Wzmacniacze i regeneracja: EDFA, Raman, SOA, OEO

Para transceiverów przenosi sygnał tak daleko, jak pozwala jej budżet mocy i tolerancja na dyspersję — 10 km dla LR, 80 km dla ZR, 120 km dla wzmocnionego 400ZR. Poza tym zasięgiem coś w linii musi odtworzyć to, co zabrał światłowód: wzmacniacz optyczny, który podnosi jednocześnie wszystkie długości fali bez ingerencji w dane, albo regenerator, który odbiera sygnał elektrycznie i nadaje go od nowa. Ta strona opisuje, kiedy kończy się budżet, typy wzmacniaczy i ich parametry, ich rozmieszczenie w linii, sposób, w jaki budżet mocy zmienia się w budżet OSNR po pojawieniu się wzmacniaczy, wymagania eksploatacji wzmocnionej linii oraz sposób wyboru między wzmocnieniem, regeneracją a modułem koherentnym.

Kiedy kończy się budżet transceivera

Technologia	Zasięg bez wzmocnienia	Co go wydłuża
10G LR / ER / ZR	10 / 40 / 80 km	kompensacja dyspersji i EDFA do 100–150 km; powyżej — systemy liniowe DWDM
100G LR4 / ER4 (detekcja bezpośrednia)	10 / 40 km	brak — na dłuższych odcinkach przejście na rozwiązanie koherentne
Moduły koherentne wpinane 100G–400G (ZR, ZR+)	40 km (400ZR bez wzmocnienia, ≤ 11 dB)	jedna para EDFA do 120 km (ZR), łańcuchy wzmacniaczy do 1 000+ km (ZR+, OpenZR+) (Koherentne dalekiego zasięgu)
10G DWDM przez multiplekser	80 km na odcinek z EDFA	łańcuchy EDFA z modułami kompensacji dyspersji do 400–600 km, dalej regeneracja
Transpondery koherentne	80–120 km na odcinek	łańcuchy EDFA i Raman, ROADM, 1 000–3 000 km na sekcję regeneracji
PON, klasa C+	20 km, 1:32–1:64	przedłużacze zasięgu (ITU-T G.984.6) do 60 km lub większe podziały
Multimode	100–400 m	nigdy nie wzmacniane — regeneruje przełącznik lub konwerter mediów

Typy wzmacniaczy

Typ	Zasada działania	Pasmo	Wzmocnienie i moc wyjściowa	Współczynnik szumów	Uwagi
EDFA (wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem)	kilka metrów światłowodu domieszkowanego erbem, pompowanego na długości fali 980 lub 1480 nm; sygnał wymusza emisję	pasmo C 1 530–1 565 nm; warianty w paśmie L 1 565–1 625 nm	wzmocnienie 15–35 dB; moc wyjściowa całkowita +17 … +23 dBm, boostery do +27 dBm	4–6 dB	podstawowy, najczęściej stosowany typ wzmacniacza; jednokanałowy lub wielokanałowy; filtry wyrównania wzmocnienia, wzmocnienie zmienne, kontrola stanów przejściowych przy dodawaniu/wydzielaniu kanałów (Komponenty DWDM)
Raman (rozproszony)	pompa o długości fali około 100 nm poniżej sygnału (≈ 1 450 nm dla pasma C) jest wprowadzana do światłowodu transmisyjnego, zwykle w kierunku przeciwnym do sygnału; sam światłowód wzmacnia na pierwszych 20–40 km	dowolne pasmo, na jakie pozwala pompa	10–15 dB wzmocnienia rozproszonego	efektywny współczynnik szumów niższy niż w EDFA — OSNR lepszy o 3–5 dB na odcinek	pompy +27 … +30 dBm, klasa 4 — czystość złączy i APR mają krytyczne znaczenie dla bezpieczeństwa (Bezpieczeństwo i postępowanie); hybrydowy Raman-EDFA dla długich odcinków lub odcinków bez regeneratorów (300+ km)
SOA (półprzewodnikowy wzmacniacz optyczny)	chip laserowy bez luster; pompowany elektrycznie	dowolne, w tym pasmo O przy 1 310 nm	10–20 dB; +10 … +13 dBm	7–9 dB	szybki, mały, tani; przedłużacze zasięgu PON i tryb burst; wzmocnienie zależne od wzorca bitowego ogranicza zastosowanie w DWDM
Wzmacniacz zdalnie pompowany optycznie (ROPA)	niezasilana cewka erbowa w linii, pompowana z terminala przez światłowód	pasmo C	10–15 dB	—	podmorskie i pustynne odcinki bez regeneratorów
Regenerator 3R (OEO)	odbiór, retaktowanie, kształtowanie na nowo i retransmisja sygnału — dwa transpondery połączone back-to-back	na kanał	resetuje OSNR, dyspersję, PMD i zniekształcenia nieliniowe	—	kosztowny w przeliczeniu na kanał i dodaje opóźnienie; potrzebny tam, gdzie samo wzmocnienie nie wystarcza już do osiągnięcia wymaganego OSNR
Regenerator 2R, konwerter mediów	wzmacnia i kształtuje sygnał elektrycznie, bez nowego taktowania	na kanał	resetuje moc i diagram oka	—	małe łącza; port przełącznika to codzienny regenerator (Sprzęt transportowy i dostępowy)

Rozmieszczenie wzmacniaczy w linii

Pozycja	Cel	Typowe wartości
Booster (wzmacniacz końcowy) za multiplekserem w terminalu nadawczym	podniesienie połączonych kanałów do mocy nadawanej	+17 … +20 dBm łącznie, 0 … +3 dBm na kanał
Wzmacniacz liniowy (inline) na każdym odcinku	kompensacja strat na odcinku	odcinek 80–120 km, strata 20–28 dB; wzmocnienie ustawione tak, by ją zrównoważyć; dostęp pośredni (mid-stage) dla modułu kompensacji dyspersji w starszych liniach 10G
Przedwzmacniacz przed demultiplekserem w terminalu odbiorczym	podniesienie słabych kanałów ponad poziom szumów odbiornika	−25 dBm na kanał na wejściu, −5 dBm na wyjściu; poprawia czułość efektywną o 10 dB i więcej
Rozproszony Raman na odbiorczym końcu odcinka	obniżenie efektywnego współczynnika szumów, wydłużenie odcinka	20–40 km wzmocnienia rozproszonego
Stacja wzmacniacza	zasilany kontener lub szafa z bateriami, chłodzeniem, terminalem OSC i monitoringiem	co 80–120 km na długich trasach (Topologie sieci światłowodowych)

Od budżetu mocy do budżetu OSNR

Każdy wzmacniacz na każdym etapie dodaje wzmacnianą emisję spontaniczną — czyli szum. Gdy w linii pojawiają się wzmacniacze, odbiornik jest ograniczany przez optyczny stosunek sygnału do szumu, a nie przez moc.

Wzór	Znaczenie
OSNR_span [dB, 0,1 nm] ≈ 58 + P_channel [dBm] − L_span [dB] − NF [dB]	OSNR po jednym odcinku i jednym wzmacniaczu
OSNR_total ≈ OSNR_span − 10 · log₁₀ N	N identycznych odcinków
Wymagane OSNR: 10G NRZ ≈ 15–18 dB; 100G DP-QPSK z FEC z decyzją miękką ≈ 12–15 dB; 400ZR ≈ 26 dB; 400G 16QAM ZR+ ≈ 22–24 dB	tego potrzebuje odbiornik

Przykład: 0 dBm na kanał, odcinki 22 dB, współczynnik szumów 5 dB → 31 dB na odcinek; trzy odcinki → 26,2 dB, granica dla 400ZR; dziesięć odcinków → 21 dB, komfortowo dla 100G DP-QPSK. Podniesienie mocy kanału zwiększa OSNR, dopóki nie odbiorą go efekty nieliniowe — optimum to zwykle 0 … +3 dBm na kanał na G.652 (Efekty nieliniowe, Wzmocnienie i OSNR).

Eksploatacja wzmocnionej linii

Element	Praktyka
Bezpieczeństwo optyczne	klasa 3B/4 na każdym wyjściu wzmacniacza i pompie Raman; automatyczna redukcja mocy (APR, ITU-T G.664) wyłącza pompy przy zaniku sygnału; nigdy nie odłączaj złącza dużej mocy pod napięciem; etykiety ostrzegawcze na każdym obiekcie
Czystość złączy	przy +20 dBm i więcej zabrudzone czoło złącza ulega spaleniu i może wywołać efekt fibre fuse; sprawdzaj przed każdym połączeniem (Inspekcja i czyszczenie czoła złącza)
Odbicia	izolatory wewnątrz wzmacniaczy, złącza APC, ORL ≥ 24 dB na linii; silne odbicie do EDFA wywołuje w nim akcję laserową (Odbicia i tłumienność odbiciowa)
Monitorowanie pomp	prąd pompy przy stałej mocy wyjściowej jest wskaźnikiem starzenia; zapasowe karty pomp lub całe wzmacniacze
Wzmocnienie i nachylenie	filtry wyrównania wzmocnienia i dynamiczna korekcja wzmocnienia utrzymują 40–96 kanałów w zakresie 1–2 dB; nachylenie rośnie wraz z Ramanem i liczbą odcinków
Dodawanie i wydzielanie kanałów	kontrola stanów przejściowych zapobiega skokom mocy w pozostałych kanałach, gdy inne znikają; kanały dodawaj zgodnie z procedurą
Kanał nadzoru optycznego (OSC)	osobna długość fali, zwykle 1 510 lub 1 610 nm, zakańczana na każdej stacji wzmacniacza, przenosząca zarządzanie, alarmy i telemetrię strat na odcinku (Monitorowanie i zarządzanie)
Zasilanie i środowisko	−48 V DC z 4–8 godzinami baterii, chłodzeniem, czujnikami drzwi i temperatury na obiektach bezobsługowych
Najpierw charakteryzacja światłowodu	strata na odcinku, ORL, dyspersja, PMD i pole efektywne decydują o planie wzmocnienia (Charakteryzacja światłowodu)

Wybór między wzmocnieniem, regeneracją a rozwiązaniem koherentnym

Sytuacja	Wybór
10G, pojedynczy kanał, 80–100 km	moduł 10G ZR albo LR/ER z EDFA i kompensacją dyspersji
10G DWDM, 200–400 km, starsze rozwiązanie	łańcuch EDFA z modułami kompensacji dyspersji; rozważ zamianę na rozwiązanie koherentne
100G, 80–120 km	moduł wpinany 400ZR/100G ZR z jedną parą EDFA — najprostsza współczesna odpowiedź
100G–400G, 500–2 000 km	transpondery koherentne lub ZR+ z łańcuchami EDFA i ROADM; regeneracja tylko tam, gdzie brakuje OSNR
Odcinki bez regeneratorów, 250–400 km	boostery dużej mocy, Raman, ROPA, rozwiązanie koherentne
PON powyżej 20 km lub duże podziały	przedłużacz zasięgu albo optyka klasy C++/E2 (Klasy ODN)
Multimode w sieci kampusowej powyżej 400 m	przełącznik lub konwerter mediów jako regenerator, albo światłowód jednomodowy
Dowolne łącze z niedoborem OSNR, którego nie da się naprawić wzmacniaczami	regeneracja 3R

W CodingBox

Moduły, które zasilają i kończą linię wzmocnioną, wciąż są modułami wpinanymi, a CodingBox odczytuje to, co liczy się na wejściu wzmacniacza: moc nadawaną, dokładną długość fali lub kanał DWDM, zakres przestrajania, klasę mocy. Moduł koherentny raportuje też OSNR, dyspersję chromatyczną i BER przed FEC przez VDM — stan zdrowia systemu liniowego, taki jaki widzi go odbiornik — a CodingBox pokazuje, które z tych wielkości moduł udostępnia (Transceivery przestrajalne, Metryki VDM i FEC, Check transceiver).

Jeśli znajdziesz nieścisłość lub błąd w tym materiale, zaznacz odpowiedni fragment i naciśnij Ctrl+Enter, aby .