HFC 전송 장비에서 1550nm 광 증폭기 사용

1550 nm가 HFC 광 전송의 주요 파장인 이유

HFC(하이브리드 광섬유 동축) 네트워크는 전 세계 수억 명의 가입자를 위한 케이블 TV 및 광대역 인터넷 배포의 백본을 형성합니다. 이러한 네트워크에서 광섬유는 케이블 헤드엔드에서 서비스 영역 전체에 분산된 광섬유 노드로 광대역 신호를 전달합니다. 여기서 광 신호는 RF로 변환되고 동축 케이블을 통해 개인 가정과 기업에 배포됩니다. 이 광 전송 부문의 작동 파장으로 1550nm를 선택한 것은 임의적이지 않습니다. 이는 장거리 광 전송의 경제성과 성능을 정의하는 두 가지 결정적인 물리적 이점의 산물입니다. 표준 단일 모드 광섬유는 약 1550nm에서 절대 최소 감쇠를 나타내며, 단거리 응용 분야에 사용되는 1310nm 창에서 0.35dB/km에 비해 일반적인 손실은 0.18~0.20dB/km입니다. 이러한 광섬유 손실 감소는 증폭기 범위가 길어지고, 광 증폭 단계가 줄어들며, 플랜트 킬로미터당 인프라 비용이 낮아지는 것으로 직접적으로 해석됩니다.

두 번째 결정적인 이점은 EDF에이(에르븀 첨가 광섬유 증폭기)의 가용성입니다. 이는 1530~1570nm C 대역과 1570~1620nm L 대역에서 정확하게 작동하는 실용적이고 안정적이며 비용 효율적인 광 증폭기이며 둘 다 1550nm 전송 창을 중심으로 합니다. EDFA는 초기 재생 중계기 기술에서 요구되는 비용이 많이 들고 대기 시간이 발생하는 광-전기-광(OEO) 변환 없이 직접 광 증폭을 가능하게 하여 장거리 광 전송을 변화시켰습니다. 특히 HFC 네트워크의 경우 낮은 섬유 손실과 EDFA 증폭을 결합하면 증폭 단계 간 40~100km의 광 전송 범위가 가능해 케이블 사업자가 단파장 대안에 비해 극적으로 줄어든 노드 인프라를 사용하여 중앙 집중식 헤드엔드 시설에서 넓은 지리적 서비스 영역에 서비스를 제공할 수 있습니다.

HFC 시스템에서 1550nm 광 증폭기가 작동하는 방식

A 1550nm 광 증폭기 HFC 전송 시스템의 기능은 광섬유에 전달된 광 신호를 전기 신호로 변환하지 않고 직접 증폭하는 방식입니다. 지배적인 기술은 에르븀 이온(Er³⁺)으로 코어가 도핑된 짧은 길이의 광섬유를 사용하는 에르븀 도핑 광섬유 증폭기입니다. 에르븀 첨가 광섬유가 980 nm 또는 1480 nm의 고출력 레이저 광으로 펌핑되면 에르븀 이온이 더 높은 에너지 상태로 여기됩니다. 1550 nm 신호 광자가 도핑된 광섬유를 통과하면 여기된 에르븀 이온을 자극하여 정확히 동일한 파장과 위상에서 추가 광자를 방출합니다. 이 과정을 유도 방출이라고 부르며 응집성 광학 이득을 생성합니다. 이 이득 메커니즘은 전체 C 대역에 걸쳐 있는 대역폭에 걸쳐 신호를 증폭시켜 EDFA가 단일 파장 HFC 전송 및 단일 광섬유에서 여러 채널을 동시에 전달하는 WDM(파장 분할 다중화) 시스템과 호환되도록 합니다.

일반적인 HFC 광학 플랜트에서 헤드엔드 송신기는 1550nm에서 작동하는 직접 변조 또는 외부 변조 레이저를 사용하여 결합된 RF 신호 스펙트럼(DOCSIS 3.1 시스템의 경우 5MHz ~ 1.2GHz에 걸쳐 있을 수 있음)을 광학 신호로 변환합니다. 이 신호는 광섬유 분배 플랜트로 전송됩니다. 신호 전력이 광섬유 노드의 CNR(캐리어 대 잡음비)을 저하시키는 수준으로 감쇠된 경우 광 증폭기가 인라인으로 삽입되어 신호 전력을 필요한 수준으로 복원합니다. 증폭된 신호는 광섬유 노드에 도달할 때까지 추가 광섬유 범위를 통해 계속됩니다. 광섬유 노드에서는 광검출기가 이를 다시 RF 전기 신호로 변환하여 네트워크의 동축 부분에 배포합니다.

HFC 전송에 사용되는 1550nm 광 증폭기 유형

HFC 네트워크에 사용되는 1550nm 광 증폭기 제품군은 광 전송 아키텍처의 다양한 위치에 최적화된 여러 가지 증폭기 구성을 포함합니다. HFC 광학 플랜트를 설계하거나 업그레이드하는 네트워크 엔지니어에게는 각 유형이 적용되는 위치와 각각을 정의하는 성능 특성을 이해하는 것이 필수적입니다.

부스터 증폭기(포스트 증폭기)

부스터 증폭기는 헤드엔드 송신기 바로 뒤에 위치하여 광섬유 분배 플랜트로의 발사 전력을 높입니다. 입력 신호가 이미 송신기에서 상대적으로 높은 전력 레벨에 있기 때문에 부스터 증폭기는 낮은 잡음 수치보다는 높은 출력 전력을 위해 설계되었습니다. HFC 부스터 증폭기의 일반적인 출력 전력 사양은 고분할 또는 분산 액세스 아키텍처(DAA) 배포의 경우 17dBm ~ 23dBm 이상입니다. 부스터 증폭기의 주요 기능은 신호를 서로 다른 서비스 영역 세그먼트에 서비스를 제공하는 여러 광섬유 경로로 나누는 광 분배기의 삽입 손실과 첫 번째 광섬유 범위의 감쇠를 보상하는 것입니다. 1:8 광 분배기(약 9dB 분할 손실)를 구동하는 20dBm 출력 전력을 갖춘 헤드엔드 부스터 증폭기는 8개의 출력 광섬유 경로 각각에 약 11dBm을 발사합니다. 이는 추가 증폭이 필요하기 전까지 25~40km의 범위를 구동하는 데 충분합니다.

인라인 증폭기

인라인 증폭기는 신호 전력이 다음 노드나 증폭기에서 허용 가능한 CNR을 유지하는 데 필요한 최소 수준 아래로 떨어진 장거리 광섬유 범위의 중간 지점에 배포됩니다. 이러한 증폭기는 이득, 출력 전력 및 잡음 지수의 균형을 맞춰야 합니다. 각 인라인 증폭기 스테이지는 광학 경로를 따라 축적되는 증폭 자연 방출(ASE) 잡음을 추가하고 궁극적으로 파이버 노드에서 달성 가능한 CNR을 제한하기 때문에 잡음 지수는 특히 중요합니다. HFC 전송용 인라인 증폭기는 일반적으로 13~17dBm의 출력 전력과 5~7dB의 잡음 지수로 15~25dB의 이득을 제공합니다. 게인 스테이지 사이에 광 감쇠기 또는 이득 평탄화 필터를 삽입할 수 있는 중간 스테이지 액세스 기능이 있는 다단 인라인 증폭기는 동일한 출력 전력에서 단일 스테이지 설계보다 낮은 유효 잡음 수치를 달성합니다.

노드 구동 증폭기(프리앰프)

분배 증폭기 또는 OLA(광 라인 증폭기)라고도 하는 노드 구동 증폭기는 여러 다운스트림 노드 출력을 동시에 구동하는 데 필요한 수준으로 신호를 증폭하기 위해 파이버 노드 또는 광 분배기 지점 바로 앞에 배치됩니다. 이 증폭기는 낮은 입력 전력 레벨에서 작동할 수 있는 충분한 이득과 결합된 높은 출력 전력 기능이 특징입니다. 긴 광섬유 범위 이후 입력 전력이 -3 ~ -10dBm으로 떨어진 경우에도 적절한 출력을 제공해야 합니다. 노드 구동 증폭기의 출력 전력 사양은 고전력 구성에서 17~27dBm이며, 1550nm 광 증폭기 시리즈의 일부 프리미엄 제품은 밀도가 높은 노드 배포를 지원하는 큰 광 분할 비율을 구동하기 위해 30dBm에 이릅니다.

주요 성능 사양 및 HFC 네트워크 설계에 미치는 영향

HFC 애플리케이션에 적합한 1550nm 광 증폭기를 선택하려면 제조업체 데이터시트에 게시된 성능 사양과 각 매개변수가 실제 네트워크 동작으로 어떻게 변환되는지에 대한 명확한 이해가 필요합니다. 다음 표에는 중요한 증폭기 사양과 해당 네트워크 설계에 미치는 영향이 요약되어 있습니다.

노이즈 지수는 계단식 증폭기 체인을 통해 영향을 미치기 때문에 특히 주의할 가치가 있습니다. 각 증폭기 단계는 ASE 잡음을 추가하고 총 광학 잡음 누적은 광섬유 노드의 CNR을 결정합니다. 이 매개변수는 궁극적으로 HFC 플랜트의 동축 부분에 분산된 RF 신호의 품질을 설정합니다. DOCSIS 3.1 OFDM 채널에 대해 적절한 CSO(복합 2차 비트), CTB(복합 삼중 비트) 및 EVM(오류 벡터 크기) 성능을 유지하려면 일반적으로 파이버 노드에서 최소 52dB의 CNR이 필요합니다. 네트워크 엔지니어는 헤드엔드에서 노드까지 모든 증폭기 단계에서 계단식 잡음 지수 계산을 수행하여 증폭기 배치 및 사양을 마무리하기 전에 CNR 준수 여부를 확인해야 합니다.

HFC 노드 아키텍처의 광 증폭기 배치

현대 HFC 네트워크의 아키텍처는 노드 0(파이버 딥), 분산 액세스 아키텍처(DAA) 및 원격 PHY/원격 MACPHY 배포의 도입으로 크게 발전했으며, 이 모두는 광 증폭기 배치 위치와 제공해야 하는 성능을 변경합니다. DOCSIS 3.1 및 향후 DOCSIS 4.0 서비스를 지원하기 위해 기존 HFC 플랜트를 업그레이드하는 엔지니어에게는 증폭기 배치가 이러한 진화하는 아키텍처에 어떻게 매핑되는지 이해하는 것이 필수적입니다.

기존의 파이버-노드 아키텍처

기존 HFC 아키텍처에서는 헤드엔드에 있는 단일 고출력 1550nm 광 송신기가 일련의 광 분배기와 인라인 증폭기를 통해 광섬유 분배 플랜트를 구동하여 각각 500~2,000가구에 서비스를 제공하는 여러 광섬유 노드를 제공합니다. 광 증폭기는 각 다운스트림 노드에서 적절한 입력 전력을 유지하기 위해 누적된 광섬유 감쇠 및 분할 손실에 따라 결정된 간격으로 배치됩니다. 일반적인 구성에서는 1:4 또는 1:8 1차 스플리터를 구동하는 헤드엔드 부스터 증폭기를 사용하며, 2차 스플리터가 개별 파이버 노드에 전원을 공급하기 전에 파이버 스팬 감쇠를 보상하기 위해 인라인 증폭기를 다운스트림 15~30km에 배치합니다. 이 스타 트리 토폴로지는 경제적인 광섬유 플랜트 구축에 최적화되어 있지만 CNR 성능에 도전하는 긴 캐스케이드에서 상당한 증폭기 이득을 집중시킵니다.

Fiber Deep 및 분산 액세스 아키텍처

파이버 딥 아키텍처는 파이버를 고객에게 더 가깝게 밀어 노드 서비스 영역을 50~150가구로 줄이고 동축 증폭기 캐스케이드의 대부분을 제거합니다. 원격 PHY 및 원격 MACPHY DAA 배포는 DOCSIS 물리 계층 처리를 헤드엔드에서 광섬유 노드로 이동하며, 이제 광섬유 인프라를 통해 구동되는 활성 디지털 전자 장치가 포함됩니다. 이러한 아키텍처는 광 전송 요구 사항을 크게 변화시킵니다. 개별 광섬유 파장 또는 WDM 채널은 전용 디지털 신호를 각 원격 노드에 전달하고 1550nm 광 증폭기 시리즈는 모든 활성 채널에서 동시에 균일한 이득으로 WDM 작동을 지원해야 합니다. 광학 플랜트를 수동으로 재조정하지 않고도 네트워크에서 노드를 추가하거나 제거할 때 일관된 채널당 전력 수준을 유지하려면 이득 평탄화 필터와 자동 이득 제어(AGC)가 통합된 고전력 WDM 호환 EDFA가 필요합니다.

HFC 플랜트에 1550nm 증폭기 배치에 대한 실제 고려 사항

HFC 전송 장비에 1550nm 광 증폭기를 성공적으로 배포하려면 데이터시트 사양만으로는 포착되지 않는 몇 가지 실제 엔지니어링 및 운영 요소에 주의를 기울여야 합니다. 다양한 광케이블 품질, 커넥터 청결 문제 및 실외 인클로저의 열 순환이 있는 실제 네트워크 환경에 증폭기를 설치할 때 현장 성능은 실험실에서 특성화한 성능과 크게 다를 수 있습니다.

• 커넥터 청결 및 검사: 증폭기 입력 및 출력 포트의 광 커넥터는 배치된 HFC 광학 플랜트에서 예상치 못한 삽입 손실 및 신호 저하의 가장 일반적인 원인입니다. 오염된 APC 커넥터는 1~3dB의 삽입 손실을 추가하고 증폭기 작동을 불안정하게 만드는 역반사를 생성할 수 있습니다. 모든 커넥터는 연결 전에 항상 예외 없이 광케이블 검사 프로브로 검사하고 적절한 도구로 청소해야 합니다. 운영자는 모든 증폭기 커넥터 인터페이스에서 IEC 61300-3-35 등급 B 청결도 이상을 유지해야 합니다.
• 자동 이득 제어 및 자동 전력 제어: HFC 광 증폭기에는 광섬유 플랜트 변경, 온도로 인한 손실 변화 또는 업스트림 네트워크 재구성으로 인해 입력 신호 레벨이 변할 때 일정한 출력 전력을 유지하는 AGC 또는 자동 전력 제어(APC) 회로가 통합되어야 합니다. AGC/APC가 없으면 광케이블 성능 저하, 커넥터 노후화 또는 광 경로 변경으로 인한 입력 전력 감소로 인해 다운스트림 증폭기를 통해 계단식으로 전달되는 출력 전력이 비례적으로 감소하고 광케이블 노드에서 CNR이 감소합니다. 전체 입력 전력 작동 범위에 걸쳐 ±0.5dB 출력 전력 안정성을 갖는 증폭기를 지정하는 것은 신뢰할 수 있는 HFC 광학 플랜트의 표준 관행입니다.
• 광 분리 및 역반사 관리: 장섬유 범위의 자극 브릴루앙 산란(SBS) 및 레일리 후방 산란은 증폭기 단계에 다시 들어가 성능을 저하시킬 수 있는 광학 잡음을 생성합니다. 17dBm 이상에서 작동하는 고전력 부스터 증폭기는 입력 및 출력 포트 모두에 광 절연기를 포함해야 하며 광섬유 플랜트 설계에는 충분한 광 반사 손실 여유가 포함되어야 합니다. 고전력 1550nm 전송 시스템에서는 APC 광택 커넥터(ORL 일반적으로 >60dB) 및 융합 스플라이스(ORL >60dB)가 UPC 커넥터(ORL 일반적으로 45~50dB)보다 선호됩니다.
• 실외 인클로저의 열 관리: 실외 받침대 또는 공중 인클로저에 배치된 HFC 광 증폭기는 여러 지역에서 주변 온도 범위가 −40°C ~ 60°C입니다. EDFA 이득을 구동하는 980nm 또는 1480nm 소스인 증폭기 펌프 레이저 다이오드는 출력 전력, 파장 및 수명이 모두 작동 온도의 영향을 받는 온도에 민감한 구성 요소입니다. 펌프 레이저 모듈에 열전 냉각기(TEC)가 있는 증폭기를 지정하고 전체 작동 온도 범위에서 정격 성능을 검증하는 것은 안정적인 실외 배포에 필수적입니다. 이제 선도적인 HFC 광 증폭기 시리즈 제조업체는 이 요구 사항을 명시적으로 해결하기 위해 −40°C ~ 65°C의 확장된 작동 온도 범위를 제공합니다.
• 네트워크 관리 및 원격 모니터링: HFC 애플리케이션을 위한 최신 1550nm 광 증폭기 시리즈에는 SNMP 호환 네트워크 관리 인터페이스, 입력 및 출력 포트의 광 전력 모니터링, 펌프 레이저 전류 및 온도 원격 측정, 범위를 벗어난 조건에 대한 경보 출력이 통합되어 있습니다. 케이블 사업자의 헤드엔드 관리 시스템(HMS) 또는 요소 관리 시스템(EMS)에 증폭기 관리를 통합하면 서비스에 영향을 미치는 오류가 발생하기 전에 사전에 오류를 식별할 수 있으며 구성 요소 성능 저하가 수명 종료 임계값에 도달하기 전에 예방 유지 관리를 예약하는 데 필요한 성능 추세 데이터를 제공합니다.

HFC 네트워크에 적합한 1550nm 광 증폭기 시리즈 선택

네트워크 엔지니어는 증폭기 유형, 성능 사양 및 배포 고려 사항을 명확하게 이해함으로써 체계적으로 증폭기 선택에 접근할 수 있습니다. 선택 프로세스는 네트워크 설계 요구 사항을 제품 사양으로 변환하는 정의된 단계 순서를 따라야 합니다.

• 광 링크 예산을 결정합니다. 광섬유 범위 감쇠, 접속 손실, 커넥터 손실 및 광 분배기 삽입 손실을 포함하여 헤드엔드 송신기에서 가장 먼 광섬유 노드까지의 총 손실을 계산합니다. 이 링크 버짓은 결합된 모든 앰프 스테이지에 필요한 총 이득을 결정하고 체인의 위치를 ​​기반으로 각 개별 앰프에 필요한 출력 전력을 설정합니다.
• 광섬유 노드에서 CNR을 계산합니다. 헤드엔드에서 노드까지 모든 증폭기 단계의 계단식 잡음 지수를 사용하여 노드 광검출기 입력에서 사용할 수 있는 광학 SNR을 계산합니다. 변조 지수, RF 신호의 광 변조 깊이 및 광검출기 응답성을 사용하여 RF CNR로 변환합니다. 계산된 CNR이 RF 플랜트에 사용되는 최고차 변조(일반적으로 DOCSIS 3.1의 경우 256-QAM OFDM, 52~54dB 이상의 CNR 필요)에 필요한 최소값을 충족하는지 확인합니다.
• 해당하는 경우 WDM 호환성을 확인하십시오. 단일 광섬유에서 여러 파장을 사용하는 네트워크의 경우 선택한 증폭기 시리즈가 모든 작동 파장에 걸쳐 균일한 이득을 동시에 제공하는지, 이득 편평화 필터 옵션을 게인 틸트 누적으로 인해 허용할 수 없는 채널 전력 불균형이 발생할 수 있는 계단식 다중 증폭기 구성에 사용할 수 있는지 확인하십시오.
• 물리적 및 환경적 사양을 확인합니다. 앰프의 폼 팩터(랙 장착형 섀시 카드, 독립형 1U 장치 또는 실외 받침대 장착형)를 사용 가능한 설치 인프라에 맞추십시오. 작동 온도 범위, 전원 공급 장치 전압 옵션, 실외 배포를 위한 침투 보호 등급, 레이저 안전을 위한 IEC 60825 및 EDFA 신뢰성 인증을 위한 Telcordia GR-1312를 포함한 관련 표준 준수를 확인합니다.