距离扩展 100G LR4

SOA - 对基于 100G LR4 大城市网络的简单距离扩展

在引入光学放大器之前，距离扩展是通过中继器或再生器实现的。再生器也被称为光-电-光 (OEO) 装置，其将光信号转换成电信号，对这个信号进行处理（再放大、整形和再定时），然后将其转换回光信号，这时，信号就能覆盖更远的距离了。这个过程不仅昂贵，而且由于电子装置的限制，其限制了可用的光学带宽。
20 世纪 90 年代，光学放大器的引入征服了再生技术，打开了 WDM 技术的大门。
取决于放大技术，这里有各种类型的光放大器，比如 SOA （半导体光放大器），EDFA 和拉曼放大器。
在本文中，我们会深入研究 SOA 技术，并看看其在大城市网络中利用 100G LR4 以太网在封装无关的细分市场中的应用。

SOA 的原理

半导体光放大器 (SOA) 已用于了一系列的应用，如波长转换、信号再生、脉冲整形和功率限制等。由于其具有较高的集成度和大规模制造能力，因此在环境需要有空间和功率效率的时候很受欢迎。SOA 已经部署在从长途、大城市和光纤接入网络等广泛的高速应用中 根据应用和要求, SOA 可以有不同的封装。

SOA 的基本工作原理与基于受激发射的半导体光学激光器相同，不同之处在于它没有任何反射反馈。传输介质首先受到外部电流的刺激，其导致电子跃迁至其更高的能级。之后，特定频率的入射光子与被刺激的电子相互作用，迫使其返回到其自然的较低能级。在此过程中损失的能量产生了一个新光子，具有相同相位、频率、极化和入射光子方向。

使用电泵电流来激发 SOA 有源区域中的电子。当光信号通过有源区域时，会使这些电子以光子的形式失去能量并返回到基态。受激光子具有与光信号相同的波长，从而放大光信号。

用于表征 SOA 的关键参数是增益、增益带宽、饱和输出功率和噪声。增益是输入信号被放大的因数，是输出功率与输入功率的比值（单位为 dB）。该单元的光学增益由 SOA 电流控制。较高的增益导致更高的输出光信号。增益带宽定义放大功能带宽的范围。需要宽的增益带宽来放大宽范围的信号波长。

饱和输出功率是放大后可达到的最大输出功率，并且放大功率无法超过此功率。重要的是，SOA 具有高功率饱和电平以保持在线性工作区域中并具有较高的动态范围。噪声定义为信号带宽内的不需要的信号，它是由放大器中进行物理处理而产生的。称为噪声系数的参数用于衡量噪声的影响，通常为 5dB 左右。

100G LR4 通过 SOA 进行的放大

对于 1310 nm 波长的光纤传输系统来说，SOA 尤其重要。1310nm 波长范围内的衰减幅度高于1550nm 波段, 因此放大成为一个重要的要求。正常的掺铒光纤放大器 (EDFA) 无法胜任，因为其只放大 1550nm 范围的信号，并阻断 1310nm 的信号。高速 100GBASE-LR4 以太网收发器还使用四个 1310nm 区域的以 800GHz 间隔隔开的 28Gbps 经过波分复用器 (WDM) 处理的协同传播的光信号 。这个收发器的的距离为高达 10km。

对于超过 10km 的应用，人们提出了 100GBASE-ER4 以太网，其传输距离达到了 40km。ER4 收发器可以通过使用 SOA 或雪崩光探测器 (APD) 在接收机中的接收子组件中制造完成，以便获得更好的接收灵敏度和增加功率预算。商用 ER4 收发器使用 CFP 和 CFP2 形式的封装。然而, 由于较小封装对功率和空间限制，因此无法使用在 100G ER4 收发器上， 进而无法使用 CFP4 或 QSFP28 形式的封装。此外, 交换机和路由器已开始过渡到高密度的 QSFP28 端口, 以最大限度地提高容量和最大限度地降低空间、功耗和最终成本。对于这样的系统，这实际上使人们对 ER4 收发器不感兴趣了。

SOA 可用作光学预放大器，即放在接收器前面，并利用其来对输入的微弱信号进行增强。在这种情况下，如果需要更长的距离 (10km)，那么，100G LR4 信号的外部放大将是理想的解决方案。这不仅能起到放大的作用，而且还在本质上可以随心所欲地使用任何形式的收发器封装、以及任何类型交换机端口。100G LR4 收发器可以有图 3 （下半部分）所示的不同形式的封装。可以看到，LR4 收发器也可以有较小形式的 CFP4 和 QSFP28 的封装。

SOA 可以提供一个简单的即插即用的选择，并且由于其独特的高集成特性，其可以在高密度的线卡中开发出来。就实际距离而言，由于不同形式封装的 100G LR4 收发器会有细微的差异，所以对相同的应用需要改变放大器的泵浦电流，以调整增益以满足要求。通过仅仅添加 SOA 就可以很容易地将 100G LR4 CFP 的距离扩展到大约 40km。

使用特殊的 1310nm + DWDM 多路复用器，可以将 SOA 增强的 LR4 信号与 40 倍 10Gbps 的 DWDM 信号复用在一起，以在大城市距离上将容量提高到 500Gbps。这种情况的传输距离为>10km，而对最大传输距离进行评估则取决于多路复用器损耗、光纤损耗和收发器的封装等不同因素。另一个需要记住的是，与 EDFA 相反，SOA 只会放大 1310nm 的频谱，并会阻断 1550nm 的信号。反则反之。

结论

半导体光放大器 (SOA) 是一个简单的即插即用的距离扩展解决方案，适用于已经部署了100GBASE LR4 以太网并要求传输达到 40km 的应用环境。SOA 的外部放大的使用与 100G LR4 收发器的封装无关，并支持按需付费的模型，因此可以使用额外的、按照大城市距离运行的 100Gbps 线路来加强现有的 10Gbps DWDM 线路。