Passive optische Verstärker: EDFA, SOA und RFA
Wenn sich optische Signale durch eine optische Faser bewegen, werden sie gedämpft. Bei Langstreckenanwendungen wird das Signal bis zu dem Punkt gedämpft, an dem eine erneute Verstärkung erforderlich ist. Traditionell hat ein Gerät, das üblicherweise als Repeater bezeichnet wird, diese Neuverstärkung durchgeführt.
Ein Repeater ist im Grunde ein Empfänger und ein Sender, die in einem Paket zusammengefasst sind. Der Empfänger wandelt die ankommende optische Energie in elektrische Energie um. Der elektrische Ausgang des Empfängers steuert den elektrischen Eingang des Senders. Der optische Ausgang des Senders repräsentiert eine verstärkte Version des optischen Eingangssignals plus Rauschen.
Die heute verfügbare Technologie macht Repeater überflüssig. Anstelle von Repeatern werden jetzt passive optische Verstärker verwendet. Ein passiver optischer Verstärker verstärkt das Signal direkt, ohne dass eine Umwandlung von optisch zu elektrisch und von elektrisch zu optisch erforderlich ist. Es gibt verschiedene optische Verstärker, mit denen ein optisches Signal passiv verstärkt werden kann: Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA), optischer Halbleiterverstärker (SOA) und Raman-Faserverstärker (RFA), die alle eine als Laserpumpen bezeichnete Technik verwenden.
EDFA
EDFA-Verstärker werden im Allgemeinen für sehr lange Glasfaserverbindungen wie Untersee-Verkabelungen verwendet. Die EDFAs verwenden eine mit Erbium behandelte oder „dotierte“ Faser, die als Verstärkungsmedium verwendet wird. Die Pumplaser arbeiten bei Wellenlängen unterhalb der Wellenlängen, die verstärkt werden sollen. Die dotierte Faser wird mit der Laserpumpe erregt. Wenn das optische Signal durch diese dotierte Faser geleitet wird, übertragen die Erbiumatome ihre Energie auf das Signal, wodurch die Energie oder die Stärke des Signals beim Durchgang erhöht wird. Bei dieser Technik ist das Signal in der Regel bis zu 50 Mal oder 17 dB stärker, wenn es den EDFA verlässt, als es beim Eintritt war.
Hier ist ein Beispiel für einen EDFA. EDFAs können auch in Reihe verwendet werden, um die Verstärkung des Signals weiter zu erhöhen. Zwei in Reihe geschaltete EDFAs können das Eingangssignal um bis zu 34 dB erhöhen.
SOA
SOA-Verstärker verwenden eine ähnliche Technik wie EDFA, jedoch ohne die optische Faser zu dotieren. Im Gegensatz zum EDFA, der mit einer Laserpumpe betrieben wird, wird der SOA mit elektrischem Strom betrieben. Die SOAs verwenden einen optischen Wellenleiter und einen Halbleiter mit direkter Bandlücke, bei dem es sich im Grunde um einen Fabry-Pérot-Laser handelt, um Lichtenergie in das Signal einzuspeisen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Diese Technik bietet jedoch nicht die hohe Verstärkung, die die EDFAs bieten. SOAs werden typischerweise in kürzeren Glasfaserverbindungen wie Metropolitan Area Networks (MANs) verwendet.
Ein Problem bei SOAs ist, dass die Verstärkung sehr schwer zu kontrollieren ist. Unter Verwendung der Halbleitertechnik und eines Wellenleiters kann das Signal die Verstärkung eines Signals bei einer anderen Wellenlänge verringern. Dies kann zu einem Übersprechen zwischen den Kanälen führen, indem das Signal bei einer Wellenlänge eine andere modulieren kann.
RFA
Der RFA-Verstärker verwendet eine als Raman-Verstärkung bezeichnete Technik. Hierbei handelt es sich um eine Methode, bei der Pumplaser verwendet werden, um dem Signal zur Verstärkung Energie zuzuführen. Im Gegensatz zu EDFAs wird bei dieser Technik jedoch keine dotierte Faser verwendet, sondern nur ein leistungsstarker Pumplaser, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Der Laser wird bei Wellenlängen von 60 nm bis 100 nm unterhalb der gewünschten Wellenlänge des Signals betrieben. Die Lasersignalenergie und die Photonen des übertragenen Signals werden gekoppelt, wodurch die Signalstärke erhöht wird. RFAs verstärken nicht so stark wie EDFAs, haben jedoch den Vorteil, dass sie viel weniger Rauschen erzeugen. Sehen Sie sich hier die Produktdetails an: Raman-Verstärker
Diese optischen Verstärker können kombiniert werden, um ihre Verstärkungseigenschaften auszunutzen. In einigen Fällen werden RFAs und EDFAs in Langstreckenfaserverbindungen kombiniert, um eine hohe Verstärkung und einen verringerten Rauschpegel sicherzustellen.
Zusammenfassend hat jede Amplifikationstechnik Vor- und Nachteile. Denken Sie daran, die Verstärkung zu berücksichtigen, in der der Verstärker verwendet wird. Wenn beispielsweise ein Signal verstärkt werden muss, aber Rauschen auftritt, ist ein RFA-Verstärker wahrscheinlich die beste Wahl. Wenn das Signal nur geringfügig verstärkt werden muss, ist der SOA-Verstärker möglicherweise die beste Wahl.
Alle diese Verstärkungsmethoden haben einen großen Vorteil: Optische Verstärker verstärken alle Signale auf einer Faser gleichzeitig. Somit ist es möglich, mehrere Wellenlängen gleichzeitig zu verstärken (z. B. ist der DWDM-EDFA eine Art WDM-Verstärker, der zum Verstärken mehrerer Wellenlängen in DWDM-Systemen verwendet wird). Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Leistungspegel sorgfältig überwacht werden müssen, da die Verstärker gesättigt werden können und dadurch Fehlfunktionen verursachen.
