo de control automático de corriente. Cuando se trabaja en modo de control automático de ganancia, su ganancia es constante. Si la potencia óptica de entrada cambia, el circuito de control puede ajustar la corriente de bombeo de acuerdo con la ganancia requerida para que el EDFA siga funcionando en el punto de ganancia especificado.

 

Control de ganancia automática

•  Ruido ASE:

Cuando el EDFA se conecta en cascada, el ruido ASE de la etapa anterior como señal se introduce con la señal real en la siguiente etapa del EDFA y se amplifica. El ruido ASE se acumula, provocando la degradación de la relación señal/ruido del sistema. Por lo tanto, cuando se aplica en un sistema DWDM, la figura de ruido de EDFA debe ser lo más pequeña posible.

 

Conclusión

Este artículo presenta las estructuras, los principios de funcionamiento y las aplicaciones de la tecnología EDFA y DWDM. EDFA resuelve el problema de la amplificación de señal multicanal en el sistema DWDM. Gracias a la madurez y comercialización de la tecnología EDFA, la tecnología DWDM se desarrolla rápidamente y se aplica. Si hay una investigación más profunda sobre la comunicación por fibra óptica, FiberMall continuará publicando artículos para informarle.