Fortschrittliche optische Komponenten - Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA)
Viele faseroptische Anwendungen, wie z. B. Langstrecken-DWDM-Systeme, erfordern eine Verstärkung des optischen Signals. In der Vergangenheit wurden dazu an Zwischenpunkten alle 100 km teure elektronische Repeater eingesetzt. Die heutigen modernen DWDM-Langstrecken-Systeme verwenden mehrere fortschrittliche optische Komponenten, um mehrere Repeater durch ein einziges optisches Gerät zu ersetzen. Diese optischen Geräte, die als optische Verstärker bezeichnet werden und früher nur für Laborzwecke bekannt waren, werden heute häufig im Feldeinsatz eingesetzt. Einer der gebräuchlichsten optischen Verstärker ist der Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA).
Die Forscher entwickelten EDFA, um zahlreiche elektronische Repeater durch weniger optische Repeater zu ersetzen und so die Systemkosten und die Komplexität insgesamt zu senken. EDFAs ermöglichen auch einfache Systemaktualisierungen, indem zusätzliche Quellen zu verschiedenen Wellenlängen hinzugefügt und unter Verwendung eines DWDM-Multiplexers auf einer einzelnen Faser kombiniert werden.
Die in einem EDFA verwendete Faser ist mit Erbium dotiert, einem Seltenerdelement, das in seiner Atomstruktur die geeigneten Energien hat, um Licht bei 1550 nm zu verstärken. Ein 980 nm oder 1480 nm "Pump" -Laser injiziert Energie in die Erbium-dotierte Faser. Wenn ein schwaches Signal bei 1550 nm in die Faser eintritt, regt das Licht die Erbiumatome an, ihre gespeicherte Energie als zusätzliches Licht bei 1550 nm freizusetzen. Dieser Prozess setzt sich fort, während das Signal die Faser hinunterläuft und immer stärker wird, bis es die mit Erbium dotierte Region erreicht.
Die folgende Abbildung zeigt einen zweistufigen EDFA mit einem Zugriff in der Mitte, ein wichtiges Element von Glasfasersystemen mit sehr hoher Leistung. In diesem Fall werden zwei einfache einstufige EDFAs zusammen verpackt. Der Benutzer empfängt die Ausgabe des EDFA der ersten Stufe und die Eingabe des EDFA der zweiten Stufe. Diese Systeme erfordern häufig die periodische Verwendung zusätzlicher Elemente, wie z. B. einer Dispersionskompensationsfaser (DCF), um die Gesamtdispersion zu verringern. Eine hohe Einfügungsdämpfung von 10 dB oder mehr macht DCF problematisch. Durch die Platzierung des DCF in der Mitte des Zugriffspunkts des zweistufigen EDFA werden schädliche Auswirkungen auf das System verringert. Der Benutzer realisiert durch den EDFA immer noch einen signifikanten Gewinn, selbst mit dem zusätzlichen Teil des DCF mit hohem optischen Verlust.
In der Figur durchläuft der optische Eingang zuerst den optischen Isolator # 1, wodurch nur Licht von links nach rechts durchgelassen werden kann. Als nächstes geht das Licht durch WDM # 1. WDM # 1 bietet ein Mittel zum Injizieren der Pumpwellenlänge von 980 nm in die erste Länge der Erbium-dotierten Faser. WDM # 1 ermöglicht auch das Einkoppeln des optischen Eingangssignals in die Erbium-dotierte Faser mit minimalem optischen Verlust.
Die Energie von 980 nm pumpt die Erbiumatome in einen langsam zerfallenden, angeregten Zustand. Wenn Licht im 1550-nm-Band durch die Erbium-dotierte Faser gelangt, die normalerweise mehrere zehn Meter lang ist, wird ähnlich wie bei einem Laser die Emission von Strahlung angeregt. Auf diese Weise gewinnt das 1550 nm optische Eingangssignal an Stärke. Die Ausgabe der Erbium-dotierten Faser geht dann durch den optischen Isolator # 2, der für den Benutzer verfügbar wird. Typischerweise ist der Zugangspunkt der mittleren Stufe mit einer Art Dispersionskompensationsvorrichtung verbunden. Das Licht gelangt dann durch den Isolator Nr. 3 und den WDM Nr. 2. WDM # 2 koppelt 1480 nm Energie von einem zweiten Pumplaser in das andere Ende einer zweiten Länge einer Erbium-dotierten Faser, wodurch die Verstärkung und die Ausgangsleistung erhöht werden. Schließlich durchläuft das Licht den Isolator Nr. 4.
EDFAs meiden die meisten aktiven Komponenten, da Photonen das Signal verstärken. Der EDFA bietet eine hohe Ausgangsleistung und erfordert weniger Verstärker in einem bestimmten Systemdesign. Die grundlegendsten EDFA-Designverstärker leuchten über ein ziemlich schmales Band: 12 nm. Die Hinzufügung von Verstärkungsentzerrungsfiltern kann das Band auf mehr als 25 nm erhöhen. Andere exotisch dotierte Fasern erhöhen die Verstärkungsbande auf 40 nm oder mehr. Darüber hinaus bedeutet die Unabhängigkeit von der Datenrate in EDFAs, dass bei einem System-Upgrade nur die Start- und Empfangsterminals geändert werden müssen.
Die zuverlässige Leistung des EDFA macht es für Glasfaserkommunikationssysteme und CATV-Übermittlungssysteme mit hoher Datenrate auf langen Strecken nützlich. In CATV-Anwendungen verstärken EDFAs das Signal vor und nach einem optischen Splitter, um das aufgeteilte Signal für die Übertragung über mehrere Fasern zu verstärken. Sehen Sie sich hier die Produktdetails der CATV-Verstärker an. Im Allgemeinen gibt es vier Hauptanwendungen für optische Verstärker: Leistungsverstärker / Booster, Inline-Verstärker, Vorverstärker oder Verlustkompensationen für optische Netzwerke.