EDFAとは何ですか?エルビウム-ドープファイバー増幅器の仕組み

EDFAとは何ですか?

EDFA は、光増幅器これは、エルビウム-ドープ ファイバーのセクションを使用して、光学領域で光信号を直接増幅します。従来の中継器では、すべての段階で光-から-電気-から-への変換（O-E-O）が必要です。 EDFA はそれらすべてをスキップします。信号は最初から最後まで光のままである -。これにより、帯域幅が維持され、遅延が短縮され、ネットワークの複雑さが層全体から取り除かれます。

これは、C- 帯域 (1530 ～ 1565 nm) および L- 帯域 (1565 ～ 1625 nm) で動作します。これは、シリカ ファイバーの最も低い- 損失伝送ウィンドウ内にあります。このスペクトルの重複は偶然ではありません - これが EDFA が長距離ネットワークのデフォルトの増幅器になった理由であり、WDM および DWDM システムが通常どおりに動作する理由でもあります。-単一の EDFA は、1 本のファイバーを通過する数十、さらには数百の波長チャネルを同時にブーストできます。

EDFA が解決する問題

光信号はファイバーを通過するにつれて強度を失います。減衰、接続損失、コネクタ損失 - がすべて合計されます。 EDFA が導入される前は、ルートに沿って電子再生装置を配置することが唯一の選択肢でした。これらのデバイスは光を電気に変換し、信号をクリーンアップして再増幅して、光に変換し直しました。-すべての再生器は高価であり、フォーマットに固有でした。つまり、1 つのデータ レートと 1 つの変調方式しか処理できませんでした。 WDM システムを拡張したい場合は、リジェネレータの数とチャネルの数を増やす必要がありました。コストと複雑さは大幅に増大しました。

研究者らが次のことを示したとき、1987 年に画期的な進歩が起こりました。エルビウム-ドープファイバー誘導放出により 1550 nm 付近の信号を増幅できます。 2 年後、最初のダイオードが-励起されましたエルビウム-ドープファイバー増幅器実験室で検証され、この概念が実際のネットワークで機能することが証明されました。これを非常に重要なものにしたのは、増幅自体だけではありません -。単一の EDFA で WDM システム内のすべての波長チャネルを一度に増幅できるということでした。チャンネルごとの再生はありません。-この 1 つの機能により、高密度波長分割多重化が経済的に実行可能になり、テラビット規模の海底ケーブルを実現できるようになりました。-

EDFA はどのように機能しますか?

コアメカニズム: 誘導放出

EDFA は、新しい光を生成する代わりに既存の光を増幅する点を除き、レーザー - 誘導放出 - と同じ原理で動作します。

高出力ポンプ レーザー（980 nm または 1480 nm で動作）がエルビウム-ドープ ファイバーにエネルギーを注入します。エルビウム イオン (Er3⁺) はこのポンプ エネルギーを吸収し、基底状態から励起状態にジャンプします。十分なイオンが励起されると、反転分布が発生し、基底状態よりも高エネルギー状態にあるイオンが- 個増えます。-それが増幅が起こるための前提条件です。

ここで、1550 nm 付近の弱い光信号がドープされたファイバに入ります。その光子は励起されたエルビウムイオンに衝突し、相互作用のたびにイオンが基底状態に戻るきっかけとなり、その過程で新しい光子が放出されます。この新しい光子は信号光子 - と同一であり、同じ波長、同じ位相、同じ方向です。ファイバーの長さに沿った何十億回もの相互作用を掛け合わせると、信号ははるかに強くなります。

増幅は本質的に広帯域です。エルビウムの利得スペクトルは、C- バンドでおよそ 30 ～ 40 nm の範囲に及びます。これは工学的に賢明な回避策ではありません - これはエルビウム イオンのエネルギー レベル構造の物理学に組み込まれているものです。このため、1 つの EDFA で 40、80、さらには 96 の DWDM チャネルを同時に処理できます。

EDFA 内の主要コンポーネント

動作する EDFA モジュールには、単なるドープされたファイバー以上の処理が行われています。 5 つのコア コンポーネントが連携して動作します。

エルビウム-ドープ ファイバー（EDF）は利得媒体です。ファイバの長さ、エルビウム濃度、ガラス組成はすべて、ゲインとノイズ特性を形成します。ポンプ レーザーはエルビウム イオンを励起するエネルギーを供給します - そのパワーと安定性が EDFA のゲインと雑音指数を決定します。 WDM カプラはポンプ光と信号光を結合し、ドープされたファイバを一緒に伝播します。入出力の光アイソレータは、アンプを不安定にしたり、寄生レージングを引き起こしたりする可能性のある後方反射をブロックします。{6}}また、光フィルタが帯域外ノイズと増幅自然放出 (ASE) を取り除き、出力をクリーンに保ちます。{8}

980 nm と 1480 nm ポンピング - 多くの EDFA が両方を使用する理由

ポンプ波長は EDFA における設計上の最大の決定事項の 1 つであり、2 つのオプションにはデータシート上の仕様の違いだけでなく、真のトレードオフ - が関係します。

980 nm のポンピングによりエルビウム イオンが高エネルギー レベル (E3) に励起され、非放射プロセスを通じて準安定レベル (E2) に急速に緩和されます。この 2 つのステップのパスにより、非常にクリーンな反転分布と、より低い雑音指数が生成されます -。通常、1480 nm よりも 1 ～ 2 dB 優れています。ノイズの 1 dB 未満のあらゆる部分が重要となるプリアンプの場合、980 nm が最適です。-

1480 nm ポンピングは近道を利用します。エルビウム イオンを準安定準位 (E2) まで直接励起します。エネルギー効率が高く、達成可能な出力も高くなりますが、騒音が大きくなります。-そのため、ノイズ性能よりも生の電力が重要となるブースターアンプに適しています。

多くの高性能 EDFA はどちらかを選択しません。- ノイズを低く抑えるために順方向で nm ポンプを使用し、出力電力を高めるために逆方向で 1480 nm ポンプを使用します。. 980このハイブリッド構成は、海底および長距離陸上システムの標準です。-これには十分な理由があります。1 つのユニットで 980 nm のノイズの利点と 1480 nm の電力の利点が得られます。

3 種類の EDFA とそれぞれをいつ使用するか

EDFA が光リンク内のどこに配置されるかによって、EDFA をどのように設計すべきかがすべて決まります。ブースターにとって重要な仕様は、プリアンプにとってはほとんど無関係であり、その逆も同様です。-

ブースターアンプ

送信機の直後にあります。その役割は、光がファイバ スパンに入る前に信号パワーを可能な限り高くすることです。 DWDM システムでは、マルチプレクサにより起動電力が損なわれる挿入損失が発生し、ブースタがそれを補償します。ここで最も重要な仕様は、飽和出力電力 - (通常 16 ～ 23 dBm) です。入力信号が依然として強いため、雑音指数は二の次です。

イン-アンプ

これらは、通常 80 ～ 100 km ごとにファイバー ルートに沿った中間点に設置され、スパン損失を補償し、信号をノイズ フロアよりも高く保ちます。適切なノイズ性能を備えた高ゲイン (20 ～ 30 dB) が必要です。インライン アンプの特徴は次のとおりです。ノイズは各段で蓄積されます。海底ケーブル内の 10、20、または 100 個のカスケード EDFA チェーンのノイズ バジェットを設計する場合、各アンプの寄与が重要になります。これをわずかな差で間違えると、リンクが機能するか閉じられないかの違いが生じる可能性があります。

プリ-アンプ

受話器の直前に座ります。この時点までに、信号は数百キロメートルまたは数千キロメートルを超え、非常に低い電力 - で到達し、場合によっては -30 dBm を下回る場合もあります。これらのレベルでは、ASE ノイズの増加が最悪になります。雑音指数はプリアンプにとって最も重要なパラメータです。ここでの NF の 1 dB の改善は、リンク全体の到達距離の延長またはビット誤り率の向上に直接変換できます。

主要なパフォーマンスパラメータ

得

dB単位で測定されます。 30 dB のゲインは、出力が入力の 1,000 倍強いことを意味します。一部の EDFA 設計は 50 dB を超える場合がありますが、ほとんどの商用ユニットは 15 ～ 35 dB の範囲で動作します。ゲインは EDF 長さ、ポンプパワー、入力信号レベルによって異なります。入力電力が増加すると飽和によりゲインが圧縮されるため、これは固定数 - ではありません。リンク バジェットの計算ではこれを考慮する必要があります。

雑音指数 (NF)

EDFA が追加する余分なノイズの量を定量化します。理論上の最小値は 3 dB (高ゲインでの位相の影響を受けないアンプの量子限界) で、市販の EDFA は通常、小信号条件で 5 ～ 7 dB を達成します。-。プリ-アンプやカスケード長距離-リンクの場合、NF はシステム全体の OSNR バジェットを直接設定するため、最適化する最初のパラメータになることがよくあります。

飽和出力電力

入力が飽和状態に達するのに十分な強さ (通常は 0 dBm 以上) のときに EDFA が供給できる最大出力電力。これはブースターアンプのヘッドライン番号です。出力電力が大きいほど、より多くの量をファイバに発射できることを意味します。これは、一般に、増幅器サイト間のスパンが長くなることを意味します。

ゲイン平坦性

多くのチャネルを持つ DWDM システムでは、各チャネルが同じゲインを得るのが理想的です。エルビウムの利得スペクトルは連携しません - 一部の波長は他の波長よりも自然に増幅されます。ゲイン平坦性はその変動を測定し、通常は動作帯域全体のピーク-から- dB として表されます。

アンプをカスケード接続すると、問題が明らかになります。たとえば、1 つのチャンネルのゲインがアンプごとに 0.5 dB 低いとします。アンプを 10 台使用すると、5 dB 弱くなります。 20 を超えると、受信機の感度しきい値を完全に下回る可能性があります。海底ケーブル システムと長距離地上ネットワークは、EDFA モジュールに組み込まれたゲイン平坦化フィルタ（GFF）-、または EDF ガラス内のアルミニウム濃度を調整してゲイン スペクトル固有の平坦性を改善することで、この問題に対処します。{6}

EDFA と他の光増幅器の比較

EDFA と SOA (半導体光増幅器) の比較

SOA は、ドープされたファイバーの代わりに半導体利得媒体を使用します。小型で安価で、フォトニック チップに統合できるため、メトロ ネットワーク、光スイッチング、信号処理に大きな利点をもたらします。-しかし、長距離伝送には耐えられません。- SOA のゲインは約 15 ～ 25 dB で最高に達し (EDFA は 50 dB を超える場合があります)、雑音指数は 7 ～ 12 dB (EDFA の 5 ～ 7 dB に対して) で、偏波に敏感であり、EDFA では発生しない WDM チャネル間のクロストークが発生します。

SOA にはその役割があります。 EDFA にはその役割があります。バックボーン DWDM トランスポートの場合、選択肢はそれほど多くありません。

EDFA とラマン増幅器の比較

ラマン増幅は、まったく異なるメカニズム - によって刺激されたラマン散乱 - によって機能し、別のドープされたファイバー内ではなく、伝送ファイバー自体の内部で発生します。信号は一度にすべてではなくスパンに沿って徐々に増幅されるため、EDFA-のみの増幅の場合のように信号が低下することはありません。結果として、実効雑音指数が低くなる可能性があります。

ただし、欠点もあります。ラマン増幅器は高いポンプパワー (多くの場合 500 mW 以上) を要求し、適度な利得 (通常 10 ～ 15 dB) を提供し、導入の複雑さが増します。一方で、EDFA では不可能な波長の柔軟性を備えています。-、ポンプ波長をシフトするだけで別の帯域を増幅できます。{6}。

これら 2 つのテクノロジーは実際には競合するものではありません。ほとんどの超-長距離および海底システムでは両方が使用されます。ラマンは信号がノイズの中に落ちすぎないように分散利得「フロア」を提供し、EDFA は各中継器で高利得の集中増幅を実現します。-このハイブリッド アプローチは、キャ​​パシティを向上させて限界に到達するための標準的な方法となっています。

EDFA が現在使用されている場所

長距離地上波ネットワーク

これが EDFA の利益を生む場所です。国内または大陸の距離にまたがるバックボーン ネットワークでは、ファイバーの減衰と戦うために 80 ～ 100 km ごとに EDFA が入ります。シングル光ファイバー増幅器80+ 個の DWDM チャネルをチャネルあたり 100G または 400G で伝送し、数千キロメートルにわたって信号品質を維持するには、これらのアンプのチェーンが必要です。 EDFA を問題から外すと、大容量の地上輸送の経済性が崩壊します。-

海底ケーブルシステム

海底ケーブルは、EDFA がこれまで直面した中で最も過酷な環境です。大洋横断ケーブルは、海底に 100 台を超える EDFA 中継器を設置し、10,000 km を超えて伸びることがあります。これらのユニットは、メンテナンス アクセスなしで 25 年間継続的に稼働する必要があります。信頼性は単に良いものではありません。-あること-、-海底での故障は、高価な船の訪問を意味します。これらの EDFA は、冗長ポンプ レーザーと、何よりも寿命を最大化するように設計された保守的な動作マージンで動作します。

データセンター相互接続 (DCI)

ハイパースケール データセンターには、キャンパス間の高帯域幅、低遅延のリンクが必要です。また、それらのリンクは多くの場合、数十〜数百キロメートルに及びます。{0}{1} EDFA により、これらの DCI ルート上でコヒーレントな 400G および 800G 伝送が可能になります。 AI トレーニングが複数の施設に分散されることが増えているため、このセグメントは急速に成長しています。

DWDM システム

EDFA は DWDM と互換性を持っただけではありません - EDFA が、そもそも DWDM を実用的なものにしたのです。 1 台のデバイスで 40、80、または 96 チャネルを同時に増幅することにより、ネットワーク オペレータはインフラストラクチャを同じ速度で拡張することなく、ファイバ容量を拡張できます。現在稼働しているすべての DWDM システムには EDFA が組み込まれています。

CATV配信ネットワーク

ケーブル TV ネットワークは、ヘッドエンドからの光信号を増幅するパワー アンプとして EDFA を使用し、より広いカバレージ エリアにわたるより大きな加入者ベースに光信号を送り出します。ブースター-タイプの EDFA の高出力は、このブロードキャスト配信モデルによく適合します。

その他の用途

EDFAも登場しますファイバーアンプファイバーベースの LAN（配電損失の補償）、軍事および航空宇宙通信（信頼性と環境耐性が交渉の余地のない場合）、新興量子通信ネットワーク（電気変換を行わずに弱い信号を増幅することに特別な価値がある場合）-内での展開などです。

適切な EDFA を選択する方法

適切な EDFA を選択するには、ネットワーク内での EDFA の役割を理解することから始まります。ブースター、インライン アンプ、プリ-は、ブースター、-ライン アンプ、プリ-のスタックの優先順位がまったく異なります-ブースター アプリケーション用に低ノイズ ユニットを購入することは、役に立たない仕様のためにお金を無駄にしていることになります。-

まず役割を定義します。ブースターとは、飽和出力電力を考慮することを意味します。インラインとは、ゲインとノイズのバランスをとっていることを意味します。プリアンプは雑音指数が重要であることを意味します。

動作バンドを確認してください。 C- バンド (1530 ～ 1565 nm)、L- バンド (1565 ～ 1625 nm)、またはその両方。 C+L EDFA は存在しますが、可用性とパフォーマンスはベンダーによって異なります。

スパン損失バジェットからゲインと電力の要件を計算します。ブースターの場合は、飽和出力電力に注目してください。インライン アンプの場合、ゲインがスパン損失を余裕を持ってカバーしていることを確認してください。プリアンプの場合、許容可能な NF に到達しながら処理できる最小入力電力を確認します。-。

カスケード接続している場合は、雑音指数を慎重に評価してください。 NF が低いほど、OSNR マージンが大きくなり、到達距離が長くなったり、BER が向上したりすることになります。アンプのチェーンでは、たとえ 1 dB の NF 改善であっても、すべてのスパンにわたって複合化されます。

特にチャネル数が多い DWDM の場合は、ゲイン平坦性 - を確認してください。チェーン内の EDFA の数が増えるほど、この仕様はより厳密になる必要があります。 40 チャネルを実行するシステムでは、80 チャネルを実行するシステムとは異なる平坦性要件があります。

導入環境を考慮します。屋内ラック-マウント、屋外キャビネット、海中は 3 つのまったく異なる世界です。動作温度範囲、耐湿度、機械的衝撃定格、MTBF - これらはすべて、ユニットの設置場所によって異なります。海中 EDFA は本質的にラックマウント ユニットとは異なる製品カテゴリです。-