Anleitung zur EDFA-Technologie (Erbium-Doped Fiber Amplifier).

Erbiumdotierte Faserverstärker (EDFAs) sind seit den frühen 1990er Jahren eine Schlüsseltechnologie für optische Kommunikationsnetze und umfassen den Großteil aller in diesem Bereich eingesetzten optischen Verstärker. Jetzt geben wir eine Erläuterung der EDFA-Technologie. Grundkenntnisse zu EDFA finden Sie im Tutorial „Grundsätze und Anwendungen von EDFA“ von Fiber-Mart.

EDFA-Grundlagen

Physikalisches Prinzip von EDFA

Der Kern der EDFA-Technologie ist die Erbium Doped Fiber (EDF), eine traditionelle, mit Erbium dotierte Quarzfaser. Wenn das Erbium bei der geeigneten Wellenlänge (980 nm oder 1480 nm) in einen Zwischenzustand mit langer Lebensdauer angeregt wird (siehe Abbildung unten), fällt es dann durch Emission von Licht im Bereich von 1525–1565 nm in den Grundzustand zurück. Wenn innerhalb des 1525-1565-nm-Bandes bereits Lichtenergie vorhanden ist, beispielsweise aufgrund eines Signalkanals, der durch den EDF verläuft, dann stimuliert dies den Zerfallsprozess (sog. stimulierte Emission), was zu zusätzlicher Lichtenergie führt. Wenn sich also eine Pumpwellenlänge und eine Signalwellenlänge gleichzeitig durch einen EDF ausbreiten, findet über das Erbium eine Energieübertragung von der Pumpwellenlänge zur Signalwellenlänge statt, was zu einer Signalverstärkung führt.

Grundlegendes EDFA-Design

Zu den gebräuchlichsten EDFA gehören EDF (typischerweise 10–30 m), ein Pumplaser und WDM für kombinierte Signal- und Pumpwellenlänge, um sie durch den EDF zu übertragen. Im Prinzip können EDFAs so konzipiert sein, dass sich die Pumpenergie in die gleiche Richtung wie das Signal ausbreitet, also nur vorwärts pumpt und in die entgegengesetzte Richtung zum Signal und nur rückwärts pumpt, oder wenn man beides kombiniert, kann die Pumpenergie entweder eine Pumpenergie von 980 nm oder 1480 nm sein Pumpenenergie. Tatsächlich verwendet die häufigste EDFA-Konfiguration eine Pumpenergie von 980 nm (wie in der Abbildung dargestellt). Diese Konfiguration nutzt kosteneffektive, zuverlässige 980-nm-Halbleiter-Pumplaserdioden mit geringem Stromverbrauch optimal aus und bietet so das beste Gesamtdesign im Hinblick auf Leistung und Kostenkompromisse.

Zu den gebräuchlichsten EDFA gehören EDF (typischerweise 10–30 m), ein Pumplaser und WDM für kombinierte Signal- und Pumpwellenlänge, um sie durch den EDF zu übertragen. Im Prinzip können EDFAs so konzipiert sein, dass sich die Pumpenergie in die gleiche Richtung wie das Signal ausbreitet, also nur vorwärts pumpt und in die entgegengesetzte Richtung zum Signal und nur rückwärts pumpt, oder wenn man beides kombiniert, kann die Pumpenergie entweder eine Pumpenergie von 980 nm oder 1480 nm sein Pumpenenergie. Tatsächlich verwendet die häufigste EDFA-Konfiguration eine Pumpenergie von 980 nm (wie in der Abbildung dargestellt). Diese Konfiguration nutzt kosteneffektive, zuverlässige 980-nm-Halbleiter-Pumplaserdioden mit geringem Stromverbrauch optimal aus und bietet so das beste Gesamtdesign im Hinblick auf Leistung und Kostenkompromisse.

EDFA-Kontrolle

AGC und APC sind das gemeinsame Betriebssystem für EDFA. Im AGC-Modus wird die Verstärkerverstärkung und die Ausgangsleistung konstant gehalten. Während der APC-Modus in einigen Einkanalanwendungen verwendet wird, ist AGC häufiger anzutreffen und wird fast immer in Mehrkanal-WDM-Anwendungen verwendet. Die folgende Abbildung zeigt ein schematisches Diagramm der AGC in einem EDFA. Informationen von den Eingangs- und Ausgangsdetektoren werden zur Berechnung der tatsächlichen Verstärkung verwendet, die mit der erforderlichen Verstärkung verglichen wird. darauf basierend und dann angepasst werden, um die tatsächliche Verstärkung in Richtung der erforderlichen Verstärkung zu ändern. Hierbei handelt es sich um einen klassischen Feedback-Regelkreis, der mit analogen oder digitalen Schaltungen implementiert werden kann. Die Reaktionszeit des Regelkreises wird durch die Reaktion des EDF auf Änderungen der Pumpleistung bestimmt, die aufgrund der langen Lebensdauer des quasistabilen Zustands des Erbium-Ions recht lang sein kann (1 ms und länger).

Erweiterte EDFA-Designs

Schnelle Transientenunterdrückung

Wie bereits erwähnt, weist die AGC-Rückkopplungsschleife eines EDFA eine von Natur aus langsame Reaktionszeit auf, die in der Größenordnung von 1 ms oder mehr liegt. Um Verstärkungstransienten zu unterdrücken, die sich während dieser langsamen Reaktionszeit aufgrund starker Änderungen der Eingangsleistung entwickeln könnten, ist daher die Verwendung einer Feed-Forward-Regelschleife erforderlich. Da der Eingang dieses Regelkreises nur das Signal vom Eingangsdetektor ist, erkennt er die Änderungen der Eingangsleistung sofort und passt die Pumpleistung entsprechend an, noch bevor sich der Übergang zu entwickeln beginnt. Diese Anpassung wird unter Verwendung einer ungefähren vordefinierten Beziehung zwischen dem Pumpstrom und der Eingangsleistung für eine gegebene erforderliche Verstärkung durchgeführt. Somit liefert die Feed-Forward-Steuerung eine schnelle, relativ grobe Anfangsreaktion, während die Feedback-Steuerung eine langsamere und feinere Reaktion liefert. Die Kombination aus gut konzipierten Feedback- und Feed-Forward-Regelkreisen kann unter allen Bedingungen eine stabile Verstärkung mit einem maximalen Überschwingen von bis zu 1 dB während 100 μs liefern, selbst bei einem starken Anstieg oder Abfall der Eingangsleistung, wie in gezeigt die folgende Abbildung.

EDFA mit variabler Verstärkung

Zur Unterstützung unterschiedlicher Spannweiten zwischen Verstärkern in einer Übertragungsverbindung (typischerweise im Bereich von 60–120 km) und zum Schutz vor Alterung der Verbindung (was mit der Zeit zu einem erhöhten Verbindungsverlust führen kann). Ein Verstärker unterstützt einen möglichst großen dynamischen Verstärkungsbereich, d. h. um eine dynamische Konfiguration der Verstärkung über einen weiten Bereich zu ermöglichen. Bei einem Einkanalverstärker ist dies leicht zu erreichen, und die meisten Einstufenverstärker unterstützen einen großen dynamischen Verstärkungsbereich. Bei WDM-Mehrkanalverstärkern ist die Situation viel komplizierter, da für alle Verstärkungswerte eine flache Verstärkung beibehalten werden muss. Daher sind die meisten Low-End-WDM-Verstärker als Verstärker mit fester Verstärkung konzipiert, d. h. sie bieten eine flache Verstärkung nur für einen bestimmten vordefinierten Verstärkungswert. Um unterschiedliche Verstärkungswerte zu unterstützen, können Systementwickler entweder mehrere Festverstärkungsverstärker mit unterschiedlichen voreingestellten Verstärkungswerten verwenden oder einen variablen optischen Abschwächer (VOA) vor dem Festverstärkungsverstärker platzieren. Die erstere Lösung erfordert unterschiedliche Teilenummern für die verschiedenen Verstärker und erschwert daher betriebliche Probleme wie Bestandskontrolle und Sparen, während die letztere Lösung zu einer starken Verschlechterung des OSNR führt und daher für Verbindungen mit einer Länge von mehr als 200–300 km nicht geeignet ist. Diese Nachteile können mit einem WDM-Verstärker mit variabler Verstärkung behoben werden. Ein EDFA mit variabler Verstärkung ist in der Regel so konzipiert, dass er unter Verwendung eines geeigneten GFF eine flache Verstärkung an der Spitze des erforderlichen Verstärkungsbereichs aufweist, während ein VOA verwendet wird, um alle Kanäle gleichmäßig zu dämpfen, um einen Bereich von Verstärkungswerten zu erreichen. Wenn der VOA am Verstärkereingang platziert wird, kommt es zu einer starken Verschlechterung der NF. Wenn andererseits der VOA am Verstärkerausgang platziert wird, ist eine hohe Pumpleistung erforderlich, was die Kosten des Verstärkers erhöht. Daher ist es notwendig, die VOA zwischen zwei Verstärkungsunterstufen zu platzieren, wie in Abbildung 6 dargestellt. Die beiden Verstärkungsstufen werden typischerweise von einer einzigen Pumpe gepumpt, wobei die Pumpleistung zwischen den Stufen aufgeteilt wird und der Regelkreis die Verstärkung steuert den gesamten Verstärker (beide Verstärkungsunterstufen und VOA). Durch sorgfältiges Entwerfen der EDF-Länge und der vorgesehenen Pumpleistung für jede Unterstufe ist es möglich, eine sehr gute NF-Leistung über einen Bereich von Verstärkungswerten zu erreichen, wobei die Gesamtpumpleistung im Vergleich zu einem EDFA mit fester Verstärkung nur moderat ansteigt. Die typische NF-Leistung eines EDFA mit variabler Verstärkung ist auch in der folgenden Abbildung im Vergleich zu einer vergleichbaren EDFA mit fester Verstärkung und zuvor platziertem VOA dargestellt. Wie man sehen kann, steigt die NF im niedrigen Verstärkungsbereich nur geringfügig an, was einen erheblichen Leistungsvorteil im Vergleich zum alternativen EDFA mit fester Verstärkung und davor platziertem VOA darstellt.

Dual-Stage-EDFA mit Mid-Stage-Zugang

Neben optischen Verstärkern erfordern moderne optische Netzwerke auch die Platzierung anderer Komponenten entlang der Verbindung, wie beispielsweise Dispersion Compensating Modules (DCMs), die zur Korrektur von Signalverzerrungen aufgrund der chromatischen Dispersion der Übertragungsfaser verwendet werden. Da die Dämpfung von DCMs recht groß sein kann (im Bereich von 5–10 dB), ist eine zusätzliche Verstärkung erforderlich, um sie unterzubringen. Um das OSNR und die Kostenauswirkungen dieser zusätzlichen Verstärkung zu minimieren, ist es vorteilhaft, den DCF zwischen zwei Verstärkern zu platzieren. Zweistufige Verstärker sind grundsätzlich zwei Verstärker in einem Gehäuse, in denen eine optische Komponente wie ein DCM platziert werden kann zwischen ihnen (wie in der folgenden Abbildung dargestellt). Meistens hat der erste Verstärker (der Vorverstärker) eine variable Verstärkung und der zweite Verstärker (der Booster) eine feste Verstärkung, sodass der Verstärker als Ganzes einen Betrieb mit variabler Verstärkung ermöglicht. Die Steuerung beider Verstärker erfolgt kombiniert – mit anderen Worten: Der Benutzer stellt die erforderliche Nettoverstärkung der gesamten Kombination (einschließlich DCF) ein und die Steuereinheiten stellen die Verstärkung jedes der beiden Verstärker ein, um die Nettoverstärkung zu erreichen. Die Verstärker sind von vornherein so ausgelegt, dass sie den DCM-Verlust berücksichtigen. Beispielsweise wird der Dynamikbereich der Eingangsdetektoren beider Verstärker entsprechend eingestellt und die optische Leistung, wie z. B. NF, bereits unter Berücksichtigung des DCM-Verlustes spezifiziert. Da das DCM oft mit speziellen Dispersion Compensating Fiber (DCF) implementiert wird, kann es zu einer großen optischen Verzögerung zwischen der ersten und der zweiten Stufe des Verstärkers kommen. Aus diesem Grund muss die Transientenunterdrückung für jeden Verstärker separat durchgeführt werden, und folglich verfügt jeder Verstärker über eine eigene Pumpe und einen eigenen lokalen Steuermechanismus (zusätzlich zur Gesamtsteuerung, die zur Einstellung der Nettoverstärkung verwendet wird).

Abschluss

Wie aus der obigen Erläuterung hervorgeht, ist die EDFA-Technologie von den verschiedenen für optische Verstärker verfügbaren Technologien bei weitem die fortschrittlichste, und folglich basiert die überwiegende Mehrheit der bisher eingesetzten optischen Verstärker auf dieser Technologie. Heutzutage ist es möglich, Breitband-WDM-EDFAs zu bauen, die eine flache Verstärkung über einen großen dynamischen Verstärkungsbereich, geringes Rauschen, eine hohe Sättigungsausgangsleistung und einen stabilen Betrieb mit hervorragender Unterdrückung von Transienten bieten. Diese Funktionen werden in kleinen Modulen mit einer Größe von < 100 x 100 mm und einem Stromverbrauch von nur wenigen Watt bereitgestellt. Diese Kombination aus guter, zuverlässiger Leistung und relativ geringen Kosten ermöglicht es EDFAs, die meisten Anwendungen und Funktionen in modernen optischen Netzwerken abzudecken.

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