Bruker 1550 nm optiske forsterkere i HFC-overføringsutstyr

Hvorfor 1550 nm er den dominerende bølgelengden for HFC optisk overføring

Hybrid fiber-koaksiale (HFC)-nettverk utgjør ryggraden i kabel-TV og bredbåndsinternettdistribusjon for hundrevis av millioner av abonnenter over hele verden. I disse nettverkene bærer optisk fiber bredbåndssignaler fra kabelhodeenden til fibernoder fordelt over tjenesteområder, hvor det optiske signalet konverteres til RF og distribueres over koaksialkabel til individuelle hjem og bedrifter. Valget av 1550 nm som driftsbølgelengde for dette optiske transportsegmentet er ikke vilkårlig – det er produktet av to avgjørende fysiske fordeler som definerer økonomien og ytelsen til langdistanse optisk overføring. Standard enkeltmodusfiber viser sin absolutte minimumsdempning ved omtrent 1550 nm, med typiske tap på 0,18–0,20 dB/km sammenlignet med 0,35 dB/km ved 1310 nm-vinduet som brukes i applikasjoner med kortere rekkevidde. Denne reduksjonen i fibertap oversetter direkte til lengre forsterkerspenn, færre optiske forsterkningstrinn og lavere infrastrukturkostnad per kilometer anlegg.

Den andre avgjørende fordelen er tilgjengeligheten av erbium-dopet fiberforsterkere (EDFA) – praktiske, pålitelige og kostnadseffektive optiske forsterkere som opererer nøyaktig i 1530–1570 nm C-båndet og 1570–1620 nm L-båndet, begge sentrert på nm overføringsvinduet 1550. EDFA-er transformerte langdistanse optisk overføring ved å muliggjøre direkte optisk forsterkning uten den kostbare og latens-introduserende optisk-elektrisk-optiske (OEO)-konverteringen som kreves av tidligere regenerativ repeater-teknologi. For HFC-nettverk spesifikt muliggjør kombinasjonen av lavt fibertap og EDFA-forsterkning optiske overføringsspenn på 40–100 km mellom forsterkningstrinn, noe som gjør at kabeloperatører kan betjene store geografiske tjenesteområder fra sentraliserte headend-anlegg med dramatisk redusert nodeinfrastruktur sammenlignet med kortere bølgelengdealternativer.

Hvordan 1550 nm optiske forsterkere fungerer i HFC-systemer

A 1550 nm optisk forsterker i et HFC-transmisjonssystem fungerer ved å direkte forsterke det optiske signalet som bæres på fiberen uten å konvertere det til et elektrisk signal. Den dominerende teknologien er den erbium-dopete fiberforsterkeren, som bruker en kort lengde med optisk fiber hvis kjerne er dopet med erbiumioner (Er³⁺). Når den erbiumdopede fiberen pumpes med høyeffekts laserlys ved enten 980 nm eller 1480 nm, eksiteres erbiumionene til en høyere energitilstand. Når et 1550 nm signalfoton passerer gjennom den dopede fiberen, stimulerer det de eksiterte erbiumionene til å sende ut flere fotoner med nøyaktig samme bølgelengde og fase - en prosess som kalles stimulert emisjon som produserer koherent optisk forsterkning. Denne forsterkningsmekanismen forsterker signalet over en båndbredde som spenner over hele C-båndet, og gjør EDFA-er kompatible med både enkeltbølgelengde HFC-overføring og bølgelengdedelingsmultiplekset (WDM) systemer som bærer flere kanaler samtidig på en enkelt fiber.

I et typisk optisk HFC-anlegg konverterer headend-senderen det kombinerte RF-signalspekteret – som kan spenne fra 5 MHz til 1,2 GHz for DOCSIS 3.1-systemer – til et optisk signal ved å bruke en direkte modulert eller eksternt modulert laser som opererer ved 1550 nm. Dette signalet sendes deretter inn i fiberdistribusjonsanlegget. Der signaleffekten har dempet til et nivå som ville forringe bærer-til-støy-forholdet (CNR) ved fibernoden, settes en optisk forsterker inn i linjen for å gjenopprette signaleffekten til det nødvendige nivået. Det forsterkede signalet fortsetter gjennom ytterligere fiberspenn til det når fibernoden, hvor en fotodetektor konverterer det tilbake til et RF-elektrisk signal for distribusjon over den koaksiale delen av nettverket.

Typer 1550 nm optiske forsterkere som brukes i HFC-overføring

Den 1550 nm optiske forsterkerproduktfamilien som brukes i HFC-nettverk omfatter flere distinkte forsterkerkonfigurasjoner optimalisert for forskjellige posisjoner i den optiske overføringsarkitekturen. Å forstå hvor hver type brukes og hvilke ytelsesegenskaper som definerer hver er avgjørende for nettverksingeniører som designer eller oppgraderer HFC-optisk anlegg.

Boosterforsterkere (postforsterkere)

Boosterforsterkere er plassert rett etter hodeendens sender for å øke utskytningskraften inn i fiberdistribusjonsanlegget. Fordi inngangssignalet allerede er på et relativt høyt effektnivå fra senderen, er boosterforsterkere designet for høy utgangseffekt i stedet for lavt støytall – typiske utgangseffektspesifikasjoner for HFC-boosterforsterkere varierer fra 17 dBm til 23 dBm eller høyere for høydelte eller distribuerte tilgangsarkitekturer (DAA). Boosterforsterkerens primære funksjon er å kompensere for innsettingstapet av optiske splittere som deler signalet til flere fiberbaner som betjener ulike tjenesteområdesegmenter, samt dempningen av det første fiberspennet. En headend boosterforsterker med 20 dBm utgangseffekt som driver en 1:8 optisk splitter (omtrent 9 dB delt tap) lanserer omtrent 11 dBm inn i hver av de åtte utgangsfiberbanene – tilstrekkelig til å drive spenn på 25–40 km før ytterligere forsterkning er nødvendig.

In-line forsterkere

In-line forsterkere er utplassert på mellompunkter i langdistanse fiberspenn der signaleffekten har falt under minimumsnivået som kreves for å opprettholde akseptabel CNR ved neste node eller forsterker. Disse forsterkerne må balansere forsterkning, utgangseffekt og støytall – støytallet er spesielt kritisk fordi hvert in-line forsterkertrinn legger til forsterket spontan emisjon (ASE) støy som akkumuleres langs den optiske banen og til slutt begrenser den oppnåelige CNR ved fibernoden. In-line forsterkere for HFC-overføring gir typisk forsterkning på 15–25 dB med utgangseffekt på 13 til 17 dBm og støytall på 5–7 dB. Flertrinns in-line forsterkere med mellomtrinns tilgang – som tillater innsetting av optiske attenuatorer eller forsterkningsutjevnende filtre mellom forsterkningstrinn – oppnår lavere effektive støytall enn enkelttrinns design ved tilsvarende utgangseffekt.

Node-drivende forsterkere (forforsterkere)

Nodedrivende forsterkere, noen ganger kalt distribusjonsforsterkere eller optiske linjeforsterkere (OLA), er plassert like før en fibernode eller optisk splitterpunkt for å forsterke signalet til det nivået som kreves for å drive flere nedstrøms nodeutganger samtidig. Disse forsterkerne er preget av høy utgangseffekt kombinert med tilstrekkelig forsterkning til å operere fra lave inngangseffektnivåer – de må gi tilstrekkelig utgang selv når inngangseffekten har sunket til -3 til -10 dBm etter et langt fiberspenn. Utgangseffektspesifikasjoner for nodedrivende forsterkere varierer fra 17 til 27 dBm i høyeffektkonfigurasjoner, med noen premiumprodukter i 1550 nm optiske forsterkerserier som når 30 dBm for å drive store optiske splittingsforhold som betjener tette nodeutplasseringer.

Nøkkelytelsesspesifikasjoner og hvordan de påvirker HFC-nettverksdesign

Å velge riktig 1550 nm optisk forsterker for en HFC-applikasjon krever en klar forståelse av ytelsesspesifikasjonene publisert i produsentens datablad og hvordan hver parameter oversettes til ekte nettverksatferd. Følgende tabell oppsummerer de kritiske forsterkerspesifikasjonene og deres nettverksdesignimplikasjoner:

Støyfiguren fortjener spesiell oppmerksomhet fordi dens støt blander seg gjennom kaskadede forsterkerkjeder. Hvert forsterkertrinn legger til ASE-støy, og den totale optiske støyakkumuleringen bestemmer CNR ved fibernoden – parameteren som til slutt setter kvaliteten på RF-signalene fordelt over den koaksiale delen av HFC-anlegget. En CNR på minst 52 dB ved fibernoden er vanligvis nødvendig for å opprettholde tilstrekkelig kompositt andre orden (CSO), kompositt trippelslag (CTB) og feilvektorstørrelse (EVM) ytelse for DOCSIS 3.1 OFDM-kanaler. Nettverksingeniører må utføre kaskadeberegninger av støytall på tvers av alle forsterkertrinn fra headend til node for å verifisere CNR-samsvar før de avslutter forsterkerplassering og spesifikasjon.

Plassering av optisk forsterker i HFC-nodearkitektur

Arkitekturen til moderne HFC-nettverk har utviklet seg betydelig med introduksjonen av node 0 (fiberdyp), distribuert tilgangsarkitektur (DAA) og eksterne PHY/ekstern MACPHY-distribusjoner, som alle endrer hvor optiske forsterkere er plassert og hvilken ytelse de må levere. Å forstå hvordan forsterkerplassering tilordnes disse utviklende arkitekturene er avgjørende for ingeniører som oppgraderer eksisterende HFC-anlegg for å støtte DOCSIS 3.1 og fremtidige DOCSIS 4.0-tjenester.

Tradisjonell fiber-til-node-arkitektur

I tradisjonell HFC-arkitektur driver en enkelt høyeffekts 1550 nm optisk sender ved hovedenden et fiberdistribusjonsanlegg gjennom en serie optiske splittere og in-line forsterkere for å betjene flere fibernoder, som hver betjener 500–2000 hjem passerte. Optiske forsterkere plasseres med intervaller bestemt av den akkumulerte fiberdempingen og splittet tap for å opprettholde tilstrekkelig inngangseffekt ved hver nedstrøms node. En typisk konfigurasjon bruker en headend boosterforsterker som driver en 1:4 eller 1:8 primær splitter, med in-line forsterkere plassert 15–30 km nedstrøms for å kompensere for fiberspenndempning før sekundære splittere mater individuelle fibernoder. Denne stjernetre-topologien er optimalisert for økonomisk fiberanleggskonstruksjon, men konsentrerer betydelig forsterkerforsterkning i lange kaskader som utfordrer CNR-ytelsen.

Fiber dype og distribuerte tilgangsarkitekturer

Fiberdyparkitekturer presser fiber nærmere kunden, reduserer nodeserveringsområder til 50–150 hjem passerte og eliminerer det meste av koaksialforsterkerkaskaden. Ekstern PHY og ekstern MACPHY DAA-distribusjon flytter DOCSIS fysiske lagbehandling fra hodeenden til fibernoden, som nå inneholder aktiv digital elektronikk drevet over fiberinfrastrukturen. Disse arkitekturene endrer de optiske overføringskravene betydelig: individuelle fiberbølgelengder eller WDM-kanaler bærer dedikerte digitale signaler til hver ekstern node, og 1550 nm optiske forsterker-serien må støtte WDM-drift med flat forsterkning på tvers av alle aktive kanaler samtidig. Høyeffekts WDM-kompatible EDFA-er med integrerte forsterkningsutjevnende filtre og automatisk forsterkningskontroll (AGC) er nødvendig for å opprettholde konsistente strømnivåer per kanal når noder legges til eller fjernes fra nettverket uten manuell rebalansering av det optiske anlegget.

Praktiske vurderinger for utplassering av 1550 nm forsterkere i HFC-anlegg

Vellykket utplassering av 1550 nm optiske forsterkere i HFC-overføringsutstyr krever oppmerksomhet til flere praktiske tekniske og operasjonelle faktorer som ikke er fanget opp i databladspesifikasjoner alene. Feltytelsen kan avvike betydelig fra laboratorie-karakterisert ytelse når forsterkere er installert i ekte nettverksmiljøer med variabel fiberkvalitet, problemer med renslighet av koblinger og termisk sykling i utendørs kabinetter.

• Renhet og inspeksjon av koblinger: Optiske kontakter på forsterkerens inngangs- og utgangsporter er den vanligste kilden til uventet innsettingstap og signalforringelse i utplassert optisk HFC-anlegg. En kontaminert APC-kontakt kan legge til 1–3 dB innsettingstap og generere tilbakerefleksjoner som destabiliserer forsterkerdriften. Alle koblinger må inspiseres med en fiberinspeksjonssonde og rengjøres med passende verktøy før tilkobling – hver gang, uten unntak. Operatører bør opprettholde IEC 61300-3-35 klasse B renslighet eller bedre ved alle forsterkerkontaktgrensesnitt.
• Automatisk forsterkningskontroll og automatisk effektkontroll: Optiske HFC-forsterkere bør inkludere AGC- eller APC-kretser (automatic power control) som opprettholder konstant utgangseffekt ettersom inngangssignalnivåene varierer på grunn av fiberanleggsendringer, temperaturinduserte tapsvariasjoner eller oppstrøms nettverksrekonfigurasjoner. Uten AGC/APC forårsaker en reduksjon i inngangseffekt – forårsaket av fibernedbrytning, koblingsaldring eller optiske baneendringer – en proporsjonal reduksjon i utgangseffekt som går gjennom nedstrømsforsterkere og reduserer CNR ved fibernoder. Å spesifisere forsterkere med ±0,5 dB utgangseffektstabilitet over hele driftsområdet for inngangseffekt er standard praksis for pålitelige optiske HFC-anlegg.
• Optisk isolasjon og bakrefleksjonshåndtering: Stimulert Brillouin-spredning (SBS) og Rayleigh-bakspredning i lange fiberspenn genererer optisk støy som kan gå inn i forsterkerstadiene igjen og forringe ytelsen. Høyeffekts boosterforsterkere som opererer over 17 dBm må inkludere optiske isolatorer ved både inngangs- og utgangsporter, og fiberanleggets design må inkludere tilstrekkelig optisk returtapsmargin. APC-polerte kontakter (ORL typisk >60 dB) og fusjonsskjøter (ORL >60 dB) er sterkt foretrukket fremfor UPC-kontakter (ORL typisk 45–50 dB) i høyeffekts 1550 nm overføringssystemer.
• Termisk styring i utendørs skap: HFC optiske forsterkere utplassert i utendørs sokler eller antennekabinetter opplever omgivelsestemperaturer på -40 °C til 60 °C i mange geografiske områder. Forsterkerpumpelaserdioder – 980 nm eller 1480 nm kildene som driver EDFA gain – er temperaturfølsomme komponenter hvis utgangseffekt, bølgelengde og levetid påvirkes av driftstemperaturen. Spesifisering av forsterkere med termoelektriske kjølere (TEC) på pumpelasermoduler og verifisering av nominell ytelse over hele driftstemperaturområdet er avgjørende for pålitelig utplassering utendørs. Utvidede driftstemperaturområder på −40 °C til 65 °C tilbys nå av ledende produsenter av HFC optiske forsterkere for å imøtekomme dette kravet eksplisitt.
• Nettverksadministrasjon og fjernovervåking: Moderne 1550 nm optiske forsterkerserier for HFC-applikasjoner inkluderer SNMP-kompatible nettverksadministrasjonsgrensesnitt, optisk strømovervåking ved inngangs- og utgangsporter, pumpelaserstrøm- og temperaturtelemetri og alarmutganger for forhold utenfor rekkevidde. Integrering av forsterkerstyring i kabeloperatørens headend-styringssystem (HMS) eller elementstyringssystem (EMS) muliggjør proaktiv feilidentifikasjon før tjenestepåvirkende feil oppstår, og gir ytelsestrenddataene som er nødvendige for å planlegge forebyggende vedlikehold før komponentforringelse når terskelverdiene for slutten av levetiden.

Velge riktig 1550 nm optisk forsterkerserie for ditt HFC-nettverk

Med en klar forståelse av forsterkertyper, ytelsesspesifikasjoner og distribusjonshensyn, kan nettverksingeniører nærme seg forsterkervalg systematisk. Utvelgelsesprosessen bør følge en definert sekvens av trinn som oversetter krav til nettverksdesign til produktspesifikasjoner:

• Bestem det optiske koblingsbudsjettet: Beregn det totale tapet fra hodeendens sender til den fjerneste fibernoden, inkludert fiberspenndempning, skjøtetap, koblingstap og tap av innsetting av optisk splitter. Dette koblingsbudsjettet bestemmer den totale forsterkningen som kreves fra alle forsterkertrinnene kombinert og etablerer utgangseffekten som kreves fra hver enkelt forsterker basert på dens posisjon i kjeden.
• Beregn CNR ved fibernoden: Beregn den optiske SNR som er tilgjengelig ved nodefotodetektorinngangen ved å bruke det kaskadede støytallet for alle forsterkertrinnene fra headend til node. Konverter til RF CNR ved å bruke modulasjonsindeksen, optisk modulasjonsdybde til RF-signalet og fotodetektorrespons. Bekreft at beregnet CNR oppfyller minimumskravet for den høyeste ordens modulasjonen som brukes i RF-anlegget – typisk 256-QAM OFDM for DOCSIS 3.1, som krever CNR over 52–54 dB.
• Bekreft WDM-kompatibilitet hvis aktuelt: For nettverk som bruker flere bølgelengder på en enkelt fiber, bekreft at den valgte forsterkerserien gir flat forsterkning på tvers av alle driftsbølgelengder samtidig, og at forsterkningsutjevningsfilteralternativer er tilgjengelige for kaskadede multi-forsterkerkonfigurasjoner der forsterkningstiltakkumulering ellers ville forårsake uakseptabel kanaleffektubalanse.
• Bekreft fysiske og miljømessige spesifikasjoner: Match forsterkerens formfaktor – rackmontert chassiskort, frittstående 1U-enhet eller utendørs sokkelmontering – til den tilgjengelige installasjonsinfrastrukturen. Bekreft driftstemperaturområde, strømforsyningsspenningsalternativer, inntrengningsbeskyttelsesklassifisering for utendørs bruk, og samsvar med relevante standarder, inkludert IEC 60825 for lasersikkerhet og Telcordia GR-1312 for EDFA-pålitelighetskvalifisering.