Применение усилителей на эрбиевом волокне (EDFA) в современных оптических сетях

Оптические усилители являются ключевой технологией, обеспечивающей передачу терабитов данных на расстояния от сотен до тысяч километров за счёт компенсации потерь в оптоволокне. Среди всех типов оптических усилителей, усилитель на эрбиевом волокне (EDFA — Erbium-Doped Fiber Amplifier) стал первой и наиболее распространённой технологией, позволившей реализовать системы с плотным волновым мультиплексированием (DWDM) и кардинально увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи.

Благодаря таким характеристикам, как высокая выходная мощность, большой коэффициент усиления, широкая полоса пропускания, независимость от поляризации и низкий уровень шума, EDFA сегодня является одним из основных компонентов в сетях нового поколения.

Что такое EDFA?

EDFA — это оптический усилитель, предназначенный для усиления световых сигналов непосредственно в оптическом волокне без преобразования в электрический сигнал. В основе устройства лежит оптическое волокно, легированное ионами эрбия (Er³⁺). При накачке светом с длиной волны 980 нм или 1480 нм ионы эрбия переходят в возбуждённое состояние, а затем, под действием входного сигнала в диапазоне C-band (1525–1565 нм), излучают когерентные фотоны — происходит стимулированное излучение и, соответственно, усиление сигнала.

Основная схема Erbium-Doped Fiber Amplifier

Типичный усилитель EDFA состоит из трёх ключевых компонентов:

Эрбиевое волокно (EDF) — активная среда усиления,
Лазер накачки (980 нм или 1480 нм),
Мультиплексор (WDM) — объединяет сигнал и накачку в одном волокне.

В зависимости от направления накачки различают:

Прямую накачку (в том же направлении, что и сигнал),
Обратную накачку (встречное направление),
Двунаправленную накачку.

Наиболее распространённая конфигурация — прямая накачка на 980 нм, обеспечивающая оптимальное сочетание эффективности и шумовых характеристик.

Формы применения EDFA

1. Усилитель-усилитель (Booster Amplifier)

Устанавливается на выходе оптического передатчика для повышения мощности мультиплексированного DWDM-сигнала. Это позволяет увеличить дальность передачи без регенерации. Требования: высокая выходная мощность (до +23 дБм и выше).

2. Предусилитель (Preamplifier)

Размещается на входе приёмника для усиления слабого сигнала перед детектированием. Ключевые требования: низкий коэффициент шума (< 5 дБ) и **высокий коэффициент усиления** (> 30 дБ).

3. Линейный усилитель (Line Amplifier)

Используется вдоль линии связи для периодической компенсации потерь в волокне. EDFA заменяет традиционные OEO-ретрансляторы (оптика → электрика → оптика), обеспечивая полностью оптическую передачу и упрощая архитектуру сетей.

Области применения услителей

Высокоскоростные и высокопропускные системы связи
EDFA решает проблемы низкой чувствительности приёмников и ограниченной дальности при отсутствии OEO-ретрансляторов.
Магистральные и подводные линии связи
Применение EDFA позволяет увеличить расстояние между ретрансляторами, что снижает капитальные затраты на строительство наземных и подводных кабельных систем.
Сети доступа (FTTx, PON)
В пассивных оптических сетях EDFA компенсирует потери в сплиттерах, увеличивая количество абонентов на одной линии.
Системы WDM/DWDM
EDFA обеспечивает одновременное усиление десятков и сотен каналов, компенсируя вносимые потери и снижая влияние хроматической дисперсии.
Системы коллективного телевидения (CATV)
В качестве усилителя-усилителя EDFA повышает мощность сигнала перед распределением через оптические сплиттеры, расширяя зону охвата и увеличивая число подключённых домохозяйств.

Заключение

EDFA — это надёжная и высокоэффективная технология, ставшая основой современных оптических сетей. Благодаря таким характеристикам, как:

Плоская АЧХ в широком диапазоне усиления,
Низкий уровень шума,
Высокая выходная мощность насыщения,
Стабильная работа и отличная подавляемость переходных процессов,

EDFA продолжает оставаться предпочтительным решением для построения высокоскоростных, масштабируемых и экономически эффективных волоконно-оптических систем. С развитием технологий 5G, облачных вычислений и интернета вещей роль EDFA будет только возрастать.