1550nm EDFA 光増幅器が最新のファイバー ネットワークのバックボーンとなる理由は何ですか?

1550nm EDFA 光増幅器とは何ですか?また、波長が重要なのはなぜですか?

EDFA (エルビウム添加ファイバー増幅器) は、光ファイバー ネットワークを通過する光信号のパワーを、最初に電気的な形式に変換することなく増強する光増幅器です。増幅は完全に光学領域で発生します。エルビウム イオンがドープされたシリカ ファイバーのセクションが、通常 980 nm または 1480 nm のレーザー光で励起され、エルビウム原子がより高いエネルギー状態に励起されます。 1550 nmの信号光子がこのアクティブ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同一の光子（同じ波長、同じ位相、同じ方向）が放出され、誘導放出によって利得が生じます。その結果、透過的な増幅プロセスが実現し、信号を 20 ～ 40 dB ブーストし、ノイズ指数を 3 ～ 5 dB まで低く抑えることができます。

1550 nm の波長は任意ではありません。これは、C バンド (1530 ～ 1565 nm) と L バンド (1565 ～ 1625 nm) の伝送窓の中心に位置し、標準的なシングルモード シリカ ファイバは、約 0.2 dB/km という最も低い減衰を示します。これは、1550 nm の信号は、赤外線範囲の他の波長よりも増幅が必要になるまでに遠くまで伝わることを意味します。エルビウムのピーク利得スペクトルとこの低損失伝送窓の一致は、EDFA 技術を長距離光通信に変革をもたらしたものであり、1550nm EDFA 増幅器が世界中の基幹ファイバー ネットワークで主要なアクティブ コンポーネントである理由でもあります。

1550nm EDFA の仕組み: 内部アーキテクチャ

1550 nm EDFA のコアはエルビウムドープファイバ (EDF) 自体です。これは特別に製造されたファイバのコイル状の部分で、通常長さは 5 ～ 30 メートルで、目標利得係数を達成するためにプリフォーム製造中にエルビウムイオン濃度が慎重に制御されます。 EDF は信号パスに接続され、高出力半導体ポンプ レーザーと同時または逆励起されます。 980 nm での共伝播 (順方向) ポンピングと 1480 nm での逆伝播 (逆方向) ポンピングの選択にはトレードオフが伴います。980 nm ポンピングはより低い雑音指数を生成するため、長いスパン後の最初の増幅段に適しています。 1480 nm ポンピングは、ポンプから信号への電力変換の点でより効率的であり、ブースターやインライン アンプ構成でよく使用されます。

波長分割多重 (WDM) カプラは、EDF に入る前に、ポンプ波長と信号波長を同じファイバ上で結合します。入力に配置されたアイソレータは、後方反射光が利得媒体または上流のレーザー光源を不安定にするのを防ぎます。出力にある 2 番目のアイソレータは、増幅自然放出 (ASE) がネットワーク内に逆方向に伝播するのをブロックします。多くの商用ユニットには、ゲイン平坦化フィルタ (GFF) も含まれています。これは、エルビウムの不均一なゲイン スペクトルを補償する慎重に設計されたパッシブ フィルタで、C バンド内のすべての WDM チャネルがほぼ等しい増幅を確実に受信できるようにします。ゲイン平坦化がないと、1532 nm および 1550 nm 付近のチャネルは帯域端付近のチャネルよりも強く増幅され、長距離システムの複数の増幅段にわたって増幅されるゲイン傾斜が蓄積されます。

1550nm EDFA の主要な内部コンポーネント

• エルビウム添加ファイバー (EDF): アクティブゲイン媒体。長さ、ドーピング濃度、およびコアの形状によって、アンプのゲイン係数、飽和電力、およびノイズ特性が決まります。
• ポンプレーザーダイオード: 通常は、ターゲットのゲインと出力電力の仕様に応じて、出力範囲が 50 mW から 500 mW 以上の範囲の 980 nm または 1480 nm シングルモード レーザーです。
• WDMカプラー: 単一のファイバ上でポンプと信号を結合し、両方の波長で挿入損失を最小限に抑えます。通常、信号パス上で 0.5 dB 未満です。
• 光アイソレータ: 入力と出力に配置され、寄生レージングを防止し、隣接するコンポーネントを後方伝播する ASE または反射から保護します。
• ゲイン平坦化フィルター (GFF): マルチチャネル DWDM システムに不可欠な、C バンド全体で利得を均一にする波長選択性損失要素。
• タップカプラーと光検出器: 入力および出力電力レベルを監視し、自動ゲイン制御 (AGC) または自動レベル制御 (ALC) フィードバック ループを有効にします。
• 制御電子機器: ポンプ レーザー電流を調整して一定のゲインまたは一定の出力パワーを維持し、I²C、RS-232、SNMP over Ethernet などの管理インターフェイスを介してアラームとテレメトリを提供します。

EDFA アンプ構成: ブースター、インライン、プリアンプ

1550 nm EDFA はファイバ リンク内の 3 つの異なる位置に配置されており、各位置は増幅器の主要なパラメータに異なる要件を課します。これらの構成を理解することは、特定のネットワークの役割に適したユニットを選択するために不可欠です。

ブースターアンプは、長いファイバースパンに可能な限り最高の電力を送り込むように設計されています。送信機から適切に調整された信号を受信し、効率的に飽和して 20 dBm 以上の出力パワーをファイバに供給する必要があります。ブースターに入力される信号対雑音比が高いため、中程度の雑音指数 (通常は 5 ～ 7 dB) が許容されます。チェーン内の連続する各 ILA によって、リンクに沿って合成される ASE ノイズが追加されるため、インライン アンプはノイズの蓄積に対してゲインのバランスを取る必要があります。プリアンプは最も厳しいノイズ要件に直面しています。これは、プリアンプが最も弱い信号（最後のアンプから全スパンを伝播した信号）を受信し、受信機が適切な光信号対雑音比（OSNR）で処理できるレベルまで信号を増幅する必要があるためです。

主要なパフォーマンス仕様とその実際の意味

1550 nm EDFA データシートを評価する場合、いくつかのパラメータが一貫して表示されるため、製品間の有効な比較を行うには正確な解釈が必要です。

ゲイン (dB) は、入力信号パワーに対する出力信号パワーの比を対数で表したものです。 30 dB ゲインのアンプは信号パワーを 1,000 倍にします。ただし、ゲインの数値は、それが指定されている入力電力範囲のコンテキストでのみ意味を持ちます。入力電力が増加し、アンプが飽和に近づくとゲイン圧縮が発生するため、指定されたゲインが小信号 (線形) 条件で適用されるか、定格出力電力点で適用されるかを常に確認してください。

雑音指数 (NF、dB) は、増幅プロセスによって引き起こされる信号対雑音比の劣化を定量化します。位相の影響を受けない光増幅器の理論上の最小雑音指数は 3 dB で、自然放出によって設定される量子限界に相当します。実際の 1550 nm EDFA は、プリアンプ構成で 3.5 ～ 5 dB、ブースタ構成で 5 ～ 7 dB の雑音指数を達成します。カスケード接続されたアンプチェーンでは、システム全体の OSNR は最初のアンプのノイズ寄与によって支配されます。そのため、初段での NF を最小限に抑えることが後続の段よりも重要になります。

出力電力飽和 (Psat、dBm) は、ゲインが大幅に圧縮され始める前にアンプが供給できる最大出力電力です。多くのチャネルを同時に伝送する DWDM ブースター アプリケーションの場合、合計出力電力はすべてのチャネル間で共有されます。40 チャネルを伝送する 23 dBm ブースターは、チャネルあたり約 7 dBm を供給します。アンプ出力のチャネルごとの電力が、ファイバの非線形性しきい値およびダウンストリーム コンポーネントの電力定格と互換性があることを確認します。

1550nm EDFAアンプの主な用途

• 長距離および超長距離伝送: 海底ケーブルと地上バックボーン ネットワークは、カスケード EDFA チェーン (場合によっては数百のアンプを直列に接続) を使用して、電気再生なしで 100G、400G、およびそれを超える容量を数千キロメートルにわたって伝送します。
• DWDM メトロおよび地域ネットワーク: インライン EDFA は、大都市圏ネットワークにおけるファイバ スパン、マルチプレクサ、スイッチ、およびアドドロップ ノードの累積損失を補償し、通信事業者が新しいファイバ インフラストラクチャを導入することなく到達距離を拡張し、チャネルを追加できるようにします。
• CATV および光ファイバー (FTTH) 配信: 30 dBm 以上の高出力ブースター EDFA は、ダウンストリーム光信号を大規模なパッシブ光スプリッター ツリーに分割する前に増幅するため、単一のトランスミッターで HFC および GPON アーキテクチャの数百または数千の加入者にサービスを提供できます。
• 光学センシングとLIDAR: パルス 1550 nm EDFA 増幅器は、長距離 LIDAR システム、パイプラインや鉄道沿いの分散型音響センシング (DAS)、および 1550 nm の波長が高ピークパワーで目に安全な動作を提供するファイバー ブラッグ グレーティング検査システムのシード レーザーの出力を高めるために使用されます。
• テストと測定: 可変ゲイン EDFA は、コンポーネント テスト セットアップ、OSNR マージン テスト、および受信機感度特性評価において制御された光パワー ソースとして機能し、正確に調整可能な出力レベルで C バンド全体にクリーンな増幅信号を提供します。

適切な 1550nm EDFA の選択: 実践的なチェックリスト

を指定する 1550 nm EDFA 実際の導入では、単に利用可能な最高ゲインまたは最高出力のユニットを選択するのではなく、アンプのパラメータをリンク バジェット要件に適合させる必要があります。定格入力電力範囲を超えて EDFA をオーバードライブすると、ゲイン圧縮が発生し、OSNR が低下します。低すぎる入力レベルで動作させると、ポンプ電力が無駄になり、出力の相対強度ノイズが増加します。

まず、スパン損失を計算します。これは、アンプの出力から次のアンプの入力までの合計挿入損失 (dB 単位) であり、0.2 dB/km でのファイバ減衰、コネクタおよび接続損失、およびパス内の ROADM、光スイッチ、またはファイバ パッチ パネルなどの受動コンポーネントの挿入損失を考慮します。リンクを通じて一定の信号レベルを維持するには、インライン アンプのゲインは少なくともこのスパン損失と等しくなければなりません。経年劣化やスプライス修復のためのマージンを追加します。ネットワーク設計基準に応じて、通常は 3 ～ 6 dB です。

DWDM アプリケーションの場合は、EDFA の動作帯域幅が展開されているすべてのチャネルをカバーしていること、およびゲイン平坦性の仕様 (通常は C バンド全体で ±0.5 ～ ±1.5 dB) が、パス内のアンプ段の数に応じてチャネルの電力変動が許容できないレベルに蓄積されるのを防ぐのに十分な狭さであることを確認してください。ゲインチルトの蓄積は、設置された DWDM システムでマージンが減少する最も一般的な原因の 1 つであり、ほとんどの場合、アンプの選択段階での不適切なゲイン平坦性仕様に遡ることができます。