Усилители и регенерация: EDFA, Raman, SOA, OEO

Пара трансиверов несёт сигнал настолько далеко, насколько позволяют её энергетический бюджет и допуск по дисперсии — 10 км для LR, 80 км для ZR, 120 км для усиленного 400ZR. Дальше что-то в линии должно вернуть то, что забрало волокно: оптический усилитель, который поднимает все длины волн сразу, не трогая данные, или регенератор, который принимает сигнал электрически и передаёт заново. Здесь — когда кончается бюджет, типы усилителей и их числа, где они стоят на линии, как бюджет превращается в бюджет OSNR при появлении усилителей, чего требует эксплуатация усиленной линии и как выбрать между усилением, регенерацией и когерентным модулем.

Когда кончается бюджет трансивера

Технология	Дальность без усиления	Что её продлевает
10G LR / ER / ZR	10 / 40 / 80 км	компенсация дисперсии и EDFA до 100–150 км; дальше — линейные системы DWDM
100G LR4 / ER4 (прямое детектирование)	10 / 40 км	ничего — на более длинные пролёты переходить на когерент
Когерентные съёмные 100G–400G (ZR, ZR+)	40 км (400ZR без усиления, ≤ 11 дБ)	одна пара EDFA до 120 км (ZR), цепочки усилителей до 1 000+ км (ZR+, OpenZR+) (Когерентные дальние линии)
10G DWDM через мультиплексор	80 км на пролёт с EDFA	цепочки EDFA с модулями компенсации дисперсии до 400–600 км, затем регенерация
Когерентные транспондеры	80–120 км на пролёт	цепочки EDFA и Raman, ROADM, 1 000–3 000 км на секцию регенерации
PON, класс C+	20 км, 1:32–1:64	удлинители (ITU-T G.984.6) до 60 км или большее деление
Многомод	100–400 м	не усиливается никогда — регенерирует коммутатор или медиаконвертер

Типы усилителей

Тип	Принцип	Полоса	Усиление и выход	Шум-фактор	Примечания
EDFA (усилитель на волокне, легированном эрбием)	несколько метров эрбиевого волокна с накачкой на 980 или 1480 нм; сигнал вызывает вынужденное излучение	C-band 1 530–1 565 нм; варианты L-band 1 565–1 625 нм	усиление 15–35 дБ; суммарный выход +17 … +23 дБм, бустеры до +27 дБм	4–6 дБ	рабочая лошадка; одноканальные или многоканальные; фильтры выравнивания усиления, переменное усиление, контроль переходных процессов при добавлении и снятии каналов (Компоненты DWDM)
Raman (распределённый)	накачка примерно на 100 нм ниже сигнала (≈ 1 450 нм для C-band) вводится в линейное волокно, обычно навстречу; усиливает само волокно на первых 20–40 км	любая полоса, которую позволяет накачка	10–15 дБ распределённого усиления	эффективный шум-фактор ниже, чем у EDFA — на 3–5 дБ лучше OSNR на пролёт	накачки +27 … +30 дБм, класс 4 — чистота разъёмов и APR жизненно важны (Безопасность и обращение); гибрид Raman-EDFA для длинных или безрепитерных пролётов (300+ км)
SOA (полупроводниковый оптический усилитель)	лазерный чип без зеркал; электрическая накачка	любая, включая O-band на 1 310 нм	10–20 дБ; +10 … +13 дБм	7–9 дБ	быстрый, маленький, дешёвый; удлинители PON и пакетный режим; зависимость усиления от данных ограничивает применение в DWDM
Удалённо накачиваемый усилитель (ROPA)	эрбиевая катушка без питания в линии, накачиваемая с терминала через волокно	C-band	10–15 дБ	—	безрепитерные подводные и пустынные пролёты
Регенератор 3R (OEO)	приём, ретактирование, восстановление формы, передача — два транспондера спина к спине	по каналу	сбрасывает OSNR, дисперсию, PMD и нелинейные искажения	—	дорог на канал и добавляет задержку; нужен там, где одно усиление уже не даёт требуемого OSNR
Регенератор 2R, медиаконвертер	усиление и восстановление формы электрически без нового тактового сигнала	по каналу	сбрасывает мощность и глазковую диаграмму	—	малые линии; порт коммутатора — повседневный регенератор (Транспортное и абонентское оборудование)

Где стоят усилители на линии

Позиция	Назначение	Типичные значения
Бустер (постусилитель) после мультиплексора на передающем терминале	поднять объединённые каналы до мощности ввода	+17 … +20 дБм суммарно, 0 … +3 дБм на канал
Линейный усилитель на каждом пролёте	компенсировать потери пролёта	пролёт 80–120 км, потери 20–28 дБ; усиление равно им; доступ в среднюю ступень для модуля компенсации дисперсии на старых линиях 10G
Предусилитель перед демультиплексором на приёмном терминале	поднять слабые каналы над шумом приёмника	−25 дБм на канал на входе, −5 дБм на выходе; улучшает эффективную чувствительность на 10 дБ и больше
Распределённый Raman на приёмном конце пролёта	снизить эффективный шум-фактор, растянуть пролёт	20–40 км распределённого усиления
Усилительный узел	контейнер или шкаф с питанием, батареями, охлаждением, терминалом OSC и мониторингом	каждые 80–120 км на длинных трассах (Топологии волоконных сетей)

От энергетического бюджета к бюджету OSNR

Усилитель добавляет усиленное спонтанное излучение — шум — на каждой ступени. Как только в линии есть усилители, приёмник ограничен оптическим отношением сигнал/шум, а не мощностью.

Формула	Смысл
OSNR_пролёта [дБ, 0,1 нм] ≈ 58 + P_канала [дБм] − L_пролёта [дБ] − NF [дБ]	OSNR после одного пролёта и одного усилителя
OSNR_сумм ≈ OSNR_пролёта − 10 · log₁₀ N	N одинаковых пролётов
Требуемый OSNR: 10G NRZ ≈ 15–18 дБ; 100G DP-QPSK с мягким FEC ≈ 12–15 дБ; 400ZR ≈ 26 дБ; 400G 16QAM ZR+ ≈ 22–24 дБ	что нужно приёмнику

Пример: 0 дБм на канал, пролёты 22 дБ, шум-фактор 5 дБ → 31 дБ на пролёт; три пролёта → 26,2 дБ, предел 400ZR; десять пролётов → 21 дБ, комфортно для 100G DP-QPSK. Повышение мощности канала покупает OSNR, пока нелинейные эффекты не забирают его обратно — оптимум обычно 0 … +3 дБм на канал на G.652 (Нелинейные эффекты, Усиление и OSNR).

Эксплуатация усиленной линии

Позиция	Практика
Оптическая безопасность	класс 3B/4 на каждом выходе усилителя и рамановской накачке; автоматическое снижение мощности (APR, ITU-T G.664) гасит накачки при потере сигнала; никогда не разъединять живой мощный разъём; знаки опасности на каждом узле
Чистота разъёмов	при +20 дБм и выше загрязнённый торец выгорает и может зажечь волоконный предохранитель; инспекция перед каждой стыковкой (Инспекция и чистка торцов)
Отражения	изоляторы внутри усилителей, разъёмы APC, ORL ≥ 24 дБ на линии; сильное отражение в EDFA заставляет его генерировать (Отражения и обратные потери)
Контроль накачки	ток накачки при постоянном выходе — индикатор старения; запасные карты накачки или целые усилители
Усиление и наклон	фильтры выравнивания и динамическая эквализация держат 40–96 каналов в пределах 1–2 дБ; наклон растёт с Raman и числом пролётов
Добавление и снятие каналов	контроль переходных процессов не даёт оставшимся каналам подскочить при исчезновении других; добавлять каналы по процедуре
Оптический служебный канал (OSC)	отдельная длина волны, обычно 1 510 или 1 610 нм, оканчиваемая на каждом усилительном узле, несущая управление, аварии и телеметрию потерь пролётов (Мониторинг и управление)
Питание и среда	−48 В постоянного тока с батареями на 4–8 часов, охлаждение, датчики двери и температуры на необслуживаемых узлах
Сначала характеризация волокна	потери пролёта, ORL, дисперсия, PMD и эффективная площадь определяют план усиления (Характеризация волокна)

Выбор между усилением, регенерацией и когерентом

Ситуация	Выбор
10G один канал, 80–100 км	модуль 10G ZR или LR/ER с EDFA и компенсацией дисперсии
10G DWDM, 200–400 км, старая линия	цепочка EDFA с модулями компенсации дисперсии; подумать о замене на когерент
100G, 80–120 км	съёмный 400ZR/100G ZR с одной парой EDFA — простейший современный ответ
100G–400G, 500–2 000 км	когерентные транспондеры или ZR+ с цепочками EDFA и ROADM; регенерация только там, где кончается OSNR
Безрепитерные 250–400 км	мощные бустеры, Raman, ROPA, когерент
PON дальше 20 км или большое деление	удлинитель или оптика классов C++/E2 (Классы ODN)
Кампусный многомод дальше 400 м	коммутатор или медиаконвертер как регенератор либо одномодовое волокно
Любая линия с нехваткой OSNR, которую не закрыть усилителями	регенерация 3R

В CodingBox

Модули, которые питают и оканчивают усиленную линию, — всё те же съёмные, и CodingBox читает то, что важно на входе усилителя: мощность ввода, точную длину волны или канал DWDM, диапазон перестройки, класс мощности. Когерентный модуль также сообщает OSNR, хроматическую дисперсию и BER до FEC через VDM — здоровье линейной системы глазами приёмника — и CodingBox показывает, какие из этих наблюдаемых модуль объявляет (Перестраиваемые трансиверы, VDM и метрики FEC, Check transceiver).