EDFA vs Raman vs SOA : Guide de sélection des amplificateurs optiques

EDFA, Raman et SOA sont trois manières différentes de créer un gain optique. Ils ne doivent pas être classés selon un seul numéro de titre. Le choix correct dépend de la longueur d'onde du signal, de la position de l'amplificateur dans le réseau, de la puissance de sortie requise, du rapport signal/bruit optique, de la charge du canal, des limites non linéaires et de la complexité opérationnelle.

Pour le DWDM conventionnel en bande C ou en bande L, un amplificateur à fibre dopée à l'erbium spécifique à une bande est normalement la première technologie évaluée. L'amplification Raman distribuée devient pertinente lorsqu'une portée soigneusement modélisée nécessite un profil de puissance longitudinal différent ou une marge OSNR efficace supplémentaire. Un amplificateur optique à semi-conducteur à pompage électrique classique est intéressant lorsque sa taille compacte, sa dynamique de gain rapide, sa flexibilité en longueur d'onde ou son intégration photonique sont plus importantes que la duplication du comportement d'un amplificateur à fibre de qualité ligne.

Ce guide se concentre sur la sélection technique plutôt que de répéter chaque définition de base. Les lecteurs ayant besoin d'une introduction peuvent commencer parprincipes fondamentaux de l'amplificateur optique.

Résumé de la sélection rapide

Il s'agit d'un tableau de sélection et non d'une spécification de produit. Les valeurs finales doivent provenir de la fiche technique de l'amplificateur, du plan complet des canaux et de la vérification au niveau du système.

La technologie de l'amplificateur et le rôle du réseau sont des décisions différentes

EDFA, Raman et SOA décrivent comment le gain optique est produit :

• EDFA :émission stimulée dans une fibre dopée à l'erbium alimentée par une pompe optique.
• Amplificateur Raman :diffusion Raman stimulée dans la fibre de transmission ou dans une fibre à gain Raman dédiée.
• SOA :émission stimulée dans un guide d'ondes semi-conducteur, normalement alimenté par un courant électrique dans les appareils commerciaux conventionnels.

Booster, en ligne et préamplificateur décrivent où un amplificateur est déployé :

• A amplificateuraugmente la puissance à proximité de l'émetteur ou après un multiplexeur avec perte.
• Unamplificateur en lignecompense la perte de portée et de nœud entre les points de terminaison.
• A préamplificateurémet un signal faible avant le récepteur.

Un EDFA peut être construit pour l’un de ces trois rôles. Une pompe Raman peut fournir un gain de ligne distribué, tandis qu'un SOA peut servir de bloc de gain compact lorsque sa longueur d'onde et ses performances correspondent au sous-système. Le guide du FOCC pourbooster, ligne et préamplificateursexplique les positions de déploiement plus en détail.

Le courantRecommandation UIT-T G.661fournit des définitions génériques des paramètres d'amplificateur optique et des méthodes de test. C'est une meilleure base pour comparer les fiches techniques que les étiquettes informelles telles que « gain élevé » ou « faible bruit ».

Comparaison entre EDFA, Raman et SOA

Où un EDFA convient le mieux

Un EDFA utilise une fibre pompée dopée à l'erbium comme milieu de gain. Les ensembles pratiques comprennent également des combineurs de pompes, des isolateurs, des filtres, des photodiodes de surveillance et des composants électroniques de contrôle. Un filtre d'aplatissement du gain peut être nécessaire lorsque de nombreux canaux WDM doivent quitter l'amplificateur avec une puissance relative contrôlée.

Un EDFA spécifique à une bande est normalement la première technologie évaluée pour les applications conventionnelles en bande C ou en bande L telles que :

• Amplification booster après un multiplexeur WDM avec perte
• Amplification en ligne dans une étendue DWDM établie
• Préamplification à faible puissance d'entrée
• Distribution par superposition CATV ou PON 1 550 nm
• Amplification en laboratoire à l'intérieur de la bande de gain d'erbium prise en charge

L'article du FOCC surEDFA dans les systèmes WDMdécrit ces rôles de déploiement familiers. Le contexte plus large du réseau est couvert dans le guide mis à jour du site pourTechnologie DWDM.

Ce qui doit être vérifié

Ne comparez pas les EDFA uniquement en fonction du gain maximum en petit signal. Le point de fonctionnement utile dépend de l'entrée minimale et maximale, de la sortie requise, de la sortie saturée, du nombre de canaux, de la puissance par canal, de l'ondulation de gain, du facteur de bruit et du mode de contrôle.

Un EDFA amplifie le signal et le bruit dans la bande qui l'atteignent, puis ajoute une émission spontanée amplifiée, ou ASE. Il ne resynchronise pas, ne remodèle pas et ne reconstruit pas les données transmises. LeRecommandation UIT-T G.663aborde les aspects liés à l'application des dispositifs et sous-systèmes d'amplificateurs optiques dans les systèmes numériques monocanal et multicanal.

Où l'amplification Raman ajoute de la valeur

L'amplification Raman transfère l'énergie d'une pompe au signal via la diffusion Raman stimulée. Dans une conception Raman distribuée, la fibre de transmission devient partie intégrante du support de gain. Dans une conception groupée, une section de fibre dédiée fournit un gain à l'intérieur d'un assemblage discret.

Le courantRecommandation UIT-T G.665classe les amplificateurs Raman et les sous-systèmes amplifiés Raman et définit les caractéristiques pertinentes, les paramètres de performance, les méthodes de test et les considérations de sécurité optique.

Pompage vers l'avant, vers l'arrière et bidirectionnel

Aucune direction de pompe n’est universellement supérieure. Le type de fibre, la longueur de portée, la charge du canal, la puissance de lancement, le transfert de bruit d'intensité relative, les pénalités non linéaires et les contraintes opérationnelles déterminent le résultat.

L'amplification Raman est souvent envisagée pour les liaisons cohérentes contraintes par OSNR, les portées étendues, les bandes de gain larges ou personnalisées et les architectures hybrides Raman/EDFA. Aperçu du FOCC surAmplification Raman pour les liaisons longue distancefournit un contexte supplémentaire, tandis quetransmission DWDM longue distanceplace l’amplificateur à l’intérieur du système plus large.

Où une SOA convient le mieux

Un amplificateur optique à semi-conducteur classique utilise une région active semi-conductrice injectée électriquement. Son guide d'onde et ses facettes sont conçus pour fournir un gain d'onde progressive plutôt que de fonctionner comme une cavité laser ordinaire.

Les SOA sont envisagées lorsqu'une conception nécessite un élément de gain compact, un contrôle électrique rapide, une intégration avec d'autres fonctions photoniques, un déclenchement optique, une conversion de longueur d'onde ou une amplification dans une bande non desservie par un EDFA standard. Des matériaux semi-conducteurs et des structures de dispositif peuvent être sélectionnés pour différentes régions de longueur d'onde.

La même dynamique de porteuse rapide qui permet la commutation et la conversion de longueur d'onde peut produire une compression de gain, une modulation de gain croisée, une modulation de phase croisée, un mélange à quatre ondes, des effets de motif et une diaphonie de canal. Ces effets peuvent être utiles dans une expérience de traitement optique et inacceptables dans un amplificateur WDM transparent.

Les performances SOA couvrent un large éventail. De nombreux appareils compacts ont une sortie saturée inférieure à celle des amplificateurs à fibre de qualité ligne, mais il existe également des conceptions à haute puissance et à faible bruit. Par exemple, unDocument IEEE sur une SOA intégrée monolithiquement en deux étapesrapporte une conception ciblant une sortie à saturation élevée, une large bande passante de gain et un faible bruit. Un produit ou un papier ne définit pas toute la classe technologique, la fiche technique réelle et les conditions de fonctionnement restent donc essentielles.

Gain, saturation et puissance par canal

Le gain est la différence entre la puissance de sortie et la puissance d’entrée à un point de fonctionnement défini. Il doit toujours être lu avec la puissance totale maximale et le nombre de canaux actifs.

PourNcanaux WDM de puissance égale, la relation approximative est :

Puissance optique totale en dBm=puissance par canal en dBm + 10 log₁₀(N)

Si un amplificateur atteint sa limite de sortie totale, l'ajout de canaux ne crée pas une sortie supplémentaire illimitée. La puissance disponible est répartie entre les canaux actifs et l'amplificateur peut entrer en compression de gain. Une fiche technique montrant un gain élevé pour une entrée faible ne prouve pas que le même gain est disponible avec un spectre DWDM entièrement chargé.

Tests à pleine charge et à charge partielle

Un amplificateur WDM doit être évalué dans au moins deux états de charge de canal :

• Pleine charge :tous les canaux prévus sont présents, ce qui permet de vérifier la sortie totale, la puissance par canal, l'ondulation du gain et la marge de saturation.
• Chargement partiel :des canaux sont ajoutés ou supprimés, permettant de vérifier le contrôle automatique du gain, le contrôle automatique de la puissance, le comportement transitoire et les excursions de puissance des canaux survivants.

Perte d'unMUX/DEMUX DWDM, les filtres, les prises de surveillance, les connecteurs et les ROADM doivent être inclus avant d'attribuer le gain de l'amplificateur. Le couplage de la pompe et du signal peut également dépendre du composant passif sélectionné ; le guide du site poursélection de coupleur de fibre optiqueexplique les principaux paramètres de l'appareil.

Pourquoi la puissance de sortie ne restaure pas OSNR

Chaque amplificateur localisé ajoute un ASE. Un amplificateur ultérieur renforce à la fois le signal restant et le bruit déjà accumulé dans la bande passante, puis ajoute sa propre contribution au bruit. L'augmentation de la puissance de sortie totale peut satisfaire une exigence de puissance du récepteur alors que l'OSNR reste insuffisant.

Un préamplificateur ne peut donc pas inverser le bruit accumulé plus tôt dans le parcours. Ses performances en matière de bruit sont importantes car le signal d’entrée est déjà faible. Le Raman distribué peut améliorer le comportement efficace du bruit en modifiant l'endroit où le gain se produit et la façon dont la puissance du signal évolue le long de la fibre, mais l'avantage doit être modélisé avec des pénalités non linéaires et le comportement de la pompe.

La fibre de transmission elle-même affecte également le résultat. Les routes de télécommunications conventionnelles utilisent généralement la connectivité monomode OS2, notammentCordons de brassage monomode OS2aux interfaces des équipements. Le type de fibre, l'atténuation, la surface efficace, la dispersion, la perte du connecteur et les réflexions entrent tous dans la conception de l'amplificateur.

Quand une conception hybride Raman/EDFA est justifiée

Raman et EDFA ne sont pas toujours des alternatives concurrentes. Un étage Raman distribué peut fournir un gain tout au long de l'étendue, tandis qu'un EDFA groupé compense la perte de nœuds ou établit la sortie nécessaire pour l'étendue suivante.

Une étude Optica comparantAmplification Raman uniquement et Raman-plus-EDFAont constaté que l'architecture combinée pourrait offrir une plus grande flexibilité de conception et de meilleures performances dans le système WDM longue distance considéré. Cette conclusion est spécifique à l’architecture et ne constitue pas une garantie universelle.

Utilisez une conception hybride uniquement lorsque la modélisation ou la mesure montre qu'une travée uniquement EDFA ne respecte pas la marge requise et que l'amélioration justifie :

• Lasers à pompe supplémentaires et matériel de contrôle
• Commandes de sécurité optique et arrêt automatique
• Analyse non linéaire et du bruit plus complexe
• Procédures supplémentaires de mise en service et de surveillance
• Consommation d'énergie, efforts de maintenance et besoins en pièces de rechange plus élevés

Exemple de sélection conceptuelle

Considérons un projet de liaison DWDM multicanal en bande C. Il s’agit d’une méthode de conception et non d’une affirmation concernant un produit particulier.

1. Construisez le budget des pertes passives.Inclut l'atténuation des fibres, les connecteurs, les épissures, les prises de surveillance, les filtres et la perte MUX/DEMUX.
2. Définir le rôle de l'amplificateur.Décidez si vous avez besoin d'un amplificateur d'émetteur, d'un étage de gain en ligne ou d'un préamplificateur de récepteur.
3. Calculez la plage d’entrée de fonctionnement.Utilisez les conditions de perte de portée minimale et maximale attendue et de charge de canal.
4. Vérifiez l'exigence de production totale.Convertissez la sortie par canal souhaitée en puissance WDM totale avec la relation nombre de canaux ci-dessus.
5. Revoir la saturation et gagner en planéité.Vérifiez que la charge complète ne dépasse pas la région de fonctionnement spécifiée.
6. Évaluez l’OSNR.Incluez l’OSNR de l’émetteur, le bruit de l’amplificateur en cascade, le filtrage, les exigences du récepteur et la marge technique.
7. Commencez par EDFA uniquement.Si une architecture conventionnelle répond aux exigences de sortie, d'OSNR, de transitoire et de marge, la complexité Raman supplémentaire n'est pas justifiée.
8. Évaluez l’hybride Raman/EDFA uniquement si nécessaire.Comparez le profil de puissance amélioré et les performances sonores efficaces avec des pénalités non linéaires, de sécurité, opérationnelles et de coûts.
9. Vérifiez la surcharge du récepteur.Ajoutez une atténuation si nécessaire plutôt que de supposer qu'une puissance optique accrue est toujours bénéfique.

FOCCguide de sélection d'atténuateur à fibre optiqueexplique comment la valeur d'atténuation, la longueur d'onde, le type de connecteur et l'application affectent le choix. Les formats de composants disponibles peuvent être examinés dans legamme d'atténuateurs à fibre optique.

Modèle de spécification d'approvisionnement

Erreurs de sélection courantes