Bộ khuếch đại và tái tạo tín hiệu: EDFA, Raman, SOA, OEO

Một cặp transceiver truyền tín hiệu xa đến mức quỹ công suất và khả năng chịu tán sắc của nó cho phép — 10 km với LR, 80 km với ZR, 120 km với 400ZR có khuếch đại. Vượt quá khoảng cách đó, phải có thứ gì trên tuyến khôi phục lại những gì sợi quang đã lấy đi: một bộ khuếch đại quang tăng cường mọi bước sóng cùng lúc mà không động đến dữ liệu, hoặc một bộ tái tạo nhận tín hiệu ở dạng điện rồi phát lại từ đầu. Trang này trình bày quỹ công suất kết thúc ở đâu, các loại bộ khuếch đại và thông số của chúng, vị trí đặt chúng trên tuyến, quỹ công suất chuyển thành quỹ OSNR như thế nào khi có bộ khuếch đại, việc vận hành một tuyến có khuếch đại đòi hỏi những gì, và cách lựa chọn giữa khuếch đại, tái tạo và module coherent.

Khi quỹ công suất của transceiver cạn

Công nghệ	Cự ly khi chưa khuếch đại	Yếu tố kéo dài cự ly
10G LR / ER / ZR	10 / 40 / 80 km	bù tán sắc và một EDFA để đạt 100–150 km; xa hơn nữa dùng hệ thống tuyến DWDM
100G LR4 / ER4 (tách sóng trực tiếp)	10 / 40 km	không có — chuyển sang coherent cho các đoạn dài hơn
module cắm coherent 100G–400G (ZR, ZR+)	40 km (400ZR không khuếch đại, ≤ 11 dB)	một cặp EDFA để đạt 120 km (ZR), chuỗi bộ khuếch đại để đạt 1 000+ km (ZR+, OpenZR+) (Coherent đường dài)
10G DWDM qua bộ ghép kênh	80 km mỗi đoạn, dùng EDFA	chuỗi EDFA cùng module bù tán sắc để đạt 400–600 km, sau đó phải tái tạo
Transponder coherent	80–120 km mỗi đoạn	chuỗi EDFA và Raman, ROADM, 1 000–3 000 km cho mỗi đoạn tái tạo
PON, cấp C+	20 km, 1:32–1:64	bộ mở rộng cự ly (ITU-T G.984.6) để đạt 60 km hoặc tỷ lệ chia lớn hơn
Đa mode	100–400 m	không bao giờ khuếch đại — switch hoặc media converter đảm nhiệm tái tạo

Các loại bộ khuếch đại

Loại	Nguyên lý	Băng	Độ khuếch đại và công suất ra	Hệ số nhiễu	Ghi chú
EDFA (bộ khuếch đại sợi quang pha erbium)	một đoạn vài mét sợi quang pha erbium được bơm ở 980 hoặc 1480 nm; tín hiệu kích thích phát xạ	băng C 1 530–1 565 nm; các biến thể băng L 1 565–1 625 nm	khuếch đại 15–35 dB; tổng công suất ra +17 … +23 dBm, loại công suất cao (booster) lên đến +27 dBm	4–6 dB	chủ lực của ngành; đơn kênh hoặc đa kênh; bộ lọc san bằng độ khuếch đại, độ khuếch đại thay đổi được, kiểm soát quá độ khi thêm/bớt kênh (Thành phần DWDM)
Raman (phân tán)	một bước sóng bơm thấp hơn tín hiệu khoảng 100 nm (≈ 1 450 nm cho băng C) được đưa vào sợi truyền dẫn, thường ngược chiều tín hiệu; bản thân sợi quang khuếch đại tín hiệu trên 20–40 km đầu tiên	bất kỳ băng nào bước sóng bơm cho phép	khuếch đại phân tán 10–15 dB	hệ số nhiễu hiệu dụng thấp hơn EDFA — OSNR tốt hơn 3–5 dB mỗi đoạn	công suất bơm +27 … +30 dBm, Class 4 — độ sạch đầu nối và APR liên quan trực tiếp đến an toàn tính mạng (An toàn và thao tác); Raman-EDFA lai dùng cho đoạn dài hoặc không cần trạm lặp (300+ km)
SOA (bộ khuếch đại quang bán dẫn)	một chip laser không gương; bơm bằng điện	bất kỳ băng nào, kể cả băng O ở 1 310 nm	10–20 dB; +10 … +13 dBm	7–9 dB	nhanh, nhỏ, rẻ; dùng làm bộ mở rộng cự ly cho PON và chế độ burst; độ khuếch đại phụ thuộc mẫu tín hiệu giới hạn khả năng dùng trong DWDM
Bộ khuếch đại bơm quang từ xa (ROPA)	một cuộn sợi pha erbium không cấp nguồn đặt trên tuyến, được bơm từ trạm đầu cuối qua sợi quang	băng C	10–15 dB	—	dùng cho các đoạn cáp biển hoặc sa mạc không cần trạm lặp
Bộ tái tạo 3R (OEO)	thu, tái định thời, tái tạo dạng sóng, tái phát — hai transponder đấu lưng nhau	theo từng kênh	đặt lại OSNR, tán sắc, PMD và méo phi tuyến	—	chi phí cao cho mỗi kênh và làm tăng độ trễ; cần dùng khi chỉ khuếch đại không còn đủ để đạt OSNR yêu cầu
Bộ tái tạo 2R, media converter	khuếch đại và định dạng lại tín hiệu bằng điện, không tạo xung nhịp mới	theo từng kênh	đặt lại công suất và giản đồ mắt	—	dùng cho liên kết ngắn; cổng switch chính là bộ tái tạo thông dụng nhất (Thiết bị truyền dẫn và truy nhập)

Vị trí đặt bộ khuếch đại trên tuyến

Vị trí	Mục đích	Giá trị điển hình
Bộ khuếch đại công suất phát (booster, sau bộ ghép kênh tại trạm phát)	nâng các kênh đã ghép lên mức công suất phát	tổng +17 … +20 dBm, 0 … +3 dBm mỗi kênh
Bộ khuếch đại trên tuyến (inline, ở mỗi đoạn)	bù suy hao của đoạn	đoạn 80–120 km, suy hao 20–28 dB; độ khuếch đại đặt bằng đúng mức suy hao đó; có cổng truy cập giữa tầng cho module bù tán sắc trong các tuyến 10G thế hệ cũ
Bộ tiền khuếch đại (trước bộ tách kênh tại trạm thu)	nâng các kênh yếu lên trên mức nhiễu của bộ thu	đầu vào −25 dBm mỗi kênh, đầu ra −5 dBm; cải thiện độ nhạy hiệu dụng thêm 10 dB hoặc hơn
Raman phân tán ở đầu thu của đoạn	giảm hệ số nhiễu hiệu dụng, kéo dài đoạn	khuếch đại phân tán trên 20–40 km
Trạm khuếch đại	một nhà trạm hoặc tủ thiết bị có cấp nguồn, gồm ắc quy, làm mát, thiết bị đầu cuối OSC và giám sát	cứ 80–120 km trên các tuyến đường dài (Cấu trúc mạng sợi quang)

Từ quỹ công suất đến quỹ OSNR

Mỗi tầng khuếch đại đều bổ sung thêm phát xạ tự phát được khuếch đại — tức nhiễu. Khi đã có bộ khuếch đại trên tuyến, bộ thu bị giới hạn bởi tỷ số tín hiệu trên nhiễu quang, chứ không phải bởi công suất.

Công thức	Ý nghĩa
OSNR_span [dB, 0,1 nm] ≈ 58 + P_channel [dBm] − L_span [dB] − NF [dB]	OSNR sau một đoạn và một bộ khuếch đại
OSNR_total ≈ OSNR_span − 10 · log₁₀ N	N đoạn giống hệt nhau
OSNR yêu cầu: 10G NRZ ≈ 15–18 dB; 100G DP-QPSK có FEC quyết định mềm ≈ 12–15 dB; 400ZR ≈ 26 dB; 400G 16QAM ZR+ ≈ 22–24 dB	mức mà bộ thu cần có

Ví dụ: 0 dBm mỗi kênh, đoạn 22 dB, hệ số nhiễu 5 dB → 31 dB mỗi đoạn; ba đoạn → 26,2 dB, đúng giới hạn của 400ZR; mười đoạn → 21 dB, thoải mái cho 100G DP-QPSK. Tăng công suất kênh giúp cải thiện OSNR cho đến khi hiệu ứng phi tuyến lấy lại phần lợi đó — mức tối ưu thường là 0 … +3 dBm mỗi kênh trên sợi G.652 (Hiệu ứng phi tuyến, Khuếch đại và OSNR).

Vận hành một tuyến có khuếch đại

Hạng mục	Thực hành
An toàn quang	Class 3B/4 tại mọi đầu ra bộ khuếch đại và bơm Raman; tự động giảm công suất (APR, ITU-T G.664) tắt các bơm khi mất tín hiệu; không bao giờ tháo đầu nối công suất cao khi đang mang tín hiệu; dán nhãn cảnh báo nguy hiểm tại mọi trạm
Độ sạch đầu nối	từ +20 dBm trở lên, một mặt đầu nối bị bẩn sẽ cháy và có thể gây ra hiệu ứng cháy lan trong sợi quang (fibre fuse); kiểm tra trước mỗi lần ghép nối (Kiểm tra và vệ sinh mặt đầu nối)
Phản xạ	bộ cách ly quang bên trong các bộ khuếch đại, đầu nối APC, ORL ≥ 24 dB trên tuyến; phản xạ mạnh vào EDFA có thể khiến nó tự phát dao động laser (Phản xạ và suy hao phản xạ)
Giám sát bơm	dòng điện bơm ở công suất ra không đổi là chỉ số lão hóa; cần có card bơm hoặc cả bộ khuếch đại dự phòng
Độ khuếch đại và độ nghiêng phổ	bộ lọc san bằng độ khuếch đại và cân bằng khuếch đại động giữ 40–96 kênh trong khoảng 1–2 dB; độ nghiêng phổ tăng theo Raman và số đoạn
Thêm và bớt kênh	kiểm soát quá độ ngăn các kênh còn lại bị tăng vọt công suất khi kênh khác biến mất; thêm kênh theo đúng quy trình
Kênh giám sát quang (OSC)	một bước sóng riêng, thường là 1 510 hoặc 1 610 nm, được kết cuối tại mọi trạm khuếch đại, mang dữ liệu quản lý, báo động và đo từ xa suy hao từng đoạn (Giám sát và quản lý)
Nguồn điện và môi trường	−48 V DC với ắc quy dự phòng 4–8 giờ, làm mát, cảm biến cửa và nhiệt độ tại các trạm không người trực
Đặc trưng hóa sợi quang trước tiên	suy hao từng đoạn, ORL, tán sắc, PMD và diện tích hiệu dụng quyết định phương án bố trí bộ khuếch đại (Đặc trưng hóa sợi quang)

Lựa chọn giữa khuếch đại, tái tạo và coherent

Tình huống	Lựa chọn
10G đơn kênh, 80–100 km	module 10G ZR, hoặc LR/ER kèm EDFA và bù tán sắc
10G DWDM, 200–400 km, thế hệ cũ	chuỗi EDFA cùng module bù tán sắc; cân nhắc thay bằng coherent
100G, 80–120 km	module cắm 400ZR/100G ZR kèm một cặp EDFA — giải pháp hiện đại đơn giản nhất
100G–400G, 500–2 000 km	transponder coherent hoặc ZR+ kèm chuỗi EDFA và ROADM; chỉ tái tạo khi OSNR không còn đủ
Không cần trạm lặp, 250–400 km	booster công suất cao, Raman, ROPA, coherent
PON vượt quá 20 km hoặc tỷ lệ chia lớn	bộ mở rộng cự ly hoặc quang cấp C++/E2 (Cấp ODN)
Đa mode trong khuôn viên vượt quá 400 m	dùng switch hoặc media converter làm bộ tái tạo, hoặc chuyển sang sợi đơn mode
Bất kỳ liên kết nào thiếu hụt OSNR mà bộ khuếch đại không thể khắc phục	tái tạo 3R

Trong CodingBox

Các module cấp tín hiệu vào và kết cuối một tuyến có khuếch đại vẫn là các module cắm, và CodingBox đọc đúng những gì quan trọng ở đầu vào bộ khuếch đại: công suất phát, bước sóng chính xác hoặc kênh DWDM, dải điều chỉnh được, cấp công suất. Một module coherent còn báo cáo OSNR, tán sắc màu và BER trước FEC qua VDM — tình trạng của hệ thống tuyến như bộ thu nhìn thấy — và CodingBox cho biết module công bố hỗ trợ đại lượng nào trong số đó (Transceiver điều chỉnh được, Chỉ số VDM và FEC, Check transceiver).

Nếu bạn phát hiện thông tin chưa chính xác hoặc lỗi trong bài viết này, hãy chọn đoạn liên quan và nhấn Ctrl+Enter để .