EDFA – Erbiumdotierter Faserverstärker

Fibermart
Sonntag 23 November, 2014
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Definition

Der Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) ist der erste erfolgreiche optische Verstärker, der von der britischen Universität Southampton und der JP Tohoku University erfunden wurde. Er ist eine der größten Erfindungen in der optischen Kommunikation. Erbium-dotierte Glasfasern enthalten eine geringe Menge des Seltenerdelements Erbium (Er) als Ion. Es bildet das Herzstück des EDFA. Seit den späten 1980er Jahren verzeichnet die EDFA-Forschung kontinuierlich bedeutende Durchbrüche. Da die WDM-Technologie die Kapazität der optischen Kommunikation deutlich erhöht, wird sie zum am weitesten verbreiteten optischen Verstärker in der Glasfaserkommunikation.

Prinzip

Ein EDFA besteht aus einer Erbium-dotierten Faser (ca. 10–30 m) und einer Pumplichtquelle. Die stimulierte Emission der Erbium-dotierten Faser unter Einwirkung der Pumplichtquelle (Wellenlänge 980 nm oder 1480 nm) und die Lichtabstrahlung variieren mit der Änderung des optischen Eingangssignals, was einer Verstärkung des optischen Eingangssignals entspricht. Studien haben gezeigt, dass mit Erbium-dotierten Faserverstärkern typischerweise eine Verstärkung von 15–40 dB erreicht werden kann und die Übertragungsreichweite auf über 100 km erhöht werden kann. Warum also verwenden Wissenschaftler Erbium-dotierte Faserelemente, um die Lichtintensität zu erhöhen? Erbium gehört zu den Seltenerdelementen und hat seine eigenen besonderen Strukturmerkmale. Im Laufe der Jahre wurden Seltenerdelemente in optischen Geräten eingesetzt, um die Leistung optischer Geräte zu verbessern; dies ist also kein Zufall. Warum wird die Wellenlänge der Pumpquelle zwischen 980 nm und 1480 nm gewählt? Tatsächlich könnte die Wellenlänge der Pumplichtquelle 520 nm, 650 nm, 980 nm und 1480 nm betragen. Die Praxis hat jedoch gezeigt, dass die Pumplichtquelle mit einer Wellenlänge von 1480 nm die höchste Effizienz aufweist, gefolgt von der Wellenlänge von 980 nm.

Vorteile

Der Hauptvorteil von EDFA ist eine hohe Verstärkung, große Bandbreite, hohe Ausgangsleistung, hohe Pumpleistung, geringer Einfügungsverlust und keine Empfindlichkeit gegenüber dem Polarisationszustand.

Sein Verstärkungsbereich entspricht zufällig dem minimalen Verlustbereich einer Singlemode-Faser. Dadurch wird der Übertragungsverlust des Lichtsignals verringert, das über eine relativ große Entfernung übertragen werden kann.
Es ist transparent gegenüber dem digitalen Signalformat und der Datenrate.
Seine Verstärkungsbandbreite ist so groß, dass Dutzende oder sogar Hunderte von Kanälen in derselben Faser übertragen werden können.
Es weist eine niedrige Rauschzahl nahe der Quantengrenze auf, was bedeutet, dass mehrere Verstärker kaskadiert werden können.
Die Wiederherstellungszeit bis zur Verstärkungssättigung ist lang und es kommt zu sehr geringem Übersprechen zwischen den jeweiligen Kanälen.

Anwendungen

Wenn EDFA in herkömmlichen optischen digitalen Kommunikationssystemanwendungen verwendet wird, können wir viele optische Repeater einsparen und auch die Distanzrelais könnten deutlich erhöht werden, was für Langstrecken-Glasfaserkabel-Trunking-Systeme von großer Bedeutung ist.

Zu den Hauptanwendungen zählen:

Er kann als Lichtstreckenverstärker eingesetzt werden. Herkömmliche elektronische Glasfaser-Repeater weisen viele Einschränkungen auf. Beispielsweise muss der Repeater bei der Umwandlung von digitalen in analoge Signale entsprechend angepasst werden. Der Repeater wird nach der Umstellung von einer niedrigen auf eine hohe Rate angepasst. Er überträgt nur die gleiche Wellenlänge des optischen Signals und ist komplex und teuer. Erbiumdotierte Glasfaserverstärker überwinden diese Nachteile. Sie müssen nicht nur nicht bei Änderungen des Signalwegs angepasst werden, sondern auch bei Geräteerweiterungen oder optischem Wellenlängenmultiplexing nicht ausgetauscht werden.
Er kann als Sendeverstärker und als optischer Empfangsvorverstärker verwendet werden. Auf der Rückseite des optischen Sendeverstärkers wird die Sendeleistung des Lasers von 0 dB auf +10 dB erhöht. Auch die Empfindlichkeit des optischen Empfangsvorverstärkers kann deutlich verbessert werden. Daher kann die Signalübertragungsdistanz mit nur 1–2 Erbium-dotierten Verstärkern auf 100–200 km erhöht werden. Darüber hinaus lösen Erbium-dotierte Faserverstärker die Probleme, deren einzigartige Vorteile weltweit anerkannt sind und die immer häufiger eingesetzt werden. Erbium-dotierte Faserverstärker haben jedoch auch einige Einschränkungen. Beispielsweise können bei der Fernkommunikation keine Kanäle verloren gehen, die Kontaktaufnahme zu den einzelnen Stationen ist schwieriger, Fehler sind nicht leicht zu finden und die Lebensdauer der Pumplichtquelle ist kurz. Mit der Weiterentwicklung der Glasfasertechnologie werden diese Probleme jedoch zufriedenstellend gelöst.