Optische Verstärker verbessern die Signalstärke
Nov 25, 2025|
Bei Glasfaser- oder Freiraumverbindungen verlieren optische Signale allmählich an Stärke. Verluste entstehen durch mehrere Ursachen: -Faserabsorption, Grenzflächenstreuung und schlechte Steckerkopplung. Single--Fasern weisen bei 1550 nm typischerweise eine Dämpfung von etwa 0,2–0,5 dB/km auf, und über große Entfernungen (50 km+) kann das Signal unter den Wert fallen, den der Empfänger zuverlässig erkennen kann. Bei realen Einsätzen weisen ältere Glasfasern häufig höhere Verluste als theoretisch auf, was in der Regel auf schlechte Verbindungen oder Mikrokrümmungen zurückzuführen ist.
Verstärkungsmethoden
Optische VerstärkerErhöhen Sie die Signalstärke, ohne sie in elektrische Form umzuwandeln. Das Prinzip ist einfach: Leiten Sie das geschwächte Licht in ein Verstärkungsmedium ein, wo es mit angeregten Teilchen interagiert, um mehr Photonen zu erzeugen. Energie entsteht durch optisches Pumpen oder elektrische Strominjektion. Die Pumpe erzeugt eine Besetzungsumkehr, die es Signalphotonen ermöglicht, eine zusätzliche Photonenemission auszulösen-im Wesentlichen eine optische Verstärkung.
In der Praxis hängt die Wahl der Pumpmethode von der Verstärkungsbandbreite und dem Leistungsbedarf ab. Faserverstärker verwenden typischerweise optisches Pumpen, während Halbleiterverstärker elektrisch angetrieben werden.
Einsatz in Kommunikationsnetzwerken
Langstreckennetze platzieren normalerweise alle 80–100 km einen Verstärker, um Glasfaserverluste auszugleichen. Die Verstärkerverstärkung liegt typischerweise zwischen 20 und 30 dB, sodass ein gewisser Spielraum für Alterung oder Wartung bleibt.
In städtischen Netzwerken werden Signale auf mehrere Ziele aufgeteilt. Jede 1:2-Aufteilung verursacht einen Verlust von etwa 3 dB. Durch die Platzierung eines Verstärkers nach dem Splitter wird jeder Zweig wieder auf brauchbare Pegel gebracht. Vor-Vorverstärker vor Empfängern sind ebenfalls üblich-Sie verstärken schwache Signale, sodass der Empfänger keine extreme Empfindlichkeit benötigt.
Eigenschaften gewinnen
Die Verstärkung hängt von der Pumpleistung, der Signalwellenlänge und der Eingangsleistung ab. Bei niedrigen Eingangsleistungen arbeitet der Verstärker linear und die Verstärkung ist stabil. Bei hohen Eingangsleistungen erschöpft sich die gespeicherte Energie, die Verstärkung sinkt-dies ist die Sättigung und begrenzt die maximale Leistung.
Die Verstärkungsbandbreite bestimmt, welche Wellenlängen verstärkt werden können. Seltenerd-dotierte Faserverstärker decken 30–40 nm im C-- oder L--Band ab; Halbleiterverstärker decken breitere Spektren ab, manchmal über 100 nm, aber mit geringerer Spitzenverstärkung.
Auch die Temperatur spielt eine Rolle. Hohe Temperaturen erhöhen die Phononenwechselwirkungen und verringern die Verstärkung leicht. Bei Installationen im Freien ist in der Regel eine Temperaturkontrolle vorgesehen, um einen stabilen Temperaturbereich von -5 bis +70 Grad zu gewährleisten.
Lärmzugabe
Verstärker fügen Rauschen hinzu, hauptsächlich durch spontane Emissionsphotonen innerhalb der Signalbandbreite. Die Geräuschwerte liegen typischerweise bei 3–7 dB. Wenn mehrere Verstärker kaskadiert werden, kommt es zu Rauschen. Nach 10 Stufen kann das SNR im Vergleich zu einem unverstärkten System um 30–70 dB sinken, daher müssen Entwickler bei langen Verbindungen sorgfältig planen.
Leistungsanforderungen
Faserverstärker benötigen typischerweise 100–500 mW Pumpleistung (980 nm oder 1480 nm). Eine höhere Pumpenleistung erhöht die Leistung, erreicht aber schließlich die Sättigung mit sinkenden Erträgen.
Stromverbrauch: Faserverstärker mit Pumplasern und Steuerelektronik verbrauchen in der Regel 5–20 W; Halbleiterverstärker verbrauchen 1–5 W. Hochleistungskonfigurationen mit Kühlung können den Gesamtverbrauch verdoppeln.
Überlegungen zur Installation
Achten Sie bei der Installation auf die Rückflussdämpfung des Eingangs-/Ausgangsanschlusses-normalerweise unter -45 dB, um Schwingungen zu vermeiden. Die meisten Verstärker verfügen über Isolatoren, um Reflexionen zu blockieren.
Umweltfaktoren spielen eine Rolle: Hohe Luftfeuchtigkeit kann auf Optiken kondensieren, Vibrationen können zu einer Fehlausrichtung von Komponenten führen, Flugrouten benötigen wetterfeste Gehäuse und unterirdische Gewölbe erfordern Schutz vor Wasser und Bodendruck.
Leistungsangaben
Zu den wichtigsten Spezifikationen gehören:
Kleine-Signalverstärkung: Verstärkung bei geringer Eingangsleistung
Sättigungsausgangsleistung: maximal lieferbare Leistung
Gewinnen Sie Flachheit: wichtig für Systeme mit mehreren-Wellenlängen
Polarisationsabhängiger Gewinn: Empfindlichkeit gegenüber Eingangspolarisation
Dynamische Anwendungen müssen auch die Wiederherstellungszeit berücksichtigen. Schnelle Wiederherstellung (<1 μs) suits packet-switched networks; slower recovery (10–100 μs) is enough for circuit-switched systems.
Wellenlängen-Spezifischer Vorgang
Unterschiedliche Wellenlängenbänder erfordern unterschiedliche Verstärker:
1550 nm: Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA)
1310 nm: Halbleiterverstärker oder Raman-Verstärkung
1625–1675 nm: Thulium-- oder Bismuth-dotierte Faserverstärker
Multibandsysteme erfordern separate Verstärkerketten für jedes Band, was die Kosten und die Komplexität erhöht.
Überwachung und Kontrolle
Verstärker verfügen normalerweise über Überwachungssysteme, die einen kleinen Teil des Ein-/Ausgangs abgreifen, um die Leistung zu verfolgen. Die automatische Verstärkungsregelung hält die Verstärkung stabil. Regelkreise passen den Pumpstrom oder optische Dämpfungsglieder an, um Eingangsschwankungen oder Pumpdrift zu bewältigen.
Die Fernverwaltung ermöglicht die Anzeige des Status-Leistung, Pumpenstrom, Temperatur usw. und sendet Alarme bei abnormalen Bedingungen, wodurch Feldbesuche reduziert werden.