Einführung

Glasfaserverstärker werden verwendet, um optische Signale zu verstärken, ohne das Signal in elektrische Signale umzuwandeln. In diesem Artikel besprechen wir die Glasfaserverstärker, wie sie funktionieren und ihren Marktpreis.

Was ist ein Lichtwellenleiter-Verstärker?

Glasfasernetze verwenden Stränge aus speziell entwickelten, transparenten Fasern, um Signale in Form von Lichtimpulsen zu übertragen. Häufig fallen diese Signale 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 Abschwächung. 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 erheblichen Betrag. Wenn die Länge viel größer wird, wird das Signal exponentiell schwächer.

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

Lichtwellenleiter-Verstärker (auch als Lichtwellenleiter-Verstärker bekannt) 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. Lichtwellenleiter-Verstärker überspringen die Zwischenschritte 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 Faserverstärker, der bis heute im Einsatz ist.

EDFA - Erbiumdotierter Faserverstärker

Erbium-dotierte Lichtwellenleiter-Verstärker sind die heute am häufigsten verwendeten Lichtwellenleiter-Verstärker. Sie können in mehreren Stufen eines Glasfasernetzes eingesetzt werden als

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

Bei der Verwendung als Vorverstärker wird der EDFA unmittelbar vor dem Empfänger platziert. Wenn er 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 "Booster" bezeichnet, der das in die optische Verbindung einzuspeisende Signal verstärkt.

EDFA-Verstärker funktionieren, indem sie zunächst 980nm oder 1480nm Laserlicht in das mit Erbium dotierte Glasfaserkabel pumpen". Dadurch werden die Ionen in die Anregungszustände 2 bzw. 1 angeregt, wie in der Abbildung unten dargestellt. Der angeregte Zustand 1 ist das stabilere Band, daher fallen die vom 980-mm-Laser angeregten Elektronen durch Wärmeabgabe (ohne Photonen) in den angeregten Zustand 1 zurück und stabilisieren sich.

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, die die Verstärkung ermöglichen.

Faser-Raman-Verstärker

Raman-Verstärker sind eine weitere beliebte Art 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. Dies ist auf die Schwingungen zurückzuführen, die bei der Ausbreitung des Signals in der Gitterstruktur auftreten.

Durch 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. Dies kann ein Bulk-Kristall, ein Wellenleiter oder eine photonisch integrierte Schaltung oder eine Zelle mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium sein.

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. 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.

Im Gegensatz zu Erbium-dotierten Verstärkern benötigen Raman-Verstärker im Allgemeinen kein mit Seltenen Erden dotiertes Material. Allerdings gibt es spezielle Fasern, die eine erhöhte 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 ist ein SOA eine fasergekoppelte Laserdiode, bei der die Endspiegel durch Antireflexbeschichtungen ersetzt wurden.

In einer SOA wird das Lichtsignal in einem einzigen Durchgang verstärkt, wenn es sich zwischen zwei Halbleitermaterialien bewegt. Dies ist der aktive Bereich und funktioniert ähnlich wie ein Laser, 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 (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 die wirtschaftlichste Art von Glasfaserverstärkern, da sie in der Herstellung weniger komplex sind.

Lichtwellenleiter-Verstärker Preis

Die Kosten für Glasfaserverstärker hängen von der Anzahl der Kanäle und der verwendeten Technologie ab. In der Regel kosten EDFA-Verstärker zwischen $400 und $3000. Der billigste Typ, SOA-Verstärker, kostet ab $150.

Schlussfolgerung

Ähnlich wie bei Netzen, die mit elektrischen Signalen arbeiten, kommt es auch bei optischen Netzen über große Entfernungen zu einer Signalverschlechterung. Durch den Einsatz des richtigen optischen Verstärkers in der richtigen Entfernung kann die Signalverschlechterung minimiert und die Bandbreite über große Entfernungen verbessert werden.