Verwendung optischer 1550-nm-Verstärker in HFC-Übertragungsgeräten

Warum 1550 nm die dominierende Wellenlänge für die optische HFC-Übertragung ist

Hybride Glasfaser-Koaxial-Netzwerke (HFC) bilden das Rückgrat des Kabelfernsehens und der Breitband-Internetverteilung für Hunderte Millionen Abonnenten weltweit. In diesen Netzwerken überträgt Glasfaser Breitbandsignale von der Kabelkopfstelle zu Glasfaserknoten, die über die Versorgungsgebiete verteilt sind, wo das optische Signal in HF umgewandelt und über Koaxialkabel an einzelne Haushalte und Unternehmen verteilt wird. Die Wahl von 1550 nm als Betriebswellenlänge für dieses optische Transportsegment ist nicht willkürlich – sie ist das Produkt zweier entscheidender physikalischer Vorteile, die die Wirtschaftlichkeit und Leistung der optischen Fernübertragung bestimmen. Standard-Singlemode-Fasern weisen ihre absolute Mindestdämpfung bei etwa 1550 nm auf, mit typischen Verlusten von 0,18–0,20 dB/km im Vergleich zu 0,35 dB/km im 1310-nm-Fenster, das in Anwendungen mit kürzerer Reichweite verwendet wird. Diese Reduzierung des Faserverlusts führt direkt zu längeren Verstärkerspannen, weniger optischen Verstärkungsstufen und geringeren Infrastrukturkosten pro Kilometer Anlage.

Der zweite entscheidende Vorteil ist die Verfügbarkeit von Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs) – praktischen, zuverlässigen und kostengünstigen optischen Verstärkern, die präzise im C-Band von 1530–1570 nm und im L-Band von 1570–1620 nm arbeiten, beide zentriert auf das Übertragungsfenster von 1550 nm. EDFAs veränderten die optische Übertragung über große Entfernungen, indem sie eine direkte optische Verstärkung ohne die kostspielige und latenzbeeinflussende optisch-elektrische-optische (OEO) Umwandlung ermöglichten, die bei früherer regenerativer Repeater-Technologie erforderlich war. Speziell für HFC-Netzwerke ermöglicht die Kombination aus geringem Glasfaserverlust und EDFA-Verstärkung optische Übertragungsspannen von 40–100 km zwischen den Verstärkungsstufen, wodurch Kabelbetreiber große geografische Versorgungsgebiete von zentralisierten Kopfstellenanlagen aus mit drastisch reduzierter Knoteninfrastruktur im Vergleich zu Alternativen mit kürzeren Wellenlängen bedienen können.

Wie optische 1550-nm-Verstärker in HFC-Systemen funktionieren

A 1550 nm optischer Verstärker In einem HFC-Übertragungssystem wird das auf der Faser übertragene optische Signal direkt verstärkt, ohne es in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die vorherrschende Technologie ist der Erbium-dotierte Faserverstärker, der eine kurze optische Faserlänge verwendet, deren Kern mit Erbiumionen (Er³⁺) dotiert wurde. Wenn die Erbium-dotierte Faser mit Hochleistungslaserlicht bei 980 nm oder 1480 nm gepumpt wird, werden die Erbiumionen in einen höheren Energiezustand angeregt. Wenn ein 1550-nm-Signalphoton die dotierte Faser passiert, stimuliert es die angeregten Erbiumionen, zusätzliche Photonen mit genau derselben Wellenlänge und Phase zu emittieren – ein Prozess, der als stimulierte Emission bezeichnet wird und einen kohärenten optischen Gewinn erzeugt. Dieser Verstärkungsmechanismus verstärkt das Signal über eine Bandbreite, die das gesamte C-Band abdeckt, wodurch EDFAs sowohl mit Einzelwellenlängen-HFC-Übertragung als auch mit Wellenlängenmultiplexsystemen (WDM) kompatibel sind, die mehrere Kanäle gleichzeitig auf einer einzigen Faser übertragen.

In einer typischen optischen HFC-Anlage wandelt der Kopfstellensender das kombinierte HF-Signalspektrum – das bei DOCSIS 3.1-Systemen 5 MHz bis 1,2 GHz umfassen kann – mithilfe eines direkt modulierten oder extern modulierten Lasers, der bei 1550 nm arbeitet, in ein optisches Signal um. Dieses Signal wird dann in die Faserverteilungsanlage eingespeist. Wenn die Signalleistung auf ein Niveau abgesunken ist, das das Träger-Rausch-Verhältnis (CNR) am Glasfaserknoten verschlechtern würde, wird ein optischer Verstärker in die Leitung eingefügt, um die Signalleistung wieder auf das erforderliche Niveau zu bringen. Das verstärkte Signal läuft über weitere Faserabschnitte weiter, bis es den Faserknoten erreicht, wo ein Fotodetektor es zurück in ein elektrisches HF-Signal umwandelt, das über den koaxialen Teil des Netzwerks verteilt wird.

Arten von optischen 1550-nm-Verstärkern, die bei der HFC-Übertragung verwendet werden

Die Produktfamilie optischer 1550-nm-Verstärker, die in HFC-Netzwerken verwendet wird, umfasst mehrere unterschiedliche Verstärkerkonfigurationen, die für verschiedene Positionen in der optischen Übertragungsarchitektur optimiert sind. Für Netzwerkingenieure, die optische HFC-Anlagen entwerfen oder modernisieren, ist es wichtig zu verstehen, wo jeder Typ eingesetzt wird und welche Leistungsmerkmale ihn definieren.

Booster-Verstärker (Nachverstärker)

Booster-Verstärker werden unmittelbar nach dem Kopfstellensender positioniert, um die Einspeiseleistung in die Glasfaserverteilungsanlage zu erhöhen. Da das Eingangssignal des Senders bereits einen relativ hohen Leistungspegel aufweist, sind Booster-Verstärker eher auf eine hohe Ausgangsleistung als auf eine niedrige Rauschzahl ausgelegt – typische Ausgangsleistungsspezifikationen für HFC-Booster-Verstärker reichen von 17 dBm bis 23 dBm oder höher für High-Split- oder Distributed-Access-Architekturen (DAA)-Einsätze. Die Hauptfunktion des Booster-Verstärkers besteht darin, die Einfügungsdämpfung von optischen Splittern zu kompensieren, die das Signal auf mehrere Glasfaserpfade aufteilen, die verschiedene Servicebereichssegmente bedienen, sowie die Dämpfung der ersten Glasfaserstrecke. Ein Headend-Booster-Verstärker mit 20 dBm Ausgangsleistung, der einen optischen 1:8-Splitter antreibt (ca. 9 dB Split-Verlust), sendet ca. 11 dBm in jeden der acht Ausgangsfaserpfade – ausreichend, um Entfernungen von 25–40 km zu überbrücken, bevor eine zusätzliche Verstärkung erforderlich ist.

Inline-Verstärker

Inline-Verstärker werden an Zwischenpunkten in Langstrecken-Glasfaserstrecken eingesetzt, an denen die Signalleistung unter den Mindestwert gesunken ist, der zur Aufrechterhaltung eines akzeptablen CNR am nächsten Knoten oder Verstärker erforderlich ist. Diese Verstärker müssen Verstärkung, Ausgangsleistung und Rauschzahl ausgleichen. Die Rauschzahl ist besonders kritisch, da jede Inline-Verstärkerstufe ASE-Rauschen (Amplified Spontane Emission) hinzufügt, das sich entlang des optischen Pfads ansammelt und letztendlich das erreichbare CNR am Faserknoten begrenzt. Inline-Verstärker für die HFC-Übertragung bieten typischerweise eine Verstärkung von 15–25 dB bei einer Ausgangsleistung von 13 bis 17 dBm und Rauschzahlen von 5–7 dB. Mehrstufige Inline-Verstärker mit Zugang zur Mittelstufe – die das Einfügen von optischen Dämpfungsgliedern oder Filtern zur Verstärkungsglättung zwischen den Verstärkungsstufen ermöglichen – erreichen bei gleicher Ausgangsleistung niedrigere effektive Rauschzahlen als einstufige Designs.

Knotentreibende Verstärker (Vorverstärker)

Knotentreibende Verstärker, manchmal auch Verteilungsverstärker oder optische Leitungsverstärker (OLAs) genannt, werden direkt vor einem Glasfaserknoten oder einem optischen Splitterpunkt positioniert, um das Signal auf den Pegel zu verstärken, der zum gleichzeitigen Ansteuern mehrerer Downstream-Knotenausgänge erforderlich ist. Diese Verstärker zeichnen sich durch eine hohe Ausgangsleistung in Kombination mit einer ausreichenden Verstärkung für den Betrieb bei niedrigen Eingangsleistungspegeln aus – sie müssen auch dann eine ausreichende Ausgangsleistung liefern, wenn die Eingangsleistung nach einer langen Glasfaserstrecke auf –3 bis –10 dBm abgefallen ist. Die Ausgangsleistungsspezifikationen für knotengesteuerte Verstärker reichen von 17 bis 27 dBm in Hochleistungskonfigurationen, wobei einige Premiumprodukte der optischen 1550-nm-Verstärkerserie 30 dBm erreichen, um große optische Teilungsverhältnisse für den Einsatz mit dichten Knoten anzutreiben.

Wichtige Leistungsspezifikationen und wie sie sich auf das HFC-Netzwerkdesign auswirken

Die Auswahl des richtigen optischen 1550-nm-Verstärkers für eine HFC-Anwendung erfordert ein klares Verständnis der in den Datenblättern der Hersteller veröffentlichten Leistungsspezifikationen und der Art und Weise, wie sich die einzelnen Parameter auf das tatsächliche Netzwerkverhalten auswirken. Die folgende Tabelle fasst die kritischen Verstärkerspezifikationen und ihre Auswirkungen auf das Netzwerkdesign zusammen:

Besondere Aufmerksamkeit verdient die Rauschzahl, da ihre Wirkung durch kaskadierte Verstärkerketten verstärkt wird. Jede Verstärkerstufe fügt ASE-Rauschen hinzu, und die gesamte optische Rauschakkumulation bestimmt das CNR am Faserknoten – den Parameter, der letztendlich die Qualität der über den koaxialen Teil der HFC-Anlage verteilten HF-Signale bestimmt. Ein CNR von mindestens 52 dB am Faserknoten ist in der Regel erforderlich, um eine angemessene Leistung von Composite Second Order (CSO), Composite Triple Beat (CTB) und Error Vector Magnitude (EVM) für DOCSIS 3.1 OFDM-Kanäle aufrechtzuerhalten. Netzwerkingenieure müssen kaskadierte Rauschzahlberechnungen über alle Verstärkerstufen von der Kopfstelle bis zum Knoten durchführen, um die CNR-Konformität zu überprüfen, bevor sie die Verstärkerplatzierung und -spezifikation abschließen.

Platzierung optischer Verstärker in der HFC-Knotenarchitektur

Die Architektur moderner HFC-Netzwerke hat sich mit der Einführung von Node 0 (Fiber Deep), Distributed Access Architecture (DAA) und Remote-PHY/Remote-MACPHY-Implementierungen erheblich weiterentwickelt, was sich allesamt verändert, wo optische Verstärker platziert werden und welche Leistung sie liefern müssen. Für Ingenieure, die bestehende HFC-Anlagen aufrüsten, um DOCSIS 3.1 und zukünftige DOCSIS 4.0-Dienste zu unterstützen, ist es wichtig zu verstehen, wie sich die Verstärkerplatzierung auf diese sich entwickelnden Architekturen auswirkt.

Traditionelle Fiber-to-the-Node-Architektur

In der traditionellen HFC-Architektur treibt ein einzelner leistungsstarker optischer 1550-nm-Sender an der Kopfstelle eine Glasfaserverteilungsanlage über eine Reihe optischer Splitter und Inline-Verstärker an, um mehrere Glasfaserknoten zu versorgen, die jeweils 500–2.000 Haushalte versorgen. Optische Verstärker werden in Abständen platziert, die durch die akkumulierte Faserdämpfung und die Teilungsverluste bestimmt werden, um an jedem Downstream-Knoten eine ausreichende Eingangsleistung aufrechtzuerhalten. Eine typische Konfiguration verwendet einen Headend-Boosterverstärker, der einen 1:4- oder 1:8-Primärsplitter antreibt, wobei Inline-Verstärker 15–30 km stromabwärts positioniert sind, um die Dämpfung der Glasfaserstrecke auszugleichen, bevor sekundäre Splitter einzelne Glasfaserknoten versorgen. Diese Star-Tree-Topologie ist für den wirtschaftlichen Bau von Faseranlagen optimiert, konzentriert jedoch eine erhebliche Verstärkerverstärkung auf lange Kaskaden, die die CNR-Leistung herausfordern.

Fiber Deep und verteilte Zugriffsarchitekturen

Fiber-Deep-Architekturen rücken die Glasfaser näher an den Kunden heran, wodurch die Knotenbereiche, die die Versorgung durchqueren, auf 50–150 Haushalte reduziert werden und der Großteil der koaxialen Verstärkerkaskade entfällt. Remote-PHY- und Remote-MACPHY-DAA-Bereitstellungen verlagern die DOCSIS-Physical-Layer-Verarbeitung vom Headend zum Glasfaserknoten, der nun aktive digitale Elektronik enthält, die über die Glasfaserinfrastruktur mit Strom versorgt wird. Diese Architekturen verändern die Anforderungen an die optische Übertragung erheblich: Einzelne Glasfaserwellenlängen oder WDM-Kanäle übertragen dedizierte digitale Signale zu jedem entfernten Knoten, und die optische 1550-nm-Verstärkerserie muss den WDM-Betrieb mit gleichmäßiger Verstärkung über alle aktiven Kanäle gleichzeitig unterstützen. Hochleistungs-WDM-kompatible EDFAs mit integrierten Verstärkungsglättungsfiltern und automatischer Verstärkungsregelung (AGC) sind erforderlich, um beim Hinzufügen oder Entfernen von Knoten zum Netzwerk konsistente Leistungspegel pro Kanal aufrechtzuerhalten, ohne dass die optische Anlage manuell neu ausbalanciert werden muss.

Praktische Überlegungen zum Einsatz von 1550-nm-Verstärkern in HFC-Anlagen

Der erfolgreiche Einsatz optischer 1550-nm-Verstärker in HFC-Übertragungsgeräten erfordert die Beachtung mehrerer praktischer technischer und betrieblicher Faktoren, die nicht allein in den Datenblattspezifikationen erfasst sind. Die Leistung vor Ort kann erheblich von der im Labor ermittelten Leistung abweichen, wenn Verstärker in realen Netzwerkumgebungen mit unterschiedlicher Faserqualität, Problemen mit der Sauberkeit der Anschlüsse und Temperaturschwankungen in Außengehäusen installiert werden.

• Sauberkeit und Inspektion der Steckverbinder: Optische Anschlüsse an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen von Verstärkern sind die häufigste Ursache für unerwartete Einfügedämpfung und Signalverschlechterung in eingesetzten optischen HFC-Anlagen. Ein verunreinigter APC-Stecker kann die Einfügungsdämpfung um 1–3 dB erhöhen und Rückreflexionen erzeugen, die den Verstärkerbetrieb destabilisieren. Alle Steckverbinder müssen vor dem Anschluss ausnahmslos mit einer Faserprüfsonde überprüft und mit geeigneten Werkzeugen gereinigt werden. Bediener sollten an allen Verstärkeranschlussschnittstellen eine Sauberkeit gemäß IEC 61300-3-35 Klasse B oder besser einhalten.
• Automatische Verstärkungsregelung und automatische Leistungsregelung: Optische HFC-Verstärker sollten über AGC- oder APC-Schaltkreise (Automatic Power Control) verfügen, die eine konstante Ausgangsleistung aufrechterhalten, wenn die Eingangssignalpegel aufgrund von Änderungen in der Glasfaseranlage, temperaturbedingten Verlustschwankungen oder Neukonfigurationen des Upstream-Netzwerks variieren. Ohne AGC/APC führt eine Verringerung der Eingangsleistung – verursacht durch Faserverschlechterung, Alterung des Steckers oder Änderungen des optischen Pfads – zu einer proportionalen Verringerung der Ausgangsleistung, die sich durch nachgeschaltete Verstärker kaskadiert und das CNR an Faserknoten verringert. Die Spezifikation von Verstärkern mit einer Ausgangsleistungsstabilität von ±0,5 dB über den gesamten Betriebsbereich der Eingangsleistung ist gängige Praxis für zuverlässige optische HFC-Anlagen.
• Optische Isolation und Rückreflexionsmanagement: Stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) und Rayleigh-Rückstreuung in langen Faserstrecken erzeugen optisches Rauschen, das wieder in Verstärkerstufen eindringen und die Leistung beeinträchtigen kann. Hochleistungs-Boosterverstärker, die über 17 dBm arbeiten, müssen sowohl an den Eingangs- als auch an den Ausgangsanschlüssen über optische Isolatoren verfügen, und das Design der Glasfaseranlage muss über eine ausreichende optische Rückflussdämpfungsmarge verfügen. APC-polierte Steckverbinder (ORL typischerweise >60 dB) und Fusionsspleiße (ORL >60 dB) werden in Hochleistungs-1550-nm-Übertragungssystemen gegenüber UPC-Steckverbindern (ORL typischerweise 45–50 dB) stark bevorzugt.
• Wärmemanagement in Outdoor-Gehäusen: Optische HFC-Verstärker, die in Outdoor-Sockeln oder Antennengehäusen eingesetzt werden, unterliegen in vielen geografischen Regionen Umgebungstemperaturbereichen von –40 °C bis 60 °C. Verstärkerpumplaserdioden – die 980-nm- oder 1480-nm-Quellen, die die EDFA-Verstärkung steuern – sind temperaturempfindliche Komponenten, deren Ausgangsleistung, Wellenlänge und Lebensdauer alle von der Betriebstemperatur beeinflusst werden. Für einen zuverlässigen Einsatz im Freien ist die Spezifikation von Verstärkern mit thermoelektrischen Kühlern (TECs) auf Pumplasermodulen und die Überprüfung der Nennleistung über den gesamten Betriebstemperaturbereich von entscheidender Bedeutung. Führende Hersteller optischer HFC-Verstärker bieten jetzt erweiterte Betriebstemperaturbereiche von −40 °C bis 65 °C an, um dieser Anforderung explizit gerecht zu werden.
• Netzwerkmanagement und Fernüberwachung: Moderne optische 1550-nm-Verstärkerserien für HFC-Anwendungen umfassen SNMP-kompatible Netzwerkverwaltungsschnittstellen, optische Leistungsüberwachung an Ein- und Ausgangsanschlüssen, Pumplaserstrom- und Temperaturtelemetrie sowie Alarmausgänge für Bedingungen außerhalb des Bereichs. Die Integration des Verstärkermanagements in das Headend-Management-System (HMS) oder das Element-Management-System (EMS) des Kabelbetreibers ermöglicht eine proaktive Fehlererkennung, bevor dienstbeeinträchtigende Ausfälle auftreten, und liefert die Leistungstrenddaten, die für die Planung vorbeugender Wartung erforderlich sind, bevor die Komponentenverschlechterung die End-of-Life-Schwellenwerte erreicht.

Auswahl der richtigen optischen 1550-nm-Verstärkerserie für Ihr HFC-Netzwerk

Mit einem klaren Verständnis der Verstärkertypen, Leistungsspezifikationen und Einsatzüberlegungen können Netzwerkingenieure die Verstärkerauswahl systematisch angehen. Der Auswahlprozess sollte einer definierten Abfolge von Schritten folgen, die die Anforderungen des Netzwerkdesigns in Produktspezifikationen umsetzen:

• Bestimmen Sie das Budget für die optische Verbindung: Berechnen Sie den Gesamtverlust vom Kopfstellensender bis zum am weitesten entfernten Glasfaserknoten, einschließlich der Dämpfung der Faserspanne, der Spleißverluste, der Steckerverluste und der Einfügungsverluste des optischen Splitters. Dieses Verbindungsbudget bestimmt die erforderliche Gesamtverstärkung aller Verstärkerstufen zusammen und legt die erforderliche Ausgangsleistung jedes einzelnen Verstärkers basierend auf seiner Position in der Kette fest.
• CNR am Faserknoten berechnen: Berechnen Sie anhand der kaskadierten Rauschzahl aller Verstärkerstufen vom Kopfende bis zum Knoten das optische SNR, das am Eingang des Knoten-Fotodetektors verfügbar ist. Konvertieren Sie in RF CNR unter Verwendung des Modulationsindex, der optischen Modulationstiefe des RF-Signals und der Empfindlichkeit des Fotodetektors. Stellen Sie sicher, dass das berechnete CNR das erforderliche Minimum für die in der HF-Anlage verwendete Modulation höchster Ordnung erfüllt – typischerweise 256-QAM OFDM für DOCSIS 3.1, was ein CNR über 52–54 dB erfordert.
• Überprüfen Sie ggf. die WDM-Kompatibilität: Vergewissern Sie sich bei Netzwerken, die mehrere Wellenlängen auf einer einzelnen Faser verwenden, dass die ausgewählte Verstärkerserie über alle Betriebswellenlängen gleichzeitig eine gleichmäßige Verstärkung bietet und dass Filteroptionen zur Verstärkungsglättung für kaskadierte Konfigurationen mit mehreren Verstärkern verfügbar sind, bei denen die Anhäufung der Verstärkungsneigung andernfalls zu einem inakzeptablen Ungleichgewicht der Kanalleistung führen würde.
• Bestätigen Sie die physikalischen und Umgebungsspezifikationen: Passen Sie den Formfaktor des Verstärkers – Rack-Chassis-Karte, eigenständige 1U-Einheit oder Outdoor-Sockelmontage – an die verfügbare Installationsinfrastruktur an. Überprüfen Sie den Betriebstemperaturbereich, die Optionen für die Stromversorgungsspannung, die Schutzart für den Einsatz im Freien und die Einhaltung relevanter Standards, einschließlich IEC 60825 für Lasersicherheit und Telcordia GR-1312 für die EDFA-Zuverlässigkeitsqualifikation.