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Bei der Glasfaserkommunikation werden die von einer Faser übertragenen sichtbaren oder infraroten (IR) Lichtstrahlen beim Durchgang durch das Material abgeschwächt. Anschließend kommt der Glasfaserverstärker zum Einsatz, der diese Informationsverluste während der Übertragung kompensiert.
Verstärker werden an bestimmten Stellen eingesetzt, um optische Signale in Systemen mit schwachen Signalen zu verstärken. Diese Verstärkung ermöglicht die erfolgreiche Übertragung der Signale über die verbleibende Kabellänge. In großen Netzwerken werden entlang der gesamten Netzwerkverbindung lange Reihen von Glasfaserverstärkern angeordnet.
Gängige Glasfaserverstärker sind Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA), Raman-Faserverstärker und Silizium-Verstärker (SOA). Erbium-dotierte Faserverstärker sind der am häufigsten verwendete Faserverstärker zur Signalverstärkung in WDM-Glasfasersystemen. WDM erhöht die Kapazität von Glasfaserkommunikationssystemen, und Erbium-dotierte Faserverstärker ermöglichen die WDM-Übertragung. Faserverstärker werden weiterentwickelt, um Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) zu unterstützen (DWDM-EDFA-Verstärker) und auf weitere von Glasfasern unterstützte Wellenlängenbereiche auszudehnen.
Es gibt verschiedene physikalische Mechanismen zur Verstärkung von Lichtsignalen, die den wichtigsten Arten optischer Verstärker entsprechen. In dotierten Faserverstärkern und Festkörperlasern führt die stimulierte Emission im Verstärkungsmedium zu einer Verstärkung des einfallenden Lichts. In Halbleiter-Verstärkern (SOAs) findet Elektronen-Loch-Rekombination statt. In Raman-Verstärkern erzeugt die Raman-Streuung des einfallenden Lichts an Phononen im Gitter des Verstärkungsmediums Photonen, die mit den einfallenden Photonen kohärent sind. Parametrische Verstärker nutzen die parametrische Verstärkung.
Wenn Licht durch Materie hindurchtritt, wird ein Teil davon in zufällige Richtungen gestreut. Ein kleiner Teil des gestreuten Lichts weist Frequenzverschiebungen gegenüber dem einfallenden Licht auf, die den Schwingungsfrequenzen des streuenden Materials entsprechen. Raman-Faseroptikverstärker arbeiten in diesem kleinen Streubereich. Ist der einfallende Strahl ausreichend intensiv und monochromatisch, kann eine Schwelle erreicht werden, ab der Licht mit den Raman-Frequenzen verstärkt wird, sich stark aufbaut und typischerweise die Eigenschaften stimulierter Emission zeigt. Dies wird als stimulierter oder kohärenter Raman-Effekt bezeichnet.
Der EFDA-Faseroptikverstärker funktioniert durch die Zugabe von Erbium-Ionen (Seltenerdionen) als Dotierstoff zum Faserkernmaterial, typischerweise in Konzentrationen von einigen hundert ppm. Die Faser ist bei der Erbium-Laserwellenlänge von zwei bis neun Mikrometern hochtransparent. Durch Anregung mit einer Laserdiode wird eine optische Verstärkung erzeugt.
Ein optischer Verstärker aus Silizium oder Halbleitern funktioniert ähnlich wie ein einfacher Laser. Der Aufbau ist weitgehend identisch: Zwei speziell entwickelte Halbleiterschichten liegen übereinander, dazwischen befindet sich ein weiteres Material, die sogenannte „aktive Schicht“. Durch Anlegen eines elektrischen Stroms werden Elektronen angeregt, die dann in den Grundzustand zurückfallen und Photonen aussenden. Ein einfallendes optisches Signal regt die Lichtemission bei der entsprechenden Wellenlänge an.
Glasfaser-Repeater können zwar ein abgeschwächtes Signal verstärken, funktionieren aber nur auf einer bestimmten Wellenlänge und sind daher für WDM-Systeme ungeeignet. Aus diesem Grund spielen Glasfaser-Verstärker in Kommunikationssystemen eine wesentlich wichtigere Rolle.
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