DWDMシステムでEDFAを使用するにはどうすればよいですか？

光ファイバ通信は、情報の伝達手段として光を使用し、伝送媒体として光ファイバを使用する伝送方式です。 まず、テレグラム、画像、データの電気信号を送信側で光信号に変換し、次に光ファイバーを介して受信側に送信します。 受信側は、受信した光信号を電気信号に変換し、最終的に元の信号に戻します。

今日では、光ファイバーを使って情報を伝送することが不可欠な情報伝送方法になっています。 光増幅は、光ファイバー通信システムにおける重要なリンクです。 光増幅器は、弱い光信号を直接増幅することができ、これにより、光ファイバ通信技術が質的に飛躍し、光波長分割多重（DWDM）技術が成熟して商品化されました。 光ファイバはまた、将来の全光通信ネットワークの強固な基盤を築き、通信システムに不可欠なデバイスになりました。

近年、通信容量の拡大や長距離伝送光ファイバネットワークの高機能化のニーズに応えるため、光ファイバ幹線の普及に伴いDWDM技術が開発されています。 DWDMシステムで最も強力な技術は、ファイバー増幅器の実用化です。 通信システムでは、初期のファイバ敷設条件によって制限されていたため、2.5本のファイバで高速信号を伝送することは複雑でした。 しかし、4Gbps×1990のXNUMX波DWDM伝送を使用すると、より簡単に実現できます。 したがって、XNUMX年代後半以降のDWDMの開発も、EDFAの進歩を促進してきました。

光ファイバー通信システム

光ファイバー通信システムは、光送信機、光ファイバー、光受信機の XNUMX つの基本単位に分けることができます。

概略図を図1-1に示します。

光ファイバ通信システムの概略図

 

光送信器は、情報を含む電気信号を光信号に変換する変換素子と、光信号を光ファイバーに送る伝送素子から構成されています。 光源はそのコアデバイスであり、レーザーダイオードLDで構成されています。 光ファイバは、一般に、実際のシステムでは光ケーブルの形で存在します。 光受信機は、光検出器、増幅回路、信号再生回路で構成されています。 光ファイバー通信システムには、多数の能動素子と受動素子も含まれています。 コネクタはさまざまな機器と光ファイバーを接続するために使用され、光カプラーは光を分岐または結合して伝送する必要がある場合に使用されます。 光増幅器は、光波を増幅する役割を果たし、光信号が一定の距離を伝送された後、光ファイバーの減衰によって引き起こされる弱まる光パワーを補償するために使用されます。

ドープファイバーアンプ

増幅器

光増幅器は、光信号を直接増幅できるデバイスです。 光信号が光ファイバに沿って一定の距離を伝送すると、光ファイバの減衰により信号が弱くなるため、伝送距離が制限されます。 光ファイバ通信の初期には、光-電気-光再生リピータを使用して、光電変換、電気増幅、リタイミングパルス整形、および電気光学変換を実行していました。 光ファイバネットワークでは、さまざまなビットレートでさまざまな形式で複数の受信機に光を送信する多くの光送信機がある場合、従来のリピータを使用できないため、光増幅器が必要になります。

従来のリピーターと比較すると、XNUMXつの明確な利点があります。

• 任意のビットレートとフォーマットの信号を増幅できます。
• 単一の信号波長用であるだけでなく、特定の波長範囲内の複数の信号を増幅することができます。

アンプのしくみ

光増幅器は、誘導放出メカニズムに基づいて入射光パワーを増幅します。 動作原理を図2-1に示します。

図2-1光増幅器の動作原理図

図の活性媒体は希土類ドープ繊維であり、水銀源から供給されるエネルギーを吸収し、電子を高エネルギー準位にジャンプさせ、粒子数の反転を生成します。 入力信号の光子は、誘導放出プロセスでこれらの活性化された電子を通過し、それらをより低いエネルギーレベルに遷移させ、それによって増幅された信号を生成します。

ドープファイバーアンプ

ドープされたファイバ増幅器は、光ファイバに希土類をドープすることによって引き起こされる利得メカニズムを利用して、光増幅を実現します。 光ファイバ通信システムに最も適したドープファイバ増幅器は、動作波長が1550nmまたは1300nmのドープファイバ増幅器です。

EDFA構造

エルビウムドープファイバ増幅器（EDFA）は、エルビウムドープファイバを利得媒体として使用し、レーザーダイオードからのポンプ光を使用して信号光を増幅するデバイスです。 EDFAの構造を図2-2に示します。

エルビウムドープファイバ増幅器の構造

 

エルビウムドープファイバはEDFAのコアコンポーネントです。 マトリックスとしてシリカファイバーを使用し、そのコアには固体レーザー作動物質であるエルビウムがドープされています。 数メートルから数十メートルのエルビウムドープファイバでは、光と物質の相互作用が増幅され、強化されます。

エルビウムドープファイバのモードフィールド径は3〜6μmであり、従来のファイバの9〜16μmよりもはるかに短いです。 これは、信号灯とポンプ灯のエネルギー密度を高め、それによってそれらの相互作用の効率を高めるためです。 ただし、エルビウムをドープしたファイバのコア径を小さくすると、従来のファイバのモードフィールドと一致しなくなり、反射と損失が大きくなります。 解決策は、ファイバに少量のフッ素を追加して、屈折率を下げ、モードフィールド半径を大きくして、従来のファイバと一致させることです。

より効率的な増幅を実現するために、エルビウムをドープしたファイバを作成する場合、ほとんどのエルビウムイオンはコアの中央領域に集中します。 これは、光ファイバでは、信号光とポンプ光の光場がほぼガウス分布で表されるためです。光の強度はファイバコアの軸上で最も強くなります。 近軸領域のエルビウムイオンは、光と物質を完全に相互作用させ、それによってエネルギー変換効率を向上させます。

FiberMallのEDFA

 

典型的なEDFAは、主に次の部分で構成されています。

• ポンプソース：EDFAのもうXNUMXつのコアコンポーネントであり、ゲイン媒体の反転分布を実現するために必要な条件である光信号増幅に十分なエネルギーを提供します。 ポンプ源が直接性能を決定するので EDFA、高出力、安定性、長寿命が求められます。 実用的なEDFAポンプ光源は、980nmと1480nmの980つのポンプ波長を持つ半導体レーザーダイオードです。 XNUMXnmのポンプ光源が主に使用されており、低ノイズと高ポンプパワーを誇っています。
• 波長分割マルチプレクサ：マルチプレクサ（MUX）とも呼ばれ、その機能は、ポンプ光と信号光を980 /1550nmまたは1480/1550nmの波長と組み合わせて、エルビウムドープファイバに送信することです。 そのための要件は、小さな挿入損失と光の偏光に対する鈍感性です。
• 光アイソレータ：伝送を一方向にし、元のデバイスへの光の反射を防ぎます。この反射により、増幅器のノイズが増加し、増幅効率が低下します。
• 光フィルター：システムの信号対雑音比を改善するために、動作帯域幅を超えて光増幅器のノイズをフィルターで除去します。

ファラデーアイソレータは、一方向にのみ光を透過させることができます

 

EDFA の動作原理

EDFAの動作メカニズムは、誘導放出に基づいています。 誘導放出を実現するには、エネルギー準位2とエネルギー準位1の間で反転分布を生成する必要があります。つまり、エネルギー準位1からエネルギー準位2にエルビウムイオンを励起するためのポンプ源が必要です。

• 波長 980nm の励起光源: 粒子はエネルギー準位 1 からエネルギー準位 3 に遷移し、短時間 1 μm にとどまります。 放射なしでエネルギー準位 2 に落ち、エネルギー準位 2 に 10 μm とどまり、粒子はエネルギー準位 2 に入り続けます。エネルギー レベル 2 および 1 の粒子の数。信号は、エルビウム イオンをエネルギー レベル 1 からエネルギー レベル 2 に励起し、少数の粒子が自然放出によってエネルギー レベル 2 に戻ります。 それらは自然放出ノイズを生成し、その特性が変化して増幅されます。
• 波長 1480nm のポンプ光源: エルビウム イオンをエネルギー レベル 1 からエネルギー レベル 2 に直接遷移させて粒子数反転を達成し、次に入力光励起下でレベル 2 から 1 に遷移させます。 放出される光の特性は、入力光の特性と同じであり、拡大されています。

EDFA ゲインの平坦性

ゲインフラットネスとは、ゲインと波長の関係を指します。 必要なEDFAは、必要な動作波長範囲で比較的フラットなゲインを持つ必要があります。特にDWDMシステムで使用する場合は、すべてのチャネルで同じ波長を持つ必要があります。 利得。 しかし、EDFAのコアコンポーネントであるエルビウムドープファイバの理想的なゲイン平坦性を実現することは容易ではありません。

比較的フラットなゲイン特性を得て、EDFAの帯域幅を増やすには、次のXNUMXつの方法があります。

•  新しいタイプの広帯域ドープファイバを採用します。
•  エルビウムをドープしたファイバリンクにイコライゼーションフィルタを配置します。

波長分割多重技術 (WDM)

単一波長光キャリアと従来の電気時分割多重（TDM）を組み合わせた技術の現在の伝送速度は40Gb / sのレベルに達することができますが、電子の制限のために伝送速度をさらに改善することは非常に困難です。移行率。 さらに、単一波長の伝送波長を光ネットワークに適用する場合、新しい光ファイバルートを構築する必要があります。 これらはすべて、単一波長光ファイバー伝送システムの開発と応用を制限します。

これらの制限を回避するには、次のXNUMXつの方法があります。

• DWDMテクノロジーを使用して、単一の光ファイバーで送信されるチャネル数を増やすことにより、光ファイバーの伝送容量を増やします。
• OTDM（光時分割多重）技術を採用し、単一チャネルの伝送速度を向上させ、通信容量を向上させるという目的を達成します。

現在、DWDM技術によって達成された最高速度は11Tb / sに達し、実験室でOTDM技術によって実現されたシングルチャネルの最高速度は640Gb/sに達しました。

DWDM の動作原理

DWDM技術は、光波を搬送波として使用し、3本の光ファイバーで異なる波長の複数の光搬送波信号を同時に伝送する技術です。 異なる波長の光波は、音声、データ、および画像信号を独立して伝送できるため、DWDMテクノロジーはシングルファイバーの伝送容量を1倍にすることができます。 図XNUMX-XNUMXに、 DWDM伝送システム.

図3-1DWDM伝送システムの動作原理

送信側では、n個の（多数の）光送信機がそれぞれn個の異なる波長で動作します。 これらのn個の異なる波長は、適切な間隔で分離されており、それぞれλとして記録されます。_1, λ_2、…、λ_n, これらはそれぞれ、情報を運ぶためのキャリアとして信号によって変調されます。 波長分割マルチプレクサは、異なる波長のこれらの光搬送波信号を組み合わせて、シングルモードファイバに結合します。 受信部では、デマルチプレクサが異なる波長の光搬送波信号を分離し、検出のためにそれぞれの受信機に送信します。

長波長帯域では、光ファイバには1310つの低損失透過ウィンドウ、つまり1550nmウィンドウと1270nmウィンドウがあります。 これら1350つのウィンドウの波長範囲は1480〜1600 nmと80〜120 nmで、それぞれ1550nmと0.2nmのスペクトル幅に対応します。 ただし、現在の光ファイバー通信システムで使用されている高品質の0.41.6nm光源の場合、変調後の最大出力スペクトル線幅はXNUMXnmを超えません。 経年変化や温度による波長ドリフトを考慮すると、約XNUMXnmのスペクトル幅マージンを与えるのが妥当です。

 

DWDM システムの基本コンポーネント

DWDMシステムには、さまざまな波長の光信号を組み合わせ、選択し、分割できるさまざまな波長で動作するレーザー、マルチプレクサー、およびデマルチプレクサーが必要です。 また、元の信号を復元するために、逆多重化された光信号を光電検出するための光受信機を備えています。 長距離を伝送するには、さまざまな光信号を同時に増幅できる増幅器も必要です。

DWDMシステムには、光監視部分とネットワーク管理部分も必要です。

DWDMシステムには、デュアルファイバー単方向伝送とシングルファイバー双方向伝送が含まれます。 デュアルファイバー一方向伝送とは、一方のファイバーが一方向に伝送し、もう一方のファイバーが反対方向に伝送することを意味します。 両方向の伝送はそれぞれXNUMX本の光ファイバーで行われるため、両方向に同時に同じ波長を利用することができます。 シングルファイバー双方向伝送は、同じファイバーによってXNUMX方向に伝送することであり、XNUMX方向の信号には異なる波長を割り当てる必要があります。 同じ波長を同時に両方向の信号で使用することはできません。

dwdmテクノロジーの理論システム図

 

DWDM技術の主な特長

•  光ファイバの膨大な帯域幅リソースを最大限に活用して、単波長伝送に比べてXNUMX本の光ファイバの伝送容量を数倍から数十倍に増やし、光ファイバの伝送容量を増やしてコストを削減することで、大きな応用価値と経済的価値。
• で使用される波長以来 DWDM 技術は互いに独立しており、完全に異なる特性の信号を送信し、さまざまな信号の統合と分離を完了し、マルチメディア信号の混合送信を実現できます。
• 多くの通信は全二重モードであるため、DWDMテクノロジーは多くの回線投資を節約できます。

DWDMシステムの光アンプ

DWDMシステムでは、信号伝送に複数の波長がある場合、リピーターは機能しません。 最初に逆多重化してから、波長ごとに処理を繰り返す必要があります。これにより、非常に大きく複雑なリピーターが生成されます。 これは、DWDM技術の開発を制限する重要な問題です。 したがって、エルビウムドープファイバ増幅器EDFAを導入することができます。 EDFAは、ファイバの35nmの低損失伝送ウィンドウの近くで約1550nmの帯域幅範囲で高いゲインを持っているため、複数の光波信号をオンラインで同時に増幅して、ファイバ内の信号の弱化を補償することができます。光から電気への変換および電気から光への変換。 したがって、DWDMシステムでのマルチチャネル信号増幅の問題を解決し、リピータを置き換えます。

DWDMシステムにEDFAを適用する場合は、次のXNUMXつの点に注意する必要があります。

• 平坦性を得る

EDFAをXNUMX波長の信号の増幅にのみ使用すると、優れた増幅特性が得られます。 ただし、複数の波長がEDFAに入ると、ゲインが不均一なため、ゲインが高い信号もあれば、ゲインが低い信号もあります。 複数のEDFAがカスケード接続されると、電力差が増幅され、受信機の各チャネルの信号対雑音比が異なるだけでなく、受信機に到達する信号電力が受信機のダイナミックレンジを超える可能性があります。レシーバーの誤動作を引き起こします。

アンプゲインの平坦性または非平坦性のカスケード増幅

 

この不均一性を均等化するXNUMXつの方法があります。

①事前等化：各チャネルの電力は、光送信機側で異なる値に事前設定され、増幅器で高利得を得るチャネルの電力は低電力に設定されます。それ以外の場合は、高に設定されます。パワー。

②EDFAモジュールに適切に設計されたフィルターを追加し、その通過帯域特性が増幅器の不均一な利得を補償するようにして、増幅器の利得を平坦化する目的を達成します。

このDWDM用光増幅器のコアコンポーネントのXNUMXつは、増幅器のゲインを平坦化できるフィルタです。 この段階で使用されるフィルターは、主に多層誘電体薄膜フィルターとファイバーグレーティングフィルターです。 このようなフィルターの損失特性は通常固定されています。 このように、EDFAがシステムに適用されると、そのゲインの平坦性は特定の動作条件下でのみ保証され、他の条件下ではゲインは平坦ではありません。

• 電力過渡および自動利得制御

実際のシステムでは、一部のチャネルがネットワークノードで突然故障またはドロップまたは追加/ドロップすると、EDFAの入力電力が突然増加/減少し、EDFAのゲインが一時的に変化します。 他のチャネルがEDFAから取得されるゲインは減少または増加し、最終的には、ファイバリンク上に残ってそれぞれの受信機に到達するチャネルの電力に一時的な変化が生じます。これは電力過渡と呼ばれます。

過渡電力の発生を防ぐには、アンプのゲインを制御する必要があります。 通常、EDFAがDWDMシステムで動作する場合、自動利得制御モード、自動電力制御モード、および自動電流制御モードのXNUMXつのモードがあります。 自動ゲイン制御モードで作業している場合、そのゲインは一定です。 入力光パワーが変化した場合、制御回路は必要なゲインに応じてポンピング電流を調整できるため、EDFAは指定されたゲインポイントで動作します。

 

自動利得制御

•  ASEノイズ：

EDFAがカスケード接続されると、信号としての前のステージのASEノイズが、実際の信号とともにEDFAの次のステージに入力されて増幅されます。 ASEノイズが蓄積し、システムの信号対ノイズ比が低下します。 したがって、DWDMシステムに適用する場合、EDFAの雑音指数は可能な限り小さくする必要があります。

 

まとめ

この記事では、EDFA および DWDM テクノロジの構造、動作原理、およびアプリケーションを紹介します。 EDFA は、DWDM システムにおけるマルチチャネル信号増幅の問題を解決します。 EDFA 技術の成熟と商用化のおかげで、DWDM 技術は急速に発展し、適用されています。 光ファイバー通信に関するより深い研究があれば、FiberMall は引き続き記事を公開してお知らせします。