HFC伝送装置における1550nm光増幅器の使用

1550 nm が HFC 光伝送の主波長である理由

ハイブリッド ファイバー同軸 (HFC) ネットワークは、世界中の何億もの加入者に対するケーブル テレビとブロードバンド インターネット配信のバックボーンを形成しています。これらのネットワークでは、光ファイバーがケーブル ヘッドエンドからサービス エリア全体に分散されたファイバー ノードまでブロードバンド信号を伝送し、そこで光信号が RF に変換され、同軸ケーブルを介して各家庭や企業に配信されます。この光伝送セグメントの動作波長として 1550 nm を選択することは任意ではありません。これは、長距離光伝送の経済性とパフォーマンスを定義する 2 つの決定的な物理的利点の産物です。標準的なシングルモード ファイバは、約 1550 nm で絶対最小の減衰を示し、一般的な損失は 0.18 ～ 0.20 dB/km ですが、短距離アプリケーションで使用される 1310 nm ウィンドウでは 0.35 dB/km です。このファイバ損失の削減は、増幅器のスパンの延長、光増幅段の削減、およびプラント 1 キロメートルあたりのインフラストラクチャ コストの削減に直接つながります。

2 番目の決定的な利点は、エルビウム添加ファイバ増幅器 (EDFあ) が利用できることです。これは、どちらも 1550 nm の伝送窓を中心とする 1530 ～ 1570 nm の C バンドと 1570 ～ 1620 nm の L バンドで正確に動作する、実用的で信頼性が高く、コスト効率の高い光増幅器です。 EDFA は、初期の再生中継器技術で必要とされた、コストが高く遅延の原因となる光電光 (OEO) 変換を行わずに直接光増幅を可能にすることで、長距離光伝送を変革しました。特に HFC ネットワークの場合、低ファイバ損失と EDFA 増幅の組み合わせにより、増幅ステージ間で 40 ～ 100 km の光伝送スパンが可能になり、ケーブル事業者は、短波長の代替手段と比較してノード インフラストラクチャを大幅に削減して、集中ヘッドエンド施設から大規模な地理的サービス エリアにサービスを提供できるようになります。

HFC システムにおける 1550 nm 光増幅器の動作

A 1550nm光増幅器 HFC 伝送システムでは、ファイバー上を伝送される光信号を電気信号に変換せずに直接増幅することで機能します。主要な技術はエルビウムドープファイバ増幅器であり、コアにエルビウムイオン（Er3⁺）がドープされた短い光ファイバを使用します。エルビウムがドープされたファイバーが 980 nm または 1480 nm の高出力レーザー光で励起されると、エルビウム イオンがより高いエネルギー状態に励起されます。 1550 nm の信号光子がドープされたファイバーを通過すると、励起されたエルビウム イオンが刺激されて、まったく同じ波長と位相で追加の光子が放出されます。このプロセスは誘導放出と呼ばれ、コヒーレントな光利得を生成します。このゲイン メカニズムにより、C バンド全体にわたる帯域幅にわたって信号が増幅され、EDFA が単一波長 HFC 伝送と、単一のファイバ上で複数のチャネルを同時に伝送する波長分割多重 (WDM) システムの両方に対応できるようになります。

一般的な HFC 光プラントでは、ヘッドエンド トランスミッタは、1550 nm で動作する直接変調または外部変調レーザーを使用して、結合された RF 信号スペクトル (DOCSIS 3.1 システムの場合は 5 MHz ～ 1.2 GHz にわたる場合があります) を光信号に変換します。この信号はその後、ファイバー配線プラントに送信されます。信号パワーがファイバー ノードで搬送波対雑音比 (CNR) を低下させるレベルまで減衰した場合、光増幅器がインラインに挿入され、信号パワーが必要なレベルに回復されます。増幅された信号は、ファイバ ノードに到達するまで追加のファイバ スパンを通過し、そこで光検出器が信号を RF 電気信号に変換してネットワークの同軸部分に配信します。

HFC伝送に使用される1550nm光増幅器の種類

HFC ネットワークで使用される 1550 nm 光アンプ製品ファミリには、光伝送アーキテクチャ内のさまざまな位置に最適化されたいくつかの異なるアンプ構成が含まれています。各タイプがどこに適用されるか、およびそれぞれを定義するパフォーマンス特性を理解することは、HFC 光プラントを設計またはアップグレードするネットワーク エンジニアにとって不可欠です。

ブースターアンプ（ポストアンプ）

ブースター増幅器は、ファイバー配電プラントへの発射出力を増加させるために、ヘッドエンド送信機の直後に配置されます。送信機からの入力信号はすでに比較的高い電力レベルにあるため、ブースター アンプは低雑音指数ではなく高出力電力向けに設計されています。HFC ブースター アンプの一般的な出力電力仕様の範囲は、高スプリットまたは分散アクセス アーキテクチャ (DAA) の展開では 17 dBm ～ 23 dBm 以上です。ブースタ増幅器の主な機能は、異なるサービス エリア セグメントにサービスを提供する複数のファイバ パスに信号を分割する光スプリッタの挿入損失と、最初のファイバ スパンの減衰を補償することです。 1:8 光スプリッタ (約 9 dB の分割損失) を駆動する 20 dBm 出力のヘッドエンド ブースター アンプは、8 つの出力ファイバ パスのそれぞれに約 11 dBm を送り出します。これは、追加の増幅が必要になる前に 25 ～ 40 km のスパンを駆動するのに十分な量です。

インラインアンプ

インライン増幅器は、信号パワーが次のノードまたは増幅器で許容可能な CNR を維持するために必要な最小レベルを下回る長距離ファイバー スパンの中間点に配置されます。これらの増幅器は、利得、出力パワー、および雑音指数のバランスをとる必要があります。各インライン増幅段では、光路に沿って蓄積する増幅自然放出（ASE）ノイズが追加され、最終的にはファイバ ノードで達成可能な CNR が制限されるため、雑音指数が特に重要です。 HFC 送信用のインライン アンプは通常、15 ～ 25 dB のゲイン、13 ～ 17 dBm の出力電力、および 5 ～ 7 dB の雑音指数を提供します。中間段アクセスを備えた多段インライン アンプは、利得段間に光減衰器または利得平坦化フィルタを挿入できるため、同等の出力パワーで単段設計よりも低い実効雑音指数を実現します。

ノード駆動アンプ（プリアンプ）

ノード駆動増幅器は、分配増幅器または光回線増幅器 (OLA) とも呼ばれ、ファイバー ノードまたは光スプリッタ ポイントの直前に配置され、複数のダウンストリーム ノード出力を同時に駆動するのに必要なレベルまで信号を増幅します。これらのアンプは、低い入力電力レベルから動作するのに十分なゲインと組み合わされた高出力電力機能を特徴としています。長いファイバ スパンの後に入力電力が -3 ～ -10 dBm に低下した場合でも、適切な出力を提供する必要があります。ノード駆動アンプの出力パワー仕様は、高出力構成で 17 ～ 27 dBm の範囲であり、1550 nm 光アンプ シリーズの一部のプレミアム製品は、高密度ノード展開に対応する大き​​な光分割比を駆動するために 30 dBm に達します。

主要なパフォーマンス仕様とそれが HFC ネットワーク設計に与える影響

HFC アプリケーションに適切な 1550 nm 光アンプを選択するには、メーカーのデータシートに公開されている性能仕様と、各パラメータが実際のネットワーク動作にどのように変換されるかを明確に理解する必要があります。次の表は、アンプの重要な仕様とネットワーク設計への影響をまとめたものです。

雑音指数は、カスケード接続されたアンプチェーンを通じてその影響がさらに増大するため、特に注意が必要です。各増幅段は ASE ノイズを追加し、光ノイズの合計の蓄積によってファイバ ノードでの CNR が決まります。このパラメータが、HFC プラントの同軸部分に分配される RF 信号の品質を最終的に設定します。 DOCSIS 3.1 OFDM チャネルの適切な複合 2 次（CSO）、複合 3 ビート（CTB）、およびエラー ベクトル振幅（EVM）のパフォーマンスを維持するには、通常、ファイバ ノードで少なくとも 52 dB の CNR が必要です。ネットワーク エンジニアは、アンプの配置と仕様を最終決定する前に、ヘッドエンドからノードまでのすべてのアンプ ステージにわたってカスケード雑音指数計算を実行し、CNR 準拠を検証する必要があります。

HFC ノード アーキテクチャにおける光アンプの配置

最新の HFC ネットワークのアーキテクチャは、ノード 0 (ファイバーディープ)、分散アクセス アーキテクチャ (DAA)、およびリモート PHY/リモート MACPHY 展開の導入により大幅に進化しており、これらすべてにより、光アンプが配置される場所と、提供する必要があるパフォーマンスが変わります。 DOCSIS 3.1 および将来の DOCSIS 4.0 サービスをサポートするために既存の HFC プラントをアップグレードするエンジニアにとって、アンプの配置がこれらの進化するアーキテクチャにどのように対応するかを理解することは不可欠です。

従来のFiber-to-the-Nodeアーキテクチャ

従来の HFC アーキテクチャでは、ヘッドエンドにある単一の高出力 1550 nm 光トランスミッタが、一連の光スプリッタとインライン アンプを介してファイバ配電プラントを駆動し、それぞれが通過する 500 ～ 2,000 世帯にサービスを提供する複数のファイバ ノードにサービスを提供します。光増幅器は、各ダウンストリーム ノードで適切な入力パワーを維持するために、蓄積されたファイバ減衰と分割損失によって決定される間隔で配置されます。一般的な構成では、1:4 または 1:8 のプライマリ スプリッタを駆動するヘッドエンド ブースタ アンプを使用し、インライン アンプを 15 ～ 30 km 下流に配置して、セカンダリ スプリッタが個々のファイバ ノードに信号を供給する前にファイバ スパンの減衰を補償します。このスターツリー トポロジは、経済的なファイバ プラント構築用に最適化されていますが、CNR パフォーマンスに課題をもたらす長いカスケードに重要なアンプ ゲインが集中します。

ファイバーディープおよび分散アクセスアーキテクチャ

ファイバーディープアーキテクチャにより、ファイバーが顧客の近くに押し出され、ノードのサービスエリアが通過する家庭の数 50 ～ 150 に削減され、同軸アンプのカスケードの大部分が排除されます。リモート PHY およびリモート MACPHY DAA の展開により、DOCSIS 物理層の処理がヘッドエンドからファイバー ノードに移動され、ファイバー インフラストラクチャを介して電力供給されるアクティブなデジタル エレクトロニクスが組み込まれるようになりました。これらのアーキテクチャは、光伝送の要件を大幅に変更します。個々のファイバ波長または WDM チャネルは専用のデジタル信号を各リモート ノードに伝送し、1550 nm 光アンプ シリーズは、すべてのアクティブ チャネルにわたって同時にフラット ゲインで WDM 動作をサポートする必要があります。統合されたゲイン平坦化フィルタと自動ゲイン制御 (AGC) を備えたハイパワー WDM 互換 EDFA は、光プラントの手動リバランスを行わずにネットワークにノードが追加または削除されるときに、一貫したチャネルごとのパワー レベルを維持する必要があります。

HFC プラントに 1550 nm 増幅器を導入するための実際的な考慮事項

HFC 伝送装置に 1550 nm 光アンプを導入するには、データシートの仕様だけでは把握できないいくつかの実際的なエンジニアリングおよび運用上の要素に注意を払う必要があります。可変のファイバー品質、コネクタの清浄度の問題、および屋外エンクロージャでの熱サイクルが存在する実際のネットワーク環境にアンプを設置すると、フィールドのパフォーマンスが実験室で特性化されたパフォーマンスから大幅に逸脱する可能性があります。

• コネクタの清潔さと検査: アンプの入力ポートと出力ポートの光コネクタは、導入された HFC 光プラントにおいて予期せぬ挿入損失と信号劣化の最も一般的な原因です。 APC コネクタが汚れていると、挿入損失が 1 ～ 3 dB 増加し、アンプの動作を不安定にする後方反射が発生する可能性があります。例外なく、接続前にすべてのコネクタをファイバー検査プローブで検査し、適切なツールで清掃する必要があります。オペレータは、すべてのアンプ コネクタ インターフェイスにおいて IEC 61300-3-35 グレード B 以上の清浄度を維持する必要があります。
• 自動ゲイン制御と自動パワー制御: HFC 光アンプには、ファイバー プラントの変更、温度による損失の変動、または上流のネットワークの再構成によって入力信号レベルが変化しても、一定の出力パワーを維持する AGC または自動パワー制御 (APC) 回路を組み込む必要があります。 AGC/APC を使用しないと、ファイバの劣化、コネクタの老朽化、または光パスの変更によって入力パワーが低下すると、それに比例して出力パワーも低下し、それが下流のアンプにカスケード接続され、ファイバ ノードでの CNR が低下します。全入力パワー動作範囲にわたって±0.5 dB の出力パワー安定性を備えたアンプを指定することは、信頼性の高い HFC 光プラントの標準的な手法です。
• 光学的分離と後方反射の管理: 長いファイバ スパンにおける誘導ブリルアン散乱 (SBS) とレイリー後方散乱は光ノイズを生成し、増幅段に再侵入して性能を低下させる可能性があります。 17 dBm 以上で動作する高出力ブースター アンプには、入力ポートと出力ポートの両方に光アイソレータが含まれている必要があり、ファイバー プラントの設計には十分な光リターン ロス マージンが組み込まれている必要があります。高出力 1550 nm 伝送システムでは、APC 研磨コネクタ (ORL 通常 >60 dB) および融着接続 (ORL >60 dB) が UPC コネクタ (ORL 通常 45 ～ 50 dB) よりも強く推奨されます。
• 屋外エンクロージャの熱管理: 屋外の台座または空中エンクロージャに配置された HFC 光アンプは、多くの地理的地域で -40°C ～ 60°C の周囲温度範囲にさらされます。増幅ポンプ レーザー ダイオード (EDFA ゲインを駆動する 980 nm または 1480 nm 光源) は温度に敏感なコンポーネントであり、その出力パワー、波長、寿命はすべて動作温度に影響されます。ポンプ レーザー モジュールに熱電冷却器 (TEC) を備えたアンプを指定し、全動作温度範囲にわたる定格性能を検証することは、信頼性の高い屋外導入のために不可欠です。現在、この要件に明確に対処するために、-40°C ～ 65°C の拡張動作温度範囲が主要な HFC 光増幅器シリーズ メーカーによって提供されています。
• ネットワーク管理とリモート監視: HFC アプリケーション向けの最新の 1550 nm 光アンプ シリーズには、SNMP 互換のネットワーク管理インターフェイス、入出力ポートでの光パワー モニタリング、ポンプ レーザーの電流と温度のテレメトリ、および範囲外の状態に対するアラーム出力が組み込まれています。アンプ管理をケーブル事業者のヘッドエンド管理システム (HMS) またはエレメント管理システム (EMS) に統合すると、サービスに影響を与える障害が発生する前に事前に障害を特定できるようになり、コンポーネントの劣化が寿命のしきい値に達する前に予防保守をスケジュールするために必要なパフォーマンス傾向データが提供されます。

HFC ネットワークに適した 1550 nm 光アンプ シリーズの選択

アンプのタイプ、性能仕様、展開上の考慮事項を明確に理解することで、ネットワーク エンジニアはアンプの選択に体系的に取り組むことができます。選択プロセスは、ネットワーク設計要件を製品仕様に変換する、定義された一連のステップに従う必要があります。

• 光リンクのバジェットを決定します。 ヘッドエンド トランスミッタから最も遠いファイバ ノードまでの合計損失を計算します。これには、ファイバ スパンの減衰、接続損失、コネクタ損失、光スプリッタの挿入損失が含まれます。このリンク バジェットは、結合されたすべての増幅段から必要な合計ゲインを決定し、チェーン内の位置に基づいて個々の増幅器に必要な出力電力を確立します。
• ファイバー ノードでの CNR を計算します。 ヘッドエンドからノードまでのすべての増幅段のカスケード雑音指数を使用して、ノードの光検出器入力で利用可能な光 SNR を計算します。変調指数、RF 信号の光変調深さ、および光検出器の応答性を使用して RF CNR に変換します。計算された CNR が、RF プラントで使用される最高次変調に必要な最小要件（通常は DOCSIS 3.1 の 256-QAM OFDM）を満たしていることを確認します。これには 52 ～ 54 dB を超える CNR が必要です。
• 該当する場合は、WDM の互換性を確認します。 単一のファイバ上で複数の波長を使用するネットワークの場合は、選択したアンプ シリーズがすべての動作波長にわたって同時にフラット ゲインを提供すること、およびゲイン チルトの蓄積により許容できないチャネル パワーの不均衡が発生するカスケード マルチアンプ構成にゲイン平坦化フィルタ オプションが利用可能であることを確認してください。
• 物理的および環境的仕様を確認します。 アンプのフォーム ファクター (ラックマウント シャーシ カード、スタンドアロン 1U ユニット、または屋外ペデスタル マウント) を利用可能な設置インフラストラクチャに合わせます。動作温度範囲、電源電圧オプション、屋外展開の侵入保護定格、およびレーザーの安全性に関する IEC 60825 や EDFA の信頼性認定に関する Telcordia GR-1312 などの関連規格への準拠を確認します。