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Grundlagen moderner Netzwerktechnologien im Überblick – Teil 47

Die Bausteine und Komponenten optischer Netze im Überblick

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Die Klasse der Rare Earth Doped Fiber Amplifier

Der EDFA gehört zur Klasse der so genannten Rare Earth Doped Fiber Amplifier, also zu Verstärkern, die ihre Wirkungsweise der Dotierung eines Stückes der Übertragungsstrecke mit einem relativ seltenen Material verdanken.

Neben Erbium kann man auch Präseodym, Neodym oder Ytterbium verwenden, allesamt Materialien, die auch bei der Konstruktion von Hochleistungslasern verwendet werden. Seine prominente Position verdankt das Erbium der Tatsache, dass mit einer Erbium-Dotierung Verstärker geschaffen werden, die eine relativ hohe Bandbreite von ca. 35 nm im 1.550-nm-Band abdecken. Man kann Single Mode Fiber konstruieren, die in diesem Band Dämpfungsminima und somit ein Übertragungsfenster haben.

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Erbium hat aber noch eine Anzahl zusätzlicher positiver Eigenschaften, auf die wir gleich noch kommen. Man kann EDFAs in drei grundsätzlichen Arten aufbauen. Der Verstärkungseffekt kommt in Anwesenheit eines Pumplaserstrahls zustande. Diesen Pumplaserstrahl muss man einkoppeln. Dabei ist es aber gleichgültig, ob er mit oder gegen die Übertragungsrichtung eingespeist wird.

Der Grundaufbau eines SOA (Semiconductor Optical Amplifier; Halbleiterlaserverstärker) ist einem Halbleiterlaser ähnlich. Er besteht aus einem lichtleitenden aktiven Medium (einem p-n-Übergang), wobei die mobilen Elektronen und Löcher die Rolle der Erbium-Ionen übernehmen. Die Energieniveaus sind dann das Leitband und das Valenzband. Die Bänder sind breiter als bei der Erbium-Dotierung. Durch Pumpen wird die Elektron-Loch-Rekombination unter Emission von Photonen stimuliert. Bei elektrischem Pumpen erzeugt man auf diese Weise einfach eine LED, wird aber eine lichtleitende Schicht eingefügt, so kommt man zum optischen Pumpen und somit zum gewünschten Verstärkungseffekt.

Durch entsprechende Auswahl der Materialien, z.B. InGaAs oder InGaAsP, kann man SOAs für die Wellebereiche bauen, die in der optischen Kommunikation bevorzugt werden, z.B. 1.300 oder 1.550 nm. Da die Energiebänder in einem Halbleiter viel breiter sind als in einem EDFA, verstärkt der SOA in einem viel breiteren Band. Dieser breitbandigen Charakteristik stehen jedoch auch Nachteile gegenüber. Die Lebenszeit zur Rekombination brauchbarer erregter Ionen ist viel kürzer als in einem EDFA und liegt im Bereich von Nanosekunden. Dadurch treten die beim EDFA besprochenen Effekte in der Schwankung der möglichen Verstärkung in einem viel kleineren Zeitraster auf. Das bedeutet, dass SOAs erst ab Übertragungsraten von mehreren Gigabit/s. brauchbar sind, weil sonst die Nebensprechdämpfung durch diese Effekte zu hoch wird. Wegen seiner asymmetrischen Geometrie ist ein SOA abhängig von der Ausbreitungsebene des Lichtes, der Polarisation. Dieses Problem hat der EDFA mit seiner zylindrischen Konstruktion nicht.