Eine Einführung in optische Verstärker

Fibermart
Samstag 09 Juni, 2018
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Dämpfung ist in jedem Glasfasersystem ein zentrales Problem . Je weiter ein digitales Signal übertragen wird, desto stärker nimmt seine Signalstärke ab. Jede Spleißstelle, jeder Stecker und sogar die Faser selbst tragen geringfügig zum Gesamtverlust des Systems bei. Glücklicherweise gibt es für zu lange Strecken oder zu hohe Verluste eine Lösung in Form von optischen Verstärkern.

Bei zu hoher Dämpfung steigt die Bitfehlerrate rapide an. Optische Signale sollten idealerweise mit der maximal möglichen Datenrate übertragen werden, die eine tolerierbare Bitfehlerrate (typischerweise zwischen 10⁻⁹ und 10⁻¹² ) ermöglicht . Probleme mit der Bitfehlerrate lassen sich durch Verstärkung oder Regeneration der Signale während der Übertragung vermeiden. Bei der Regeneration wird ein digitales optisches Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt, übertragen und am Zielort wieder in ein optisches Signal umgewandelt. In elektrischer Form wird das Signal umgeformt und neu getaktet, um die Signaldispersion zu korrigieren. Dieses Verfahren kann kostspielig sein. In manchen Fällen erzielt jedoch eine optische Verstärkung dasselbe Ergebnis.

Optische Verstärker erhöhen die Amplitude eines schwachen optischen Signals ohne den aufwändigen Regenerationsprozess. Ein Verstärker hat weniger Bauteile als ein elektronischer Regenerator und ist protokollunabhängig, wodurch die optisch-elektronische Wandlung entfällt. Ihre Funktionsweise basiert auf dem Laserprinzip, bei dem Photonen, die an einem Atom mit einem Elektron vorbeifliegen, in eine höhere Energiebahn angeregt werden. Das Photon regt das Elektron an, auf eine niedrigere Energieebene zu wechseln. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Bahnen entspricht der Energie eines identischen Photons. Eine Verdopplung der Photonenzahl führt zu einer Leistungsverstärkung von 3 dB. Diese beiden Photonen können zudem weitere Photonen anregen, was die Verstärkung zusätzlich erhöht.

Es gibt drei gängige Arten von optischen Verstärkern:

Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs)
Raman-Faserverstärker
Halbleiter-Lichtverstärker (SOAs)

Der am häufigsten eingesetzte Verstärker ist der Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA). Ein EDFA enthält eine mit dem Seltenerdelement Erbium dotierte optische Faser, die mit einem 980-nm- oder 1480-nm-Pumplaser zur optischen Verstärkung angeregt werden kann. Die meisten EDFA-Verstärker arbeiten im verlustarmen C-Band (1530 bis 1565 nm) und weisen typischerweise eine Signalverstärkung von 15 bis 25 dB auf, abhängig von der Leistung des Pumplasers und der Länge der Erbium-dotierten Faser. Die Verstärkung lässt sich durch die Ausgangsleistung des Pumplasers anpassen. Diese Pumpleistung im EDFA bewirkt, dass die Erbium-Elektronen in eine höhere Energiebahn angeregt werden. Dort können sie durch ein Photon zur Emission eines Photons gleicher Wellenlänge in dieselbe Richtung angeregt werden.

EDFAs wurden ursprünglich für die ozeanische Langstreckenkommunikation und für Anwendungen mit dichtem Wellenlängenmultiplexverfahren entwickelt. Ihre äußerst vorteilhaften Betriebseigenschaften führten jedoch schnell zu ihrer Verbreitung in terrestrischen Weitverkehrsnetzen, Metropolnetzen, Kabelfernsehen und Glasfaseranschlüssen für Privathaushalte – wo die analoge Übertragung die geringe Dämpfung der Wellenlänge von 1550 nm erfordert.

Der zweite Verstärkertyp, der Raman-Verstärker, nutzt eine nichtlineare Wechselwirkung, die sogenannte Raman-Streuung, die zwischen Licht und den Atomen der Glasfaser selbst auftritt. Die stimulierte Raman-Streuung ist ein ähnlicher Prozess, bei dem Photonen eines angelegten optischen Signals die Streuung anregen. Diese Wechselwirkung bewirkt eine Energieverschiebung von einem starken Pumpstrahl zu einem schwächeren Signalstrahl, während beide die Faser durchlaufen, was zu einer Signalverstärkung führt.

Die Energieverschiebung hängt von der Art des verwendeten Glases ab, die Wellenlänge hingegen vom Pumpstrahl. Daher kann die Raman-Verstärkung durch Änderung der Pumpwellenlänge über einen weiten Wellenlängenbereich genutzt werden. Mit einer anderen Pumpwellenlänge lassen sich andere Signalwellenlängen verstärken. Darüber hinaus lassen sich durch die Verwendung mehrerer Pumpstrahlen beliebige Verstärkungsprofile erzeugen, was eine Breitbandverstärkung über mehrere Frequenzbänder ermöglicht.

Im Gegensatz zu Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs), deren Verstärkungsspektrum konstant ist und von den Erbiumatomen bestimmt wird, hängt das Verstärkungsspektrum der Raman-Verstärkung von der Pumpwellenlänge ab. Die maximale Verstärkung wird erreicht, wenn die Pumpwellenlänge etwa 100 nm kürzer als die Signalwellenlänge ist. Beispielsweise wird in Quarzglasfasern ein 1550-nm-Signal durch Absorption von Pumpenergie bei etwa 1450 nm verstärkt.

Während die konventionelle EDFA-Technologie an den Endpunkten für Verbindungen bis zu etwa 160 Kilometern eingesetzt werden kann, ist für größere Distanzen eine Raman-Verstärkung erforderlich. Für extreme Entfernungen können sowohl EDFAs als auch Raman-Verstärkung verwendet werden.

Weitere Anwendungsgebiete für Raman-Verstärker sind verlustreiche Strecken in regionalen, Langstrecken- und Ultralangstreckennetzen mit Spannweiten von über 1000 Kilometern. Sie eignen sich auch ideal für Anwendungen, bei denen kommerzielle, rechtliche oder sicherheitstechnische Beschränkungen den Einsatz von Zwischenverstärkungsstationen unpraktisch oder unmöglich machen.

Der dritte gängige Verstärkertyp ist der Halbleiter-Optische Verstärker (SOA). Ein SOA ist im Prinzip eine Laserdiode, die ohne Resonator betrieben wird und durch stimulierte Emission Signalverstärkung erzeugt. An beiden Enden des Verstärkerchips sind Glasfaser-Pigtails angeschlossen. Bei elektrischer Anregung mit einem Vorwärtsstrom regen einfallende Photonen die Emission identischer Photonen an und verstärken so das Signal. Das Gerät wird unterhalb der Schwellenleistung betrieben, um zu verhindern, dass die Spaltflächen an den Chipenden einen Resonator bilden und dadurch Laserschwingungen verursachen. Dieser Verstärkungsprozess ist bidirektional und unabhängig vom übertragenen Signal.

SOAs erreichen typischerweise nicht die Leistung von EDFA- und Raman-Verstärkern. Sie weisen eine geringere Verstärkung (zwischen 10 und 15 dB), eine niedrige Ausgangsleistung (unter 13 dBm) und ein höheres Rauschmaß (typischerweise etwa 6–9 dB) auf. Im Gegensatz zu EDFAs und Raman-Verstärkern sind SOAs jedoch in kleinen 14-poligen Dual-Inline-Gehäusen erhältlich und benötigen deutlich weniger Strom, was sie für manche Anwendungen zu einer kostengünstigen Alternative macht. Sie können auch als Vorverstärker zur Erhöhung der Empfängerempfindlichkeit eingesetzt werden.