Paggamit ng 1550 nm Optical Amplifier sa HFC Transmission Equipment

Bakit 1550 nm ang Dominant Wavelength para sa HFC Optical Transmission

Ang mga hybrid fiber-coaxial (HFC) network ay bumubuo sa backbone ng cable television at broadband internet distribution para sa daan-daang milyong subscriber sa buong mundo. Sa mga network na ito, ang optical fiber ay nagdadala ng mga broadband signal mula sa cable headend hanggang sa fiber node na ipinamamahagi sa mga lugar ng serbisyo, kung saan ang optical signal ay na-convert sa RF at ipinamamahagi sa coaxial cable sa mga indibidwal na tahanan at negosyo. Ang pagpili ng 1550 nm bilang operating wavelength para sa optical transport segment na ito ay hindi arbitrary—ito ay produkto ng dalawang mapagpasyang pisikal na bentahe na tumutukoy sa ekonomiya at pagganap ng malayuang optical transmission. Ang standard single-mode fiber ay nagpapakita ng absolute minimum attenuation nito sa humigit-kumulang 1550 nm, na may tipikal na pagkalugi na 0.18–0.20 dB/km kumpara sa 0.35 dB/km sa 1310 nm window na ginagamit sa mga application na mas maikli ang abot. Ang pagbawas sa pagkawala ng fiber na ito ay direktang isinasalin sa mas mahabang amplifier span, mas kaunting optical amplification stage, at mas mababang gastos sa imprastraktura bawat kilometro ng planta.

Ang pangalawang mapagpasyang kalamangan ay ang pagkakaroon ng erbium-doped fiber amplifiers (EDFAs)—praktikal, maaasahan, at cost-effective na optical amplifiers na tiyak na gumagana sa 1530–1570 nm C-band at ang 1570–1620 nm L-band, na parehong nakasentro sa 1550 nm transmission window. Binago ng mga EDFA ang long-distance optical transmission sa pamamagitan ng pagpapagana ng direktang optical amplification nang walang magastos at latency-introducing optical-electrical-optical (OEO) na conversion na kinakailangan ng naunang regenerative repeater na teknolohiya. Para sa mga HFC network partikular, ang kumbinasyon ng mababang fiber loss at EDFA amplification ay nagbibigay-daan sa optical transmission span na 40–100 km sa pagitan ng mga yugto ng amplification, na nagpapahintulot sa mga cable operator na maghatid ng malalaking geographic na lugar ng serbisyo mula sa mga sentralisadong pasilidad ng headend na may kapansin-pansing nabawasang imprastraktura ng node kumpara sa mga alternatibong mas maikli ang haba ng wave.

Paano Gumagana ang 1550 nm Optical Amplifier sa HFC Systems

A 1550 nm optical amplifier sa isang HFC transmission system ay gumagana sa pamamagitan ng direktang pagpapalakas ng optical signal na dala sa fiber nang hindi ito ginagawang electrical signal. Ang nangingibabaw na teknolohiya ay ang erbium-doped fiber amplifier, na gumagamit ng maikling haba ng optical fiber na ang core ay na-doped ng erbium ions (Er³⁺). Kapag ang erbium-doped fiber ay nabomba gamit ang high-power laser light sa alinman sa 980 nm o 1480 nm, ang mga erbium ions ay nasasabik sa isang mas mataas na estado ng enerhiya. Kapag ang isang 1550 nm signal photon ay dumaan sa doped fiber, pinasisigla nito ang nasasabik na mga erbium ions na naglalabas ng karagdagang mga photon sa eksaktong parehong wavelength at phase—isang proseso na tinatawag na stimulated emission na gumagawa ng magkakaugnay na optical gain. Pinapalakas ng mekanismo ng gain na ito ang signal sa isang bandwidth na sumasaklaw sa buong C-band, na ginagawang tugma ang mga EDFA sa parehong single-wavelength HFC transmission at wavelength-division multiplexed (WDM) system na nagdadala ng maraming channel nang sabay-sabay sa isang fiber.

Sa isang karaniwang HFC optical plant, kino-convert ng headend transmitter ang pinagsamang RF signal spectrum—na maaaring sumasaklaw sa 5 MHz hanggang 1.2 GHz para sa DOCSIS 3.1 system—sa isang optical signal gamit ang direktang modulated o externally modulated na laser na tumatakbo sa 1550 nm. Ang signal na ito ay inilulunsad sa planta ng pamamahagi ng hibla. Kung saan ang lakas ng signal ay humina sa isang antas na magpapababa sa carrier-to-noise ratio (CNR) sa fiber node, isang optical amplifier ay ipinapasok sa linya upang maibalik ang lakas ng signal sa kinakailangang antas. Ang pinalakas na signal ay nagpapatuloy sa pamamagitan ng mga karagdagang fiber span hanggang sa maabot nito ang fiber node, kung saan ibinabalik ito ng isang photodetector sa isang RF electrical signal para ipamahagi sa coaxial na bahagi ng network.

Mga Uri ng 1550 nm Optical Amplifier na Ginagamit sa HFC Transmission

Ang pamilya ng produkto ng 1550 nm optical amplifier na ginagamit sa mga network ng HFC ay sumasaklaw sa ilang natatanging configuration ng amplifier na na-optimize para sa iba't ibang posisyon sa arkitektura ng optical transmission. Ang pag-unawa kung saan inilalapat ang bawat uri at kung anong mga katangian ng pagganap ang tumutukoy sa bawat isa ay mahalaga para sa mga network engineer na nagdidisenyo o nag-a-upgrade ng HFC optical plant.

Mga Booster Amplifier (Mga Post-Amplifiers)

Ang mga booster amplifier ay nakaposisyon kaagad pagkatapos ng headend transmitter upang mapataas ang kapangyarihan ng paglulunsad sa planta ng pamamahagi ng fiber. Dahil ang input signal ay nasa medyo mataas na power level mula sa transmitter, ang mga booster amplifier ay idinisenyo para sa mataas na output power kaysa sa mababang noise figure—karaniwang output power specifications para sa HFC booster amplifier ay mula 17 dBm hanggang 23 dBm o mas mataas para sa high-split o distributed access architectures (DAA) deployment. Ang pangunahing function ng booster amplifier ay upang mabayaran ang pagkawala ng pagpapasok ng mga optical splitter na naghahati sa signal sa maraming mga fiber path na naghahatid ng iba't ibang mga segment ng lugar ng serbisyo, pati na rin ang pagpapahina ng unang span ng fiber. Ang isang headend booster amplifier na may 20 dBm output power na nagtutulak ng 1:8 optical splitter (humigit-kumulang 9 dB split loss) ay naglulunsad ng humigit-kumulang 11 dBm sa bawat isa sa walong output fiber path—sapat na makapagmaneho ng mga span na 25–40 km bago kailangan ng karagdagang amplification.

Mga In-Line Amplifier

Ang mga in-line na amplifier ay naka-deploy sa mga intermediate na punto sa long-haul fiber span kung saan bumaba ang lakas ng signal sa ibaba ng minimum na antas na kinakailangan upang mapanatili ang katanggap-tanggap na CNR sa susunod na node o amplifier. Dapat balansehin ng mga amplifier na ito ang gain, output power, at noise figure—ang noise figure ay partikular na kritikal dahil ang bawat in-line na yugto ng amplifier ay nagdaragdag ng amplified spontaneous emission (ASE) na ingay na nag-iipon sa kahabaan ng optical path at sa huli ay nililimitahan ang matamo na CNR sa fiber node. Ang mga in-line na amplifier para sa HFC transmission ay karaniwang nagbibigay ng gain na 15–25 dB na may output power na 13 hanggang 17 dBm at noise figure na 5–7 dB. Ang mga multi-stage na in-line na amplifier na may mid-stage na access—nagbibigay-daan sa pagpasok ng mga optical attenuator o gain-flattening na mga filter sa pagitan ng mga gain stage—makakamit ng mas mababang epektibong mga numero ng ingay kaysa sa mga single-stage na disenyo sa katumbas na output power.

Mga Node-Driving Amplifier (Pre-Amplifiers)

Ang mga node-driving amplifiers, na kung minsan ay tinatawag na distribution amplifier o optical line amplifiers (OLAs), ay nakaposisyon sa harap lamang ng isang fiber node o optical splitter point upang palakasin ang signal sa antas na kinakailangan upang himukin ang maramihang mga downstream na output ng node nang sabay-sabay. Ang mga amplifier na ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na output power capability na sinamahan ng sapat na gain para gumana mula sa mababang input power level—dapat silang magbigay ng sapat na output kahit na ang input power ay bumaba sa −3 hanggang −10 dBm pagkatapos ng mahabang fiber span. Ang mga detalye ng output ng power para sa mga node-driving amplifiers ay mula 17 hanggang 27 dBm sa mga high-power na configuration, na may ilang mga premium na produkto sa 1550 nm optical amplifier series na umaabot sa 30 dBm para sa pagmamaneho ng malalaking optical splitting ratio na naghahatid ng mga siksik na deployment ng node.

Mga Pangunahing Detalye ng Pagganap at Paano Ito Nakakaapekto sa Disenyo ng HFC Network

Ang pagpili ng tamang 1550 nm optical amplifier para sa isang HFC na application ay nangangailangan ng malinaw na pag-unawa sa mga detalye ng pagganap na na-publish sa mga datasheet ng manufacturer at kung paano naisasalin ang bawat parameter sa totoong gawi ng network. Ang sumusunod na talahanayan ay nagbubuod sa mga kritikal na detalye ng amplifier at ang kanilang mga implikasyon sa disenyo ng network:

Ang bilang ng ingay ay nararapat sa partikular na atensyon dahil ang epekto nito ay nagsasama-sama sa pamamagitan ng cascaded amplifier chain. Ang bawat yugto ng amplifier ay nagdaragdag ng ingay ng ASE, at tinutukoy ng kabuuang optical noise accumulation ang CNR sa fiber node—ang parameter na sa huli ay nagtatakda ng kalidad ng mga RF signal na ipinamamahagi sa coaxial na bahagi ng HFC plant. Ang isang CNR na hindi bababa sa 52 dB sa fiber node ay karaniwang kinakailangan upang mapanatili ang sapat na composite second order (CSO), composite triple beat (CTB), at error vector magnitude (EVM) na performance para sa DOCSIS 3.1 OFDM channels. Dapat magsagawa ang mga network engineer ng cascaded noise figure calculations sa lahat ng stage ng amplifier mula headend hanggang node para ma-verify ang pagsunod sa CNR bago i-finalize ang placement at specification ng amplifier.

Paglalagay ng Optical Amplifier sa HFC Node Architecture

Ang arkitektura ng mga modernong HFC network ay nagbago nang malaki sa pagpapakilala ng node 0 (fiber deep), distributed access architecture (DAA), at remote na PHY/remote MACPHY deployment, na lahat ay nagbabago kung saan inilalagay ang mga optical amplifiers at kung anong performance ang dapat nilang ihatid. Ang pag-unawa sa kung paano ang paglalagay ng amplifier ay nagmamapa sa mga umuunlad na arkitektura na ito ay mahalaga para sa mga inhinyero na nag-a-upgrade ng kasalukuyang HFC plant upang suportahan ang DOCSIS 3.1 at ang hinaharap na mga serbisyo ng DOCSIS 4.0.

Tradisyunal na Fiber-to-the-Node Architecture

Sa tradisyunal na arkitektura ng HFC, ang nag-iisang high-power na 1550 nm optical transmitter sa headend ay nagtutulak ng planta ng pamamahagi ng fiber sa pamamagitan ng isang serye ng mga optical splitter at in-line na amplifier upang maghatid ng maraming fiber node, bawat isa ay naghahatid ng 500–2,000 na mga tahanan ang pumasa. Ang mga optical amplifiers ay inilalagay sa mga pagitan na tinutukoy ng naipon na fiber attenuation at split losses upang mapanatili ang sapat na input power sa bawat downstream node. Ang isang karaniwang configuration ay gumagamit ng headend booster amplifier na nagtutulak ng 1:4 o 1:8 na pangunahing splitter, na may mga in-line na amplifier na nakaposisyon sa 15–30 km sa ibaba ng agos upang mabayaran ang fiber span attenuation bago ang pangalawang splitter ay magpakain ng mga indibidwal na fiber node. Ang topology ng star-tree na ito ay na-optimize para sa matipid na pagtatayo ng fiber plant ngunit tumutuon ng makabuluhang amplifier gain sa mahabang cascades na humahamon sa pagganap ng CNR.

Fiber Deep at Distributed Access Architecture

Ang mga hibla na malalim na arkitektura ay nagtutulak ng hibla na palapit sa customer, na binabawasan ang mga lugar ng paghahatid ng node sa 50–150 na mga tahanan na lumipas at inaalis ang karamihan sa coaxial amplifier cascade. Ang remote na PHY at remote na MACPHY DAA deployment ay naglilipat ng DOCSIS physical layer processing mula sa headend papunta sa fiber node, na ngayon ay naglalaman ng mga aktibong digital electronics na pinapagana sa fiber infrastructure. Binago ng mga arkitektura na ito ang mga kinakailangan sa optical transmission: ang mga indibidwal na wavelength ng fiber o mga channel ng WDM ay nagdadala ng mga nakalaang digital na signal sa bawat remote na node, at dapat na suportahan ng 1550 nm optical amplifier series ang operasyon ng WDM na may flat gain sa lahat ng aktibong channel nang sabay-sabay. Ang mga high-power na WDM-compatible na EDFA na may pinagsamang gain-flattening na mga filter at automatic gain control (AGC) ay kinakailangan upang mapanatili ang pare-parehong mga antas ng kapangyarihan sa bawat channel habang ang mga node ay idinaragdag o inaalis mula sa network nang walang manu-manong rebalancing ng optical plant.

Mga Praktikal na Pagsasaalang-alang para sa Pag-deploy ng 1550 nm Amplifier sa HFC Plant

Ang matagumpay na pag-deploy ng 1550 nm optical amplifier sa HFC transmission equipment ay nangangailangan ng pansin sa ilang praktikal na engineering at operational na mga kadahilanan na hindi nakukuha sa mga detalye ng datasheet lamang. Maaaring lumihis nang malaki ang pagganap sa field mula sa pagganap na nailalarawan sa laboratoryo kapag ang mga amplifier ay naka-install sa mga tunay na kapaligiran ng network na may variable na kalidad ng fiber, mga isyu sa kalinisan ng connector, at thermal cycling sa mga outdoor enclosure.

• Kalinisan at inspeksyon ng connector: Ang mga optical connector sa amplifier input at output port ay ang pinakakaraniwang pinagmumulan ng hindi inaasahang pagkawala ng insertion at pagkasira ng signal sa naka-deploy na HFC optical plant. Ang kontaminadong APC connector ay maaaring magdagdag ng 1–3 dB ng insertion loss at makabuo ng back-reflections na nakakapagpapahina sa operasyon ng amplifier. Ang lahat ng mga konektor ay dapat na siniyasat gamit ang isang fiber inspection probe at linisin gamit ang naaangkop na mga tool bago kumonekta—sa bawat oras, nang walang pagbubukod. Dapat panatilihin ng mga operator ang IEC 61300-3-35 Grade B na kalinisan o mas mahusay sa lahat ng interface ng amplifier connector.
• Awtomatikong gain control at awtomatikong power control: Dapat isama ng HFC optical amplifier ang circuitry ng AGC o automatic power control (APC) na nagpapanatili ng pare-parehong output power dahil nag-iiba-iba ang mga level ng signal ng input dahil sa mga pagbabago sa fiber plant, mga pagkakaiba-iba ng pagkawala ng temperatura, o reconfiguration ng upstream network. Kung walang AGC/APC, ang pagbawas sa input power—sanhi ng fiber degradation, connector aging, o optical path na pagbabago—ay nagdudulot ng proporsyonal na pagbawas sa output power na dumadaloy sa mga downstream amplifier at binabawasan ang CNR sa mga fiber node. Ang pagtukoy sa mga amplifier na may ±0.5 dB output power stability sa buong input power operating range ay karaniwang kasanayan para sa maaasahang HFC optical plant.
• Optical na paghihiwalay at pamamahala ng back-reflection: Ang Stimulated Brillouin scattering (SBS) at Rayleigh back-scattering sa mahabang fiber span ay bumubuo ng optical noise na maaaring muling pumasok sa mga stage ng amplifier at pababain ang performance. Ang mga high-power booster amplifier na tumatakbo sa itaas ng 17 dBm ay dapat may kasamang optical isolator sa parehong input at output port, at ang disenyo ng fiber plant ay dapat na may sapat na optical return loss margin. Ang APC-polished connectors (ORL na kadalasang >60 dB) at fusion splice (ORL>60 dB) ay mas gusto kaysa sa UPC connectors (ORL na karaniwang 45–50 dB) sa high-power na 1550 nm transmission system.
• Thermal na pamamahala sa mga panlabas na enclosure: Ang mga HFC optical amplifier na naka-deploy sa mga panlabas na pedestal o aerial enclosure ay nakakaranas ng ambient temperature range na −40°C hanggang 60°C sa maraming heyograpikong rehiyon. Ang amplifier pump laser diodes—ang 980 nm o 1480 nm na pinagmumulan na nagtutulak ng EDFA gain—ay mga sangkap na sensitibo sa temperatura na ang output power, wavelength, at lifetime ay apektado lahat ng operating temperature. Ang pagtukoy sa mga amplifier na may mga thermoelectric cooler (TECs) sa mga pump laser module at pag-verify ng na-rate na performance sa buong saklaw ng operating temperature ay mahalaga para sa maaasahang panlabas na deployment. Ang mga pinahabang hanay ng temperatura ng pagpapatakbo na −40°C hanggang 65°C ay inaalok na ngayon ng mga nangungunang tagagawa ng serye ng HFC optical amplifier upang matugunan ang pangangailangang ito nang tahasan.
• Pamamahala ng network at malayuang pagsubaybay: Ang modernong 1550 nm optical amplifier series para sa mga HFC application ay may kasamang SNMP-compatible na network management interface, optical power monitoring sa input at output port, pump laser current at temperature telemetry, at mga alarm output para sa mga out-of-range na kundisyon. Ang pagsasama ng pamamahala ng amplifier sa headend management system (HMS) o element management system (EMS) ng cable operator ay nagbibigay-daan sa proactive fault identification bago mangyari ang mga pagkabigo na nakakaapekto sa serbisyo, at nagbibigay ng data ng performance trending na kailangan upang mag-iskedyul ng preventive maintenance bago umabot sa end-of-life threshold ang pagkasira ng bahagi.

Pagpili ng Tamang 1550 nm Optical Amplifier Series para sa Iyong HFC Network

Sa isang malinaw na pag-unawa sa mga uri ng amplifier, mga detalye ng pagganap, at mga pagsasaalang-alang sa pag-deploy, maaaring lapitan ng mga inhinyero ng network ang pagpili ng amplifier nang sistematiko. Ang proseso ng pagpili ay dapat sumunod sa isang tinukoy na pagkakasunud-sunod ng mga hakbang na nagsasalin ng mga kinakailangan sa disenyo ng network sa mga detalye ng produkto:

• Tukuyin ang badyet ng optical link: Kalkulahin ang kabuuang pagkawala mula sa headend transmitter hanggang sa pinakamalayong fiber node, kabilang ang fiber span attenuation, pagkalugi ng splice, pagkawala ng connector, at pagkawala ng pagpasok ng optical splitter. Tinutukoy ng link na badyet na ito ang kabuuang pakinabang na kinakailangan mula sa lahat ng yugto ng amplifier na pinagsama at nagtatatag ng lakas ng output na kinakailangan mula sa bawat indibidwal na amplifier batay sa posisyon nito sa chain.
• Kalkulahin ang CNR sa fiber node: Gamit ang cascaded noise figure ng lahat ng stage ng amplifier mula headend hanggang node, kalkulahin ang optical SNR na available sa input ng node photodetector. I-convert sa RF CNR gamit ang modulation index, optical modulation depth ng RF signal, at photodetector responsivity. I-verify na ang kalkuladong CNR ay nakakatugon sa minimum na kinakailangan para sa pinakamataas na order na modulasyon na ginagamit sa RF plant—karaniwang 256-QAM OFDM para sa DOCSIS 3.1, na nangangailangan ng CNR na higit sa 52–54 dB.
• I-verify ang compatibility ng WDM kung naaangkop: Para sa mga network na gumagamit ng maraming wavelength sa iisang fiber, kumpirmahin na ang napiling serye ng amplifier ay nagbibigay ng flat gain sa lahat ng operating wavelength nang sabay-sabay at ang gain-flattening na mga opsyon sa filter ay available para sa mga cascaded multi-amplifier configuration kung saan ang gain tilt accumulation ay magdudulot ng hindi katanggap-tanggap na channel power imbalance.
• Kumpirmahin ang mga pagtutukoy sa pisikal at kapaligiran: Itugma ang form factor ng amplifier—rack-mount chassis card, standalone 1U unit, o outdoor pedestal-mount—sa magagamit na imprastraktura ng pag-install. I-verify ang hanay ng temperatura ng pagpapatakbo, mga opsyon sa boltahe ng power supply, rating ng proteksyon sa pagpasok para sa panlabas na deployment, at pagsunod sa mga nauugnay na pamantayan kabilang ang IEC 60825 para sa kaligtasan ng laser at Telcordia GR-1312 para sa kwalipikasyon sa pagiging maaasahan ng EDFA.