Einleitung
Faseroptische Verstärker werden verwendet, um optische Signale zu verstärken, ohne das Signal hin und her in elektrische Signale umzuwandeln. In diesem Artikel werden wir die Glasfaserverstärker, ihre Funktionsweise und ihren Marktpreis besprechen.
Was ist ein Glasfaserverstärker?
Glasfasernetzwerke verwenden Stränge speziell entwickelter, transparenter Fasern, um Signale als Lichtimpulse zu übertragen. Oft fallen diese Signale in das Infrarotspektrum (850, 1300 und 1550 Nanometer), das für die geringsten Dämpfungseigenschaften in der Faser sorgt. Dies fällt in den Bereich von weniger als 0.2 dB pro Kilometer für ein 1550-Nanometer-Band, was viel niedriger ist als sein elektrisches Gegenstück.
Jedoch ist kein Signal völlig immun gegen Dämpfung. Wenn ein Signal durch ein Glasfaserkabel läuft, neigt es daher dazu, über große Entfernungen schwächer zu werden. Wenn beispielsweise das Glasfaserkabel 10 km überschreitet, summiert sich der Übertragungsverlust zu einem erheblichen Betrag. Wenn die Länge viel größer wird, wird das Signal exponentiell schwächer.
Glasfaserverstärker helfen, dieses Problem zu mindern, indem sie das Signal verstärken, wenn es schwach wird.
Glasfaserverstärker (auch als Glasfaserverstärker bezeichnet) verstärken das optische Signal, ohne es in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dies ist sehr wichtig, da, wenn das Signal vorher in ein elektrisches Signal umgewandelt werden muss, um es zu verstärken, die Ausbreitungsverzögerung zwischen optischer -> elektrischer -> optischer Umwandlung viel höher ist. Glasfaserverstärker überspringen die zwischengeschalteten Umwandlungen und verstärken das optische Signal direkt.
Es gibt drei Haupttypen von Glasfaserverstärkern:
- EDFA (Erbium-dotierter Faseroptikverstärker)
- FRA (Faser-Raman-Verstärker)
- SOA (Halbleiter optischer Verstärker)
Schauen wir uns an, wie diese Verstärkertypen arbeiten, um ein schwaches Glasfasersignal zu verstärken.
Wie funktionieren Glasfaserverstärker?
Beginnen wir mit dem EDFA, einem der frühesten, aber robusteren Faserverstärkerdesigns, das bis heute verwendet wird.
EDFA – Erbium-dotierter Faserverstärker
Erbium-dotierte faseroptische Verstärker sind die heute am häufigsten verwendeten faseroptischen Verstärker. Sie können zB in mehreren Stufen eines Glasfasernetzes eingesetzt werden
- Ein Booster
- Inline-Verstärker
- Vorverstärker.
Beim Einsatz als Vorverstärker wird der EDFA direkt vor dem Receiver platziert. Wenn es in der Mitte einer Übertragungsleitung platziert wird, um das Signal zu verstärken, wird es „inline“ mit der Optik verwendet. Ein direkt nach dem Sender platzierter EDFA wird als „Booter“ bezeichnet, der das in die optische Verbindung einzuspeisende Signal verstärkt.
EDFA-Verstärker arbeiten, indem sie zunächst 980-nm- oder 1480-nm-Laserlicht in das in die Fasern dotierte Erbium „pumpen“. Dadurch werden die Ionen in die angeregten Zustände 2 bzw. 1 angeregt, wie im Bild unten gezeigt. Der angeregte Zustand 1 ist das stabilere Band, daher fallen Elektronen, die vom 980-mm-Laser angeregt werden, in den angeregten Zustand 1 zurück, indem sie Wärme (ohne Photonen) abgeben und sich stabilisieren.
Wenn ein eingehendes Signal mit diesen angeregten Elektronen gekoppelt wird, regt das Signal die Elektronen dazu an, in den Grundzustand zu gehen, indem es die in ihnen gespeicherte Energie als Photonen freisetzt. Sowohl diese emittierten Photonen als auch das optische Signal haben eine Wellenlänge von 1550 nm, daher wird das eingehende Signal mehrfach verstärkt. Diese Signale werden als „kohärente“ Signale (gleiche Wellenlänge, Frequenz und Phase) bezeichnet, was die Verstärkung ermöglicht.
Faser-Raman-Verstärker
Raman-Verstärker ist auch ein weiterer beliebter Typ von Glasfaserverstärkern. Diese Verstärker verwenden ein Phänomen namens "Stimulierte Raman-Streuung' um die optischen Signale zu verstärken.
Faseroptische Medien bestehen aus Kristall-/Glasgittern. Wenn sich ein Lichtsignal durch ein solches Gittermedium ausbreitet, ist die Fortbewegungsgeschwindigkeit nicht linear und kann als nicht augenblicklich beobachtet werden. Ursache sind die bei der Signalausbreitung in der Gitterstruktur auftretenden Schwingungen.
Durch Ausnutzen dieses Phänomens kann ein Strahl mit längerer Wellenlänge (als Stokes-Welle bezeichnet), der das tatsächlich zu verstärkende Signal ist, auf Kosten eines Strahls mit kürzerer Wellenlänge verstärkt werden. Damit das längerwellige Signal verstärkt werden kann, muss das andere Signal dieselbe Polarisation und dieselbe Richtung haben und durch ein Raman-aktives Medium geleitet werden. Dies kann ein Bulk-Kristall, ein Wellenleiter oder ein photonischer integrierter Schaltkreis oder eine Zelle mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium sein.
Das Bild unten zeigt das Funktionsprinzip eines Raman-Verstärkers.
Die Pump- und Signalstrahlen mit den Frequenzen ωp und ωs werden durch einen Faserkoppler in den Faserstrang eingekoppelt. Während des Verstärkungsprozesses gibt ein gepumptes Photon seine Energie ab, um ein anderes Photon mit reduzierter Energie zu erzeugen. Die überschüssige Energie wird vom Fasermaterial in Form von Molekülschwingungen aufgenommen. Diese Vibrationsenergie wird dann in das ursprüngliche Signal übertragen, das sich gemeinsam mit dem Pumpstrahl ausbreitet.
Im Gegensatz zu mit Erbium dotierten Verstärkern benötigen Raman-Verstärker im Allgemeinen kein mit Seltenerdionen dotiertes Material. Es gibt jedoch spezielle Fasern, die zugenommen haben Raman-Gewinn die eine höhere Leistung als normale Singlemode-Fasern haben.
Optischer Halbleiterverstärker
Optische Halbleiterverstärker verwenden Halbleiter als Verstärkungsmedium, um ein optisches Signal zu verstärken. Im Wesentlichen ist SOA eine fasergekoppelte Laserdiode, bei der die Endspiegel durch Antireflexbeschichtungen ersetzt wurden.
Bei einem SOA wird das Lichtsignal beim Durchlaufen zwischen zwei Halbleitermaterialien in einem Durchgang verstärkt. Dies ist der aktive Bereich und verhält sich ähnlich wie ein Laser, jedoch ohne die bei EDFA erforderlichen Rückkopplungen und Mehrfachdurchgänge.
SOAs haben zwei primäre Regionen, aktiv und passiv. Wenn das Signal den aktiven Bereich passiert, verlieren die Elektronen im aktiven Bereich Energie (als Photonen) und erreichen den Grundzustand. Diese angeregten Photonen haben die gleiche Wellenlänge wie das Signal selbst und die gleiche Phase. Daher verstärkt dieses Phänomen das Ursprungssignal, wenn es den aktiven Bereich verlässt.
SOA-Verstärker sind aufgrund der geringeren Komplexität bei der Herstellung die wirtschaftlichste Art von Glasfaserverstärkern.
Preis für Glasfaserverstärker
Bei der Preisgestaltung variieren die Kosten für Glasfaserverstärker je nach Anzahl der Kanäle und der verwendeten Technologie. Typischerweise kosten EDFA-Verstärker zwischen 400 und 3000 US-Dollar. Der billigste Typ, SOA-Verstärker, kostet ab 150 US-Dollar.
Zusammenfassung
Ähnlich wie Netzwerke, die elektrische Signale verwenden, leiden auch optische Netzwerke über Langstreckenverbindungen unter Signalverschlechterung. Durch die Verwendung des richtigen optischen Verstärkers in der richtigen Entfernung kann die Signalverschlechterung minimiert und die Bandbreite über große Entfernungen verbessert werden.
