Erbiumdotierte Faserverstärker (EDFAs)

Erbiumdotierte Faserverstärker (EDFAs) nutzen Seltenerdelemente wie Erbium (Er3+) als Verstärkungsmedium.Es wird während des Herstellungsprozesses in den Faserkern dotiert.Es besteht aus einem kurzen Stück Faser (typischerweise ca. 10 m) aus Glas, dem eine kleine kontrollierte Menge Erbium als Dotierstoff in Form eines Ions (Er3+) zugesetzt ist.Somit fungiert die Silicafaser als Wirtsmedium.Es sind die Dotierstoffe (Erbium) und nicht die Quarzfaser, die die Betriebswellenlänge und die Verstärkungsbandbreite bestimmen.EDFAs arbeiten im Allgemeinen im Wellenlängenbereich von 1550 nm und können Kapazitäten von mehr als 1 Tbit/s bieten.Daher werden sie häufig in WDM-Systemen verwendet.

Das Prinzip der stimulierten Emission ist auf den Verstärkungsmechanismus des EDFA anwendbar.Wenn sich der Dotierstoff (ein Erbiumion) in einem hochenergetischen Zustand befindet, wird er durch ein einfallendes Photon des optischen Eingangssignals stimuliert.Es gibt einen Teil seiner Energie an den Dotierstoff ab und kehrt in einen energieärmeren Zustand („stimulierte Emission“) zurück, der stabiler ist.Die folgende Abbildung zeigt den Grundaufbau eines EDFA.

1.1 Grundstruktur eines EDFA

Die Pumplaserdiode erzeugt normalerweise ein optisches Signal mit einer Wellenlänge (entweder 980 nm oder 1480 nm) bei hoher Leistung (~ 10–200 mW).Dieses Signal wird über einen WDM-Koppler mit dem Lichteingangssignal im Erbium-dotierten Abschnitt der Quarzglasfaser gekoppelt.Die Erbiumionen absorbieren diese Pumpsignalenergie und springen in ihren angeregten Zustand.Ein Teil des Ausgangslichtsignals wird abgegriffen und am Eingang des Pumplasers durch optischen Filter und Detektor zurückgeführt.Dies dient als Rückkopplungs-Leistungskontrollmechanismus, um EDFAs als selbstregulierende Verstärker zu machen.Wenn alle metastabilen Elektronen verbraucht sind, findet keine weitere Verstärkung statt.Daher stabilisiert sich das System automatisch, da die optische Ausgangsleistung des EDFA unabhängig von etwaigen Schwankungen der Eingangsleistung nahezu konstant bleibt.

1.2 Vereinfachtes Funktionsschema eines EDFA

Die obige Abbildung zeigt das vereinfachte Funktionsschema eines EDFA, bei dem ein Pumpsignal vom Laser über einen WDM-Koppler zu einem optischen Eingangssignal (bei 1480 nm oder 980 nm) hinzugefügt wird.

Dieses Diagramm zeigt einen sehr einfachen EDF-Verstärker.Die Wellenlänge des Pumpsignals (bei einer Pumpleistung von ca. 50 mW) beträgt 1480 nm bzw. 980 nm.Ein Teil dieses Pumpsignals wird durch stimulierte Emission innerhalb einer kurzen Länge einer Erbium-dotierten Faser auf das optische Eingangssignal übertragen.Es hat einen typischen optischen Gewinn von etwa 5–15 dB und eine Rauschzahl von weniger als 10 dB.Für den Betrieb bei 1550 nm ist eine optische Verstärkung von 30–40 dB möglich.

1.3 Praktische Umsetzung eines EDFA

Die obige Abbildung zeigt einen vereinfachten Betrieb eines EDFA mit seiner praktischen Struktur bei Verwendung in WDM-Anwendungen.

Wie gezeigt, umfasst es die folgenden Hauptteile:

• Ein Isolator am Eingang.Dadurch wird verhindert, dass sich das von einem EDFA erzeugte Rauschen zum Sender hin ausbreitet.

• Ein WDM-Koppler.Es kombiniert das optische Eingangsdatensignal mit geringer Leistung von 1550 nm mit einem optischen Hochleistungs-Pumpsignal (von einer Pumpquelle wie einem Laser) bei einer Wellenlänge von 980 nm.

• Ein kleiner Abschnitt einer mit Erbium dotierten Quarzfaser.Tatsächlich dient dies als aktives Medium des EDFA.

• Ein Isolator am Ausgang.Dadurch wird verhindert, dass rückreflektierte optische Signale in die mit Erbium dotierte Quarzglasfaser gelangen.

Das endgültige Ausgangssignal ist ein verstärktes optisches Datensignal mit einer Wellenlänge von 1550 nm und einem restlichen Pumpsignal mit einer Wellenlänge von 980 nm.

Arten von Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs)

Es gibt zwei Arten von Strukturen von Erbium-dotierten Faserverstärkern (EDFAs):

• EDFA mit Mitvermehrungspumpe

• EDFA mit gegenläufiger Pumpe

Die folgende Abbildung zeigt gegenläufige Pumpen- und bidirektionale Pumpenanordnungen, die in EDFA-Strukturen verwendet werden können.

Verschiedene Pumpenanordnungen

Ein EDFA mit gleichzeitiger Ausbreitungspumpe zeichnet sich durch eine geringere optische Ausgangsleistung bei geringem Rauschen aus;während eine gegenläufige Pump-EDFA eine höhere optische Ausgangsleistung liefert, aber auch größeres Rauschen erzeugt.In einem typischen kommerziellen EDFA wird eine bidirektionale Pumpe mit gleichzeitigem gleichzeitigem und gegenläufigem Pumpen verwendet, was zu einem relativ gleichmäßigen optischen Gewinn führt.

Anwendung von EDFA als Booster, Inline und Vorverstärker

Bei einer Langstreckenanwendung einer Glasfaser-Kommunikationsverbindung können EDFAs als Booster-Verstärker am Ausgang des optischen Senders, als optischer Inline-Verstärker zusammen mit der Glasfaser sowie als Vorverstärker direkt vor dem optischen Sender verwendet werden Empfänger an, wie in der Abbildung oben gezeigt.

Es ist zu beachten, dass Inline-EDFAs je nach Faserverlust in einem Abstand von 20–100 km voneinander entfernt platziert werden.Das optische Eingangssignal liegt bei 1,55 μm Wellenlänge, während die Pumplaser bei 1,48 μm oder 980 nm Wellenlänge arbeiten.Die typische Länge einer Erbium-dotierten Faser beträgt 10–50 m.

Verstärkungsmechanismus in EDFAs

Wie bereits erwähnt, basiert der Verstärkungsmechanismus in einem EDFA auf einer stimulierten Emission, ähnlich der eines Lasers.Die hohe Energie des optischen Pumpsignals (erzeugt von einem anderen Laser) regt die Dotierstoff-Erbiumionen (Er3+) in einer Quarzfaser im oberen Energiezustand an.Das optische Eingangsdatensignal stimuliert den Übergang der angeregten Erbiumionen in den niedrigeren Energiezustand und führt zur Strahlung von Photonen mit derselben Energie, dh derselben Wellenlänge wie das optische Eingangssignal.

Energieniveaudiagramm: Freie Erbiumionen weisen diskrete Niveaus des Energiebandes auf.Wenn Erbiumionen in eine Quarzfaser dotiert werden, spaltet sich jedes ihrer Energieniveaus in eine Reihe eng verwandter Niveaus auf, um ein Energieband zu bilden.

1.4 Verstärkungsmechanismus in EDFA

Um eine Besetzungsinversion zu erreichen, werden Er3+-Ionen auf der Zwischenebene 2 gepumpt. Bei der indirekten Methode (980-nm-Pumpen) werden Er3+-Ionen kontinuierlich von Ebene 1 auf Ebene 3 bewegt. Anschließend erfolgt ein strahlungsfreier Zerfall auf Ebene 2 Dort fallen sie auf Stufe 1 und strahlen die optischen Signale in der gewünschten Wellenlänge von 1500–1600 nm ab.Dies wird als 3-stufiger Verstärkungsmechanismus bezeichnet.

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