EDFA (エルビウム添加ファイバー増幅器) テクノロジーの説明

エルビウム添加ファイバ増幅器 (EDFA) は、1990 年代初頭以降、光通信ネットワークの主要な技術となっており、現場で導入されているすべての光増幅器の大部分がこれに含まれています。 ここからは EDFA 技術について説明します。EDFA の基礎知識については、Fiber-Mart のチュートリアル「EDFA の原理と応用」を参照してください。

EDFA の基本

EDFAの物理原理

EDFA テクノロジーのポイントは、エルビウムをドープした従来のシリカ ファイバーであるエルビウム ドープ ファイバー (EDF) です。 エルビウムが適切な波長 (980 nm または 1480 nm) で励起されて寿命の長い中間状態になると (下図を参照)、その後 1525 ～ 1565 nm 帯域内の光を放射して基底状態に減衰します。 たとえば信号チャネルが EDF を通過することにより、光エネルギーが 1525 ～ 1565nm 帯域内にすでに存在する場合、これにより減衰プロセス (いわゆる誘導放出) が刺激され、追加の光エネルギーが発生します。 したがって、ポンプ波長と信号波長が EDF を同時に伝播している場合、エルビウムを介してポンプ波長から信号波長へエネルギー移動が発生し、信号が増幅されます。 基本的な EDFA 設計

最も一般的な EDFA には、EDF (通常 10 ～ 30 m)、ポンプ レーザー、および信号とポンプ波長を組み合わせて EDF を通過させるための WDM が含まれます。 原則として、EDFA は、ポンプ エネルギーが信号と同じ方向に伝播するように設計できます (前方ポンピングのみ、信号と反対方向にのみ後方ポンピング)。または、それらを組み合わせる場合、ポンプ エネルギーは 980nm ポンプ エネルギー、1480nm ポンプ エネルギーのいずれかになります。 エネルギーをポンプで送ります。 実際、最も一般的な EDFA 構成は 980nm ポンプ エネルギーを使用します (図を参照)。 この構成は、コスト効果が高く、信頼性が高く、低消費電力の 980nm 半導体ポンプ レーザー ダイオードを最大限に活用し、パフォーマンスとコストのトレードオフに関して最適な全体設計を提供します。

基本的なコンポーネントを除いて、基本的な単段 EDFA で使用される追加の光学コンポーネントと電子コンポーネントも確認できます。 信号は入力ポートを介してアンプに入り、信号パワーのわずかな割合 (通常 1 ～ 2%) を迂回させ、信号はアイソレータを通過した後、980nm ポンプ レーザー ダイオードによって放射されるポンプ エネルギーと結合されます。 。 結合された信号とポンプエネルギーは EDF に沿って伝播し、そこで信号増幅が発生し、増幅された信号は EDF を出て 2 番目のアイソレータを通過します。 光を一方向にのみ通過させる 2 つのアイソレータの目的は、EDF 内でレーザー発振が発生しないようにすることです。 さらに、出力アイソレータは、順方向に伝播する 980nm 光のフィルタとしても機能し、980nm 光がアンプの出力ポートから出るのを防ぎます。 マルチチャネル WDM アンプでは、ゲイン スペクトルを平坦化するために、通常、出力アイソレータの後にゲイン平坦化フィルタ (GFF) が配置されます (次の図を参照)。 GFF の減衰スペクトルは、EDF (特定の固定ゲインで動作) のゲイン スペクトルと一致するように設計されており、この 2 つの組み合わせによりフラットなゲインが得られます。 GFF に続いて、信号は出力タップを通過します。出力タップは、出力電力のわずかな割合 (通常 1 ～ 2%) を出力検出器に転送するために使用されます。 出力検出器と入力検出器は、それぞれ入力パワーと出力パワーを監視するために使用され、制御ユニットにフィードバックを提供します。制御ユニットは、ポンプ レーザー電流、つまり EDF に注入されるポンプ パワーの量を設定することによって増幅器を制御します。 制御ユニットは、たとえば RS232 インターフェイスを介した外部通信も提供します。

EDFA制御

AGC と APC は EDFA の共通のオペレーティング システムです。 AGC モードでは、アンプのゲインは一定に保たれ、出力電力も一定に保たれます。 APC モードは一部の単一チャネル アプリケーションで使用されますが、AGC はより一般的であり、ほとんどの場合マルチチャネル WDM アプリケーションで使用されます。 次の図は、EDFA における AGC の概略図を示しています。 入力および出力検出器からの情報を使用して実際のゲインが計算され、必要なゲインと比較されます。 それに基づいて、実際のゲインを必要なゲインに向けて変更するように調整されます。 これは、アナログまたはデジタル回路を使用して実装できる古典的なフィードバック制御ループです。 制御ループの応答時間は、ポンプ出力の変化に対する EDF の応答によって決まりますが、エルビウム イオンの準安定状態の寿命が長いため、非常に長くなる可能性があります (1ms 以上)。

高度な EDFA 設計

高速過渡現象抑制

先ほど述べたように、EDFA の AGC フィードバック ループは本質的に応答時間が遅く、1 ミリ秒以上のオーダーです。 したがって、入力電力の急激な変化によってこの遅い応答時間中に発生する可能性のあるゲイン過渡現象を抑制するには、フィードフォワード制御ループを使用する必要があります。 この制御ループへの入力は入力検出器からの信号のみであるため、過渡現象が発生し始める前であっても、入力電力の変化を即座に検出し、それに応じてポンプ電力を調整します。 この調整は、所定の必要なゲインに対するポンプ電流と入力電力の間の事前に定義されたおおよその関係を使用して実行されます。 したがって、フィードフォワード制御は迅速で比較的粗い初期応答を提供しますが、フィードバック制御はより遅く細かい応答を提供します。 適切に設計されたフィードバック制御ループとフィードフォワード制御ループを組み合わせると、図に示すように、入力電力の急激な増加または減少の場合でも、100μs の間に最大 1dB の最大オーバーシュートで、あらゆる条件下で安定したゲインを提供できます。 次の図。 可変ゲインEDFA

伝送リンク内のアンプ間の異なるスパン長 (通常は 60 ～ 120 km の範囲) をサポートし、リンクの老朽化 (時間の経過とともにリンク損失が増加する可能性がある) に備えます。 アンプは、可能な限り大きなダイナミック ゲイン レンジをサポートします。つまり、ゲインを広い範囲にわたって動的に設定できるようになります。 シングルチャンネルアンプの場合、これは簡単に達成でき、ほとんどのシングルステージアンプは大きなダイナミックゲインレンジをサポートします。 WDM マルチチャネル アンプの場合、すべてのゲイン値に対してフラットなゲインを維持する必要があるため、状況はさらに複雑になります。 したがって、ほとんどのローエンド WDM アンプは固定ゲイン アンプとして設計されており、あらかじめ設計された所定のゲイン値に対してのみフラット ゲインを提供します。 さまざまなゲイン値をサポートするために、システム設計者は、さまざまなプリセットゲイン値を持つ多数の固定ゲインアンプを使用するか、固定ゲインアンプの前に可変光減衰器 (VOA) を配置します。 前者のソリューションでは、さまざまなアンプに異なる部品番号が必要なため、在庫管理や予備などの運用上の問題が複雑になります。一方、後者のソリューションでは、OSNR が大幅に低下するため、200 ～ 300 km を超えるリンクには適していません。 これらの欠点は、可変ゲイン WDM アンプを使用することで解決できます。 可変ゲイン EDFA は通常、適切な GFF を使用して必要なゲイン範囲の上部でフラットなゲインを持つように設計されていますが、VOA は一定範囲のゲイン値を達成するためにすべてのチャネルを均一に減衰するために使用されます。 VOA がアンプの入力に配置されると、NF が大幅に劣化します。 一方、VOA がアンプの出力に配置されている場合は、高いポンプ出力が必要となり、アンプのコストが増加します。 したがって、図 6 に示すように、VOA を 2 つの増幅サブステージの間に配置する必要があります。通常、2 つのゲインステージは 1 つのポンプによってポンプされ、ポンプパワーはステージ間で分割され、制御ループがゲインを制御します。 アンプ全体（ゲインサブステージとVOAの両方）。 各サブステージの EDF 長と指定ポンプ パワーを慎重に設計することにより、固定ゲイン EDFA と比較して総ポンプ パワーのわずかな増加のみで、ゲイン値の範囲にわたって非常に優れた NF 性能を達成することが可能です。 次の図には、可変利得 EDFA の典型的な NF 性能が、VOA が事前に配置された同等の固定利得 EDFA と比較して示されています。 見てわかるように、NF は低ゲイン範囲でわずかに増加するだけであり、VOA を前に配置した代替の固定ゲイン EDFA と比較して、パフォーマンスが大幅に向上していることを示しています。

ミッドステージアクセスを備えたデュアルステージEDFA

最新の光ネットワークでは、光増幅器のほかに、伝送ファイバーの波長分散による信号歪みを補正するために使用される分散補償モジュール (DCM) など、他のコンポーネントもリンクに沿って配置する必要があります。 DCM の減衰は 5 ～ 10 dB の範囲で非常に大きくなる可能性があるため、それに対応するには追加の増幅が必要です。 この追加増幅による OSNR とコストへの影響を最小限に抑えるには、2 つのアンプの間に DCF を配置することが有益です。デュアル ステージ アンプは基本的に 2 つのアンプを 1 つのパッケージに収めたもので、そこに DCM などの光コンポーネントを配置するためのアクセスがあります。 (次の図に示すように) それらの間にあります。 ほとんどの場合、最初のアンプ (プリアンプ) は可変ゲインであり、2 番目のアンプ (ブースター) は固定ゲインであり、アンプ全体が可変ゲイン動作を実現します。 両方のアンプの制御は結合されます。つまり、ユーザーは組み合わせ全体 (DCF を含む) に必要なネットゲインを設定し、コントロールユニットはネットゲインを達成するために 2 つのアンプのそれぞれのゲインを設定します。 アンプは、DCM 損失を考慮して事前に設計されています。 たとえば、両方のアンプの入力検出器のダイナミック レンジはそれに応じて設定され、NF などの光学性能は DCM 損失をすでに考慮して指定されています。 DCM は特殊な分散補償ファイバ (DCF) を使用して実装されることが多いため、増幅器の第 1 段と第 2 段の間に大きな光遅延が発生する可能性があります。 このため、各アンプの過渡抑制は個別に実行する必要があり、その結果、各アンプには独自のポンプと独自のローカル制御メカニズム (ネットゲインの設定に使用される全体制御に加えて) が必要になります。

結論

上記の説明を通じて、光増幅器に利用可能なさまざまな技術の中で、EDFA技術は最も先進的であり、したがって現在までに導入されている光増幅器のほとんどはこの技術に基づいている。 現在では、広いダイナミックゲイン範囲にわたってフラットなゲイン、低ノイズ、高飽和出力電力、優れた過渡現象抑制による安定した動作を提供する広帯域 WDM EDFA を構築することが可能です。 これらの機能は、100x100 mm 未満の小型モジュールで提供され、消費電力はわずか数ワットです。 この優れた信頼性の高いパフォーマンスと比較的低コストの組み合わせにより、EDFA は最新の光ネットワークのほとんどのアプリケーションと機能に対応できます。

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