1. Klassifizierung vonFiberAVerstärker
Es gibt drei Haupttypen von optischen Verstärkern:
(1) Halbleiter-Optischer Verstärker (SOA, Halbleiter-Optischer Verstärker);
(2) Optische Faserverstärker, die mit Seltenerdelementen (Erbium Er, Thulium Tm, Praseodym Pr, Rubidium Nd usw.) dotiert sind, hauptsächlich Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAsowie Thulium-dotierte Faserverstärker (TDFA) und Praseodym-dotierte Faserverstärker (PDFA) usw.
(3) Nichtlineare Faserverstärker, hauptsächlich Faser-Raman-Verstärker (FRA, Fiber Raman Amplifier). Der wichtigste Leistungsvergleich dieser optischen Verstärker ist in der Tabelle dargestellt.
EDFA (Erbium-dotierter Faserverstärker)
Durch Dotierung von Quarzfasern mit Seltenerdelementen (wie Nd, Er, Pr, Tm usw.) lässt sich ein Multilevel-Lasersystem realisieren. Das Eingangssignal wird dabei direkt durch das Pumplicht verstärkt. Nach entsprechender Rückkopplung entsteht so ein Faserlaser. Die Arbeitswellenlängen des Nd-dotierten Faserverstärkers liegen bei 1060 nm und 1330 nm. Seine Entwicklung und Anwendung sind jedoch aufgrund von Abweichungen vom optimalen Sink-Port der Glasfaserkommunikation und anderen Gründen eingeschränkt. Die Betriebswellenlängen von EDFA und PDFA liegen im Bereich der geringsten Verluste (1550 nm) bzw. der Nulldispersionswellenlänge (1300 nm) der Glasfaserkommunikation. TDFA arbeitet im S-Band und eignet sich daher hervorragend für Anwendungen in Glasfaserkommunikationssystemen. Insbesondere EDFA, der sich am schnellsten weiterentwickelt hat, ist bereits praktisch einsetzbar.
DerPGrundsatz der EDFA
Der grundlegende Aufbau des EDFA ist in Abbildung 1(a) dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus einem aktiven Medium (einer Erbium-dotierten Quarzglasfaser von etwa mehreren zehn Metern Länge mit einem Kerndurchmesser von 3–5 µm und einer Dotierungskonzentration von (25–1000) × 10⁻⁶), einer Pumplichtquelle (einer Laserdiode mit 990 nm oder 1480 nm Wellenlänge), einem optischen Koppler und einem optischen Isolator. Signal- und Pumplicht können sich in der Erbiumfaser in die gleiche Richtung (gleichgerichtetes Pumpen), in entgegengesetzte Richtungen (umgekehrtes Pumpen) oder in beide Richtungen (bidirektionales Pumpen) ausbreiten. Werden Signal- und Pumplicht gleichzeitig in die Erbiumfaser eingekoppelt, werden die Erbiumionen durch das Pumplicht auf ein hohes Energieniveau angeregt (Abbildung 1 (b), ein Drei-Niveau-System) und fallen schnell auf das metastabile Energieniveau zurück. Beim Übergang in den Grundzustand durch das einfallende Signallicht emittieren sie Photonen, die dem Signal entsprechen, wodurch das Signal verstärkt wird. Abbildung 1 (c) zeigt das Spektrum der verstärkten spontanen Emission (ASE) mit einer großen Bandbreite (bis zu 20–40 nm) und zwei Peaks bei 1530 nm bzw. 1550 nm.
Die Hauptvorteile von EDFA sind hohe Verstärkung, große Bandbreite, hohe Ausgangsleistung, hohe Pumpeffizienz, geringe Einfügungsdämpfung und Unempfindlichkeit gegenüber dem Polarisationszustand.
2. Probleme mit faseroptischen Verstärkern
Obwohl optische Verstärker (insbesondere EDFA) viele herausragende Vorteile bieten, sind sie keine idealen Verstärker. Neben dem zusätzlichen Rauschen, das das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Signals verringert, gibt es weitere Nachteile, wie zum Beispiel:
- Ungleichmäßigkeiten im Verstärkungsspektrum innerhalb der Verstärkerbandbreite beeinträchtigen die Mehrkanalverstärkungsleistung;
Bei der Kaskadierung von optischen Verstärkern summieren sich die Auswirkungen von ASE-Rauschen, Faserdispersion und nichtlinearen Effekten.
Diese Aspekte müssen bei der Anwendungs- und Systementwicklung berücksichtigt werden.
3. Anwendung von optischen Verstärkern in optischen Faserkommunikationssystemen
Im GlasfaserkommunikationssystemGlasfaserverstärkerkann nicht nur als Leistungsverstärker des Senders zur Erhöhung der Sendeleistung, sondern auch als Vorverstärker des Empfängers zur Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit eingesetzt werden und kann auch den herkömmlichen optisch-elektrisch-optischen Repeater ersetzen, um die Übertragungsdistanz zu verlängern und eine rein optische Kommunikation zu realisieren.
In Glasfaserkommunikationssystemen sind die Hauptfaktoren, die die Übertragungsdistanz begrenzen, die Dämpfung und Dispersion der Glasfaser. Bei Verwendung einer schmalbandigen Lichtquelle oder bei Betrieb nahe der Nulldispersionswellenlänge ist der Einfluss der Faserdispersion gering. Dieses System benötigt keine vollständige Signalzeitregenerierung (3R-Relais) an jeder Relaisstation. Es genügt, das optische Signal direkt mit einem optischen Verstärker zu verstärken (1R-Relais). Optische Verstärker können nicht nur in Fernleitungsnetzen, sondern auch in Glasfaserverteilungsnetzen, insbesondere in WDM-Systemen, zur gleichzeitigen Verstärkung mehrerer Kanäle eingesetzt werden.
1) Anwendung von optischen Verstärkern in optischen Glasfaser-Bunkerkommunikationssystemen
Abb. 2 zeigt schematisch die Anwendung des optischen Verstärkers in einem Glasfaser-Bunkerkommunikationssystem. (a) Die Abbildung verdeutlicht, dass der optische Verstärker als Leistungsverstärker des Senders und als Vorverstärker des Empfängers dient, wodurch die Übertragungsdistanz ohne Relais verdoppelt wird. Beispielsweise ermöglicht der Einsatz eines EDFA die Systemübertragung. Die Übertragungsdistanz von 1,8 Gbit/s erhöht sich von 120 km auf 250 km oder erreicht sogar 400 km. Abbildung 2 (b)–(d) zeigt die Anwendung optischer Verstärker in Mehrrelais-Systemen. Abbildung (b) stellt den traditionellen 3R-Relaismodus dar; Abbildung (c) den kombinierten Relaismodus mit 3R-Repeatern und optischen Verstärkern; Abbildung 2 (d) zeigt einen rein optischen Relaismodus. In einem rein optischen Kommunikationssystem sind keine Takt- und Regenerationsschaltungen erforderlich, wodurch Bittransparenz gewährleistet ist und keine Einschränkungen durch elektronische Whisker-Effekte auftreten. Durch den Austausch der Sende- und Empfangsgeräte an beiden Enden lässt sich die Übertragungsrate problemlos von niedrig auf hoch erhöhen, ohne dass der optische Verstärker ausgetauscht werden muss.
2) Anwendung von optischen Verstärkern in optischen Faserverteilungsnetzen
Die Vorteile der hohen Ausgangsleistung optischer Verstärker (insbesondere EDFA) sind in Breitbandverteilungsnetzen (wie z. B.KabelfernsehenHerkömmliche Kabelfernsehnetze (CATV) nutzen Koaxialkabel, die alle paar hundert Meter verstärkt werden müssen. Die Reichweite beträgt etwa 7 km. Glasfaser-CATV-Netze mit optischen Verstärkern ermöglichen nicht nur eine deutlich höhere Anzahl verteilter Nutzer, sondern auch eine erhebliche Erweiterung der Netzwerkstrecke. Jüngste Entwicklungen zeigen, dass Glasfaser-Hybridnetze (HFC) die Vorteile beider Technologien vereinen und daher eine hohe Wettbewerbsfähigkeit aufweisen.
Abbildung 4 zeigt ein Beispiel eines Glasfaserverteilungsnetzes für die AM-VSB-Modulation von 35 Fernsehkanälen. Die Lichtquelle des Senders ist eine DFB-Laserdiode mit einer Wellenlänge von 1550 nm und einer Ausgangsleistung von 3,3 dBm. Mit einem 4-stufigen EDFA als Leistungsverteilerverstärker beträgt die Eingangsleistung ca. -6 dBm und die Ausgangsleistung ca. 13 dBm. Die Empfindlichkeit des optischen Empfängers liegt bei -9,2 dBm. Nach vier Verteilungsstufen erreicht die Gesamtzahl der Nutzer 4,2 Millionen, und die Netzwerkstrecke beträgt mehrere zehn Kilometer. Das gewichtete Signal-Rausch-Verhältnis im Test lag über 45 dB, und der EDFA führte zu keiner Reduzierung des CSO (Common Source Observable).
Veröffentlichungsdatum: 23. April 2023