Alles, was Sie über EDFA wissen sollten

Was ist ein optischer Verstärker?

Ein optischer Verstärker wird verwendet, um optische Signale zu verstärken. Das Kernstück des optischen Verstärkers ist das Verstärkungsmedium. Der faseroptische Verstärker wird gepumpt, um Besetzungsinversion und Verstärkung zu erreichen. Die Verstärkung ist im Allgemeinen mit dem Verstärkungsmedium, der Pumpquelle und dem Eingangssignal verbunden. Die Funktion der Pumpquelle besteht darin, das Verstärkungsmedium zu aktivieren, um die Besetzungsinversion zu erzeugen. Und das Signal erzeugt durch das aktivierte Verstärkungsmedium stimulierte Emission, um schließlich die Verstärkung zu realisieren. Eine Grundstruktur eines optischen Verstärkers ist im Folgenden dargestellt:

Grundlegende Struktur eines optischen Verstärkers

Zu den typischen Arten optischer Verstärker gehören die folgenden drei Typen.

Arten von optischen Verstärkern

• Optischer Halbleiterverstärker(SOA)

• Erbium-Doped Fiber Amplifier(EDFA)

• Raman Fiber Amplifier(RFA). 

Optische Verstärker bringen einen qualitativen Sprung für die Glasfaser-Kommunikationstechnologie. Mit der raschen kommerziellen Anwendung optischer Verstärker erreichte die WDM-Technologie einen hohen Reifegrad. Die Kombination aus optischem Verstärker und WDM-Technologie kann die Kapazitätserweiterung des optischen Kommunikationssystems flexibel und bequem ohne hohe Kosten realisieren. 

Der EDFA-Verstärker ist aufgrund seiner hervorragenden Leistung heute der kommerziell am weitesten verbreitete Typ, hat aber auch Einschränkungen, wie etwa seine geringe Bandbreite, die das Streben nach hoher Breitbandigkeit und rein optischer Verstärkung begrenzt. Daher gelten RFA-Verstärker als rein optische Verstärker ebenfalls als potenziell zukunftsträchtig. Als Nächstes bietet dieser Artikel eine detaillierte Einführung in den kommerziell am weitesten verbreiteten EDFA-Verstärker.

Was ist ein EDFA?

Wie oben erwähnt, ist EDFA eine Art optischer Verstärker und steht für Erbium-Doped Fiber Amplifier. Der EDFA-Verstärker ist eine der größten Erfindungen in der Glasfaserkommunikation, die die Kapazität der Glasfaserkommunikation erheblich erhöht. EDFA wird typischerweise in Langstrecken-Glasfaserkommunikationssystemen eingesetzt, um optische Verstärkung zu realisieren und optische Dämpfung zu verringern.

EDFA-Struktur

Die folgende Abbildung zeigt die Grundstruktur von EDFA.

EDFA-Strukturdiagramm

Ein typischer EDFA Verstärker besteht hauptsächlich aus den folgenden Komponenten:

• Erbiumdotierte Faser: Kern des EDFA. Er wird hergestellt, indem das Seltenerdelement Erbium in Quarz-Glasfaser dotiert wird. 

• Pump-Laser: Wird verwendet, um Energie für Erbium bereitzustellen. Die Wellenlänge von 1480nm hat sich als am besten geeignet erwiesen, gefolgt von der Wellenlänge von 980nm.

• Isolator: Wird verwendet, um zu verhindern, dass optische Signale reflektiert werden, und sicherzustellen, dass der optische Verstärker stabil arbeitet.

• Koppler: Wird verwendet, um optische Signale und Pumplicht in Erbium-dotierte Fasern einzukoppeln.

• Optischer Filter: Schmalbandiger optischer Bandpassfilter mit einer Bandbreite innerhalb von 1nm. Wird verwendet, um das spontane Emissionslicht des EDFA zu eliminieren Verstärker zur Reduzierung des EDFA-Rauschens.

So funktioniert der EDFA-Faserverstärker

Ein EDFA besteht hauptsächlich aus der erbiumdotierten Faser (10~30 Meter) und dem Pumplaser (980nm oder 1480nm Wellenlänge). Nachdem die erbiumdotierte Faser durch den Pumplaser angeregt wurde, geht sie in einen metastabilen hochangeregten Zustand über und erzeugt stimulierte Emission, um die optischen Eingangssignale zu verstärken. Im Allgemeinen kann ein EDFA eine Verstärkung von 15-40dB erzielen, und die Relaisdistanz kann sich um mehr als 100km verlängern.

Fragen zu EDFA, die Sie interessieren könnten

1. Warum ist ein Er-dotierter Faserverstärker am weitesten verbreitet? Welche Seltenerd-Ionen können ebenfalls in der optischen Verstärker außer Erbium?

Neben dem Er-dotierten Faserverstärker gibt es auch Pr-dotierte und Tm-dotierte Faserverstärker.

• EDFA (Er-dotierter Faserverstärker) arbeitet bei einer Wellenlänge von 1550nm.

• PDFA (Pr-dotierter Faserverstärker) arbeitet bei einer Wellenlänge von 1300nm.

• TDFA (Tm-dotierter Faserverstärker) arbeitet bei einer Wellenlänge von 1400nm.

Die Betriebswellenlänge von EDFA liegt genau im verlustärmsten Fenster der optischen Kommunikation, was einer der Gründe dafür ist, dass EDFA am weitesten verbreitet ist.

2. Warum werden 980nm und 1480nm als Pumpquelle gewählt?

Die Wellenlängen der Quelle können 520nm, 650nm, 980nm und 1480nm betragen, doch die Praxis hat gezeigt, dass die Pumpeffizienz bei 980nm und 1480nm höher ist als bei den anderen. Die Pumpeffizienz eines bei 1480nm gepumpten EDFA ist höher als die bei 980nm. Die 980nm-Pumpquelle hat jedoch eine niedrigere Rauschzahl; wenn Sie also eine bessere Rauschleistung benötigen, wird 980nm eher empfohlen.

Vorteile von EDFA 

Der EDFA-Verstärker ist der am weitesten verbreitete optische Verstärker und bietet viele Vorteile, darunter:

• Arbeitet im Fenster mit minimalem Verlust der optischen Kommunikation. EDFA arbeitet bei einer Wellenlänge von 1550nm, was genau dem Fenster mit minimaler Dämpfung der Singlemode-Faser entspricht.

• Hohe Kopplungseffizienz. Der Kopplungsverlust von EDFA und Übertragungsfaser ist sehr gering, sogar geringer als 0.1dB.

• Niedrige Rauschzahl. 4~7dB.

• Hohe Verstärkung. 20~40dB

• Hohe Ausgangsleistung: Bidirektionales Pumpen kann bis zu 20dBm erreichen.

• Große Frequenzbandbreite. Eine Frequenzbandbreite von 20~40nm bei 1550nm unterstützt die gleichzeitige Verstärkung von Mehrwegsignalen.

• Niedrige erforderliche Pumpleistung. Nur etwa 10mW.

• Vollfaserstruktur. Vollständig kompatibel mit Glasfaser-Kommunikationssystemen.

• Hohe Stabilität. Die Verstärkung von EDFA ist unempfindlich gegenüber Temperatur und unabhängig von der Polarisation.

EDFA-Anwendung: EDFA + WDM

Da der EDFA-Verstärker, wie oben erwähnt, viele Vorteile hat, wird er in vielen Anwendungen wie folgt weit verbreitet eingesetzt:

EDFA-Anwendungen:

• WDM-System

• Optische Soliton-Kommunikation

• Verteilnetz 

In den letzten Jahren ist die Kombination aus WDM-Technologie ((Wavelength Division Multiplexing)) und EDFA-Verstärker zum Standard in Hochgeschwindigkeits- und Hochkapazitäts-Glasfaserkommunikationssystemen geworden. Aus der allgemeinen WDM-Systemstruktur unten können wir erkennen, dass die in der Glasfaser übertragenen Wellenlängen durch die Kombination von WDM-Technologie und optischem Verstärker um ein Vielfaches zugenommen haben.

WDM-Systemstruktur

Der im WDM-System verwendete EDFA-Glasfaserverstärker dient hauptsächlich dazu, den Verlust bei der Glasfaserübertragung zu kompensieren. EDFA-Verstärker können je nach unterschiedlichen Positionen und Funktionen in den WDM-Systemen in drei Typen unterteilt werden:

1. Booster-Verstärker. Befindet sich hinter dem Multiplexer und wird verwendet, um die Leistung mehrerer Wellenlängensignale nach der Multiplexierung zu erhöhen. Eine hohe Ausgangsleistung ist erforderlich.

2. Line-Amplifier: Befindet sich hinter dem Booster-Verstärker und wird verwendet, um den Übertragungsverlust periodisch auszugleichen. Ein niedriger Rauschindex und eine hohe Ausgangsleistung sind erforderlich.

3. Vorverstärker: Befindet sich vor dem Demultiplexer und hinter dem Leitungsverstärker, wird zur Verstärkung von Signalen und zur Erhöhung der Empfangsempfindlichkeit des Empfängers verwendet. Ein sehr niedriger Rauschindex ist erforderlich.

Fazit

Optische Verstärker, insbesondere EDFA, sind wichtige Komponenten des optischen Kommunikationssystems. EDFA arbeitet bei einer Wellenlänge von 1550nm. Der kommerzielle EDFA-Verstärker bietet die Vorteile eines niedrigen Rauschindex, einer guten Verstärkungskurve, einer großen Verstärkerbandbreite, der Kompatibilität mit Wellenlängenmultiplexsystemen (WDM), einer hohen Pumpeffizienz und einer stabilen Leistung. Er wird in modernen optischen Kommunikationssystemen für große Entfernungen und hohe Geschwindigkeiten bevorzugt. Derzeit entwickelt sich "EDFA+DWDM" zur wichtigsten technischen Lösung für die internationale optische Glasfaserkommunikationsübertragung über große Entfernungen und mit hoher Geschwindigkeit.

QSFPTEK bietet den Booster-Verstärker und Vorverstärker mit rauscharmer, gain-flattened Leistung an, um das Leistungsbudget optischer Verbindungen für den Aufbau von DWDM-Lösungen über lange Distanzen kosteneffizient zu erweitern. Kontaktieren Sie uns gerne über [email protected].