Optische Verstärker im Bereich der Glasfaserkommunikation
An optischer Verstärkerist ein Gerät zur Verstärkung optischer Signale. In der Glasfaserkommunikation erfüllt es hauptsächlich folgende Aufgaben: 1. Steigerung und Verstärkung der optischen Leistung. Durch die Platzierung des optischen Verstärkers am vorderen Ende des optischen Senders kann die in die Glasfaser eintretende optische Leistung erhöht werden. 2. Online-Relaisverstärkung, die vorhandene Repeater in Glasfaserkommunikationssystemen ersetzt; 3. Vorverstärkung: Vor dem Fotodetektor am Empfangsende wird das schwache Lichtsignal vorverstärkt, um die Empfangsempfindlichkeit zu erhöhen.
Derzeit werden in der Glasfaserkommunikation hauptsächlich folgende optische Verstärkertypen eingesetzt: 1. Halbleiter-Optikverstärker (SOA Optischer Verstärker)/Halbleiterlaserverstärker (SLA Optischer Verstärker); 2. Seltenerddotierte Faserverstärker, wie z. B. Köder-dotierte Faserverstärker (EDFA Optischer Verstärker), usw. 3. Nichtlineare Faserverstärker, wie z. B. Faser-Raman-Verstärker usw. Im Folgenden finden Sie jeweils eine kurze Einführung.
1. Optische Halbleiterverstärker: Unter verschiedenen Anwendungsbedingungen und mit unterschiedlichem Reflexionsgrad der Endflächen können Halbleiterlaser verschiedene Arten optischer Halbleiterverstärker erzeugen. Liegt der Antriebsstrom des Halbleiterlasers unter seinem Schwellenwert, d. h. es wird kein Laser erzeugt, 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. Diese Art vonoptischer Halbleiterverstärkerwird als optischer Verstärker vom Fabry-Perrow-Typ (FP-SLA) bezeichnet. Wird die Vorspannung des Lasers über den Schwellenwert gelegt, wird an einem Ende ein schwaches optisches Monomode-Signal eingegeben. Solange die Frequenz dieses optischen Signals innerhalb des Spektrums des Multimode-Lasers liegt, wird das optische Signal verstärkt und auf einen bestimmten Modus eingestellt. Diese Art von optischem Verstärker wird als injektionsgekoppelter Verstärker vom Typ IL-SLA bezeichnet. Wenn die beiden Enden eines Halbleiterlasers verspiegelt oder mit einer Schicht aus Antireflexionsfilm bedampft werden, wodurch sein Emissionsvermögen sehr gering wird und kein Fabry-Perrow-Resonanzhohlraum gebildet werden kann, wird das optische Signal beim Durchgang durch die aktive Wellenleiterschicht während der Ausbreitung verstärkt. Daher wird diese Art von optischem Verstärker als optischer Wanderwellenverstärker (TW-SLA) bezeichnet. Sein Aufbau ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Da die Bandbreite des optischen Wanderwellenverstärkers drei Größenordnungen größer ist als die des Fabry-Perot-Verstärkers und seine 3-dB-Bandbreite 10 THz erreichen kann, kann er optische Signale verschiedener Frequenzen verstärken und ist ein vielversprechender optischer Verstärker.
2. Köderdotierter Faserverstärker: Er besteht aus drei Teilen: Der erste ist eine dotierte Faser mit einer Länge von einigen Metern bis zu mehreren zehn Metern. Diese Verunreinigungen sind hauptsächlich Seltenerdionen, die das Laseraktivierungsmaterial bilden; Der zweite ist die Laserpumpquelle, die Energie geeigneter Wellenlängen bereitstellt, um die dotierten Seltenerdionen anzuregen und so die Lichtverstärkung zu erreichen. Der dritte ist der Koppler, der die Einkopplung von Pumplicht und Signallicht in das dotierte optische Faseraktivierungsmaterial ermöglicht. Das Funktionsprinzip eines Faserverstärkers ist dem eines Festkörperlasers sehr ähnlich. Er bewirkt eine Umkehrung der Teilchenzahlverteilung innerhalb des laseraktivierten Materials und erzeugt stimulierte Strahlung. Um einen stabilen Zustand der umgekehrten Teilchenzahlverteilung zu erzeugen, müssen am optischen Übergang mehr als zwei Energieniveaus beteiligt sein – typischerweise Drei- und Vierniveausysteme – und die Energie wird kontinuierlich von einer Pumpquelle zugeführt. Um Energie effektiv bereitzustellen, sollte die Wellenlänge des Pumpphotons kürzer sein als die des Laserphotons, d. h. die Energie des Pumpphotons sollte größer sein als die des Laserphotons. Darüber hinaus bildet der Resonanzhohlraum eine positive Rückkopplung, wodurch ein Laserverstärker gebildet werden kann.
3. Nichtlineare Faserverstärker: Sowohl nichtlineare Faserverstärker als auch Erbiumfaserverstärker zählen zur Kategorie der Faserverstärker. Erstere nutzen den nichtlinearen Effekt von Quarzfasern, während letztere erbiumdotierte Quarzfasern zur Einwirkung auf aktive Medien einsetzen. Gewöhnliche Quarzglasfasern erzeugen unter Einwirkung von starkem Pumplicht geeigneter Wellenlänge starke nichtlineare Effekte, wie beispielsweise stimulierte Raman-Streuung (SRS), stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) und Vierwellen-Mischeffekte. Wird das Signal zusammen mit dem Pumplicht über die Glasfaser übertragen, kann es verstärkt werden. So entstehen Faser-Raman-Verstärker (FRA), Brillouin-Verstärker (FBA) und parametrische Verstärker, die alle zu den verteilten Faserverstärkern zählen.
Zusammenfassung: Die gemeinsame Entwicklungsrichtung aller optischen Verstärker ist hohe Verstärkung, hohe Ausgangsleistung und niedriges Rauschmaß.
Beitragszeit: 08. Mai 2025