Optischer Verstärker

Ein optischer Verstärker ist ein Gerät, das ein eingehendes optisches Signal verstärkt weitergibt, ohne es in ein elektrisches Signal umgewandelt zu haben. Die Verstärkung entsteht dabei durch stimulierte Emission, die vom zu verstärkenden Signal ausgelöst wird. Ein optischer Verstärker funktioniert also prinzipiell wie ein Laser, jedoch ohne optischen Resonator. Im Gegensatz zu regenerativen Verstärkern arbeiten sie unabhängig von der Modulation des optischen Signals und werden daher manchmal auch als "transparent" bezeichnet. Diese Eigenschaft und die große Verstärkerbandbreite ist vor allem beim Einsatz von Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM) wichtig. Optische Verstärker werden, seitdem eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet ist, für alle weiträumigen Glasfaserverbindungen wie zum Beispiel die Transatlantikstrecken eingesetzt.

Optische Verstärker emitteren auch spontan Photonen, die dann ebenfalls verstärkt werden. Dieser unerwünschte Effekt wird ASE genannt (engl. Amplified Spontaneous Emission, siehe auch unter: Superlumineszenz)^[1]. Die durch ASE hervorgerufen Strahung ist inkohärent und unpolarisiert. ASE ist einer der Faktoren, der die Anzahl der kaskadierbaren Verstärker begrenzt. Das Verhältnis von Signalleistung zu der durch ASE verursachten Leistung in einer Bandbreite von 0,1nm wird Optisches Signal-Rausch-Verhältnis OSNR genannt und in dB angegeben.

Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA)

Bei Erbium-dotierten Faserverstärkern (engl. Erbium-doped fiber amplifier, EDFA) wird eine herkömmliche Glasfaser auf einer Länge von einem bis etwa 100 Metern mit Erbium dotiert. Dieser Faserabschnitt wird dann mit Hilfe eines Halbleiterlasers optisch gepumpt.

Typische Werte für kommerzielle EDFAs:

• Betriebswellenlänge
  • C-Band (ca. 1530–1560 nm)
  • L-Band (ca. 1570–1600 nm).
  • S-Band (unter 1480 nm) benötigt andere Dotiersubstanzen.
• geringes Rauschen mit einer Rauschzahl von 3–6 dB
• hohe Verstärkung (20–40 dB) und geringe Abhängigkeit von der Polarisation des Lichtsignals.
• max. optische Ausgangsleistung: 14–25 dBm
• interne Verstärkung: 25–50 dB
• Verstärkungsabweichung: ±0,5 dB
• Länge der aktiven Faser: 10–60 m für C-Band-EDFAs und 50–300 m für L-Band-EDFAs
• Anzahl der Pumplaser: 1–6
• Pumpwellenlänge: 980 nm oder 1480 nm

Halbleiterlaserverstärker (SOA)

Halbleiterlaserverstärker (engl. semiconductor optical amplifier, SOA) sind wie Halbleiterlaser aufgebaut, haben jedoch an den Stirnflächen, an denen das Licht austritt, eine Antireflexionsbeschichtung damit keine unerwünschten Resonanzeffekte entstehen. Meist werden sie mit Monomodefasern betrieben. Halbleiterlaserverstärker sind in puncto Verstärkung, Rauschen und Polarisationsabhängigkeit den EDFAs unterlegen, jedoch ergibt sich auf Grund der guten Integrierbarkeit ein Preisvorteil.

Typische Werte:

• Betriebswellenlänge: vor allem 1300 und 1500 nm (aktives Medium: InGaAsP)
• Verstärkung: bis 30 dB Chip alleine und ca. 20 dB inklusive Verluste an den Kontaktflächen
• Max. optische Ausgangsleistung: 5 dBm
• Bandbreite: 25 nm

Raman-Verstärker

Bei Raman-Verstärkern bedient man sich der so genannten Ramanstreuung. Bei Einstrahlung einer optischen Pumpwelle (hoher Intensität) werden in Quarzglasfasern die Photonen an den Siliciumdioxid-Molekülen gestreut. Dabei geht ein Teil der Energie in Phononen über und der Rest wird als Photonen niedrigerer Energie gestreut. Dieser Prozess findet zunächst spontan statt, kann jedoch auch über die zu verstärkende Signalwelle stimuliert werden. Man spricht dann von stimulierter Ramanstreuung.

Vorteile gegenüber EDFA sind:

• hohe Bandbreite: C- und L-Band gleichzeitig
• Verstärkungsbereich über die Pumpwellenlänge einstellbar
• die über die gesamte Faser verteilte Verstärkung führt zu besserem Signal-Rausch-Verhältnis

Siehe auch

• Lichtwellenleiter
• Laser
• Ramanstreuung

Weblinks

• EDFA-Verstärker

Einzelnachweise

1. ↑ Volkmar Brückner: Elemente optischer Netze: Grundlagen und Praxis der optischen Datenübertragung. 2 Auflage. Vieweg+Teubner, 2011, ISBN 3-83-481034-7, S. 123ff (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).