Prinzip und Anwendung des EDFA-Erbium-dotierten Faserverstärkers

Prinzip und Anwendung vonEDFA Erbium-dotierter Faserverstärker

Die Grundstruktur vonEDFAEin Erbium-dotierter Faserverstärker besteht im Wesentlichen aus einem aktiven Medium (einer mehrere Dutzend Meter langen, dotierten Quarzfaser 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 (Ko-Pumpen), in entgegengesetzte Richtungen (Rückwärtspumpen) oder in beide Richtungen (bidirektionales Pumpen) ausbreiten. Werden Signal- und Pumplicht gleichzeitig in die Erbiumfaser eingekoppelt, wird das Erbium-Ion durch das Pumplicht auf ein hohes Energieniveau (Drei-Niveau-System) angeregt und fällt anschließend in ein metastabiles Niveau zurück. Beim Übergang in den Grundzustand durch das einfallende Signallicht wird das dem Signallicht entsprechende Photon emittiert, wodurch das Signal verstärkt wird. Das ASE-Spektrum (amplified spontaneous emission) weist eine große Bandbreite (bis zu 20-40 nm) auf und besitzt zwei Peaks bei 1530 nm bzw. 1550 nm.

Die wichtigsten Vorteile vonEDFA-Verstärkersind hohe Verstärkung, große Bandbreite, hohe Ausgangsleistung, hohe Pumpeffizienz, geringe Einfügungsdämpfung und Unempfindlichkeit gegenüber Polarisationszuständen.

Das Funktionsprinzip des Erbium-dotierten Faserverstärkers

Der Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA-Optischer VerstärkerEin Erbium-dotierter Faserverstärker besteht hauptsächlich aus einer Erbium-dotierten Faser (ca. 10–30 m Länge) und einer Pumplichtquelle. Das Funktionsprinzip beruht darauf, dass die Erbium-dotierte Faser unter dem Einfluss der Pumplichtquelle (Wellenlänge 980 nm oder 1480 nm) stimulierte Strahlung erzeugt. Die emittierte Strahlung ändert sich mit dem Eingangssignal, was einer Verstärkung des Eingangssignals entspricht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verstärkung des Erbium-dotierten Faserverstärkers üblicherweise 15–40 dB beträgt und die Übertragungsdistanz um mehr als 100 km erhöht werden kann. Daher stellt sich die Frage: Warum haben Wissenschaftler Erbium-dotiertes Fasermaterial in Faserverstärkern eingesetzt, um die Lichtintensität zu erhöhen? Erbium ist ein Seltenerdelement, und Seltenerdelemente besitzen besondere Strukturmerkmale. Die Dotierung optischer Geräte mit Seltenerdelementen wird seit Langem zur Leistungssteigerung eingesetzt; dies ist also kein Zufall. Warum wird die Wellenlänge der Pumplichtquelle auf 980 nm oder 1480 nm festgelegt? Tatsächlich könnte die Wellenlänge der Pumplichtquelle 520 nm, 650 nm, 980 nm oder 1480 nm betragen, aber die Praxis hat gezeigt, dass die Lasereffizienz bei einer Pumplichtquelle mit einer Wellenlänge von 1480 nm am höchsten ist, gefolgt von der Wellenlänge von 980 nm.

Physikalische Struktur

Grundstruktur eines Erbium-dotierten Faserverstärkers (EDFA). Ein Isolator am Ein- und Ausgang gewährleistet die unidirektionale Übertragung des optischen Signals. Der Pumpanreger mit einer Wellenlänge von 980 nm oder 1480 nm liefert die Energie. Der Koppler koppelt das optische Eingangssignal und das Pumplicht in die Erbium-dotierte Faser ein und überträgt die Energie des Pumplichts durch die Faser auf das Eingangssignal, wodurch dieses verstärkt wird. Um eine höhere optische Ausgangsleistung und ein geringeres Rauschen zu erzielen, werden in der Praxis Erbium-dotierte Faserverstärker mit zwei oder mehr Pumpquellen eingesetzt, die durch Isolatoren voneinander entkoppelt sind. Für eine breitere und flachere Verstärkungskurve wird ein Verstärkungsglättungsfilter verwendet.

Der EDFA besteht aus fünf Hauptkomponenten: Erbium-dotierter Faser (EDF), optischem Koppler (WDM), optischem Isolator (ISO), optischem Filter und Pumpquelle. Gängige Pumpquellen sind 980 nm und 1480 nm. Diese beiden Pumpquellen weisen eine höhere Pumpeffizienz auf und werden daher häufiger eingesetzt. Die 980-nm-Pumpquelle hat einen niedrigeren Rauschkoeffizienten; die 1480-nm-Pumpquelle erzielt eine höhere Pumpeffizienz und liefert eine höhere Ausgangsleistung (ca. 3 dB mehr als die 980-nm-Pumpquelle).

Vorteil

1. Die Betriebswellenlänge ist mit dem minimalen Dämpfungsfenster der Einmodenfaser konsistent.

2. Hohe Kopplungseffizienz. Da es sich um einen Faserverstärker handelt, ist die Kopplung mit der Übertragungsfaser einfach.

3. Hohe Energieumwandlungseffizienz. Der Kern der Erbium-dotierten Faser (EDF) ist kleiner als der einer Übertragungsfaser, und Signal- und Pumplicht werden gleichzeitig in der EDF übertragen, wodurch die optische Kapazität sehr hoch ist. Dies führt zu einer intensiven Wechselwirkung zwischen Licht und dem Verstärkungsmedium Erbium-Ionen. In Kombination mit der geeigneten Länge der Erbium-dotierten Faser ergibt sich eine hohe Lichtumwandlungseffizienz.

4. Hohe Verstärkung, niedriger Rauschindex, große Ausgangsleistung, geringes Übersprechen zwischen den Kanälen.

5. Stabile Verstärkungseigenschaften: Der EDFA ist nicht temperaturempfindlich, und die Verstärkung korreliert kaum mit der Polarisation.

6. Die Verstärkungsfunktion ist unabhängig von der Systembitrate und dem Datenformat.

Mangel

1. Nichtlinearer Effekt: Ein EDFA verstärkt die optische Leistung durch Erhöhung der in die Faser eingespeisten optischen Leistung, wobei eine höhere Leistung wünschenswert ist. Ab einem bestimmten Punkt tritt jedoch der nichtlineare Effekt der optischen Faser auf. Daher ist bei der Verwendung von optischen Faserverstärkern auf die Kontrolle der einkanaligen optischen Eingangsleistung zu achten.

2. Der Verstärkungswellenlängenbereich ist festgelegt: Der Arbeitswellenlängenbereich des C-Band-EDFA liegt bei 1530 nm bis 1561 nm; der Arbeitswellenlängenbereich des L-Band-EDFA liegt bei 1565 nm bis 1625 nm.

3. Ungleichmäßige Verstärkungsbandbreite: Die Verstärkungsbandbreite des Erbium-dotierten Faserverstärkers (EDFA) ist sehr groß, das Verstärkungsspektrum der EDF selbst jedoch nicht flach. Um die Verstärkung im WDM-System zu glätten, muss ein Verstärkungsglättungsfilter eingesetzt werden.

4. Problem der Lichtspitzen: Bei normalem Lichtweg werden die durch das Pumplicht angeregten Erbiumionen vom Signallicht mitgerissen, wodurch die Verstärkung des Signallichts abgeschlossen wird. Wird das Eingangslicht unterbrochen, reichern sich die metastabilen Erbiumionen weiter an. Nach Wiederherstellung des Signallichts kommt es zu einem Energiesprung, der eine Lichtspitze verursacht.

5. Die Lösung für das optische Überspannungsphänomen besteht darin, die automatische optische Leistungsreduzierung (APR) oder die automatische optische Leistungsabschaltung (APSD) im EDFA zu realisieren, d. h. der EDFA reduziert automatisch die Leistung oder schaltet die Leistung automatisch ab, wenn kein Eingangslicht vorhanden ist, wodurch das Auftreten des Überspannungsphänomens unterdrückt wird.

Anwendungsmodus

1. Der Booster-Verstärker dient dazu, die Leistung von Mehrwellenlängensignalen nach der Boosterwelle zu erhöhen und sie anschließend zu übertragen. Da die Signalleistung nach der Boosterwelle im Allgemeinen hoch ist, sind Rauschzahl und Verstärkung des Leistungsverstärkers nicht sehr hoch. Er weist eine relativ hohe Ausgangsleistung auf.

2. Der nach dem Leistungsverstärker eingesetzte Leitungsverstärker dient dazu, die Übertragungsverluste der Leitung periodisch auszugleichen. Er erfordert im Allgemeinen einen relativ niedrigen Rauschindex und eine hohe optische Ausgangsleistung.

3. Vorverstärker: Vor dem Splitter und nach dem Leitungsverstärker dient er der Signalverstärkung und Verbesserung der Empfängerempfindlichkeit. (Bei ausreichendem optischen Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) kann eine höhere Eingangsleistung das Eigenrauschen des Empfängers unterdrücken und die Empfangsempfindlichkeit erhöhen.) Der Rauschindex ist sehr gering. An die Ausgangsleistung werden keine hohen Anforderungen gestellt.