Optische Verstärker im Bereich der optischen Faserkommunikation
An optischer VerstärkerEin optischer Verstärker ist ein Gerät zur Verstärkung optischer Signale. In der Glasfaserkommunikation erfüllt er hauptsächlich folgende Funktionen: 1. Erhöhung und Verstärkung der optischen Leistung: Durch die Platzierung des optischen Verstärkers vor dem optischen Sender kann die in die Faser eingekoppelte optische Leistung erhöht werden. 2. Online-Relaisverstärkung: Er ersetzt vorhandene Repeater in Glasfaserkommunikationssystemen. 3. Vorverstärkung: Vor dem Fotodetektor am Empfängerende wird das schwache Lichtsignal verstärkt, um die Empfangsempfindlichkeit zu erhöhen.
Die in der Glasfaserkommunikation eingesetzten optischen Verstärker umfassen derzeit hauptsächlich folgende Typen: 1. Halbleiter-Verstärker (SOA Optischer Verstärker)/Halbleiterlaserverstärker (SLA-Verstärker); 2. Mit Seltenerden dotierte Faserverstärker, wie z. B. mit Ködern dotierte Faserverstärker (EDFA-Optischer Verstärker), usw. 3. Nichtlineare Faserverstärker, wie z. B. Faser-Raman-Verstärker usw. Im Folgenden wird jeweils eine kurze Einführung gegeben.
1. Optische Halbleiterverstärker: Unter verschiedenen Anwendungsbedingungen und mit unterschiedlichem Reflexionsgrad der Endflächen können Halbleiterlaser verschiedene Arten von optischen Halbleiterverstärkern erzeugen. Liegt der Ansteuerstrom des Halbleiterlasers unterhalb seiner Schwellenstromstärke, wird also kein Laserlicht erzeugt. In diesem Fall wird ein optisches Signal an einem Ende eingespeist. Solange die Frequenz dieses optischen Signals nahe dem spektralen Zentrum des Lasers liegt, wird es verstärkt und am anderen Ende ausgegeben.Halbleiter-LichtverstärkerEin solcher optischer Verstärker wird als Fabry-Perrow-Verstärker (FP-SLA) bezeichnet. Wird der Laser oberhalb der Schwellenspannung betrieben, wird ein schwaches optisches Signal im Einzelmodenbetrieb von einem Ende eingespeist. Liegt die Frequenz dieses Signals innerhalb des Spektrums des Multimodenlasers, wird es verstärkt und in einem bestimmten Modus fixiert. Diese Art von optischem Verstärker wird als injektionsstabilisierter Verstärker (IL-SLA) bezeichnet. Sind die beiden Enden eines Halbleiterlasers verspiegelt oder mit einer Antireflexionsschicht bedampft, wodurch seine Emissivität sehr gering ist und kein Fabry-Perrow-Resonator gebildet werden kann, wird das optische Signal beim Durchgang durch die aktive Wellenleiterschicht verstärkt. Daher wird diese Art von optischem Verstärker als Wanderwellenverstärker (TW-SLA) bezeichnet. Seine Struktur ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Da die Bandbreite des optischen Verstärkers vom Wanderwellentyp um drei Größenordnungen größer ist als die des Fabry-Perot-Verstärkers und seine 3-dB-Bandbreite 10 THz erreichen kann, ist er in der Lage, optische Signale verschiedener Frequenzen zu verstärken und stellt somit einen äußerst vielversprechenden optischen Verstärker dar.
2. Dotierter Faserverstärker: Er besteht aus drei Teilen: Erstens einer dotierten Faser mit einer Länge von mehreren Metern bis zu mehreren zehn Metern. Die Dotierung besteht hauptsächlich aus Seltenerdionen, die das Laseraktivierungsmaterial bilden. Zweitens der Laserpumpquelle, die Energie geeigneter Wellenlängen zur Anregung der dotierten Seltenerdionen liefert, um die Lichtverstärkung zu erreichen. Drittens dem Koppler, der das Pump- und Signallicht in das Aktivierungsmaterial der dotierten optischen Faser einkoppelt. Das Funktionsprinzip eines Faserverstärkers ähnelt dem eines Festkörperlasers. Er bewirkt eine Umkehrung der Teilchenzahlverteilung im laseraktivierten Material und erzeugt stimulierte Strahlung. Um einen stabilen Zustand der Teilchenzahlumkehr zu erreichen, müssen mehr als zwei Energieniveaus am optischen Übergang beteiligt sein, typischerweise Drei- oder Vier-Niveau-Systeme, bei kontinuierlicher Energiezufuhr durch eine Pumpquelle. Um Energie effektiv bereitzustellen, sollte die Wellenlänge des Pump-Photons kürzer sein als die des Laser-Photons, d. h. die Energie des Pump-Photons sollte größer sein als die des Laser-Photons. Darüber hinaus bildet der Resonator eine positive Rückkopplung, wodurch ein Laserverstärker entsteht.
3. Nichtlineare Faserverstärker: Sowohl nichtlineare als auch Erbium-Faserverstärker zählen zu den Faserverstärkern. Erstere nutzen den nichtlinearen Effekt von Quarzfasern, während letztere Erbium-dotierte Quarzfasern verwenden, um auf das aktive Medium einzuwirken. Herkömmliche Quarz-Lichtwellenleiter erzeugen unter Einwirkung von starkem Pumplicht geeigneter Wellenlängen starke nichtlineare Effekte, wie z. B. stimulierte Raman-Streuung (SRS), stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) und Vierwellenmischung. Wird das Signal zusammen mit dem Pumplicht durch die Lichtwellenleiter übertragen, kann es verstärkt werden. So entstehen Faser-Raman-Verstärker (FRA), Brillouin-Verstärker (FBA) und parametrische Verstärker – allesamt verteilte Faserverstärker.
Zusammenfassung: Die gemeinsame Entwicklungsrichtung aller optischen Verstärker ist hohe Verstärkung, hohe Ausgangsleistung und niedriges Rauschmaß.
Veröffentlichungsdatum: 08. Mai 2025