Stosowanie wzmacniaczy optycznych 1550 nm w sprzęcie transmisyjnym HFC

Dlaczego 1550 nm to dominująca długość fali w transmisji optycznej HFC?

Hybrydowe sieci światłowodowo-koncentryczne (HFC) stanowią podstawę dystrybucji telewizji kablowej i szerokopasmowego Internetu dla setek milionów abonentów na całym świecie. W tych sieciach światłowód przenosi sygnały szerokopasmowe ze stacji czołowej kabla do węzłów światłowodowych rozproszonych po obszarach usług, gdzie sygnał optyczny jest konwertowany na sygnał RF i rozprowadzany kablem koncentrycznym do indywidualnych domów i firm. Wybór 1550 nm jako długości fali roboczej dla tego segmentu transportu optycznego nie jest przypadkowy — jest to wynikiem dwóch decydujących zalet fizycznych, które definiują ekonomikę i wydajność transmisji optycznej na duże odległości. Standardowe włókno jednomodowe wykazuje absolutne minimalne tłumienie przy około 1550 nm, z typowymi stratami 0,18–0,20 dB/km w porównaniu do 0,35 dB/km w oknie 1310 nm stosowanym w zastosowaniach o krótszym zasięgu. To zmniejszenie strat w światłowodzie bezpośrednio przekłada się na dłuższe rozpiętości wzmacniaczy, mniej stopni wzmocnienia optycznego i niższy koszt infrastruktury w przeliczeniu na kilometr instalacji.

Drugą zdecydowaną zaletą jest dostępność wzmacniaczy światłowodowych domieszkowanych erbem (EDFA) – praktycznych, niezawodnych i ekonomicznych wzmacniaczy optycznych, które działają precyzyjnie w paśmie C 1530–1570 nm i paśmie L 1570–1620 nm, oba wyśrodkowane w oknie transmisyjnym 1550 nm. EDFA zmieniły transmisję optyczną na duże odległości, umożliwiając bezpośrednie wzmocnienie optyczne bez kosztownej i powodującej opóźnienia konwersji optyczno-elektryczno-optycznej (OEO), wymaganej przez wcześniejszą technologię regeneracyjnych wzmacniaczy. W szczególności w przypadku sieci HFC połączenie niskich strat światłowodu i wzmocnienia EDFA umożliwia rozpiętość transmisji optycznej wynoszącą 40–100 km między stopniami wzmocnienia, umożliwiając operatorom kablowym obsługę dużych obszarów geograficznych usług ze scentralizowanych stacji czołowych przy znacznie zmniejszonej infrastrukturze węzłów w porównaniu z alternatywami o krótszych długościach fal.

Jak wzmacniacze optyczne 1550 nm działają w systemach HFC

A Wzmacniacz optyczny 1550 nm w systemie transmisji HFC działa poprzez bezpośrednie wzmacnianie sygnału optycznego przenoszonego przez światłowód bez przekształcania go na sygnał elektryczny. Dominującą technologią jest wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem, w którym wykorzystuje się krótki odcinek światłowodu, którego rdzeń został domieszkowany jonami erbu (Er³⁺). Kiedy włókno domieszkowane erbem jest pompowane światłem lasera o dużej mocy przy 980 nm lub 1480 nm, jony erbu są wzbudzane do wyższego stanu energetycznego. Kiedy foton sygnałowy o długości fali 1550 nm przechodzi przez domieszkowane włókno, stymuluje wzbudzone jony erbu do emisji dodatkowych fotonów o dokładnie tej samej długości fali i fazie – jest to proces zwany emisją wymuszoną, który zapewnia spójne wzmocnienie optyczne. Ten mechanizm wzmocnienia wzmacnia sygnał w paśmie obejmującym całe pasmo C, dzięki czemu EDFA są kompatybilne zarówno z transmisją HFC o pojedynczej długości fali, jak i systemami multipleksowania z podziałem długości fali (WDM) przenoszącymi wiele kanałów jednocześnie na jednym włóknie.

W typowej instalacji optycznej HFC nadajnik stacji czołowej przekształca połączone widmo sygnału RF — które w przypadku systemów DOCSIS 3.1 może obejmować zakres od 5 MHz do 1,2 GHz — na sygnał optyczny za pomocą bezpośrednio modulowanego lub zewnętrznie modulowanego lasera pracującego przy długości fali 1550 nm. Sygnał ten jest następnie wprowadzany do instalacji światłowodowej. Jeżeli moc sygnału spadła do poziomu, który pogorszyłby stosunek nośnej do szumu (CNR) w węźle światłowodowym, włączany jest wzmacniacz optyczny, aby przywrócić moc sygnału do wymaganego poziomu. Wzmocniony sygnał jest przesyłany dalej przez dodatkowe włókna, aż dotrze do węzła światłowodu, gdzie fotodetektor przekształca go z powrotem na sygnał elektryczny RF w celu dystrybucji w koncentrycznej części sieci.

Rodzaje wzmacniaczy optycznych 1550 nm stosowanych w transmisji HFC

Rodzina wzmacniaczy optycznych 1550 nm stosowanych w sieciach HFC obejmuje kilka różnych konfiguracji wzmacniaczy zoptymalizowanych dla różnych pozycji w architekturze transmisji optycznej. Zrozumienie, gdzie każdy typ jest stosowany i jakie cechy użytkowe definiuje każdy z nich, jest niezbędne dla inżynierów sieciowych projektujących lub modernizujących instalacje optyczne HFC.

Wzmacniacze wzmacniające (wzmacniacze końcowe)

Wzmacniacze wspomagające są umieszczane bezpośrednio za nadajnikiem stacji czołowej, aby zwiększyć moc uruchamiania sieci światłowodowej. Ponieważ sygnał wejściowy ma już stosunkowo wysoki poziom mocy z nadajnika, wzmacniacze wspomagające są projektowane pod kątem dużej mocy wyjściowej, a nie niskiego współczynnika szumów — typowe specyfikacje mocy wyjściowej wzmacniaczy wzmacniających HFC wahają się od 17 dBm do 23 dBm lub więcej w przypadku wdrożeń architektur o wysokim rozdzieleniu lub rozproszonym dostępie (DAA). Podstawową funkcją wzmacniacza wspomagającego jest kompensacja strat wtrąceniowych rozdzielaczy optycznych, które dzielą sygnał na wiele ścieżek światłowodowych obsługujących różne segmenty obszaru usługowego, a także tłumienie pierwszego przęsła światłowodu. Wzmacniacz wzmacniający stacji czołowej o mocy wyjściowej 20 dBm napędzający rozdzielacz optyczny 1:8 (strata podziału około 9 dB) emituje około 11 dBm do każdej z ośmiu wyjściowych ścieżek światłowodowych, co wystarcza do przejechania odcinków o długości 25–40 km, zanim konieczne będzie dodatkowe wzmocnienie.

Wzmacniacze liniowe

Wzmacniacze liniowe są wdrażane w punktach pośrednich na długich dystansach włókien światłowodowych, gdzie moc sygnału spadła poniżej minimalnego poziomu wymaganego do utrzymania akceptowalnego CNR w następnym węźle lub wzmacniaczu. Wzmacniacze te muszą równoważyć wzmocnienie, moc wyjściową i współczynnik szumów – współczynnik szumów jest szczególnie krytyczny, ponieważ każdy stopień wzmacniacza liniowego dodaje szum wzmocnionej emisji spontanicznej (ASE), który gromadzi się wzdłuż ścieżki optycznej i ostatecznie ogranicza osiągalny CNR w węźle światłowodowym. Wzmacniacze liniowe do transmisji HFC zazwyczaj zapewniają wzmocnienie 15–25 dB przy mocy wyjściowej od 13 do 17 dBm i współczynniku szumów 5–7 dB. Wielostopniowe wzmacniacze liniowe z dostępem do środkowego stopnia — umożliwiające wstawienie tłumików optycznych lub filtrów spłaszczających wzmocnienie między stopniami wzmocnienia — osiągają niższe efektywne wartości szumów niż konstrukcje jednostopniowe przy równoważnej mocy wyjściowej.

Wzmacniacze sterujące węzłem (przedwzmacniacze)

Wzmacniacze sterujące węzłem, czasami nazywane wzmacniaczami dystrybucyjnymi lub wzmacniaczami linii optycznej (OLA), są umieszczane tuż przed węzłem światłowodowym lub punktem rozdzielacza optycznego w celu wzmocnienia sygnału do poziomu wymaganego do jednoczesnego sterowania wieloma wyjściami węzła znajdującego się dalej. Wzmacniacze te charakteryzują się dużą mocą wyjściową w połączeniu z wystarczającym wzmocnieniem, aby działać przy niskich poziomach mocy wejściowej - muszą zapewniać odpowiednią moc wyjściową nawet wtedy, gdy moc wejściowa spadnie do -3 do -10 dBm po długiej rozpiętości światłowodu. Specyfikacje mocy wyjściowej wzmacniaczy sterujących węzłami wahają się od 17 do 27 dBm w konfiguracjach o dużej mocy, przy czym niektóre produkty premium z serii wzmacniaczy optycznych 1550 nm osiągają 30 dBm w celu zapewnienia dużych współczynników podziału optycznego w przypadku gęstych węzłów.

Kluczowe specyfikacje wydajności i ich wpływ na projekt sieci HFC

Wybór odpowiedniego wzmacniacza optycznego 1550 nm do aplikacji HFC wymaga jasnego zrozumienia specyfikacji wydajności opublikowanych w arkuszach danych producenta oraz tego, jak każdy parametr przekłada się na rzeczywiste zachowanie sieci. Poniższa tabela podsumowuje najważniejsze specyfikacje wzmacniacza i ich konsekwencje dla projektu sieci:

Na szczególną uwagę zasługuje współczynnik szumów, ponieważ jego wpływ jest złożony poprzez kaskadowe łańcuchy wzmacniaczy. Każdy stopień wzmacniacza dodaje szum ASE, a całkowita akumulacja szumu optycznego określa CNR w węźle światłowodowym – parametr, który ostatecznie określa jakość sygnałów RF rozprowadzanych w koncentrycznej części instalacji HFC. Aby utrzymać odpowiednią wydajność kompozytowego drugiego rzędu (CSO), kompozytowego potrójnego uderzenia (CTB) i wielkości wektora błędu (EVM) dla kanałów DOCSIS 3.1 OFDM, zwykle wymagany jest współczynnik CNR wynoszący co najmniej 52 dB w węźle światłowodowym. Inżynierowie sieciowi muszą wykonać kaskadowe obliczenia współczynnika szumu na wszystkich stopniach wzmacniacza, od stacji czołowej do węzła, aby sprawdzić zgodność z CNR przed sfinalizowaniem rozmieszczenia i specyfikacji wzmacniacza.

Umiejscowienie wzmacniacza optycznego w architekturze węzła HFC

Architektura nowoczesnych sieci HFC znacznie ewoluowała wraz z wprowadzeniem węzła 0 (głęboki światłowód), architektury dostępu rozproszonego (DAA) i zdalnych wdrożeń PHY/zdalnych MACPHY, a wszystko to zmienia się tam, gdzie są umieszczane wzmacniacze optyczne i jaką wydajność muszą zapewniać. Zrozumienie, w jaki sposób rozmieszczenie wzmacniaczy odpowiada zmieniającym się architekturom, jest niezbędne dla inżynierów modernizujących istniejącą instalację HFC w celu obsługi DOCSIS 3.1 i przyszłych usług DOCSIS 4.0.

Tradycyjna architektura typu „fibre-to-the-node”.

W tradycyjnej architekturze HFC pojedynczy nadajnik optyczny o dużej mocy 1550 nm na stacji czołowej steruje instalacją światłowodową poprzez szereg rozdzielaczy optycznych i wzmacniaczy liniowych w celu obsługi wielu węzłów światłowodowych, z których każdy obsługuje 500–2000 gospodarstw domowych. Wzmacniacze optyczne są umieszczane w odstępach określonych na podstawie skumulowanego tłumienia światłowodu i podzielonych strat, aby utrzymać odpowiednią moc wejściową w każdym dalszym węźle. Typowa konfiguracja wykorzystuje wzmacniacz wzmacniający stacji czołowej napędzający główny rozdzielacz 1:4 lub 1:8, ze wzmacniaczami liniowymi umieszczonymi 15–30 km w dół, aby skompensować tłumienie pasma światłowodu, zanim dodatkowe rozgałęźniki zasilą poszczególne węzły światłowodowe. Ta topologia drzewa gwiazdowego jest zoptymalizowana pod kątem ekonomicznej budowy instalacji światłowodowych, ale koncentruje znaczne wzmocnienie wzmacniacza w długich kaskadach, które stanowią wyzwanie dla wydajności CNR.

Architektury głębokiego i rozproszonego dostępu światłowodowego

Głębokie architektury światłowodowe przybliżają światłowód do klienta, zmniejszając obszar obsługiwanych węzłów do 50–150 mijanych domów i eliminując większość kaskady wzmacniaczy koncentrycznych. Zdalne wdrożenia PHY i zdalne MACPHY DAA przenoszą przetwarzanie warstwy fizycznej DOCSIS ze stacji czołowej do węzła światłowodowego, który teraz zawiera aktywną elektronikę cyfrową zasilaną przez infrastrukturę światłowodową. Architektury te znacząco zmieniają wymagania dotyczące transmisji optycznej: poszczególne długości fal światłowodów lub kanały WDM przenoszą dedykowane sygnały cyfrowe do każdego zdalnego węzła, a seria wzmacniaczy optycznych 1550 nm musi obsługiwać działanie WDM z płaskim wzmocnieniem we wszystkich aktywnych kanałach jednocześnie. Moduły EDFA o dużej mocy, kompatybilne z WDM, ze zintegrowanymi filtrami spłaszczającymi wzmocnienie i automatyczną kontrolą wzmocnienia (AGC) są wymagane do utrzymania stałych poziomów mocy na kanał podczas dodawania lub usuwania węzłów z sieci bez ręcznego ponownego równoważenia układu optycznego.

Praktyczne uwagi dotyczące stosowania wzmacniaczy 1550 nm w zakładach HFC

Pomyślne wdrożenie wzmacniaczy optycznych 1550 nm w sprzęcie transmisyjnym HFC wymaga zwrócenia uwagi na kilka praktycznych czynników inżynieryjnych i operacyjnych, które nie są ujęte wyłącznie w specyfikacjach arkusza danych. Wydajność w terenie może znacznie odbiegać od wydajności laboratoryjnej, gdy wzmacniacze są instalowane w rzeczywistych środowiskach sieciowych o zmiennej jakości włókien, problemach z czystością złączy i cyklami termicznymi w obudowach zewnętrznych.

• Czystość i kontrola złączy: Złącza optyczne na portach wejściowych i wyjściowych wzmacniacza są najczęstszym źródłem nieoczekiwanych strat wtrąceniowych i degradacji sygnału w rozmieszczonych instalacjach optycznych HFC. Zanieczyszczone złącze APC może zwiększyć tłumienność wtrąceniową o 1–3 dB i generować odbicia wsteczne, które destabilizują pracę wzmacniacza. Wszystkie złącza należy sprawdzić za pomocą sondy do inspekcji włókien i oczyścić odpowiednimi narzędziami przed podłączeniem – za każdym razem, bez wyjątku. Operatorzy powinni utrzymywać czystość wszystkich złączy wzmacniacza zgodnie z IEC 61300-3-35, stopień B lub wyższy.
• Automatyczna kontrola wzmocnienia i automatyczna kontrola mocy: Wzmacniacze optyczne HFC powinny zawierać obwód AGC lub układ automatycznej kontroli mocy (APC), który utrzymuje stałą moc wyjściową, gdy poziomy sygnału wejściowego zmieniają się w wyniku zmian w instalacji światłowodowej, zmian strat wywołanych temperaturą lub rekonfiguracji sieci nadrzędnej. Bez AGC/APC zmniejszenie mocy wejściowej — spowodowane degradacją światłowodu, starzeniem się złącza lub zmianami ścieżki optycznej — powoduje proporcjonalne zmniejszenie mocy wyjściowej, które przepływa kaskadowo przez wzmacniacze znajdujące się dalej i zmniejsza CNR w węzłach światłowodowych. Określanie wzmacniaczy o stabilności mocy wyjściowej ± 0,5 dB w pełnym zakresie roboczym mocy wejściowej jest standardową praktyką w przypadku niezawodnych instalacji optycznych HFC.
• Izolacja optyczna i zarządzanie odbiciami wstecznymi: Stymulowane rozpraszanie Brillouina (SBS) i rozpraszanie wsteczne Rayleigha w długich włóknach generują szum optyczny, który może ponownie przedostać się do stopni wzmacniacza i pogorszyć jego wydajność. Wzmacniacze wzmacniające dużej mocy działające powyżej 17 dBm muszą zawierać izolatory optyczne zarówno na portach wejściowych, jak i wyjściowych, a konstrukcja instalacji światłowodowej musi uwzględniać wystarczający margines strat optycznych. Złącza polerowane APC (ORL zwykle > 60 dB) i złącza spawane (ORL > 60 dB) są zdecydowanie preferowane w porównaniu ze złączami UPC (ORL zwykle 45–50 dB) w systemach transmisji o dużej mocy 1550 nm.
• Zarządzanie ciepłem w obudowach zewnętrznych: Wzmacniacze optyczne HFC stosowane w zewnętrznych cokołach lub obudowach anten działają w wielu regionach geograficznych w zakresie temperatur otoczenia od -40°C do 60°C. Diody laserowe pompy wzmacniającej — źródła 980 nm lub 1480 nm, które napędzają wzmocnienie EDFA — to elementy wrażliwe na temperaturę, których moc wyjściowa, długość fali i żywotność zależą od temperatury roboczej. Określenie wzmacniaczy z chłodnicami termoelektrycznymi (TEC) w modułach laserowych pomp i weryfikacja wydajności znamionowej w pełnym zakresie temperatur roboczych ma kluczowe znaczenie dla niezawodnego wdrożenia na zewnątrz. Wiodący producenci serii wzmacniaczy optycznych HFC oferują obecnie rozszerzone zakresy temperatur roboczych od -40°C do 65°C, aby wyraźnie spełnić ten wymóg.
• Zarządzanie siecią i zdalne monitorowanie: Nowoczesna seria wzmacniaczy optycznych 1550 nm do zastosowań HFC obejmuje interfejsy zarządzania siecią kompatybilne z SNMP, monitorowanie mocy optycznej na portach wejściowych i wyjściowych, telemetrię prądu i temperatury lasera pompy oraz wyjścia alarmowe w przypadku warunków poza zakresem. Zintegrowanie zarządzania wzmacniaczami z systemem zarządzania stacją czołową (HMS) lub systemem zarządzania elementami (EMS) operatora kablowego umożliwia proaktywną identyfikację usterek przed wystąpieniem awarii mających wpływ na usługę i zapewnia dane dotyczące trendów wydajności potrzebnych do zaplanowania konserwacji zapobiegawczej, zanim degradacja komponentów osiągnie progi końca życia.

Wybór odpowiedniej serii wzmacniaczy optycznych 1550 nm dla Twojej sieci HFC

Mając pełną wiedzę na temat typów wzmacniaczy, specyfikacji wydajności i zagadnień związanych z wdrażaniem, inżynierowie sieci mogą systematycznie podchodzić do wyboru wzmacniacza. Proces selekcji powinien przebiegać według określonej sekwencji kroków, które przekładają wymagania projektu sieci na specyfikacje produktu:

• Określ budżet łącza optycznego: Oblicz całkowitą stratę od nadajnika stacji czołowej do najdalszego węzła światłowodowego, włączając tłumienie pasma światłowodu, straty na spawach, straty na złączach i straty na wtrąceniu rozdzielacza optycznego. Budżet łącza określa całkowite wzmocnienie wymagane na wszystkich stopniach wzmacniacza łącznie i ustala moc wyjściową wymaganą od każdego pojedynczego wzmacniacza w oparciu o jego położenie w łańcuchu.
• Oblicz CNR w węźle światłowodowym: Korzystając z kaskadowego współczynnika szumów wszystkich stopni wzmacniacza od stacji czołowej do węzła, oblicz optyczny współczynnik SNR dostępny na wejściu fotodetektora węzła. Konwertuj na RF CNR, korzystając z indeksu modulacji, głębokości modulacji optycznej sygnału RF i czułości fotodetektora. Sprawdź, czy obliczony CNR spełnia minimum wymagane dla modulacji najwyższego rzędu stosowanej w instalacji RF — zazwyczaj 256-QAM OFDM dla DOCSIS 3.1, wymagające CNR powyżej 52–54 dB.
• Sprawdź kompatybilność WDM, jeśli ma to zastosowanie: W przypadku sieci korzystających z wielu długości fali na pojedynczym włóknie należy sprawdzić, czy wybrana seria wzmacniaczy zapewnia płaskie wzmocnienie na wszystkich długościach fal roboczych jednocześnie oraz że dostępne są opcje filtrów spłaszczających wzmocnienie w przypadku kaskadowych konfiguracji wielu wzmacniaczy, w których akumulacja nachylenia wzmocnienia w przeciwnym razie spowodowałaby niedopuszczalną nierównowagę mocy kanału.
• Potwierdź specyfikacje fizyczne i środowiskowe: Dopasuj formę wzmacniacza — kartę w obudowie do montażu w stojaku, samodzielną jednostkę 1U lub stojak do montażu na zewnątrz — do dostępnej infrastruktury instalacyjnej. Sprawdź zakres temperatur roboczych, opcje napięcia zasilania, stopień ochrony przed wnikaniem w przypadku zastosowania na zewnątrz oraz zgodność z odpowiednimi normami, w tym IEC 60825 dotyczącym bezpieczeństwa lasera i Telcordia GR-1312 w zakresie kwalifikacji niezawodności EDFA.