Using 1550 nm Optical Amplifiers in HFC Transmission Equipment

Почему длина волны 1550 нм является доминирующей длиной волны для оптической передачи HFC

Гибридные волоконно-коаксиальные сети (HFC) составляют основу кабельного телевидения и широкополосного доступа в Интернет для сотен миллионов абонентов по всему миру. В этих сетях оптическое волокно передает широкополосные сигналы от головной станции кабеля к оптоволоконным узлам, распределенным по зонам обслуживания, где оптический сигнал преобразуется в RF и распределяется по коаксиальному кабелю в отдельные дома и предприятия. Выбор 1550 нм в качестве рабочей длины волны для этого сегмента оптической транспортировки не является произвольным — это результат двух решающих физических преимуществ, которые определяют экономику и производительность оптической передачи на большие расстояния. Стандартное одномодовое волокно демонстрирует абсолютное минимальное затухание примерно на длине волны 1550 нм с типичными потерями 0,18–0,20 дБ/км по сравнению с 0,35 дБ/км в окне 1310 нм, используемом в приложениях с меньшей дальностью действия. Такое сокращение потерь в оптоволокне напрямую приводит к увеличению пролета усилителя, меньшему количеству каскадов оптического усиления и снижению стоимости инфраструктуры на километр установки.

Вторым решающим преимуществом является доступность волоконных усилителей, легированных эрбием (EDFА) — практичных, надежных и экономичных оптических усилителей, которые работают точно в C-диапазоне 1530–1570 нм и L-диапазоне 1570–1620 нм, причем оба сосредоточены в окне пропускания 1550 нм. EDFA изменили оптическую передачу на большие расстояния, обеспечив прямое оптическое усиление без дорогостоящего и вызывающего задержку оптико-электро-оптического преобразования (OEO), которое требовалось в более ранней технологии регенеративного повторителя. В частности, для сетей HFC сочетание низких потерь в оптоволокне и усиления EDFA обеспечивает расстояние оптической передачи между этапами усиления 40–100 км, что позволяет операторам кабельного телевидения обслуживать большие географические зоны обслуживания с помощью централизованных головных станций с значительно уменьшенной инфраструктурой узлов по сравнению с альтернативами с более короткими длинами волн.

Как оптические усилители 1550 нм работают в системах HFC

A Оптический усилитель 1550 нм В системе передачи HFC происходит прямое усиление оптического сигнала, передаваемого по волокну, без преобразования его в электрический сигнал. Доминирующей технологией является волоконный усилитель, легированный эрбием, в котором используется короткая длина оптического волокна, сердцевина которого легирована ионами эрбия (Er³⁺). Когда волокно, легированное эрбием, накачивается мощным лазерным светом с длиной волны 980 или 1480 нм, ионы эрбия переводятся в более высокоэнергетическое состояние. Когда сигнальный фотон с длиной волны 1550 нм проходит через легированное волокно, он стимулирует возбужденные ионы эрбия испускать дополнительные фотоны точно с той же длиной волны и фазой — процесс, называемый вынужденным излучением, который обеспечивает когерентное оптическое усиление. Этот механизм усиления усиливает сигнал в полосе пропускания, охватывающей весь C-диапазон, что делает EDFA совместимыми как с одноволновой передачей HFC, так и с системами мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM), передающими несколько каналов одновременно по одному волокну.

В типичной оптической установке HFC головной передатчик преобразует объединенный спектр радиочастотного сигнала (который может охватывать диапазон от 5 МГц до 1,2 ГГц для систем DOCSIS 3.1) в оптический сигнал с использованием лазера с прямой или внешней модуляцией, работающего на длине волны 1550 нм. Затем этот сигнал передается на установку распределения волокна. Если мощность сигнала снизилась до уровня, который может привести к ухудшению отношения несущей к шуму (CNR) в оптоволоконном узле, в линию вставляется оптический усилитель для восстановления мощности сигнала до необходимого уровня. Усиленный сигнал проходит через дополнительные участки волокна, пока не достигнет узла волокна, где фотодетектор преобразует его обратно в электрический радиочастотный сигнал для распространения по коаксиальной части сети.

Типы оптических усилителей 1550 нм, используемых в передаче HFC

Семейство оптических усилителей 1550 нм, используемых в сетях HFC, включает в себя несколько различных конфигураций усилителей, оптимизированных для разных позиций в архитектуре оптической передачи. Понимание того, где применяется каждый тип и какие рабочие характеристики определяют каждый из них, важно для сетевых инженеров, проектирующих или модернизирующих оптические установки HFC.

Бустерные усилители (пост-усилители)

Бустерные усилители располагаются сразу после головного передатчика для увеличения мощности запуска в оптоволокно распределительную установку. Поскольку входной сигнал от передатчика уже имеет относительно высокий уровень мощности, дополнительные усилители рассчитаны на высокую выходную мощность, а не на низкий коэффициент шума — типичные характеристики выходной мощности для усилителей HFC находятся в диапазоне от 17 дБм до 23 дБм или выше для развертываний с высоким разделением или архитектурой распределенного доступа (DAA). Основная функция усилителя — компенсировать вносимые потери оптических разветвителей, которые делят сигнал на несколько волоконных трактов, обслуживающих разные сегменты зоны обслуживания, а также затухание на первом участке волокна. Усилитель головной станции с выходной мощностью 20 дБм, управляющий оптическим разветвителем 1:8 (разделенные потери примерно 9 дБ), передает примерно 11 дБм в каждый из восьми выходных волоконно-оптических путей, что достаточно для передачи сигналов на расстояние 25–40 км, прежде чем потребуется дополнительное усиление.

Линейные усилители

Линейные усилители развертываются в промежуточных точках оптоволоконных участков большой протяженности, где мощность сигнала падает ниже минимального уровня, необходимого для поддержания приемлемого CNR на следующем узле или усилителе. Эти усилители должны балансировать коэффициент усиления, выходную мощность и коэффициент шума. Коэффициент шума особенно важен, поскольку каждый каскад линейного усилителя добавляет шум усиленного спонтанного излучения (ASE), который накапливается вдоль оптического пути и в конечном итоге ограничивает достижимое CNR в оптоволоконном узле. Линейные усилители для передачи HFC обычно обеспечивают усиление 15–25 дБ при выходной мощности от 13 до 17 дБм и коэффициенте шума 5–7 дБ. Многокаскадные линейные усилители с доступом к среднему каскаду, позволяющие вставлять оптические аттенюаторы или фильтры выравнивания усиления между каскадами усиления, достигают более низких эффективных коэффициентов шума, чем однокаскадные конструкции при эквивалентной выходной мощности.

Усилители управления узлом (предварительные усилители)

Усилители управления узлами, иногда называемые усилителями-распределителями или оптическими линейными усилителями (OLA), располагаются непосредственно перед оптоволоконным узлом или точкой оптического разветвителя для усиления сигнала до уровня, необходимого для одновременного управления несколькими выходами нисходящих узлов. Эти усилители характеризуются высокой выходной мощностью в сочетании с достаточным усилением для работы при низких уровнях входной мощности — они должны обеспечивать адекватную выходную мощность, даже когда входная мощность упала до –3––10 дБм после длинного участка волокна. Характеристики выходной мощности для усилителей, управляющих узлами, варьируются от 17 до 27 дБм в конфигурациях с высокой мощностью, при этом некоторые продукты премиум-класса из серии оптических усилителей 1550 нм достигают 30 дБм для управления большими коэффициентами оптического разделения, обслуживающими плотные развертывания узлов.

Ключевые характеристики производительности и их влияние на проектирование сети HFC

Выбор подходящего оптического усилителя 1550 нм для применения HFC требует четкого понимания технических характеристик, опубликованных в технических характеристиках производителя, и того, как каждый параметр преобразуется в реальное поведение сети. В следующей таблице приведены критические характеристики усилителя и их влияние на проектирование сети:

Коэффициент шума заслуживает особого внимания, поскольку его влияние усиливается через каскадные цепи усилителей. Каждый каскад усилителя добавляет шум ASE, а общее накопление оптического шума определяет CNR в оптоволоконном узле — параметр, который в конечном итоге определяет качество радиочастотных сигналов, распределяемых по коаксиальной части установки HFC. CNR не менее 52 дБ в волоконно-оптическом узле обычно требуется для поддержания адекватной производительности составного второго порядка (CSO), составного тройного биения (CTB) и величины вектора ошибок (EVM) для каналов DOCSIS 3.1 OFDM. Сетевые инженеры должны выполнить каскадные расчеты коэффициента шума на всех каскадах усилителя от головной станции до узла, чтобы проверить соответствие CNR перед окончательным размещением и техническими характеристиками усилителя.

Размещение оптического усилителя в архитектуре узла HFC

Архитектура современных сетей HFC значительно изменилась с появлением узла 0 (глубокое волокно), архитектуры распределенного доступа (DAA) и удаленного развертывания PHY/удаленного MACPHY, все из которых меняют место размещения оптических усилителей и производительность, которую они должны обеспечивать. Понимание того, как размещение усилителей соответствует этим развивающимся архитектурам, важно для инженеров, модернизирующих существующую установку HFC для поддержки DOCSIS 3.1 и будущих услуг DOCSIS 4.0.

Традиционная архитектура «волокно до узла»

В традиционной архитектуре HFC один мощный оптический передатчик с длиной волны 1550 нм на головной станции управляет оптоволоконной распределительной установкой через серию оптических разветвителей и линейных усилителей для обслуживания нескольких оптоволоконных узлов, каждый из которых обслуживает 500–2000 проходящих домов. Оптические усилители размещаются с интервалами, определяемыми накопленным затуханием волокна и потерями разделения, чтобы поддерживать достаточную входную мощность в каждом нисходящем узле. В типичной конфигурации используется усилитель головной станции, управляющий первичным разветвителем 1:4 или 1:8, с линейными усилителями, расположенными на расстоянии 15–30 км ниже по течению, чтобы компенсировать затухание на участке волокна до того, как вторичные разветвители будут питать отдельные оптоволоконные узлы. Эта топология звездного дерева оптимизирована для экономичного строительства оптоволоконных установок, но концентрирует значительный коэффициент усиления усилителя в длинных каскадах, что ухудшает производительность CNR.

Архитектуры глубокого оптоволокна и распределенного доступа

Архитектура с глубоким оптоволокном приближает оптоволокно к потребителю, сокращая площади обслуживания узлов до 50–150 проходящих домов и устраняя большую часть каскада коаксиальных усилителей. Удаленное развертывание PHY и MACPHY DAA переносит обработку физического уровня DOCSIS с головной станции на оптоволоконный узел, который теперь содержит активную цифровую электронику, питаемую через оптоволоконную инфраструктуру. Эти архитектуры существенно меняют требования к оптической передаче: отдельные длины волн волокна или каналы WDM передают выделенные цифровые сигналы к каждому удаленному узлу, а серия оптических усилителей 1550 нм должна поддерживать работу WDM с равномерным усилением по всем активным каналам одновременно. Мощные WDM-совместимые EDFA со встроенными фильтрами выравнивания усиления и автоматической регулировкой усиления (АРУ) необходимы для поддержания стабильных уровней мощности по каждому каналу при добавлении или удалении узлов из сети без ручной перебалансировки оптической системы.

Практические соображения по использованию усилителей 1550 нм на заводе по производству ГФУ

Успешное внедрение оптических усилителей 1550 нм в передающем оборудовании HFC требует внимания к нескольким практическим инженерным и эксплуатационным факторам, которые не отражены только в технических характеристиках. Полевые характеристики могут значительно отличаться от лабораторных характеристик, когда усилители установлены в реальных сетевых средах с переменным качеством волокна, проблемами с чистотой разъемов и циклическими изменениями температуры в наружных корпусах.

• Чистота и проверка разъема: Оптические разъемы на входных и выходных портах усилителя являются наиболее распространенным источником непредвиденных вносимых потерь и ухудшения качества сигнала на развернутой оптической установке HFC. Загрязненный разъем APC может добавить 1–3 дБ вносимых потерь и создать обратные отражения, которые дестабилизируют работу усилителя. Все разъемы необходимо проверять с помощью щупа для проверки волокна и очищать соответствующими инструментами перед подключением — каждый раз, без исключения. Операторы должны поддерживать чистоту IEC 61300-3-35 класса B или выше на всех интерфейсах разъемов усилителя.
• Автоматическая регулировка усиления и автоматическая регулировка мощности: Оптические усилители HFC должны включать в себя схему АРУ или автоматического управления мощностью (APC), которая поддерживает постоянную выходную мощность при изменении уровней входного сигнала из-за изменений в оптоволоконной сети, изменений потерь, вызванных температурой, или реконфигурации восходящей сети. Без AGC/APC снижение входной мощности, вызванное деградацией волокна, старением разъема или изменениями оптического пути, вызывает пропорциональное снижение выходной мощности, которая каскадно проходит через нисходящие усилители и снижает CNR в оптоволоконных узлах. Выбор усилителей со стабильностью выходной мощности ±0,5 дБ во всем рабочем диапазоне входной мощности является стандартной практикой для надежных HFC-оптических установок.
• Оптическая изоляция и управление обратным отражением: Вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS) и обратное рассеяние Рэлея в длинных волокнах генерируют оптический шум, который может повторно войти в каскад усилителя и ухудшить характеристики. Усилители мощности высокой мощности, работающие с уровнем выше 17 дБм, должны включать оптические изоляторы как на входных, так и на выходных портах, а конструкция волоконно-оптической линии должна предусматривать достаточный запас по оптическим обратным потерям. Разъемы с полировкой APC (ORL обычно >60 дБ) и сварные соединения (ORL >60 дБ) настоятельно предпочтительнее разъемов UPC (ORL обычно 45–50 дБ) в мощных системах передачи 1550 нм.
• Управление температурой в наружных шкафах: Оптические усилители HFC, установленные на наружных постаментах или в кожухах для антенн, во многих географических регионах работают в диапазоне температур окружающей среды от -40°C до 60°C. Лазерные диоды накачки усилителя — источники с длиной волны 980 или 1480 нм, которые обеспечивают усиление EDFA — представляют собой термочувствительные компоненты, выходная мощность, длина волны и срок службы которых зависят от рабочей температуры. Выбор усилителей с термоэлектрическими охладителями (TEC) на лазерных модулях накачки и проверка номинальных характеристик во всем диапазоне рабочих температур имеют важное значение для надежного развертывания вне помещений. Расширенный диапазон рабочих температур от -40°C до 65°C теперь предлагается ведущими производителями серий оптических усилителей HFC, чтобы четко удовлетворить это требование.
• Управление сетью и удаленный мониторинг: Современная серия оптических усилителей 1550 нм для приложений HFC включает в себя SNMP-совместимые интерфейсы управления сетью, мониторинг оптической мощности на входных и выходных портах, телеметрию тока и температуры лазера накачки, а также выходы сигнализации для условий выхода за пределы допустимого диапазона. Интеграция управления усилителем в систему управления головной станцией (HMS) или систему управления элементами (EMS) кабельного оператора позволяет упреждающе выявлять неисправности до того, как возникнут сбои, влияющие на обслуживание, и предоставляет данные о тенденциях производительности, необходимые для планирования профилактического обслуживания до того, как деградация компонентов достигнет пороговых значений окончания срока службы.

Выбор подходящей серии оптических усилителей 1550 нм для вашей сети HFC

Имея четкое представление о типах усилителей, технических характеристиках и особенностях развертывания, сетевые инженеры могут систематически подходить к выбору усилителя. Процесс отбора должен следовать определенной последовательности шагов, которые преобразуют требования к проектированию сети в спецификации продукта:

• Определите бюджет оптической линии: Рассчитайте общие потери от передатчика головной станции до самого удаленного оптоволоконного узла, включая затухание на участке волокна, потери на сращивании, потери на соединителе и потери, вносимые оптическим разветвителем. Этот бюджет канала определяет общий коэффициент усиления, необходимый для всех каскадов усилителя вместе взятых, и устанавливает выходную мощность, необходимую для каждого отдельного усилителя, в зависимости от его положения в цепи.
• Рассчитайте CNR в оптоволоконном узле: Используя каскадный коэффициент шума всех каскадов усилителя от головной станции до узла, вычислите оптическое соотношение сигнал/шум, доступное на входе фотодетектора узла. Преобразуйте в RF CNR, используя индекс модуляции, глубину оптической модуляции радиочастотного сигнала и чувствительность фотодетектора. Убедитесь, что рассчитанное CNR соответствует минимуму, необходимому для модуляции высшего порядка, используемой в радиочастотном объекте — обычно OFDM с 256 QAM для DOCSIS 3.1, требующего CNR выше 52–54 дБ.
• Проверьте совместимость WDM, если применимо: Для сетей, использующих несколько длин волн в одном волокне, убедитесь, что выбранная серия усилителей обеспечивает равномерный коэффициент усиления на всех рабочих длинах волн одновременно и что доступны опции фильтра выравнивания усиления для каскадных конфигураций с несколькими усилителями, где накопление наклона усиления в противном случае могло бы вызвать неприемлемый дисбаланс мощности канала.
• Подтвердите физические и экологические характеристики: Подберите форм-фактор усилителя (плата для монтажа в стойку, автономное устройство высотой 1U или наружное крепление на пьедестале) в соответствии с доступной инфраструктурой установки. Проверьте диапазон рабочих температур, варианты напряжения источника питания, степень защиты от проникновения при развертывании вне помещений и соответствие соответствующим стандартам, включая IEC 60825 по лазерной безопасности и Telcordia GR-1312 по квалификации надежности EDFA.