تقویت‌کننده نوری EDFA

در انتقال داده‌ها از طریق فیبر نوری در فواصل طولانی، سیگنال نوری به دلیل تضعیف فیبر، افت ناشی از اتصالات و غیره، نیاز به تقویت مکرر دارد. پیش از اختراع تقویت‌کننده نوری، سیگنال نوری ابتدا به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شد، تقویت می‌گردید و سپس مجدداً به سیگنال نوری تبدیل می‌شد. این فرآیند بسیار پیچیده و پرهزینه بود. برای غلبه بر این مشکل، تقویت‌کننده نوری اختراع شد تا سیگنال‌ها را مستقیماً تقویت کند، که این فرآیند را به‌طور قابل‌توجهی ارزان‌تر کرد و انقلابی در فیبر نوری ایجاد نماید. ​

انواع مختلفی از تقویت‌کننده‌های فیبر نوری وجود دارد: تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی (SOA)، تقویت‌کننده‌های فیبر رامان و بریلوئن و تقویت‌کننده Erbium-doped Fiber Amplifier یا (EDFA). در این میان، EDFA  پرکاربردترین نوع در سیستم WDM است. این تقویت‌کننده از فیبر دوپ‌شده با اربیوم - Erbium-doped Fiber Amplifier به‌عنوان محیط تقویت نوری برای افزایش مستقیم سیگنال‌ها استفاده می‌کند. امروزه، EDFA  به‌طور گسترده برای جبران افت فیبر در ارتباطات نوری در مسافت های طولانی استفاده می‌شود.  ویژگی مهم آن این است که می‌تواند چندین سیگنال نوری را به‌طور هم‌زمان تقویت کند و به‌راحتی با فناوری WDM  ترکیب شود. معمولاً در باند C و باند L، در محدوده‌ای نزدیک به 1530 تا 1565 نانومتر استفاده می‌شود.  اما باید توجه داشت که EDFAs نمی‌توانند طول‌موج‌های کوتاه‌تر از 1525 نانومتر را تقویت کنند.

نحوه عملکرد EDFA

ساختار پایه یک EDFA شامل یک تکه از فیبر دوپ‌شده با اربیوم (EDF)، یک لیزر پمپ و یک ترکیب‌کننده WDM  است. ترکیب‌کننده WDM برای ترکیب سیگنال و طول‌موج پمپ است تا بتوانند به‌طور هم‌زمان از طریق EDF عبور کنند.

سیگنال نوری، مانند سیگنال 1550 نانومتر، از ورودی وارد تقویت‌کننده EDFA می‌شود. سیگنال 1550 نانومتر با یک لیزر پمپ 980 نانومتر با یک دستگاه WDM ترکیب می‌شود—سیگنال و لیزر پمپ از طریق یک تکه از فیبر دوپ‌شده با یون‌های اربیوم عبور می‌کنند. همان‌طور که قبلاً بحث شد، EDFA  از فیبر دوپ‌شده با اربیوم به‌عنوان محیط تقویت نوری استفاده می‌کند. سیگنال 1550 نانومتر از طریق تعامل با یون‌های اربیوم دوپ‌شده تقویت می‌شود. این عمل یک سیگنال نوری ضعیف را به قدرت بالاتری تقویت می‌کند، که منجر به افزایش قدرت سیگنال می‌شود.

به‌طور خلاصه، یک EDFA با استفاده از گسیل تحریک‌شده در یک فیبر دوپ‌شده با اربیوم برای تقویت سیگنال‌های نوری کار می‌کند. لیزر پمپ یون‌های اربیوم در فیبر را تحریک می‌کند و هنگامی که سیگنال‌های ورودی این یون‌های تحریک‌شده را تقویت می‌کنند، فوتون‌های اضافی منتشر می‌شوند، که منجر به تقویت سیگنال‌های اصلی می شوند. این فرآیند در سیستم‌های ارتباطی نوری با مسافت طولانی برای جبران تضعیف سیگنال حیاتی است.

سه نوع تقویت‌کننده EDFA برای اتصال DWDM

تقویت‌کننده بوستر (Booster Amplifier): 

تقویت‌کننده بوستر در سمت فرستنده‌ی لینک قرار دارد و وظیفه‌ی آن تقویت کانال‌های سیگنال خروجی از فرستنده تا سطح لازم برای ورود به لینک فیبر نوری است. در لینک‌های تک‌کاناله همیشه به این نوع تقویت‌کننده نیازی نیست، اما در لینک‌های DWDM که مالتی‌پلکسر باعث تضعیف سیگنال می‌شود، جزء اجزای ضروری محسوب می‌گردد. این نوع تقویت‌کننده دارای توان ورودی بالا، توان خروجی بالا و بهره نوری متوسط است. از انواع رایج آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

- EDFA بوستر با خروجی 20 dBm، باند C، 40 کانال و بهره 26 dB 

- EDFA بوستر با خروجی 16 dBm، باند C، 40 کانال و بهره 14 dB 

و نمونه‌های مشابه دیگر.

تقویت‌کننده درون‌خطی (In-line Amplifier): 

تقویت‌کننده درون‌خطی معمولاً در نقاط میانی یک لینک انتقال DWDM قرار می‌گیرد تا تلفات ناشی از انتقال در فیبر نوری و دیگر تلفات توزیع را جبران کند. این نوع EDFA برای تقویت نوری بین دو گره (Node) شبکه در مسیر اصلی نوری طراحی شده است. به‌طور معمول، EDFAs درون‌خطی هر ۸۰ تا ۱۰۰ کیلومتر نصب می‌شوند تا سطح سیگنال نوری بالاتر از سطح نویز باقی بماند. این نوع تقویت‌کننده دارای توان ورودی متوسط تا پایین، توان خروجی بالا، بهره نوری زیاد و نسبت نویز پایین است.

پیش‌تقویت‌کننده (Pre-amplifier): 

پیش‌تقویت‌کننده EDFA در انتها و در سمت گیرنده‌ی یک لینک DWDM قرار می گیرند. این تقویت‌کننده برای جبران تلفات در دمالتی‌پلکسر نزدیک به گیرنده نوری به کار می‌رود. پیش از مرحله‌ی آشکارسازی نوری در سیستم‌های انتقال فوق‌طولانی، پیش‌تقویت‌کننده‌ی EDFA سیگنال را تقویت می‌کند تا سطح آن افزایش یافته و حساسیت گیرنده بهبود یابد. این تقویت‌کننده دارای توان ورودی نسبتاً پایین، توان خروجی متوسط و بهره‌ای در سطح متوسط است.

کاربردهای تقویت‌کننده فیبر دوپ‌شده با اربیوم (EDFA)

اتصال مراکز داده (Data Center Interconnects):

مراکز داده‌ی مدرن حجم عظیمی از داده‌ها را بین یکدیگر جابه‌جا می‌کنند. تقویت‌کننده‌های EDFA نقش بسیار حیاتی در این اتصالات دارند، زیرا با فراهم کردن پهنای باند بالا و تأخیر پایین بین مراکز داده، نیازهای انتقال داده‌های کلان (Big Data) را به خوبی برآورده می‌کنند.

ارتباطات ستون‌فقراتی در مسافت‌های طولانی (Long-Haul Trunk Communications):

در سیستم‌های ارتباط نوری مسافت‌بلند، سیگنال‌ها باید صدها یا حتی هزاران کیلومتر را طی کنند. EDFAها به‌عنوان تکرارگر (Repeater) در گره‌های میانی مسیر فیبر عمل می‌کنند. آن‌ها با جبران مؤثر تضعیف سیگنال، تضمین می‌کنند که سیگنال قدرت و کیفیت خود را در طول مسیر حفظ کند.

شبکه‌های محلی نوری (Fiber Optic LAN):

با تقویت سیگنال‌های نوری، تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ‌شده با اربیوم می‌توانند انتقال پایدار سیگنال در شبکه‌های محلی (LAN) را برای پاسخ‌گویی به نیاز دسترسی هم‌زمان چند کاربر تضمین کنند. این تقویت‌کننده‌ها می‌توانند به‌عنوان جبران‌کننده توزیعی در شبکه LAN به کار روند، تعداد گره‌های نوری را افزایش دهند و خدمات پایداری را به کاربران ارائه دهند.

شبکه توزیع تلویزیون کابلی (CATV Distribution Network):

در یک شبکه توزیع تلویزیون کابلی (CATV)، سیگنال‌ها باید یک ناحیه وسیع را پوشش دهند. تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ‌شده با اربیوم می‌توانند به‌عنوان تقویت‌کننده‌های توان (Power Amplifier) عمل کنند که پس از منبع نوری فرستنده قرار می‌گیرند تا سیگنال را تقویت کنند. این کار موجب می‌شود سیگنال‌ها مناطق دورتر را نیز پوشش داده و خدمات تلویزیون کابلی با کیفیت بالا را به کاربران بیشتری ارائه دهند.

شاخص (Gain) و نسبت نویز (Noise Figure) در EDFA چیست؟

در عمل، هر دو پارامتر بهره و نسبت نویز، نقش بسیار مهمی در طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های ارتباط نوری دارند. این پارامترها تضمین می‌کنند که سیگنال نوری به‌طور مؤثر تقویت شود، در حالی که کمترین افت کیفیت ممکن را داشته باشد.

شاخص EDFA (EDFA Gain)

شاخص یک تقویت‌کننده EDFA میزان تقویتی است که به سیگنال نوری ورودی اعمال می‌شود. این مقدار معمولاً بر حسب دسی‌بل (dB) اندازه‌گیری می‌شود و نسبت توان خروجی نوری به توان ورودی نوری را (در قالب دسی‌بل) نشان می‌دهد.

نقش این شاخص بسیار حیاتی است، چرا که تضمین می‌کند سیگنال نوری قدرت کافی برای طی مسافت‌های طولانی در سیستم‌های فیبر نوری را دارد بدون اینکه دچار تضعیف شدید شود.

شاخص EDFA از طریق فرآیند گسیل تحریک‌شده (Stimulated Emission) به دست می‌آید؛ در این فرآیند، یون‌های اربیوم موجود در فیبر به سطوح بالاتر انرژی تحریک می‌شوند و سپس فوتون‌هایی هم‌فاز آزاد می‌کنند که باعث تقویت سیگنال اصلی می‌شوند.

هرچه بهره بیشتر باشد، سیگنال نوری مؤثرتر تقویت خواهد شد.

نسبت نویز EDFA (EDFA Noise Figure)

نسبت نویز در یک EDFA معیاری از میزانی است که تقویت‌کننده به نویز کلی سیگنال نوری اضافه می‌کند. این مقدار نیز بر حسب دسی‌بل (dB) بیان می‌شود و نشان‌دهنده‌ی افت نسبت سیگنال به نویز (SNR) ناشی از عملکرد تقویت‌کننده است.

وقتی سیگنال نوری از داخل EDFA عبور می‌کند، مقداری نویز اضافی به آن اضافه می‌شود که می‌تواند بر کیفیت کلی سیگنال تأثیر منفی بگذارد.

هرچه نسبت نویز پایین‌تر باشد، عملکرد تقویت‌کننده بهتر است، زیرا نویز کمتری به سیگنال اصلی وارد می‌شود.

نسبت نویز در EDFA به‌ویژه در سیستم‌های ارتباط نوری که نیاز به حفظ نسبت سیگنال به نویز بالا دارند، اهمیت زیادی دارد؛ زیرا کیفیت و قابلیت اطمینان انتقال سیگنال به این نسبت وابسته است.

مزایا و ملاحظات استفاده از تقویت‌کننده فیبر دوپ‌شده با اربیوم (EDFA)

امروزه، تقویت‌کننده نوری EDFA به‌عنوان گزینه‌ای برتر برای تقویت سیگنال در سیستم‌های DWDM شناخته می‌شود. دلیل این محبوبیت، نویز پایین و عدم حساسیت نسبت به قطبش سیگنال است. اگر در انتخاب تقویت‌کننده تردید دارید، بررسی مزایا و ملاحظات زیر می‌تواند به شما در تصمیم‌گیری کمک کند.

مزایای EDFA

- بهره‌برداری بالا از توان پمپاژ: راندمان استفاده از توان پمپاژ در EDFA بالاست (بیش از ۵۰٪).

- تقویت مستقیم و هم‌زمان طیف وسیعی از طول‌موج‌ها: EDFA می‌تواند به‌طور مستقیم و هم‌زمان طیف وسیعی از طول‌موج‌ها (بیش از ۸۰ نانومتر) در ناحیه‌ی ۱۵۵۰ نانومتر را با بهره نسبتاً یکنواخت تقویت کند.

- بهبود یکنواختی بهره: با استفاده از فیلترهای نوری یکنواخت‌ساز بهره (Gain-Flattening Filters)، می‌توان یکنواختی در تقویت را بیشتر بهبود داد.

- قابلیت دستیابی به بهره‌های بالا: بهره‌ی بیش از ۵۰ دسی‌بل (dB) امکان‌پذیر است.

- نویز پایین: EDFA دارای نسبت نویز بسیار پایین است، که آن را برای کاربردهای مسافت‌بلند مناسب می‌سازد.

- استقرار آسان و اقتصادی‌تر: در مقایسه با سایر روش‌های تقویت سیگنال، پیاده‌سازی و بهره‌برداری از EDFA آسان‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است.

- تقویت خطی: EDFA از تقویت خطی پشتیبانی می‌کند، که به حفظ یکپارچگی سیگنال و خروجی دقیق کمک می‌کند.

- قابلیت تنظیم بهره متناسب با کاربرد: با کنترل دقیق توان و فرکانس نور پمپاژ، می‌توان سطح بهره را برای کاربردهای مختلف تنظیم کرد.

نکات و ملاحظات مهم

1. تطابق طول‌موج (Wavelength Matching):

   اطمینان حاصل کنید که EDFA انتخاب‌شده با محدوده‌ی طول‌موج مورد استفاده در سیستم DWDM هم‌خوانی دارد. EDFA معمولاً در باند C (1530-1565 نانومتر) و باند L (1565-1625 نانومتر) عمل می‌کند.

2. توان اشباع (Saturation Power):

   EDFA دارای محدودیت در توان اشباع است؛ در سطوح توان بالا، بهره‌ی تقویت‌کننده به حالت اشباع می‌رسد. طراحان سیستم باید این اثر را در نظر داشته باشند تا از عملکرد پایدار سیستم اطمینان حاصل کنند.

3. نظارت بر عملکرد سیستم (System Monitoring):

   استفاده از سیستم‌های نظارت و مدیریت برای پایش عملکرد آنی EDFA ضروری است. این موضوع به تشخیص سریع و رفع مشکلات احتمالی کمک می‌کند.

4. جلوگیری از تداخل (Preventing Crosstalk):

   در سیستم‌های DWDM با تراکم بالا، باید مراقب تداخل بین طول‌موج‌ها بود. برای این منظور، برنامه‌ریزی دقیق طول‌موج‌ها و استفاده از مالتی‌پلکسرهای مناسب بسیار حائز اهمیت است.

جمع‌بندی

تقویت‌کننده EDFA یک عنصر کلیدی در سیستم‌های WDM محسوب می‌شود؛ این تقویت‌کننده با رفع چالش تضعیف سیگنال، امکان تقویت هم‌زمان چندین طول‌موج را فراهم کرده و به افزایش بهره‌وری و قابلیت اطمینان شبکه‌های ارتباط نوری کمک می‌کند. با توسعه سیستم‌های WDM و افزایش ظرفیت پهنای باند فیبرهای نوری، استفاده از سیستم‌های WDM همراه با EDFA مزایای بیشتری به همراه خواهد داشت.