Einführung

Lichtwellenleiter-Verstärker werden zur Verstärkung optischer Signale verwendet, ohne das Signal in elektrische Signale umzuwandeln. In diesem Artikel werden wir die werden wir uns mit den Glasfaserverstärkern, ihrer Funktionsweise und ihrem Marktpreis befassen.

Was ist ein Lichtwellenleiter-Verstärker?

Glasfasernetze verwenden Stränge aus speziell entwickelten, transparenten Fasern, um Signale in Form von Lichtimpulsen zu übertragen. Diese Signale fallen häufig in das Infrarotspektrum (850, 1300 und 1550 Nanometer), das die geringsten Dämpfungseigenschaften in der Faser aufweist. Diese liegt im Bereich von weniger als 0,2 dB pro Kilometer für ein 1550-Nanometer-Band und ist damit viel geringer als bei elektrischen Signalen. 

Kein Signal ist jedoch völlig immun gegen Dämpfung. Wenn ein Signal durch ein Glasfaserkabel übertragen wird, neigt es daher dazu, über lange Strecken schwächer zu werden. Wenn die Länge des Glasfaserkabels beispielsweise 10 km überschreitet, summieren sich die Übertragungsverluste zu einem beträchtlichen Betrag. Wenn die Länge des Kabels viel größer wird, steigt der Verlust. Wenn die Länge des Glasfaserkabels beispielsweise 10 km übersteigt, steigt der Übertragungsverlust zu einem beträchtlichen Betrag an.

Lichtwellenleiter-Verstärker helfen, dieses Problem zu entschärfen, indem sie das Signal verstärken, wenn es schwach wird.

Lichtwellenleiter-Verstärker (auch Lichtwellenleiter-Verstärker genannt) verstärken das optische Signal, ohne es in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dies ist sehr wichtig, denn wenn das Signal vor der Verstärkung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden müsste, wäre die Ausbreitungsverzögerung zwischen optischer -> elektrischer -> optischer Umwandlung viel höher. Dies ist sehr wichtig, da die Ausbreitungsverzögerung zwischen optischer -> elektrischer -> optischer Umwandlung viel höher ist, wenn das Signal vorher in ein elektrisches Signal umgewandelt werden muss, um es zu verstärken. Glasfaserverstärker überspringen die zwischengeschalteten Umwandlungen und verstärken das optische Signal direkt.

Es gibt drei Haupttypen von Lichtwellenleiter-Verstärkern.

• EDFA (Erbium-dotierter Lichtwellenleiter-Verstärker)
• FRA (Faser-Raman-Verstärker)
• SOA (Optischer Halbleiter-Verstärker)

Schauen wir uns an, wie diese Verstärkertypen funktionieren, um ein schwaches Glasfasersignal zu verstärken.

Wie funktionieren Lichtwellenleiter-Verstärker?

Beginnen wir mit dem EDFA, einem der frühesten und zugleich robustesten Glasfaserverstärker, der bis heute im Einsatz ist.

EDFA - Erbiumdotierter Faserverstärker

Erbium-dotierte Glasfaserverstärker sind die heute am häufigsten verwendeten Glasfaserverstärker. Sie können in mehreren Stufen eines Glasfasernetzes sowie in einer Vielzahl anderer Anwendungen eingesetzt werden. Netzwerk als

1. Ein Booster
2. Inline-Verstärker
3. Vor-Verstärker.

Bei der Verwendung als Vorverstärker wird der EDFA unmittelbar vor dem Empfänger platziert. Wird er in der Mitte einer Übertragungsleitung zur Verstärkung des Signals platziert, wird er "inline" mit der Optik verwendet. Wenn der EDFA in der Mitte einer Übertragungsleitung platziert wird, um das Signal zu verstärken, wird er "inline" mit der Optik verwendet. Ein EDFA, der direkt nach dem Sender platziert wird, wird als "Booter" bezeichnet, der das in die optische Verbindung einzuspeisende Signal verstärkt.

EDFA-Verstärker funktionieren, indem zunächst 980 nm oder 1480 nm Laserlicht in die mit Erbium dotierten Fasern "gepumpt" wird. Dadurch werden die angeregten Zustände 2 bzw. 1 angeregt, wie in der Abbildung unten dargestellt. Dadurch werden die Ionen in die angeregten Zustände 2 bzw. 1 angeregt, wie in der Abbildung unten dargestellt. Der angeregte Zustand 1 ist das stabilere Band, daher fallen die durch den 980-mm-Laser angeregten Elektronen durch die Emission des 980-mm-Laserlichts in den angeregten Zustand 1 zurück. Der angeregte Zustand 1 ist das stabilere Band, daher fallen die durch den 980-mm-Laser angeregten Elektronen in den angeregten Zustand 1 zurück, indem sie Wärme (ohne Photonen) emittieren und sich stabilisieren.

Wenn ein eingehendes Signal mit diesen angeregten Elektronen gekoppelt wird, regt das Signal die Elektronen an, in den Grundzustand überzugehen, indem es die in ihnen gespeicherte Energie als Photonen freisetzt. Sowohl die emittierten Photonen als auch das optische Signal liegen im Wellenlängenbereich von 1550 nm, so dass das eingehende Signal mehrfach verstärkt wird. Diese Signale werden als "kohärente" (gleiche Wellenlänge, Frequenz und Phase) Signale bezeichnet, was die Verstärkung möglich macht. Die Verstärkung ist möglich.

Faser-Raman-Verstärker

Raman-Verstärker sind ebenfalls ein beliebter Typ von Glasfaserverstärkern. Diese Verstärker nutzen ein Phänomen namens 'Stimulierte Raman-Streuung' zur Verstärkung der optischen Signale.

Faseroptische Medien bestehen aus Kristall-/Glasgittern. Wenn sich ein Lichtsignal durch ein solches Gittermedium ausbreitet, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit nichtlinear und kann als nicht instantan beobachtet werden. Wenn sich ein Lichtsignal durch ein solches Gittermedium ausbreitet, ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit nichtlinear und kann als nicht instantan beobachtet werden. Dies wird durch die Schwingungen verursacht, die in der Gitterstruktur auftreten, wenn sich das Signal ausbreitet.

Durch Ausnutzung dieses Phänomens kann ein Strahl mit längerer Wellenlänge (Stokes-Welle genannt), der das eigentliche zu verstärkende Signal darstellt, auf Kosten eines Strahls mit kürzerer Wellenlänge verstärkt werden. Unter Ausnutzung dieses Phänomens kann ein längerwelliger Strahl (Stokes-Welle genannt), der das eigentliche zu verstärkende Signal darstellt, auf Kosten eines kürzerwelligen Strahls verstärkt werden. Damit das längerwellige Signal verstärkt werden kann, muss das andere Signal dieselbe Polarisation und dieselbe Richtung aufweisen und durch ein Raman-aktives Medium geleitet werden, z. B. einen Bulk-Kristall, einen Wellenleiter, eine photonisch integrierte Schaltung oder eine Zelle mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium.

Die folgende Abbildung zeigt das Funktionsprinzip eines Raman-Verstärkers.

Die Pump- und Signalstrahlen mit den Frequenzen ωp und ωs werden über einen Faserkoppler in den Faserstrang eingespeist. Während des Verstärkungsprozesses gibt ein gepumptes Photon seine Energie ab, um ein anderes Photon zu erzeugen, das eine geringere Energie hat. Während des Verstärkungsprozesses gibt ein gepumptes Photon seine Energie ab, um ein anderes Photon mit geringerer Energie zu erzeugen. Die überschüssige Energie wird vom Fasermaterial in Form von Molekularschwingungen absorbiert. Diese Schwingungsenergie wird dann in das ursprüngliche Signal übertragen und breitet sich gemeinsam mit dem Pumpstrahl aus.

Anders als Erbium-dotierte Verstärker benötigen Raman-Verstärker in der Regel kein mit Seltenen Erden dotiertes Material. Es gibt jedoch spezielle Fasern, die eine erhöht Raman-Gewinn die leistungsfähiger sind als normale Single-Mode-Fasern.

Optischer Halbleiter-Verstärker

Optische Halbleiterverstärker verwenden Halbleiter als Verstärkungsmedium, um ein optisches Signal zu verstärken. Im Wesentlichen handelt es sich bei SOA um eine fasergekoppelte Laserdiode, bei der die Endspiegel durch Antireflexionsschichten ersetzt wurden. SOA ist im Wesentlichen eine fasergekoppelte Laserdiode, bei der die Endspiegel durch Antireflexionsbeschichtungen ersetzt wurden.

In einer SOA wird das Lichtsignal auf dem Weg zwischen zwei Halbleitermaterialien in einem einzigen Durchgang verstärkt. Dies ist der aktive Bereich und funktioniert ähnlich wie ein Laser, jedoch ohne die Rückkopplung und die Mehrfachdurchgänge, die bei EDFA erforderlich sind. Dies ist der aktive Bereich, der sich ähnlich wie ein Laser verhält, jedoch ohne die Rückkopplung und die Mehrfachdurchläufe, die bei EDFA erforderlich sind. 

SOAs haben zwei primäre Bereiche, einen aktiven und einen passiven. Wenn das Signal den aktiven Bereich durchläuft, verlieren die Elektronen im aktiven Bereich Energie (in Form von Photonen) und erreichen den Grundzustand. Diese angeregten Photonen haben die gleiche Wellenlänge wie das Signal selbst und die gleiche Phase, so dass dieses Phänomen das Ausgangssignal verstärkt, wenn es den aktiven Bereich verlässt. Diese angeregten Photonen haben die gleiche Wellenlänge wie das eigentliche Signal und die gleiche Phase.

SOA-Verstärker sind die wirtschaftlichste Art von Glasfaserverstärkern, da sie in der Herstellung weniger komplex sind.

Lichtwellenleiter-Verstärker Preis

Die Preise für Glasfaserverstärker variieren je nach Anzahl der Kanäle und der verwendeten Technologie. EDFA-Verstärker kosten in der Regel zwischen $400 und $3000. EDFA-Verstärker kosten in der Regel zwischen $400 und $3000, während SOA-Verstärker als billigster Typ ab $150 kosten.

Schlussfolgerung

Ähnlich wie bei Netzwerken, die mit elektrischen Signalen arbeiten, leiden auch optische Netzwerke unter einer Signalverschlechterung über lange Strecken. Mit dem Einsatz des Durch den Einsatz des richtigen optischen Verstärkers in der richtigen Entfernung kann die Signalverschlechterung minimiert und die Bandbreite über große Entfernungen verbessert werden.