EDFAについて知っておくべきことのすべて

光増幅器とは？

光増幅器は、光信号に利得を与えるために使用されます。光増幅器の中核となるのは利得媒質です。光ファイバー増幅器は、ポンピングによって反転分布と利得を実現します。利得は通常、利得媒質、ポンプ光源、および入力信号に関連します。ポンプ光源の機能は、利得媒質を励起して反転分布を生成することです。そして、信号が励起された利得媒質を通過することで誘導放出が生じ、最終的に増幅が実現されます。光増幅器の基本構造を以下に示します:

光増幅器の基本構造

代表的な光増幅器の種類には、次の3種類があります。

光増幅器の種類

• 半導体光増幅器(SOA)

• エルビウム添加光ファイバー増幅器(EDFA)

• ラマンファイバー増幅器(RFA)。 

光増幅器は、光ファイバー通信技術に飛躍的な進歩をもたらしました。光増幅器の商用利用が急速に進むにつれて、WDM技術は高度な成熟を遂げました。光増幅器とWDM技術を組み合わせることで、多額のコストをかけることなく、光通信システムの容量を柔軟かつ容易に拡張できます。 

EDFAアンプは、その優れた性能により、現在最も広く商用利用されているタイプですが、帯域幅が狭いため、高帯域化や全光増幅を求めるニーズに応えられないといった制約もあります。そのため、全光増幅器であるRFAアンプも、将来性があると考えられています。続いて、この記事では、最も商用化が進んでいるEDFAアンプについて詳しく紹介します。

EDFAとは何ですか？

上述のとおり、EDFAは光増幅器の一種であり、Erbium-Doped Fiber Amplifierの略称です。EDFA増幅器は光ファイバー通信における最も優れた発明の一つであり、光ファイバー通信の容量を大幅に増加させます。EDFAは通常、長距離光ファイバー通信システムで光増幅を実現し、光減衰を低減するために使用されます。

EDFAの構造

次の図はEDFAの基本構造を示しています。

EDFA構造図

典型的なEDFA 増幅器 主に以下の部品で構成されています：

• エルビウム添加光ファイバー： EDFAの中核部分です。希土類元素のエルビウムを石英光ファイバーに添加して作られています。 

• 励起レーザー: Erbiumを励起するために使用されます。1480nmの波長が最も効果的であり、次いで980nmの波長が効果的であることが実証されています。

• アイソレーター: 光の反射を抑制し、光アンプの安定した動作を確保するために使用されます。

• カプラー: 光信号とポンプ光をエルビウム添加光ファイバに結合するために使用されます。

• 光学フィルター: 帯域幅が1nm以内の狭帯域通過光フィルター。EDFAの自然放出光を除去するために使用されます 増幅器 EDFAノイズを低減するためです。

EDFAファイバー増幅器の仕組み

EDFAは主に、エルビウム添加ファイバー（10~30 meters）と励起レーザー（波長980nmまたは1480nm）で構成されています。励起レーザーによって励起されると、エルビウム添加ファイバーは準安定の高励起状態となり、誘導放出を発生させることで、入力光信号を増幅します。一般に、EDFAは15-40dBの利得を得ることができ、中継距離を100km以上に延長できます。

EDFAに関するよくある質問

1. Erドープ光ファイバ増幅器が最も広く使用されているのはなぜですか？ 光 増幅器 Erbiumを除いて？

Er添加ファイバ増幅器のほかに、Pr添加ファイバ増幅器やTm添加ファイバ増幅器もあります。

• EDFA（Er添加光ファイバー増幅器）は1550nmの波長で動作します。

• PDFA（Prドープファイバー増幅器）は1300nm波長で動作します。

• TDFA（Tm添加光ファイバー増幅器）は1400nmの波長で動作します。

EDFAの動作波長は、光通信における損失が最小となる波長帯と完全に一致しており、これがEDFAが最も広く使用されている理由の一つです。

2. ポンプ光源として980nmと1480nmが選ばれるのはなぜですか？

光源の波長には520nm、650nm、980nm、および1480nmを使用できますが、実証により、980nmと1480nmのポンプ効率は他の波長よりも高いことが分かっています。1480nmで励起されるEDFAのポンプ効率は、980nmの場合よりも高くなります。ただし、980nmのポンプ光源は雑音指数が低いため、より優れたノイズ性能が必要な場合は、980nmの方が推奨されます。

EDFAの利点 

EDFAアンプは最も広く使用されている光アンプであり、次のような多くの利点があります。

• 光通信の最小損失ウィンドウで動作します。EDFAは1550nm波長で動作し、これはシングルモードファイバの最小減衰ウィンドウと完全に一致します。

• 高い結合効率。EDFAと伝送ファイバーの結合損失は非常に低く、0.1dB未満に抑えられます。

• 低雑音指数。4~7dB。

• 高利得。20~40dB

• 高出力：双方向励起により最大20dBmに達します。

• 広い周波数帯域幅。1550nmで20~40nmの広い周波数帯域幅により、マルチパス信号の同時増幅をサポートします。

• 必要なポンプ出力が低い。わずか約10mW。

• オールファイバー構造。光ファイバー通信システムと完全な互換性があります。

• 高い安定性。EDFAの利得は温度の影響を受けにくく、偏波に依存しません。

EDFA アプリケーション: EDFA + WDM

EDFAアンプには上記のような多くの利点があるため、以下のような多くの用途で広く使用されています：

EDFAの用途：

• WDMシステム

• 光ソリトン通信

• 配電ネットワーク 

近年、WDM ((Wavelength Division Multiplexing))技術とEDFAアンプの組み合わせが、高速・大容量光ファイバー通信システムの主流となっています。以下の一般的なWDMシステム構成から、WDM技術と光増幅器の組み合わせにより、光ファイバー内で伝送される波長数が何倍にも増加したことがわかります。

WDMシステム構成

WDMシステムで使用されるEDFA光ファイバー増幅器は、主に光ファイバーの伝送損失を補償するためのものです。EDFA増幅器は、WDMシステム内の設置位置と機能の違いに応じて、次の3種類に分類できます:

1. ブースターアンプ. マルチプレクサの後段に配置され、多重化後に複数の波長信号のパワーを増幅するために使用されます。高い出力パワーが必要です。

2. ラインアンプ：ブースターアンプの後段に配置され、伝送損失を定期的に補償するために使用されます。低い雑音指数と高い出力が求められます。

3. プリアンプ：デマルチプレクサの前、ラインアンプの後ろに配置され、信号を増幅し、受信機の受信感度を高めるために使用されます。非常に小さい雑音指数が必要です。

結論

光増幅器、特にEDFAは、光通信システムにおける重要な構成要素です。EDFAは1550nmの波長で動作します。市販のEDFA増幅器には、低雑音指数、良好な利得曲線、広い増幅帯域、波長分割多重（WDM）システムとの互換性、高い励起効率、安定した性能という利点があります。そのため、現代の長距離・高速光通信システムで広く採用されています。現在、「EDFA+DWDM」は、国際的な長距離・高速光ファイバー通信伝送の主要な技術ソリューションになりつつあります。

QSFPTEK は、低ノイズで利得平坦化性能を備えたブースターアンプとプリアンプを提供しており、長距離 DWDM ソリューションの構築に向けて、光リンクのパワーバジェットをコスト効率よく拡張することを目的としています。[email protected] までお気軽にお問い合わせください。