Was ist ein Faserverstärker?
Ein Faserverstärker wird zur Verstärkung von optischen Signalen eingesetzt wird.
Bei der Ausbreitung optischer Signale in einem Lichtwellenleiter werden die optischen Signale durch die Übertragung oder Verteilung abgeschwächt, und der Verstärker dient dazu, dies auszugleichen. Herkömmlicherweise werden optische Signale mit Hilfe von Halbleiter-ICs usw. elektrisch verstärkt, bevor sie wieder in Licht umgewandelt und erneut übertragen werden.
Im Gegensatz dazu können Faserverstärker das optische Signal selbst direkt in der Glasfaser verstärken und werden daher häufig in der optischen Kommunikation eingesetzt.
Anwendungen von Faserverstärkern
Faserverstärker werden häufig im Bereich der optischen Kommunikation mit Lichtwellenleitern eingesetzt, insbesondere bei der optischen Kommunikation über große Entfernungen, bei der die Dämpfung des Lichts während der Ausbreitung in den Fasern ein Problem darstellt.
Die Verstärkung optischer Signale durch mit Seltenerdmetallen dotierte Fasern hat eine hohe Ausgangsleistung. Sie können auch optische Signale mit hohen Modulationsfrequenzen und wellenlängengemultiplexte optische Signale verstärken, die durch elektrische Verstärkung mit Halbleitern nicht bewältigt werden können, und sind daher für optische Signale mit hohem Informationsgehalt geeignet.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaften werden Faserverstärker in Langstrecken-Relais-Systemen, optischen Mehrfachverteilungssystemen und optischen Frequenzmultiplexsystemen in der optischen Kommunikation eingesetzt.
Funktionsweise der Faserverstärker
Faserverstärker bestehen hauptsächlich aus mit Seltenen Erden dotierten Fasern und Pumplaserdioden (Pump LDs) und verstärken optische Signale durch das physikalische Phänomen der induzierten Emission.
Wenn die Seltene-Erden-Ionen durch den Pump-LD angeregt werden, wird das Eingangssignal als optisches Signal ohne Umwandlung in ein elektrisches Signal durch induzierte Emission ausgelöst und verstärkt. Zu den weiteren Komponenten gehören ein WDM-Koppler, der das Eingangssignallicht mit dem Pumplicht kombiniert, und ein optischer Isolator, der verhindert, dass das verstärkte Licht schwingt, und durch Änderung der Art der zur Dotierung verwendeten Seltenerdionen und des Glasfasermaterials kann auch Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen verstärkt werden.
Als Seltene-Erden-Ionen können entsprechend ihren Energieniveaus Pr-Ionen im 1,3 μm-Band, Er-Ionen im 1,5 μm- und 0,85 μm-Band, Tm-Ionen im 1,4 μm- und 2 μm-Band und Yb-Ionen im 1,0 μm-Band zur Verstärkung verwendet werden, insbesondere in den Bändern 1,3 μm, 1,4 μm und 0,85 μm. Anstelle von Quarzfasern werden Fluoridfasern zur Verstärkung verwendet.
Arten von Faserverstärkern
1. Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA)
Glasfasern auf Quarzbasis für die optische Fernkommunikation haben einen minimalen Verlust bei einer Wellenlänge von 1,55 µm, daher werden optische Fernkommunikationsübertragungsnetze unter Verwendung von Halbleiterlasern mit Wellenlängen in dieser Nähe als Lichtquellen aufgebaut. Optische Fernkommunikationsübertragungsnetze können sich langfristig über mehrere hundert Kilometer erstrecken, so dass die Verluste früher von Licht in elektrische Signale umgewandelt, elektrisch verstärkt und dann wieder in Licht umgewandelt und in die optischen Fasern eingespeist wurden.
Mit dem Aufkommen der Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFAs) können optische Signale im 1,55 μm-Band in Kombination mit dem einfallenden Licht von 0,98 μm- und 1,48 μm-Pumplaserdioden verstärkt werden, so dass diese Technologie in den derzeitigen optischen Langstreckenkommunikationssystemen die Regel ist.
2. Faser-Raman-Verstärker (FRA)
Neben den Erbium-dotierten Faserverstärkern sind Faser-Raman-Verstärker (FRA) eine weitere Art von Faserverstärker, die in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat: Wenn starkes Licht in eine optische Faser eingespeist wird, ist es möglich, eine relativ breitbandige Verstärkung auf der langwelligen Seite, etwa 100 nm vom Pumplicht entfernt, zu erzielen.
Da die Wellenlänge frei eingestellt werden kann und das physikalische Phänomen eine relativ breitbandige Verstärkung aufweist, wird erwartet, dass diese Technologie in der wellenlängengemultiplexten Glasfaserkommunikation (WDM) Anwendung finden wird. Eine Herausforderung ist jedoch der Bedarf an leistungsstarkem Anregungslicht. Die Hersteller arbeiten intensiv an der Entwicklung dieser Technologie, einschließlich der Technologie zur Entwicklung des Laserlichts.
Weitere Informationen zu Faserverstärkern
1. Entwicklung zu Fasersensoren
Weit verbreitet sind auch so genannte Fasersensoren, die aus einem faseroptischen Sensor und einem Faserverstärker für die Erkennung in engen Räumen bestehen, vor allem in industriellen Anwendungen. Fasersensoren arbeiten im Allgemeinen mit pulsmoduliertem Licht und eignen sich für zerstörungsfreie Prüfungen in engen Räumen und für die Farberkennung und haben eine schnelle Reaktionszeit.
Sie können in Sensoranwendungen eingesetzt werden, die für die Kontrolle von Werkstücken in Hochtemperaturumgebungen und für die Kontrolle von Emissionen geeignet sind.
2. Faserverstärker für die nächste Generation
Um der starken Nachfrage nach optischen Kommunikationsanwendungen gerecht zu werden, sind neben den konventionellen Faserverstärkern für langwellige Lichtquellen von 1,55 µm (C-Band: 1,53 bis 1,565 µm) in letzter Zeit auch Faserverstärker für kürzere Wellenlängenbänder wie das O-Band (1,26 bis 1,36 µm) und das S-Band (1,46 bis 1,53 µm) von Interesse. Verstärker sind von Interesse.
Einige Hersteller stellen ihre eigenen Faserverstärker her, die durch die Entwicklung spezieller Materialien für diese Bandanwendungen optimiert sind.