Utilizzo di amplificatori ottici da 1550 nm in apparecchiature di trasmissione HFC

Perché 1550 nm è la lunghezza d'onda dominante per la trasmissione ottica HFC

Le reti ibride in fibra coassiale (HFC) costituiscono la spina dorsale della televisione via cavo e della distribuzione Internet a banda larga per centinaia di milioni di abbonati in tutto il mondo. In queste reti, la fibra ottica trasporta segnali a banda larga dalla centrale del cavo ai nodi in fibra distribuiti nelle aree di servizio, dove il segnale ottico viene convertito in RF e distribuito su cavo coassiale alle singole case e aziende. La scelta di 1550 nm come lunghezza d'onda operativa per questo segmento di trasporto ottico non è arbitraria: è il prodotto di due vantaggi fisici decisivi che definiscono l'economia e le prestazioni della trasmissione ottica a lunga distanza. La fibra monomodale standard mostra la sua attenuazione minima assoluta a circa 1550 nm, con perdite tipiche di 0,18–0,20 dB/km rispetto a 0,35 dB/km nella finestra di 1310 nm utilizzata in applicazioni a corto raggio. Questa riduzione della perdita di fibra si traduce direttamente in campate di amplificatori più lunghe, meno stadi di amplificazione ottica e costi infrastrutturali inferiori per chilometro di impianto.

Il secondo vantaggio decisivo è la disponibilità di amplificatori in fibra drogata con erbio (EDFA): amplificatori ottici pratici, affidabili ed economici che funzionano esattamente nella banda C da 1530-1570 nm e nella banda L da 1570-1620 nm, entrambi centrati sulla finestra di trasmissione di 1550 nm. Gli EDFA hanno trasformato la trasmissione ottica a lunga distanza consentendo l'amplificazione ottica diretta senza la conversione ottico-elettrico-ottica (OEO) costosa e che introduce latenza richiesta dalla precedente tecnologia di ripetitori rigenerativi. Nello specifico, per le reti HFC, la combinazione di bassa perdita di fibra e amplificazione EDFA consente distanze di trasmissione ottica di 40-100 km tra gli stadi di amplificazione, consentendo agli operatori via cavo di servire ampie aree geografiche di servizio da strutture centrali centralizzate con un'infrastruttura dei nodi drasticamente ridotta rispetto alle alternative a lunghezza d'onda più corta.

Come funzionano gli amplificatori ottici da 1550 nm nei sistemi HFC

A Amplificatore ottico da 1550 nm in un sistema di trasmissione HFC funziona amplificando direttamente il segnale ottico trasportato sulla fibra senza convertirlo in segnale elettrico. La tecnologia dominante è l'amplificatore in fibra drogata con erbio, che utilizza un breve tratto di fibra ottica il cui nucleo è stato drogato con ioni erbio (Er³⁺). Quando la fibra drogata con erbio viene pompata con luce laser ad alta potenza a 980 nm o 1480 nm, gli ioni erbio vengono eccitati a uno stato energetico più elevato. Quando un fotone del segnale da 1550 nm passa attraverso la fibra drogata, stimola gli ioni erbio eccitati a emettere fotoni aggiuntivi esattamente alla stessa lunghezza d’onda e fase: un processo chiamato emissione stimolata che produce un guadagno ottico coerente. Questo meccanismo di guadagno amplifica il segnale su una larghezza di banda che copre l'intera banda C, rendendo gli EDFA compatibili sia con la trasmissione HFC a lunghezza d'onda singola che con i sistemi WDM (wavelength-division multiplexed) che trasportano più canali contemporaneamente su una singola fibra.

In un tipico impianto ottico HFC, il trasmettitore di testa converte lo spettro del segnale RF combinato, che può estendersi da 5 MHz a 1,2 GHz per i sistemi DOCSIS 3.1, in un segnale ottico utilizzando un laser modulato direttamente o esternamente operante a 1550 nm. Questo segnale viene poi lanciato nell'impianto di distribuzione della fibra. Laddove la potenza del segnale si è attenuata a un livello tale da degradare il rapporto portante/rumore (CNR) nel nodo della fibra, un amplificatore ottico viene inserito in linea per ripristinare la potenza del segnale al livello richiesto. Il segnale amplificato continua attraverso ulteriori tratti di fibra fino a raggiungere il nodo della fibra, dove un fotorivelatore lo riconverte in un segnale elettrico RF per la distribuzione sulla porzione coassiale della rete.

Tipi di amplificatori ottici da 1550 nm utilizzati nella trasmissione HFC

La famiglia di prodotti degli amplificatori ottici da 1550 nm utilizzati nelle reti HFC comprende diverse configurazioni distinte di amplificatori ottimizzate per diverse posizioni nell'architettura di trasmissione ottica. Comprendere dove viene applicato ciascun tipo e quali caratteristiche prestazionali definiscono ciascuno di essi è essenziale per gli ingegneri di rete che progettano o aggiornano impianti ottici HFC.

Amplificatori booster (post-amplificatori)

Gli amplificatori booster sono posizionati immediatamente dopo il trasmettitore di testa per aumentare la potenza di lancio nell'impianto di distribuzione della fibra. Poiché il segnale di ingresso è già a un livello di potenza relativamente elevato dal trasmettitore, gli amplificatori booster sono progettati per un'elevata potenza di uscita piuttosto che per una bassa figura di rumore: le specifiche tipiche della potenza di uscita per gli amplificatori booster HFC vanno da 17 dBm a 23 dBm o superiore per implementazioni con architettura ad accesso distribuito (DAA) o high-split. La funzione primaria dell'amplificatore booster è quella di compensare la perdita di inserzione degli splitter ottici che dividono il segnale su più percorsi di fibra che servono diversi segmenti dell'area di servizio, nonché l'attenuazione del primo tratto di fibra. Un amplificatore booster di testa con potenza di uscita di 20 dBm che pilota uno splitter ottico 1:8 (perdita di divisione di circa 9 dB) lancia circa 11 dBm in ciascuno degli otto percorsi in fibra di uscita, sufficienti per coprire tratte di 25-40 km prima che sia necessaria un'amplificazione aggiuntiva.

Amplificatori in linea

Gli amplificatori in linea vengono distribuiti in punti intermedi nelle tratte in fibra a lungo raggio dove la potenza del segnale è scesa al di sotto del livello minimo richiesto per mantenere un CNR accettabile al nodo o amplificatore successivo. Questi amplificatori devono bilanciare guadagno, potenza di uscita e figura di rumore: la figura di rumore è particolarmente critica perché ogni stadio dell'amplificatore in linea aggiunge rumore di emissione spontanea amplificata (ASE) che si accumula lungo il percorso ottico e, in definitiva, limita il CNR ottenibile nel nodo della fibra. Gli amplificatori in linea per la trasmissione HFC forniscono tipicamente un guadagno di 15–25 dB con una potenza di uscita compresa tra 13 e 17 dBm e figure di rumore di 5–7 dB. Gli amplificatori in linea multistadio con accesso allo stadio intermedio, che consente l'inserimento di attenuatori ottici o filtri di appiattimento del guadagno tra gli stadi di guadagno, raggiungono figure di rumore effettive inferiori rispetto ai design a stadio singolo con potenza di uscita equivalente.

Amplificatori di pilotaggio dei nodi (preamplificatori)

Gli amplificatori di pilotaggio dei nodi, a volte chiamati amplificatori di distribuzione o amplificatori di linea ottica (OLA), sono posizionati appena prima di un nodo in fibra o di un punto di splitter ottico per amplificare il segnale al livello richiesto per pilotare simultaneamente più uscite del nodo a valle. Questi amplificatori sono caratterizzati da un'elevata capacità di potenza in uscita combinata con un guadagno sufficiente per funzionare con bassi livelli di potenza in ingresso: devono fornire un'uscita adeguata anche quando la potenza in ingresso è scesa da −3 a −10 dBm dopo un lungo tratto di fibra. Le specifiche di potenza in uscita per gli amplificatori di pilotaggio dei nodi vanno da 17 a 27 dBm in configurazioni ad alta potenza, con alcuni prodotti premium della serie di amplificatori ottici da 1550 nm che raggiungono i 30 dBm per pilotare grandi rapporti di splitting ottico al servizio di implementazioni di nodi densi.

Specifiche prestazionali chiave e come influiscono sulla progettazione della rete HFC

La scelta del giusto amplificatore ottico da 1550 nm per un'applicazione HFC richiede una chiara comprensione delle specifiche prestazionali pubblicate nelle schede tecniche del produttore e di come ciascun parametro si traduce in un comportamento di rete reale. La tabella seguente riassume le specifiche critiche dell'amplificatore e le relative implicazioni nella progettazione della rete:

La figura di rumore merita particolare attenzione perché il suo impatto si propaga attraverso catene di amplificatori in cascata. Ogni stadio dell'amplificatore aggiunge rumore ASE e l'accumulo totale di rumore ottico determina il CNR nel nodo della fibra, il parametro che in definitiva imposta la qualità dei segnali RF distribuiti sulla porzione coassiale dell'impianto HFC. Un CNR di almeno 52 dB sul nodo della fibra è generalmente necessario per mantenere adeguate prestazioni composite del secondo ordine (CSO), del triplo battito composito (CTB) e dell'ampiezza del vettore di errore (EVM) per i canali DOCSIS 3.1 OFDM. Gli ingegneri di rete devono eseguire calcoli delle figure di rumore in cascata su tutti gli stadi dell'amplificatore, dalla testata al nodo, per verificare la conformità CNR prima di finalizzare il posizionamento e le specifiche dell'amplificatore.

Posizionamento dell'amplificatore ottico nell'architettura del nodo HFC

L'architettura delle moderne reti HFC si è evoluta in modo significativo con l'introduzione del nodo 0 (fibra profonda), dell'architettura di accesso distribuito (DAA) e delle implementazioni PHY/MACPHY remote, che cambiano il luogo in cui sono posizionati gli amplificatori ottici e le prestazioni che devono offrire. Comprendere come il posizionamento degli amplificatori si adatta a queste architetture in evoluzione è essenziale per gli ingegneri che aggiornano gli impianti HFC esistenti per supportare DOCSIS 3.1 e i futuri servizi DOCSIS 4.0.

Architettura tradizionale Fiber-to-the-Node

Nell'architettura HFC tradizionale, un singolo trasmettitore ottico ad alta potenza da 1550 nm all'estremità principale guida un impianto di distribuzione della fibra attraverso una serie di splitter ottici e amplificatori in linea per servire più nodi in fibra, ciascuno dei quali serve 500-2.000 case passate. Gli amplificatori ottici sono posizionati a intervalli determinati dall'attenuazione accumulata della fibra e dalle perdite suddivise per mantenere un'adeguata potenza di ingresso in ciascun nodo a valle. Una configurazione tipica utilizza un amplificatore di testa che pilota uno splitter primario 1:4 o 1:8, con amplificatori in linea posizionati 15-30 km a valle per compensare l'attenuazione del tratto di fibra prima che gli splitter secondari alimentino i singoli nodi della fibra. Questa topologia ad albero a stella è ottimizzata per la costruzione economica di impianti in fibra, ma concentra un guadagno significativo dell'amplificatore in lunghe cascate che mettono alla prova le prestazioni del CNR.

Architetture di accesso distribuito e Fiber Deep

Le architetture Fiber Deep spingono la fibra più vicino al cliente, riducendo le aree di servizio dei nodi a 50-150 case ed eliminando la maggior parte della cascata di amplificatori coassiali. Le implementazioni remote PHY e MACPHY DAA spostano l'elaborazione del livello fisico DOCSIS dall'headend al nodo in fibra, che ora contiene elettronica digitale attiva alimentata dall'infrastruttura in fibra. Queste architetture modificano in modo significativo i requisiti di trasmissione ottica: le singole lunghezze d'onda della fibra o i canali WDM trasportano segnali digitali dedicati a ciascun nodo remoto e la serie di amplificatori ottici da 1550 nm deve supportare il funzionamento WDM con guadagno piatto su tutti i canali attivi contemporaneamente. Sono necessari EDFA ad alta potenza compatibili con WDM con filtri di appiattimento del guadagno integrati e controllo automatico del guadagno (AGC) per mantenere livelli di potenza costanti per canale quando i nodi vengono aggiunti o rimossi dalla rete senza ribilanciamento manuale dell'impianto ottico.

Considerazioni pratiche per l'implementazione di amplificatori da 1550 nm in impianti HFC

Il successo dell'implementazione degli amplificatori ottici da 1550 nm nelle apparecchiature di trasmissione HFC richiede attenzione a diversi fattori pratici, tecnici e operativi, che non vengono catturati solo nelle specifiche della scheda tecnica. Le prestazioni sul campo possono discostarsi in modo significativo dalle prestazioni caratterizzate in laboratorio quando gli amplificatori sono installati in ambienti di rete reali con qualità della fibra variabile, problemi di pulizia dei connettori e cicli termici in involucri esterni.

• Pulizia e ispezione del connettore: I connettori ottici sulle porte di ingresso e uscita dell'amplificatore sono la fonte più comune di perdita di inserzione imprevista e di degrado del segnale negli impianti ottici HFC utilizzati. Un connettore APC contaminato può aggiungere 1–3 dB di perdita di inserzione e generare riflessioni posteriori che destabilizzano il funzionamento dell'amplificatore. Tutti i connettori devono essere ispezionati con una sonda per l'ispezione delle fibre e puliti con strumenti adeguati prima del collegamento, ogni volta, senza eccezioni. Gli operatori devono mantenere la pulizia IEC 61300-3-35 Grado B o migliore su tutte le interfacce dei connettori dell'amplificatore.
• Controllo automatico del guadagno e controllo automatico della potenza: Gli amplificatori ottici HFC dovrebbero incorporare circuiti AGC o di controllo automatico della potenza (APC) che mantengono costante la potenza di uscita quando i livelli del segnale di ingresso variano a causa di cambiamenti nell'impianto di fibra, variazioni di perdita indotte dalla temperatura o riconfigurazioni della rete a monte. Senza AGC/APC, una riduzione della potenza in ingresso, causata dal degrado della fibra, dall'invecchiamento del connettore o da modifiche del percorso ottico, provoca una riduzione proporzionale della potenza in uscita che si trasmette a cascata attraverso gli amplificatori a valle e riduce il CNR nei nodi della fibra. Specificare amplificatori con stabilità della potenza in uscita di ±0,5 dB sull'intero intervallo operativo della potenza in ingresso è una pratica standard per impianti ottici HFC affidabili.
• Isolamento ottico e gestione della riflessione posteriore: Lo scattering Brillouin (SBS) stimolato e il back-scattering Rayleigh in fibre lunghe generano rumore ottico che può rientrare negli stadi dell'amplificatore e degradare le prestazioni. Gli amplificatori booster ad alta potenza che operano al di sopra di 17 dBm devono includere isolatori ottici su entrambe le porte di ingresso e di uscita e la progettazione dell'impianto in fibra deve incorporare un margine di perdita di ritorno ottico sufficiente. I connettori lucidati APC (ORL tipicamente > 60 dB) e le giunzioni a fusione (ORL > 60 dB) sono fortemente preferiti rispetto ai connettori UPC (ORL tipicamente 45–50 dB) nei sistemi di trasmissione ad alta potenza a 1550 nm.
• Gestione termica negli involucri da esterno: Gli amplificatori ottici HFC distribuiti su piedistalli esterni o involucri aerei sono soggetti a intervalli di temperatura ambiente compresi tra −40 °C e 60 °C in molte regioni geografiche. I diodi laser della pompa dell'amplificatore, le sorgenti da 980 nm o 1480 nm che guidano il guadagno EDFA, sono componenti sensibili alla temperatura la cui potenza di uscita, lunghezza d'onda e durata sono tutti influenzati dalla temperatura operativa. Specificare gli amplificatori con raffreddatori termoelettrici (TEC) sui moduli laser della pompa e verificare le prestazioni nominali nell'intero intervallo di temperature operative è essenziale per un'implementazione esterna affidabile. Intervalli di temperatura operativa estesi da −40°C a 65°C sono ora offerti dai principali produttori di serie di amplificatori ottici HFC per soddisfare esplicitamente questo requisito.
• Gestione della rete e monitoraggio remoto: Le moderne serie di amplificatori ottici da 1550 nm per applicazioni HFC incorporano interfacce di gestione di rete compatibili con SNMP, monitoraggio della potenza ottica sulle porte di ingresso e uscita, telemetria della corrente e della temperatura del laser della pompa e uscite di allarme per condizioni fuori range. L'integrazione della gestione dell'amplificatore nel sistema di gestione headend (HMS) o nel sistema di gestione degli elementi (EMS) dell'operatore via cavo consente l'identificazione proattiva dei guasti prima che si verifichino guasti che incidono sul servizio e fornisce i dati sull'andamento delle prestazioni necessari per programmare la manutenzione preventiva prima che il degrado dei componenti raggiunga le soglie di fine vita.

Selezione della serie di amplificatori ottici da 1550 nm giusta per la tua rete HFC

Con una chiara comprensione dei tipi di amplificatori, delle specifiche prestazionali e delle considerazioni sull'implementazione, gli ingegneri di rete possono affrontare la selezione dell'amplificatore in modo sistematico. Il processo di selezione dovrebbe seguire una sequenza definita di passaggi che traducono i requisiti di progettazione della rete in specifiche di prodotto:

• Determinare il budget del collegamento ottico: Calcola la perdita totale dal trasmettitore di testa al nodo della fibra più distante, inclusa l'attenuazione del tratto di fibra, le perdite di giunzione, le perdite del connettore e le perdite di inserzione dello splitter ottico. Questo budget di collegamento determina il guadagno totale richiesto da tutti gli stadi dell'amplificatore combinati e stabilisce la potenza di uscita richiesta da ciascun singolo amplificatore in base alla sua posizione nella catena.
• Calcola il CNR al nodo della fibra: Utilizzando la figura di rumore in cascata di tutti gli stadi dell'amplificatore dalla centrale al nodo, calcolare l'SNR ottico disponibile all'ingresso del fotorilevatore del nodo. Convertire in RF CNR utilizzando l'indice di modulazione, la profondità di modulazione ottica del segnale RF e la reattività del fotorivelatore. Verificare che il CNR calcolato soddisfi il minimo richiesto per la modulazione di ordine più elevato utilizzata nell'impianto RF, in genere 256-QAM OFDM per DOCSIS 3.1, che richiede un CNR superiore a 52–54 dB.
• Verificare la compatibilità WDM, se applicabile: Per le reti che utilizzano più lunghezze d'onda su una singola fibra, confermare che la serie di amplificatori selezionata fornisce un guadagno piatto su tutte le lunghezze d'onda operative contemporaneamente e che sono disponibili opzioni di filtro di appiattimento del guadagno per configurazioni multi-amplificatore in cascata in cui l'accumulo di inclinazione del guadagno causerebbe altrimenti uno squilibrio di potenza del canale inaccettabile.
• Confermare le specifiche fisiche e ambientali: Adatta il fattore di forma dell'amplificatore (scheda chassis con montaggio in rack, unità 1U autonoma o montaggio su piedistallo esterno) all'infrastruttura di installazione disponibile. Verifica l'intervallo di temperatura operativa, le opzioni di tensione di alimentazione, il grado di protezione di ingresso per l'implementazione all'aperto e la conformità agli standard pertinenti, tra cui IEC 60825 per la sicurezza laser e Telcordia GR-1312 per la qualifica di affidabilità EDFA.