Comment utiliser EDFA dans le système DWDM ?

La communication par fibre optique est une méthode de transmission qui utilise la lumière comme support d'informations et la fibre optique comme support de transmission. Il convertit d'abord les signaux électriques des télégrammes, des images et des données en signaux optiques à l'extrémité émettrice, puis les transmet à l'extrémité réceptrice via une fibre optique. L'extrémité de réception convertit le signal optique reçu en un signal électrique, et il est finalement restauré au signal d'origine.

De nos jours, il est devenu un moyen de transmission d'informations essentiel d'utiliser des fibres optiques pour transmettre des informations. L'amplification optique est un maillon important dans le système de communication par fibre optique. Les amplificateurs optiques peuvent amplifier directement les signaux optiques faibles, ce qui a fait un saut qualitatif dans la technologie de communication par fibre optique et a fait mûrir et commercialiser la technologie de multiplexage par répartition en longueur d'onde optique (DWDM). La fibre optique a également jeté les bases solides du futur réseau de communication tout optique, devenant un élément indispensable du système de communication.

Ces dernières années, afin de répondre aux besoins d'expansion de la capacité de communication et de la haute fonctionnalité des réseaux à fibre optique de transmission longue distance, la technologie DWDM s'est développée avec la vulgarisation des lignes interurbaines à fibre optique. La technologie la plus puissante du système DWDM est l'application pratique de l'amplificateur à fibre. Dans le système de communication, limité par les conditions de pose de la fibre au début, il est compliqué de transmettre des signaux à haut débit par une seule fibre. Mais c'est plus facile à réaliser si la transmission DWDM à quatre ondes de 2.5 Gbps × 4 est utilisée. Par conséquent, le développement du DWDM depuis la fin des années 1990 a également favorisé les progrès de l'EDFA.

Le système de communication par fibre optique

Le système de communication par fibre optique peut être divisé en trois unités de base : émetteur optique, fibre optique et récepteur optique.

Le diagramme schématique est illustré à la Figure 1-1.

Schéma de principe du système de communication par fibre optique

 

L'émetteur optique se compose d'un dispositif de conversion qui convertit un signal électrique avec des informations en un signal optique et d'un dispositif de transmission qui envoie le signal optique dans une fibre optique. La source lumineuse est son dispositif central, qui est composé d'une diode laser LD. Les fibres optiques existent généralement sous la forme de câbles optiques dans des systèmes pratiques. Le récepteur optique se compose d'un photodétecteur, d'un circuit amplificateur et d'un circuit de récupération de signal. Un grand nombre de dispositifs actifs et passifs sont également inclus dans le système de communication par fibre optique. Les connecteurs sont utilisés pour connecter divers appareils et fibres optiques, et les coupleurs optiques sont utilisés pour les occasions où la division ou la combinaison optique doit être transmise. L'amplificateur optique joue le rôle d'amplification de l'onde lumineuse et sert à compenser l'affaiblissement de la puissance optique provoqué par l'atténuation de la fibre optique après la transmission du signal optique sur une certaine distance.

Amplificateur à fibre dopée

Amplificateur

Les amplificateurs optiques sont des dispositifs capables d'amplifier directement des signaux optiques. Une fois que le signal optique a transmis une certaine distance le long de la fibre optique, il sera affaibli en raison de l'atténuation de la fibre optique, de sorte que la distance de transmission est limitée. Au début de la communication par fibre optique, des répéteurs régénératifs optiques-électriques-optiques étaient utilisés pour effectuer la conversion photoélectrique, l'amplification électrique, la mise en forme des impulsions resynchronisées et la conversion électro-optique. Dans les réseaux à fibre optique, lorsque de nombreux émetteurs optiques envoient de la lumière à plusieurs récepteurs à différents débits binaires et dans différents formats, les répéteurs traditionnels ne peuvent pas être utilisés, créant ainsi le besoin d'amplificateurs optiques.

Comparé aux répéteurs traditionnels, il présente deux avantages distincts :

• Il peut amplifier le signal de n'importe quel débit et format ;
• Ce n'est pas seulement pour une seule longueur d'onde de signal mais peut amplifier plusieurs signaux dans une certaine gamme de longueurs d'onde.

Comment fonctionne l'amplificateur

L'amplificateur optique amplifie la puissance lumineuse incidente sur la base du mécanisme d'émission stimulée. Le principe de fonctionnement est illustré à la Figure 2-1.

Figure 2-1 Schéma de principe de fonctionnement de l'amplificateur optique

Le milieu actif de la figure est une fibre dopée aux terres rares, qui absorbe l'énergie fournie par la source de mercure, fait sauter les électrons à un niveau d'énergie élevé et produit une inversion du nombre de particules. Les photons du signal d'entrée traversent ces électrons activés dans le processus d'émission stimulée, les faisant passer à des niveaux d'énergie inférieurs, produisant ainsi un signal amplifié.

Amplificateur à fibre dopée

Les amplificateurs à fibre dopée tirent parti du mécanisme de gain provoqué par le dopage des terres rares dans les fibres optiques pour obtenir une amplification optique. Les amplificateurs à fibre dopée les plus appropriés pour les systèmes de communication à fibre optique sont les amplificateurs à fibre dopée avec une longueur d'onde de fonctionnement de 1550 nm ou 1300 nm.

Structure EDFA

L'amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) est un dispositif qui utilise une fibre dopée à l'erbium comme milieu de gain et utilise la lumière de pompage d'une diode laser pour amplifier le signal lumineux. La structure de l'EDFA est illustrée à la Figure 2-2.

Structure de l'amplificateur à fibre dopée à l'erbium

 

La fibre dopée à l'erbium est le composant central de l'EDFA. Il utilise une fibre de silice comme matrice, dont le noyau est dopé avec la substance de travail laser solide - l'erbium. Dans la fibre dopée à l'erbium de plusieurs mètres à plusieurs dizaines de mètres, l'interaction de la lumière et de la matière est amplifiée et renforcée.

Le diamètre de champ de mode de la fibre dopée à l'erbium est de 3 à 6 μm, ce qui est beaucoup plus court que les 9 à 16 μm de la fibre conventionnelle. Il s'agit d'augmenter la densité d'énergie du signal lumineux et de la lumière de pompage, augmentant ainsi l'efficacité de leur interaction. Cependant, la réduction du diamètre du cœur de la fibre dopée à l'erbium fait également qu'elle ne correspond pas au champ de mode de la fibre conventionnelle, ce qui entraîne une réflexion et une perte plus importantes. La solution consiste à ajouter un peu de fluor à la fibre pour réduire l'indice de réfraction et augmenter le rayon de champ de mode, dans la mesure où il peut être adapté aux fibres conventionnelles.

Afin d'obtenir une amplification plus efficace, la plupart des ions erbium sont concentrés dans la région centrale du noyau lors de la fabrication de fibres dopées à l'erbium. En effet, dans la fibre optique, le champ optique du signal lumineux et de la lumière de pompe est approximativement présenté comme une distribution gaussienne - l'intensité lumineuse est la plus forte sur l'axe du cœur de la fibre. Les ions erbium dans la région paraxiale feront interagir pleinement la lumière et la matière, améliorant ainsi l'efficacité de la conversion d'énergie.

EDFA de FiberMall

 

Un EDFA typique se compose principalement des parties suivantes :

• Source de pompage : autre composant central de l'EDFA, il fournit suffisamment d'énergie pour l'amplification du signal optique, condition nécessaire pour réaliser l'inversion de population du milieu de gain. Étant donné que la source de la pompe détermine directement les performances de EDFA, il doit être d'une puissance élevée, d'une bonne stabilité et d'une longue durée de vie. Les sources de pompe EDFA pratiques sont des diodes laser à semi-conducteurs avec deux longueurs d'onde de pompe : 980 nm et 1480 980 nm. La source de pompe à XNUMX nm est principalement utilisée, avec un faible bruit et une puissance de pompe élevée.
• Multiplexeur en longueur d'onde : également connu sous le nom de multiplexeur (MUX), sa fonction est de combiner la lumière de pompe et la lumière de signal avec des longueurs d'onde de 980/1550 nm ou 1480/1550 nm et de l'envoyer à la fibre dopée à l'erbium. Les exigences pour cela sont une faible perte d'insertion et une insensibilité à la polarisation de la lumière.
• Isolateur optique : Il rend la transmission unidirectionnelle et empêche la réflexion de la lumière vers l'appareil d'origine, car cette réflexion augmentera le bruit de l'amplificateur et réduira l'efficacité de l'amplification.
• Filtre optique : filtre le bruit dans l'amplificateur optique au-delà de la bande passante de travail pour améliorer le rapport signal/bruit du système.

L'isolateur de Faraday permet la transmission de la lumière dans une seule direction

 

Principe de fonctionnement de l'EDFA

Le mécanisme de travail de l'EDFA est basé sur le rayonnement stimulé. Afin de réaliser une émission stimulée, il est nécessaire de générer une inversion de population entre le niveau d'énergie 2 et le niveau d'énergie 1, c'est-à-dire qu'une source de pompage est nécessaire pour exciter les ions erbium du niveau d'énergie 1 au niveau d'énergie 2.

• Source de pompage avec une longueur d'onde de 980 nm : les particules passent du niveau d'énergie 1 au niveau d'énergie 3 et restent à 1 μm pendant une courte période. Il tombe au niveau d'énergie 2 sans rayonnement et reste au niveau d'énergie 2 pendant 10 μm, et les particules continuent d'entrer dans le niveau d'énergie 2. Ainsi, le nombre de particules dans le niveau 2 est beaucoup plus grand que celui du niveau d'énergie 1, ce qui réalise l'inversion de le nombre de particules dans les niveaux d'énergie 1 et 2. Le signal excite les ions erbium du niveau d'énergie 2 vers le niveau d'énergie 1, et un petit nombre de particules retournent vers le niveau d'énergie 1 par émission spontanée. Ils produisent un bruit d'émission spontanée, dont les propriétés changent et sont amplifiées.
• Source de pompe avec une longueur d'onde de 1480 nm : fait passer directement les ions erbium du niveau d'énergie 1 au niveau d'énergie 2 pour obtenir l'inversion du nombre de particules, puis du niveau 2 au niveau 1 sous excitation lumineuse d'entrée. Les caractéristiques de la lumière émise sont les mêmes que celles de la lumière d'entrée et agrandies.

EDFA Gain de planéité

La planéité du gain fait référence à la relation entre le gain et la longueur d'onde. L'EDFA souhaité doit avoir un gain relativement plat dans la plage de longueurs d'onde de fonctionnement dont nous avons besoin, en particulier lorsqu'il est utilisé dans les systèmes DWDM, il est nécessaire d'avoir la même longueur d'onde pour tous les canaux. Gain. Cependant, il n'est pas facile d'obtenir la planéité de gain idéale de la fibre dopée à l'erbium, le composant central de l'EDFA.

Afin d'obtenir une caractéristique de gain relativement plate et d'augmenter la bande passante de l'EDFA, il existe deux méthodes :

•  Adopter un nouveau type de fibre dopée haut débit ;
•  Placez un filtre d'égalisation sur la liaison fibre dopée à l'erbium.

Technologie de multiplexage par répartition en longueur d'onde (WDM)

Bien que le taux de transmission actuel de la technologie combinant porteuse optique à longueur d'onde unique et multiplexage temporel électrique traditionnel (TDM) puisse atteindre le niveau de 40Gb/s, il est très difficile d'améliorer davantage le taux de transmission en raison de la limitation de l'électron taux de migration. De plus, lorsque la longueur d'onde de transmission à longueur d'onde unique est appliquée au réseau optique, un nouveau chemin de fibre optique doit être construit. Tous ces facteurs limitent le développement et l'application de systèmes de transmission à fibre optique à longueur d'onde unique.

Il existe deux méthodes pour contourner ces limitations :

• Utiliser la technologie DWDM pour augmenter la capacité de transmission de la fibre optique en augmentant le nombre de canaux transmis dans une seule fibre optique ;
• Adoptez la technologie OTDM (multiplexage optique par répartition dans le temps) pour augmenter le taux de transmission monocanal, atteignant ainsi l'objectif d'augmenter la capacité de communication.

À l'heure actuelle, la vitesse la plus élevée atteinte par la technologie DWDM a atteint 11 Tb/s, et la vitesse la plus élevée du monocanal réalisée par la technologie OTDM en laboratoire a atteint 640 Gb/s.

Le principe de fonctionnement de DWDM

La technologie DWDM est une technologie qui utilise des ondes lumineuses comme porteuses pour transmettre plusieurs signaux de porteuse optique de différentes longueurs d'onde dans une fibre optique en même temps. Les ondes lumineuses de différentes longueurs d'onde peuvent transporter des signaux vocaux, de données et d'images indépendamment, de sorte que la technologie DWDM peut doubler la capacité de transmission d'une seule fibre. La figure 3-1 montre le principe de fonctionnement du Système de transmission DWDM.

Figure 3-1 Principe de fonctionnement du système de transmission DWDM

A l'émission, n (nombreux) émetteurs optiques fonctionnent respectivement sur n longueurs d'onde différentes. Ces n longueurs d'onde différentes sont séparées par des intervalles appropriés, qui sont respectivement enregistrés comme λ_1, λ_2,…,λ_n, qui sont respectivement modulés par des signaux en tant que porteuses pour transporter des informations. Un multiplexeur en longueur d'onde combine ces signaux porteurs optiques de différentes longueurs d'onde et les couple dans une fibre monomode. Dans la partie réception, un démultiplexeur sépare les signaux porteurs optiques de différentes longueurs d'onde et les envoie aux récepteurs respectifs pour détection.

Dans la bande des grandes longueurs d'onde, la fibre optique possède deux fenêtres de transmission à faibles pertes, à savoir les fenêtres 1310nm et 1550nm. Les gammes de longueurs d'onde de ces deux fenêtres sont 1270-1350 nm et 1480-1600 nm, correspondant respectivement aux largeurs spectrales de 80 nm et 120 nm. Cependant, pour la source lumineuse de 1550 nm de haute qualité utilisée dans le système de communication à fibre optique actuel, la largeur de ligne spectrale de sortie maximale après modulation ne dépasse pas 0.2 nm. Compte tenu de la dérive de longueur d'onde causée par le vieillissement et la température, il est raisonnable de donner une marge de largeur spectrale d'environ 0.41.6 nm.

 

Composants de base du système DWDM

Le système DWDM doit avoir des lasers fonctionnant sur différentes longueurs d'onde, des multiplexeurs et des démultiplexeurs qui peuvent combiner, sélectionner et diviser des signaux optiques de différentes longueurs d'onde. Il dispose également du récepteur optique pour la détection photoélectrique des signaux optiques démultiplexés afin de restituer le signal d'origine. Un amplificateur capable d'amplifier simultanément divers signaux optiques est également nécessaire pour transmettre sur de longues distances.

Le système DWDM doit également avoir une partie de surveillance optique et une partie de gestion de réseau.

Le système DWDM comprend une transmission unidirectionnelle à double fibre et une transmission bidirectionnelle à fibre unique. La transmission unidirectionnelle à double fibre signifie qu'une fibre transmet dans une direction, tandis que l'autre fibre transmet dans la direction opposée. Comme la transmission dans les deux sens est complétée par deux fibres optiques respectivement, la même longueur d'onde peut être utilisée dans les deux sens en même temps. La transmission bidirectionnelle monofibre consiste à transmettre dans deux sens par la même fibre, et les signaux dans les deux sens doivent être affectés de longueurs d'onde différentes. La même longueur d'onde ne peut pas être utilisée par des signaux dans les deux sens en même temps.

Schéma du système théorique de la technologie dwdm

 

Principales caractéristiques de la technologie DWDM

•  Tirez pleinement parti des énormes ressources de bande passante de la fibre optique pour augmenter la capacité de transmission d'une fibre optique plusieurs fois à des dizaines de fois par rapport à la transmission à longueur d'onde unique, augmentant ainsi la capacité de transmission de la fibre optique et réduisant les coûts, ce qui a une grande valeur d'application et valeur économique.
• Étant donné que les longueurs d'onde utilisées dans DWDM sont indépendantes les unes des autres, elles peuvent transmettre des signaux avec des caractéristiques complètement différentes, compléter l'intégration et la séparation de divers signaux et réaliser la transmission mixte de signaux multimédias.
• Étant donné que de nombreuses communications sont en mode duplex intégral, la technologie DWDM peut économiser beaucoup d'investissement en ligne.

Amplificateur optique dans le système DWDM

Dans un système DWDM, lorsqu'il y a plusieurs longueurs d'onde de transmission du signal, le répéteur ne fonctionnera pas. Il est nécessaire de démultiplexer d'abord, puis de répéter le traitement pour chaque longueur d'onde, ce qui se traduira par un répéteur très grand et complexe. Il s'agit d'un problème important qui limite le développement de la technologie DWDM. Ainsi, un amplificateur à fibre dopée à l'erbium EDFA peut être introduit. Étant donné que l'EDFA a un gain élevé dans la plage de bande passante d'environ 35 nm près de la fenêtre de transmission à faible perte de 1550 nm de la fibre, il peut amplifier simultanément plusieurs signaux d'ondes lumineuses en ligne pour compenser l'affaiblissement du signal dans la fibre, sans avoir besoin de conversion optique-électrique et électrique-optique. Par conséquent, il résout le problème de l'amplification du signal multicanal dans le système DWDM et remplace le répéteur.

Les trois points suivants doivent être pris en compte lors de l'application de l'EDFA dans le système DWDM :

• Gain de planéité

Lorsque l'EDFA n'est utilisé que pour amplifier le signal d'une longueur d'onde, il présente de bonnes caractéristiques d'amplification. Cependant, lorsque plusieurs longueurs d'onde entrent dans l'EDFA, certains signaux auront un gain élevé tandis que d'autres auront un gain faible en raison du gain inégal. Lorsque plusieurs EDFA sont en cascade, la différence de puissance sera amplifiée, ce qui non seulement conduit à un rapport signal/bruit différent de chaque canal sur le récepteur, mais peut également faire en sorte que la puissance du signal atteignant le récepteur dépasse la plage dynamique du récepteur. et provoquer le dysfonctionnement du récepteur.

Amplification en cascade de la planéité ou de la non-planéité du gain de l'amplificateur

 

Voici deux façons d'égaliser cette irrégularité :

① Pré-égalisation : la puissance de chaque canal est préréglée sur différentes valeurs à l'extrémité de l'émetteur optique, et la puissance du canal qui obtiendra un gain élevé dans l'amplificateur est réglée sur faible puissance, sinon, elle est réglée sur haute Puissance.

②Ajoutez un filtre bien conçu au module EDFA, de sorte que sa caractéristique de bande passante compense juste le gain inégal de l'amplificateur, afin d'atteindre l'objectif d'aplatir le gain de l'amplificateur.

L'un des composants principaux de cet amplificateur optique pour DWDM est un filtre qui peut aplanir le gain de l'amplificateur. Les filtres utilisés à ce stade sont principalement des filtres à couches minces diélectriques multicouches et des filtres à réseau de fibres. Les caractéristiques de perte de ces filtres sont généralement fixes. Ainsi, lorsque l'EDFA est appliqué dans le système, sa planéité de gain ne peut être garantie que dans certaines conditions de fonctionnement, et le gain n'est pas plat dans d'autres conditions.

• Transitoire de puissance et contrôle de gain automatique

Dans le système réel, lorsque certains canaux tombent soudainement en panne ou chutent ou s'ajoutent/se baissent au niveau des nœuds du réseau, la puissance d'entrée de l'EDFA augmentera/diminuera soudainement, ce qui entraînera une modification transitoire du gain de l'EDFA. Le gain que d'autres canaux sont obtenus à partir de l'EDFA diminuera ou augmentera, entraînant éventuellement un changement transitoire de la puissance de ces canaux qui restent sur la liaison fibre atteignant leurs récepteurs respectifs, ce qui est appelé un transitoire de puissance.

Pour éviter l'apparition de transitoires de puissance, le gain de l'amplificateur doit être contrôlé. Habituellement, il existe trois modes lorsque l'EDFA fonctionne dans un système DWDM : le mode de contrôle automatique du gain, le mode de contrôle automatique de la puissance et le mode de contrôle automatique du courant. Lorsque vous travaillez en mode de contrôle automatique du gain, son gain est constant. Si la puissance optique d'entrée change, le circuit de commande peut ajuster le courant de pompage en fonction du gain requis afin que l'EDFA fonctionne toujours au point de gain spécifié.

 

Contrôle automatique du gain

•  Bruit ASE :

Lorsque l'EDFA est en cascade, le bruit ASE de l'étage précédent en tant que signal est entré avec le signal réel à l'étage suivant de l'EDFA et est amplifié. Le bruit ASE s'accumule, provoquant la dégradation du rapport signal sur bruit du système. Par conséquent, lorsqu'il est appliqué dans un système DWDM, le facteur de bruit de l'EDFA doit être aussi faible que possible.

 

Conclusion

Cet article présente les structures, les principes de fonctionnement et les applications des technologies EDFA et DWDM. L'EDFA résout le problème de l'amplification du signal multicanal dans le système DWDM. Grâce à la maturité et à la commercialisation de la technologie EDFA, la technologie DWDM se développe rapidement et est appliquée. S'il y a des recherches plus approfondies sur la communication par fibre optique, FiberMall continuera à publier des articles pour vous informer.