Prinzip und Anwendung vonEDFA Erbium-dotierter Faserverstärker
Die Grundstruktur vonEDFAErbiumdotierter Faserverstärker, der hauptsächlich aus einem aktiven Medium (dutzende Meter lange dotierte Quarzfaser, Kerndurchmesser 3–5 Mikrometer, Dotierungskonzentration (25–1000) x 10-6), einer Pumplichtquelle (990 oder 1480 nm LD), einem optischen Koppler und einem optischen Isolator besteht. Signallicht und Pumplicht können sich in der Erbiumfaser in die gleiche Richtung (Ko-Pumping), entgegengesetzte Richtung (Rückwärts-Pumping) oder in beide Richtungen (bidirektionales Pumpen) ausbreiten. Werden Signallicht und Pumplicht gleichzeitig in die Erbiumfaser eingespeist, wird das Erbiumion durch die Einwirkung des Pumplichts auf ein hohes Energieniveau (Drei-Niveau-System) angeregt und fällt bald auf ein metastabiles Niveau ab. Kehrt es durch die Einwirkung des einfallenden Signallichts in den Grundzustand zurück, wird das dem Signallicht entsprechende Photon emittiert, wodurch das Signal verstärkt wird. Sein verstärktes spontanes Emissionsspektrum (ASE) hat eine große Bandbreite (bis zu 20–40 nm) und zwei Spitzen, die 1530 nm bzw. 1550 nm entsprechen.
Die Hauptvorteile vonEDFA-Verstärkersind hohe Verstärkung, große Bandbreite, hohe Ausgangsleistung, hohe Pumpleistung, geringer Einfügungsverlust und Unempfindlichkeit gegenüber Polarisationszuständen.
Das Funktionsprinzip des Erbium-dotierten Faserverstärkers
Der Erbium-dotierte Faserverstärker (Optischer EDFA-Verstärker） besteht im Wesentlichen aus einer Erbium-dotierten Faser (ca. 10–30 m lang) und einer Pumplichtquelle. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass die Erbium-dotierte Faser unter Einwirkung der Pumplichtquelle (Wellenlänge 980 nm oder 1480 nm) stimulierte Strahlung erzeugt, deren Strahlung sich mit der Änderung des Eingangslichtsignals ändert, was einer Verstärkung des Eingangslichtsignals entspricht. Ergebnisse zeigen, dass die Verstärkung von Erbium-dotierten Faserverstärkern üblicherweise 15–40 dB beträgt und die Übertragungsdistanz um mehr als 100 km erhöht werden kann. Daher stellt sich die Frage: Warum kamen Wissenschaftler auf die Idee, dotiertes Erbium in Faserverstärkern zu verwenden, um die Intensität der Lichtwellen zu erhöhen? Erbium ist ein Seltenerdelement und Seltenerdelemente haben besondere strukturelle Eigenschaften. Die Dotierung optischer Geräte mit Seltenerdelementen wird seit langem zur Leistungssteigerung eingesetzt, daher ist dies kein Zufall. Warum wird die Wellenlänge der Pumplichtquelle auf 980 nm oder 1480 nm gewählt? Tatsächlich kann die Wellenlänge der Pumplichtquelle 520 nm, 650 nm, 980 nm und 1480 nm betragen. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass die Wellenlänge der 1480-nm-Pumplichtquelle die höchste Lasereffizienz aufweist, gefolgt von der Wellenlänge der 980-nm-Pumplichtquelle.
Physische Struktur
Grundstruktur eines Erbium-dotierten Faserverstärkers (EDFA-Optikverstärker). Eingangs- und Ausgangsseitig befindet sich jeweils ein Isolator, der die Einwegübertragung des optischen Signals ermöglicht. Der Pumperreger hat eine Wellenlänge von 980 nm oder 1480 nm und dient der Energiebereitstellung. Der Koppler koppelt das optische Eingangssignal und das Pumplicht in die Erbium-dotierte Faser ein und überträgt die Energie des Pumplichts durch die Wirkung der Erbium-dotierten Faser auf das optische Eingangssignal, um dessen Energieverstärkung zu erreichen. Um eine höhere optische Ausgangsleistung und einen niedrigeren Rauschindex zu erzielen, besteht der in der Praxis verwendete Erbium-dotierte Faserverstärker aus zwei oder mehr Pumpquellen mit dazwischenliegenden Isolatoren zur gegenseitigen Isolierung. Um eine breitere und flachere Verstärkungskurve zu erzielen, wird ein Verstärkungsglättungsfilter hinzugefügt.
Der EDFA besteht aus fünf Hauptkomponenten: Erbium-dotierter Faser (EDF), optischem Koppler (WDM), optischem Isolator (ISO), optischem Filter und Pumpversorgung. Häufig verwendete Pumpquellen sind 980 nm und 1480 nm. Diese beiden Pumpquellen weisen eine höhere Pumpleistung auf und werden häufiger eingesetzt. Der Rauschkoeffizient der 980-nm-Pumplichtquelle ist niedriger; die 1480-nm-Pumplichtquelle weist eine höhere Pumpleistung auf und kann eine höhere Ausgangsleistung erzielen (ca. 3 dB höher als die 980-nm-Pumplichtquelle).
Vorteil
1. Die Betriebswellenlänge entspricht dem minimalen Dämpfungsfenster der Singlemode-Faser.
2. Hohe Kopplungseffizienz. Da es sich um einen Faserverstärker handelt, lässt er sich leicht mit der Übertragungsfaser koppeln.
3. Hoher Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Der Kern der EDF ist kleiner als der einer Übertragungsfaser. Signallicht und Pumplicht werden in der EDF gleichzeitig übertragen, wodurch die optische Kapazität sehr konzentriert ist. Dadurch ist die Wechselwirkung zwischen Licht und dem Er-Ion des Verstärkungsmediums sehr intensiv. In Verbindung mit der entsprechenden Länge der Erbium-dotierten Faser ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad der Lichtenergieumwandlung.
4. Hohe Verstärkung, niedriger Rauschindex, große Ausgangsleistung, geringes Übersprechen zwischen den Kanälen.
5. Stabile Verstärkungseigenschaften: EDFA ist nicht temperaturempfindlich und die Verstärkung weist kaum eine Korrelation mit der Polarisation auf.
6. Die Verstärkungsfunktion ist unabhängig von der Systembitrate und dem Datenformat.
Mangel
1. Nichtlinearer Effekt: EDFA verstärkt die optische Leistung durch Erhöhung der in die Faser eingespeisten optischen Leistung. Je höher die optische Leistung, desto besser. Bei einer gewissen Erhöhung der optischen Leistung tritt der nichtlineare Effekt der Glasfaser auf. Daher sollte bei der Verwendung von Glasfaserverstärkern auf die Steuerung der einkanaligen eingehenden Glasfaserleistung geachtet werden.
2. Der Verstärkungswellenlängenbereich ist festgelegt: Der Arbeitswellenlängenbereich des C-Band-EDFA beträgt 1530 nm bis 1561 nm; der Arbeitswellenlängenbereich des L-Band-EDFA beträgt 1565 nm bis 1625 nm.
3. Ungleichmäßige Verstärkungsbandbreite: Die Verstärkungsbandbreite des erbiumdotierten EDFA-Faserverstärkers ist sehr breit, das Verstärkungsspektrum des EDF selbst ist jedoch nicht flach. Um die Verstärkung im WDM-System zu glätten, muss ein Verstärkungsglättungsfilter eingesetzt werden.
4. Problem des Lichtstoßes: Bei normalem Lichtweg werden die durch das Pumplicht angeregten Erbiumionen vom Signallicht mitgerissen, wodurch die Verstärkung des Signallichts abgeschlossen wird. Wird das Eingangslicht unterbrochen, weil sich die metastabilen Erbiumionen weiter ansammeln, kommt es nach Wiederherstellung des Signallichteingangs zu einem Energiesprung, der zu einem Lichtstoß führt.
5. Die Lösung für den optischen Spannungsstoß besteht darin, die Funktion zur automatischen Reduzierung der optischen Leistung (APR) oder zur automatischen optischen Abschaltung (APSD) in EDFA zu realisieren, d. h., EDFA reduziert die Leistung automatisch oder schaltet die Leistung automatisch ab, wenn kein Eingangslicht vorhanden ist, wodurch das Auftreten des Spannungsstoßphänomens unterdrückt wird.
Anwendungsmodus
1. Der Booster-Verstärker dient dazu, die Leistung von Mehrwellenlängensignalen nach der Booster-Welle zu erhöhen und sie anschließend zu übertragen. Da die Signalleistung nach der Booster-Welle im Allgemeinen hoch ist, sind Rauschindex und Verstärkung eines Leistungsverstärkers nicht sehr hoch. Hat eine relativ hohe Ausgangsleistung.
2. Der Leitungsverstärker wird nach dem Leistungsverstärker verwendet, um den Übertragungsverlust der Leitung regelmäßig auszugleichen. Im Allgemeinen sind ein relativ geringer Rauschindex und eine große optische Ausgangsleistung erforderlich.
3. Vorverstärker: Vor dem Splitter und nach dem Leitungsverstärker dient er zur Signalverstärkung und Verbesserung der Empfängerempfindlichkeit (sofern das optische Signal-Rausch-Verhältnis (OSNR) den Anforderungen entspricht, kann die höhere Eingangsleistung das Rauschen des Empfängers selbst unterdrücken und die Empfangsempfindlichkeit verbessern), wobei der Rauschindex sehr gering ist. An die Ausgangsleistung werden keine großen Anforderungen gestellt.
Veröffentlichungszeit: 17. März 2025