Como usar o EDFA no sistema DWDM?

A comunicação por fibra óptica é um método de transmissão que utiliza a luz como portadora da informação e a fibra óptica como meio de transmissão. Primeiro converte os sinais elétricos de telegramas, imagens e dados em sinais ópticos na extremidade de transmissão e, em seguida, os transmite para a extremidade de recepção através de uma fibra óptica. A extremidade receptora converte o sinal óptico recebido em um sinal elétrico e, finalmente, é restaurado ao sinal original.

Hoje em dia, tornou-se um método essencial de transmissão de informações usar fibras ópticas para transmitir informações. A amplificação óptica é um link significativo no sistema de comunicação de fibra óptica. Amplificadores ópticos podem amplificar diretamente sinais ópticos fracos, o que deu um salto qualitativo na tecnologia de comunicação de fibra óptica e tornou a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda óptico (DWDM) madura e comercializada. A fibra óptica também estabeleceu uma base sólida para a futura rede de comunicação totalmente óptica, tornando-se um dispositivo indispensável no sistema de comunicação.

Nos últimos anos, para atender às necessidades de expansão da capacidade de comunicação e alta funcionalidade das redes de fibra óptica de transmissão de longa distância, a tecnologia DWDM vem se desenvolvendo com a popularização das linhas tronco de fibra óptica. A tecnologia mais poderosa do sistema DWDM é a aplicação prática do amplificador de fibra. No sistema de comunicação, restrito pelas condições de colocação da fibra nos primeiros dias, é complicado transmitir sinais de alta velocidade por uma fibra. Mas é mais fácil perceber se for usada a transmissão DWDM de quatro ondas de 2.5 Gbps×4. Portanto, o desenvolvimento do DWDM desde o final da década de 1990 também promoveu o progresso do EDFA.

O Sistema de Comunicação de Fibra Óptica

O sistema de comunicação por fibra óptica pode ser dividido em três unidades básicas: transmissor óptico, fibra óptica e receptor óptico.

O diagrama esquemático é mostrado na Figura 1-1.

Diagrama esquemático do sistema de comunicação de fibra óptica

 

O transmissor óptico consiste em um dispositivo de conversão que converte um sinal elétrico com informação em um sinal óptico e um dispositivo de transmissão que envia o sinal óptico para uma fibra óptica. A fonte de luz é o seu dispositivo central, que é composto por um diodo laser LD. As fibras ópticas geralmente existem na forma de cabos ópticos em sistemas práticos. O receptor óptico consiste em um fotodetector, um circuito amplificador e um circuito de recuperação de sinal. Um grande número de dispositivos ativos e passivos também estão incluídos no sistema de comunicação de fibra óptica. Os conectores são usados ​​para conectar vários dispositivos e fibras ópticas, e os acopladores ópticos são usados ​​para ocasiões em que a divisão ou combinação óptica precisa ser transmitida. O amplificador óptico desempenha o papel de amplificar a onda de luz e é usado para compensar o enfraquecimento da potência óptica causado pela atenuação da fibra óptica após o sinal óptico ser transmitido por uma certa distância.

Amplificador de fibra dopada

Amplificador

Amplificadores ópticos são dispositivos que podem amplificar diretamente os sinais ópticos. Após o sinal óptico transmitir uma certa distância ao longo da fibra óptica, ele será enfraquecido devido à atenuação da fibra óptica, de modo que a distância de transmissão é limitada. Nos primórdios da comunicação por fibra óptica, repetidores regenerativos óptico-elétrico-ópticos foram usados ​​para realizar a conversão fotoelétrica, amplificação elétrica, modelagem de pulso re-temporizada e conversão eletro-óptica. Em redes de fibra óptica, quando há muitos transmissores ópticos enviando luz para vários receptores em diferentes taxas de bits e em diferentes formatos, os repetidores tradicionais não podem ser usados, criando assim a necessidade de amplificadores ópticos.

Comparado com os repetidores tradicionais, tem duas vantagens distintas:

• Pode amplificar o sinal de qualquer formato e taxa de bits;
• Não é apenas para um único comprimento de onda de sinal, mas pode amplificar vários sinais dentro de uma determinada faixa de comprimento de onda.

Como funciona o amplificador

O amplificador óptico amplifica a potência da luz incidente com base no mecanismo de emissão estimulada. O princípio de funcionamento é mostrado na Figura 2-1.

Figura 2-1 Diagrama do princípio de funcionamento do amplificador óptico

O meio ativo na figura é uma fibra dopada com terras raras, que absorve a energia fornecida pela fonte de mercúrio, faz os elétrons saltarem para um nível de alta energia e produz uma inversão do número de partículas. Os fótons do sinal de entrada passam por esses elétrons ativados no processo de emissão estimulada, fazendo com que eles façam a transição para níveis de energia mais baixos, produzindo assim um sinal amplificado.

Amplificador de fibra dopada

Amplificadores de fibra dopada aproveitam o mecanismo de ganho causado pela dopagem de terras raras em fibras ópticas para alcançar a amplificação óptica. Os amplificadores de fibra dopada mais adequados para sistemas de comunicação de fibra óptica são amplificadores de fibra dopada com comprimento de onda operacional de 1550nm ou 1300nm.

Estrutura EDFA

Amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) é um dispositivo que usa fibra dopada com érbio como meio de ganho e usa a luz da bomba de um diodo laser para amplificar a luz do sinal. A estrutura do EDFA é mostrada na Figura 2-2.

Estrutura do Amplificador de Fibra Dopada com Érbio

 

A fibra dopada com érbio é o componente central do EDFA. Ele usa fibra de sílica como matriz, cujo núcleo é dopado com a substância de trabalho do laser sólido – érbio. Na fibra dopada com érbio de vários metros a dezenas de metros, a interação de luz e matéria é amplificada e aprimorada.

O diâmetro do campo modal da fibra dopada com érbio é de 3-6μm, que é muito menor que os 9-16μm da fibra convencional. Isso é para aumentar a densidade de energia da luz de sinalização e da luz da bomba, aumentando assim a eficiência de sua interação. No entanto, a redução do diâmetro do núcleo da fibra dopada com érbio também faz com que ela desfaça o campo modal da fibra convencional, resultando em maior reflexão e perda. A solução é adicionar um pouco de flúor à fibra para reduzir o índice de refração e aumentar o raio do campo modal, na medida em que pode ser combinado com fibras convencionais.

Para obter uma amplificação mais eficiente, a maioria dos íons de érbio está concentrada na região central do núcleo ao fazer fibras dopadas com érbio. Isso porque, na fibra óptica, o campo óptico da luz do sinal e da luz da bomba é apresentado aproximadamente como distribuição gaussiana – a intensidade da luz é mais forte no eixo do núcleo da fibra. Os íons de érbio na região paraxial farão com que a luz e a matéria interajam totalmente, melhorando assim a eficiência da conversão de energia.

EDFA da FiberMall

 

Um EDFA típico consiste principalmente nas seguintes partes:

• Fonte de bomba: Outro componente central do EDFA, fornece energia suficiente para a amplificação do sinal óptico, condição necessária para realizar a inversão populacional do meio de ganho. Como a fonte da bomba determina diretamente o desempenho do EDFA, é necessário que seja de alta potência, boa estabilidade e longa vida útil. As fontes práticas de bomba EDFA são diodos laser semicondutores com dois comprimentos de onda de bomba: 980nm e 1480nm. A fonte de bomba de 980 nm é mais usada, que possui baixo ruído e alta potência de bomba.
• Multiplexador por divisão de comprimento de onda: também conhecido como multiplexador (MUX), sua função é combinar a luz da bomba e a luz de sinalização com comprimentos de onda de 980/1550nm ou 1480/1550nm e enviá-la para a fibra dopada com érbio. Os requisitos para isso são pequenas perdas de inserção e insensibilidade à polarização da luz.
• Isolador óptico: Torna a transmissão unidirecional e evita a reflexão da luz de volta ao aparelho original, pois essa reflexão aumentará o ruído do amplificador e reduzirá a eficiência da amplificação.
• Filtro óptico: filtra o ruído no amplificador óptico além da largura de banda de trabalho para melhorar a relação sinal-ruído do sistema.

O isolador Faraday permite a transmissão de luz em apenas uma direção

 

Princípio de Funcionamento do EDFA

O mecanismo de trabalho do EDFA é baseado na radiação estimulada. Para realizar a emissão estimulada, é necessário gerar uma inversão populacional entre o nível de energia 2 e o nível de energia 1, ou seja, é necessária uma fonte de bomba para excitar os íons de érbio do nível de energia 1 para o nível de energia 2.

• Fonte da bomba com comprimento de onda de 980 nm: as partículas passam do nível de energia 1 para o nível de energia 3 e permanecem em 1 μm por um curto período de tempo. Ele cai para o nível de energia 2 sem radiação e permanece no nível de energia 2 por 10μm, e as partículas continuam a entrar no nível de energia 2. Assim, o número de partículas no nível 2 é muito maior do que no nível de energia 1, o que realiza a inversão de o número de partículas nos níveis de energia 1 e 2. O sinal excita os íons de érbio do nível de energia 2 de volta ao nível de energia 1, e um pequeno número de partículas retorna ao nível de energia 1 por emissão espontânea. Eles produzem ruído de emissão espontânea, cujas propriedades mudam e são amplificadas.
• Fonte da bomba com comprimento de onda de 1480 nm: faz a transição direta dos íons de érbio do nível de energia 1 para o nível de energia 2 para alcançar a inversão do número de partículas e, em seguida, do nível 2 para 1 sob excitação de luz de entrada. As características da luz liberada são as mesmas da luz de entrada e ampliadas.

Planicidade de Ganho EDFA

A planicidade de ganho refere-se à relação entre ganho e comprimento de onda. O EDFA desejado deve ter um ganho relativamente plano na faixa de comprimento de onda de operação que precisamos, principalmente quando usado nos sistemas DWDM, é necessário ter o mesmo comprimento de onda para todos os canais. ganho. No entanto, não é fácil alcançar a planicidade de ganho ideal da fibra dopada com érbio, o componente central do EDFA.

Para obter uma característica de ganho relativamente plana e aumentar a largura de banda do EDFA, existem dois métodos:

•  Adote um novo tipo de fibra dopada de banda larga;
•  Coloque um filtro de equalização no link de fibra dopado com érbio.

Tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM)

Embora a taxa de transmissão atual da tecnologia que combina a portadora óptica de comprimento de onda único e a multiplexação elétrica por divisão de tempo (TDM) tradicional possa atingir o nível de 40 Gb/s, é muito difícil melhorar ainda mais a taxa de transmissão devido à limitação do elétron taxa de migração. Além disso, quando o comprimento de onda de transmissão de comprimento de onda único é aplicado à rede óptica, uma nova rota de fibra óptica precisa ser construída. Tudo isso limita o desenvolvimento e a aplicação de sistemas de transmissão de fibra óptica de comprimento de onda único.

Existem dois métodos para contornar essas limitações:

• Use a tecnologia DWDM para aumentar a capacidade de transmissão da fibra óptica aumentando o número de canais transmitidos em uma única fibra óptica;
• Adote a tecnologia OTDM (multiplexação óptica por divisão de tempo) para aumentar a taxa de transmissão de canal único, alcançando assim o objetivo de aumentar a capacidade de comunicação.

Atualmente, a velocidade mais alta alcançada pela tecnologia DWDM atingiu 11 Tb/s, e a velocidade mais alta de canal único alcançada pela tecnologia OTDM no laboratório atingiu 640 Gb/s.

O princípio de funcionamento do DWDM

A tecnologia DWDM é uma tecnologia que usa ondas de luz como portadoras para transmitir vários sinais de portadora óptica de diferentes comprimentos de onda em uma fibra óptica ao mesmo tempo. Ondas de luz de diferentes comprimentos de onda podem transportar sinais de voz, dados e imagem de forma independente, de modo que a tecnologia DWDM pode dobrar a capacidade de transmissão de uma única fibra. A Figura 3-1 mostra o princípio de funcionamento do Sistema de transmissão DWDM.

Figura 3-1 Princípio de funcionamento do sistema de transmissão DWDM

Na extremidade de envio, n (numerosos) transmissores ópticos trabalham em n comprimentos de onda diferentes, respectivamente. Esses n diferentes comprimentos de onda são separados por intervalos apropriados, que são registrados respectivamente como λ_1, λ_{2, ...,}λ_n, que são respectivamente modulados por sinais como portadores para transportar informações. Um multiplexador de divisão de comprimento de onda combina esses sinais de portadora óptica de diferentes comprimentos de onda e os acopla em uma fibra monomodo. Na parte receptora, um demultiplexador separa os sinais ópticos da portadora de diferentes comprimentos de onda e os envia para os respectivos receptores para detecção.

Na banda de comprimento de onda longo, a fibra óptica possui duas janelas de transmissão de baixa perda, ou seja, as janelas de 1310nm e 1550nm. As faixas de comprimento de onda dessas duas janelas são 1270-1350 nm e 1480-1600 nm, correspondendo às larguras espectrais de 80 nm e 120 nm, respectivamente. No entanto, para a fonte de luz de 1550 nm de alta qualidade usada no atual sistema de comunicação de fibra óptica, a largura máxima da linha espectral de saída após a modulação não excede 0.2 nm. Considerando o desvio de comprimento de onda causado pelo envelhecimento e temperatura, é razoável fornecer uma margem de largura espectral de cerca de 0.41.6 nm.

 

Componentes básicos do sistema DWDM

O sistema DWDM deve ter lasers trabalhando em diferentes comprimentos de onda, multiplexadores e demultiplexadores que possam combinar, selecionar e dividir sinais ópticos de diferentes comprimentos de onda. Possui também o receptor óptico para detecção fotoelétrica de sinais ópticos desmultiplexados, a fim de restaurar o sinal original. Um amplificador que pode amplificar simultaneamente vários sinais ópticos também é necessário para transmitir longas distâncias.

O sistema DWDM também deve ter parte de monitoramento óptico e parte de gerenciamento de rede.

O sistema DWDM inclui transmissão unidirecional de fibra dupla e transmissão bidirecional de fibra única. A transmissão unidirecional de fibra dupla significa que uma fibra transmite em uma direção, enquanto a outra fibra transmite na direção oposta. Como a transmissão nas duas direções é completada por duas fibras ópticas, respectivamente, o mesmo comprimento de onda pode ser utilizado em ambas as direções ao mesmo tempo. A transmissão bidirecional de fibra única deve transmitir em duas direções pela mesma fibra, e os sinais nas duas direções devem ser atribuídos a diferentes comprimentos de onda. O mesmo comprimento de onda não pode ser usado por sinais em ambas as direções ao mesmo tempo.

Diagrama teórico do sistema da tecnologia dwdm

 

Principais características da tecnologia DWDM

•  Faça pleno uso dos enormes recursos de largura de banda da fibra óptica para aumentar a capacidade de transmissão de uma fibra óptica várias vezes a dezenas de vezes em comparação com a transmissão de comprimento de onda único, aumentando assim a capacidade de transmissão da fibra óptica e reduzindo o custo, que tem grande valor de aplicação e valor Econômico.
• Uma vez que os comprimentos de onda usados ​​em DWDM tecnologia são independentes umas das outras, podem transmitir sinais com características completamente diferentes, completar a integração e separação de vários sinais e realizar a transmissão mista de sinais multimídia.
• Como muitas comunicações estão no modo full-duplex, a tecnologia DWDM pode economizar muito investimento na linha.

Amplificador óptico no sistema DWDM

Em um sistema DWDM, quando houver vários comprimentos de onda de transmissão de sinal, o repetidor não funcionará. É necessário primeiro demultiplexar e depois repetir o processamento para cada comprimento de onda, o que resultará em um repetidor muito grande e complexo. Este é um problema importante que restringe o desenvolvimento da tecnologia DWDM. Assim, um amplificador de fibra dopado com érbio EDFA pode ser introduzido. Como o EDFA tem um alto ganho na faixa de largura de banda de cerca de 35nm perto da janela de transmissão de baixa perda de 1550nm da fibra, ele pode amplificar simultaneamente vários sinais de ondas de luz online para compensar o enfraquecimento do sinal na fibra, sem a necessidade de conversão óptico-elétrico e elétrico-óptico. Portanto, ele resolve o problema de amplificação de sinal multicanal no sistema DWDM e substitui o repetidor.

Os três pontos a seguir devem ser observados ao aplicar o EDFA no sistema DWDM:

• Obter nivelamento

Quando o EDFA é usado apenas para amplificar o sinal de um comprimento de onda, ele possui boas características de amplificação. No entanto, quando vários comprimentos de onda entram no EDFA, alguns sinais terão alto ganho, enquanto outros terão baixo ganho devido ao ganho desigual. Quando vários EDFAs estão em cascata, a diferença de potência será amplificada, o que não apenas leva a uma relação sinal-ruído diferente de cada canal no receptor, mas também pode fazer com que a potência do sinal que chega ao receptor exceda a faixa dinâmica do receptor. e causar o mau funcionamento do receptor.

Amplificação em cascata da planicidade ou não planicidade do ganho do amplificador

 

Aqui estão duas maneiras de equalizar essa desigualdade:

① Pré-equalização: A potência de cada canal é pré-ajustada para valores diferentes na extremidade do transmissor óptico, e a potência do canal que obterá alto ganho no amplificador é configurada para baixa potência, caso contrário, é configurada para alta potência.

②Adicione um filtro bem projetado ao módulo EDFA, de modo que sua característica de banda passante apenas compense o ganho desigual do amplificador, de modo a atingir o objetivo de achatar o ganho do amplificador.

Um dos componentes principais deste amplificador óptico para DWDM é um filtro que pode achatar o ganho do amplificador. Os filtros usados ​​nesta fase são principalmente filtros de filme fino dielétrico multicamadas e filtros de grade de fibra. As características de perda de tais filtros são geralmente fixas. Desta forma, quando o EDFA é aplicado no sistema, sua planicidade de ganho só pode ser garantida sob certas condições de operação, e o ganho não é flat em outras condições.

• Potência transitória e controle automático de ganho

No sistema real, quando alguns canais falham ou caem repentinamente ou adicionam/descem nos nós da rede, a potência de entrada do EDFA aumentará/diminuirá repentinamente, resultando em uma mudança transitória no ganho do EDFA. O ganho que outros canais são obtidos do EDFA irá diminuir ou aumentar, eventualmente resultando em uma mudança transitória na potência daqueles canais que permanecem no link de fibra atingindo seus respectivos receptores, o que é chamado de transitório de potência.

Para evitar a ocorrência de transientes de potência, o ganho do amplificador deve ser controlado. Normalmente, existem três modos quando o EDFA funciona em um sistema DWDM: modo de controle automático de ganho, modo de controle automático de energia e modo de controle automático de corrente. Ao trabalhar no modo de controle automático de ganho, seu ganho é constante. Se a potência óptica de entrada mudar, o circuito de controle pode ajustar a corrente de bombeamento de acordo com o ganho necessário para que o EDFA ainda funcione no ponto de ganho especificado.

 

Controle automático de ganho

•  Ruído ASE:

Quando o EDFA está em cascata, o ruído ASE do estágio anterior como sinal entra com o sinal real no próximo estágio do EDFA e é amplificado. O ruído ASE se acumula, causando a degradação da relação sinal-ruído do sistema. Portanto, quando aplicado em um sistema DWDM, a figura de ruído do EDFA deve ser a menor possível.

 

Conclusão

Este artigo apresenta as estruturas, princípios de funcionamento e aplicações da tecnologia EDFA e DWDM. EDFA resolve o problema de amplificação de sinal multicanal no sistema DWDM. Graças à maturidade e comercialização da tecnologia EDFA, a tecnologia DWDM se desenvolve rapidamente e é aplicada. Se houver uma pesquisa mais profunda sobre a comunicação por fibra óptica, a FiberMall continuará a publicar artigos para informá-lo.