Wenn Sie gerade erst in die Welt der Glasfaseroptik einsteigen, können die vielen Fachbegriffe und Abkürzungen überwältigend sein. Deshalb habe ich dieses Faser-Glossar-Serie - um Ihnen auf möglichst einfache Weise zu erklären, was diese Begriffe wirklich bedeuten.

Ich erkläre alles aus der Sicht eines Brancheninsiders und verwende, wann immer möglich, echte Fotos (nicht nur schicke Renderings). Außerdem vermeide ich übermäßig komplexe Erklärungen und halte die Sprache klar und direkt, damit Sie sicher sein können, dass Sie nach der Lektüre die wahre Bedeutung dieser Begriffe verstehen.

Heute werden wir darüber sprechen: Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA)

INHALTSVERZEICHNIS

Kurzantwort: Was ist ein EDFA?

Ein Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA) ist ein Gerät, das ein schwaches optisches Signal verstärkt, ohne es zuvor in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

Im Inneren des Verstärkers befindet sich ein kurzes Stück Lichtleitfaser, deren Kern eine geringe Menge Erbium enthält. Ein Pumplaser versorgt die Erbium-Ionen mit Energie. Wenn das eingehende Signal diese angeregte Faser durchläuft, regt es die Freisetzung von mehr Licht bei derselben Signalwellenlänge an. Das Ergebnis ist eine stärkere optische Ausgangsleistung.

EDFAs werden hauptsächlich im Bereich um 1550 nm eingesetzt, insbesondere im C-Band und – bei geeigneten Ausführungen – im L-Band. Diese Wellenlängenbereiche spielen eine wichtige Rolle in Fernnetzen und Netzwerken mit Wellenlängenmultiplexverfahren.

Wofür steht die Abkürzung EDFA?

Funktionsweise des EDFA

EDFA bedeutet Erbium-dotierter Faserverstärker:

  • Erbiumist ein Seltenerdelement.
  • dotierte Faserist eine Glasfaser, deren Kern mit einer geringen Menge Erbium versetzt ist.
  • Verstärkerbedeutet, dass das Gerät die optische Signalleistung erhöht.

Möglicherweise stößt man auch auf den Begriff EDF, was für „erbiumdotierte Faser“ steht. EDF ist die aktive Faser im Inneren des Geräts. EDFA bezeichnet den kompletten Verstärker, einschließlich der aktiven Faser, des Pumplasers, der Koppler, der Isolatoren, der Steuerschaltung und weiterer Komponenten.

Warum benötigen Glasfasernetzwerke Verstärker?

Optische Signale verlieren auf ihrem Weg an Leistung. Die Faser selbst verursacht eine Dämpfung. Steckverbinder, Spleißstellen, Teiler, Filter und Multiplexer führen zu weiteren Verlusten. Unsere Anleitungen zu Lichtwellenleiter-Steckverbinder und Glasfaser-Patchkabel Erläutern Sie zwei typische Bestandteile dieses Strahlengangs.

Wenn das beim Empfänger eintreffende Signal zu schwach ist, kann der Empfänger die Daten möglicherweise nicht zuverlässig auslesen. Ein Netzwerkplaner erstellt daher ein Link-Budget. Dabei werden die zu erwartenden Verluste addiert und geprüft, ob am Empfänger noch genügend Leistung verbleibt.

Ein Verstärker kann die optische Leistung wiederherstellen, bevor das Signal unbrauchbar wird.

Optische Verstärkung im Vergleich zur O-E-O-Regeneration

Ein EDFA arbeitet direkt im optischen Bereich. Er liest normalerweise keine Bits aus und wandelt das Signal auch nicht in elektrische Energie um.

Ein O-E-O-Regenerator führt drei Schritte durch: Umwandlung von optisch in elektrisch, Signalverarbeitung und Rückwandlung von elektrisch in optisch. Dadurch kann ein Signal umgestaltet und zeitlich neu abgestimmt werden, was jedoch stärker von der Datenrate und dem Signalformat abhängt.

Ein EDFA ist transparenter. Er kann mehrere Wellenlängen gleichzeitig verstärken. Allerdings verstärkt er auch Rauschen und kann nicht jede Art von Signalbeeinträchtigung beheben.

Wie funktioniert ein EDFA?

Der grundlegende Prozess umfasst drei Schritte.

Schritt 1: Ein Pumplaser führt Energie zu

Ein Pumplaser, der üblicherweise bei etwa 980 nm oder um 1480 nm arbeitet, sendet Pumplicht in die erbiumdotierte Faser. Diese Energie versetzt die Erbium-Ionen in einen höheren Energiezustand.

Schritt 2: Das Signal gelangt in die aktive Faser

Ein Wellenlängenmultiplexer kombiniert das Pumplicht und das eingehende optische Signal. Beide durchlaufen die Erbium-dotierte Faser.

Schritt 3: Das Signal löst ein weiteres Signallicht aus

Wenn ein Signalphoton mit einem angeregten Erbium-Ion in Wechselwirkung tritt, kann dies die Emission eines weiteren Photons mit entsprechenden optischen Eigenschaften auslösen. Dieser Vorgang wird als stimulierte Emission bezeichnet. Da sich dieser Vorgang entlang der aktiven Faser wiederholt, nimmt die Signalleistung zu.

Man muss die atomaren Energieniveaus nicht berechnen, um das Grundprinzip zu verstehen: Die Pumpe liefert Energie, das Erbium speichert sie kurzzeitig, und das durchlaufende Signal bewirkt, dass diese Energie in Form von zusätzlichem Signallicht freigesetzt wird.

Welche Bauteile befinden sich im Inneren eines EDFA?

Anmerkungen zu FS EDFA

Bildquelle: FS

Ein einfacher EDFA besteht in der Regel aus:

  • Ein oder mehrere Pumplaser
  • Erbium-dotierte Faser
  • Ein WDM-Koppler, der Pump- und Signallicht kombiniert
  • Optische Isolatoren, die schädliche Rückreflexionen reduzieren
  • Überwachungsfotodioden
  • Eine Steuer- und Leistungsschaltung

Einige Geräte verfügen zudem über Filter zur Verstärkungsglättung, variable optische Dämpfungsglieder, redundante Pumpen, optische Abzweigungen, Alarme und Schnittstellen für das Netzwerkmanagement.

Die genaue Bauweise hängt davon ab, ob es sich bei dem Verstärker um einen Booster, einen Inline-Verstärker oder einen Vorverstärker handelt.

Warum arbeitet ein EDFA im Bereich von 1550 nm?

Erbium sorgt für eine nützliche optische Verstärkung in Wellenlängenbereichen um 1550 nm. Diese überschneiden sich zudem mit einem verlustarmen Übertragungsfenster von Quarzglasfasern. Zusammen machen diese Eigenschaften EDFA-Verstärker sehr nützlich für die optische Fernkommunikation.

Zu den gewerblichen Einheiten gehören in der Regel:

  • C-Band:etwa 1530 bis 1565 nm
  • L-Band:etwa 1565 bis 1625 nm

Die genauen Bereiche variieren je nach Bauart und Datenblatt. Es sollte nicht davon ausgegangen werden, dass ein C-Band-EDFA Signale bei 1310 nm verstärkt. Unser Leitfaden zu den verschiedenen Arten von Singlemode-Fasern bietet weitere Informationen zu gängigen Übertragungswellenlängen. Berücksichtigen Sie bei der Wellenlängenplanung außerdem chromatische Dispersion, denn ein Verstärker stellt zwar die Leistung wieder her, beseitigt jedoch nicht die Verzerrung, die das Signal bereits beeinträchtigt hat.

Booster, Inline-Verstärker und Vorverstärker

EDFA-Placement-Booster-Inline-Vorverstärker
Die Rolle der EDFA Wo es platziert wird Hauptberuf Wichtiger Schwerpunkt bei der Gestaltung
Verstärker
Nach dem Sender
Mehr Leistung in die Faser einspeisen
Hohe Ausgangsleistung und sichere Empfängergrenzwerte
Inline-Verstärker
Auf einer langen Strecke
Spannweitenverlust ausgleichen
Verstärkung, Ausgangsleistung, Rauschen, Frequenzgang und Zuverlässigkeit
Vorverstärker
Vor dem Empfänger
Ein schwaches eingehendes Signal verstärken
Niedrige Rauschzahl und Empfangsverträglichkeit

Das Wort “EDFA” gibt keinen Aufschluss darüber, welche Funktion das Gerät erfüllen soll. Ein Hochleistungs-Booster und ein rauscharmer Vorverstärker können sehr unterschiedliche Eingangsbereiche und Einstellmöglichkeiten aufweisen.

Vier EDFA-Spezifikationen, die Sie kennen sollten

1. Verstärkung

Die Verstärkung gibt an, um wie viel der Verstärker die Signalleistung erhöht:

Verstärkung (dB) = P_out (dBm) − P_in (dBm)

Wenn das Eingangssignal −20 dBm und das Ausgangssignal +5 dBm beträgt, beträgt die Verstärkung:

+5 − (−20) = 25 dB

Diese einfache Berechnung ist zwar nützlich, doch die Verstärkung ist nicht unter allen Bedingungen konstant. Sie ändert sich in Abhängigkeit von der Eingangsleistung, der Ausgangsbelastung, der Wellenlänge, der Kanalanzahl, der Temperatur und dem Betriebsmodus.

Sättigungskurve der EDFA-Verstärkung

2. Ausgangsleistung und Sättigung

Die maximale oder gesättigte Ausgangsleistung gibt an, wie viel optische Gesamtleistung der Verstärker liefern kann. Wenn das Eingangssignal stark wird oder viele WDM-Kanäle vorhanden sind, nähert sich der EDFA der Sättigung. Er kann dann nicht mehr für jeden zusätzlichen Eingang die gleiche Kleinsignalverstärkung bereitstellen.

Vergewissern Sie sich stets, ob die Ausgangsleistung pro Kanal oder als Gesamtleistung aller Kanäle angegeben ist. Prüfen Sie außerdem, ob in diesem Wert das Rauschen durch verstärkte spontane Emission enthalten ist.

3. Rauschzahl und ASE

Ein EDFA verursacht Rauschen. Selbst ohne Signal kann angeregtes Erbium zufällig Photonen abgeben. Dies wird als verstärkte spontane Emission (ASE) bezeichnet. Der Verstärker verstärkt dann einen Teil dieses unerwünschten Lichts.

Die Rauschzahl gibt an, inwieweit der Verstärker das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert. Ein niedrigerer Wert ist im Allgemeinen besser, insbesondere bei einem Vorverstärker. Die Rauschzahl muss jedoch unter gleichen Bedingungen hinsichtlich Wellenlänge, Eingangsleistung, Verstärkung und Messbedingungen verglichen werden.

4. Verstärkungsgleichmäßigkeit

Ein WDM-System überträgt zahlreiche Wellenlängenkanäle. Wenn ein EDFA bei bestimmten Wellenlängen eine höhere Verstärkung liefert als bei anderen, kommt es zu Ungleichmäßigkeiten in der Kanalleistung. Die Verstärkungsgleichmäßigkeit beschreibt diese Schwankungen über einen bestimmten Wellenlängenbereich hinweg.

Filter zur Verstärkungsabflachung können diesen Unterschied verringern. Dies ist umso wichtiger, wenn mehrere Verstärker hintereinander geschaltet sind, da sich kleine Abweichungen summieren können.

Ein Beispiel für eine echte Produktspezifikation

FiberLabs gibt für ausgewählte Modelle seiner C-Band-EDFA-Tischgerätefamilie folgende Werte an:

Parameter Angegebener Wert und Zustand
Signalwellenlängenbereich
1530 bis 1560 nm
Ausgangsleistung
+13 bis +22 dBm, je nach Modell, bei einer Nenn-Eingangsleistung von 0 dBm
Verstärkung
25 bis 40 dB, je nach Modell, bei einer Eingangsleistung von −30 dBm
Rauschzahl
Je nach Modell nicht mehr als 5 oder 6 dB bei einer Eingangsleistung von −30 dBm
Verstärkungsgleichmäßigkeit
Nicht mehr als 3 dB bei bestimmten W-Modellen für Signale im Wellenlängenbereich von 1530 bis 1560 nm bei einer Gesamteingangsleistung von 0 dBm
Betriebstemperatur
0 bis 40 °C

Diese Zahlen beziehen sich auf bestimmte Produkte unter den angegebenen Bedingungen. Es handelt sich nicht um allgemeingültige Werte für jeden EDFA. Sie verdeutlichen zudem, warum Verstärkung, Ausgangsleistung, Rauschzahl und Frequenzganggleichmäßigkeit nicht verglichen werden sollten, ohne zuvor die Eingangsleistung und die Modellkonfiguration zu überprüfen.

Was kann ein EDFA – und was kann er nicht?

Ein EDFA kann… Ein EDFA kann nicht…
Die optische Leistung direkt erhöhen
Jede optische Wellenlänge verstärken
Mehrere C- oder L-Band-WDM-Kanäle gemeinsam verstärken
Chromatische Dispersion beseitigen
Reichweite erweitern oder den Verlust von Komponenten ausgleichen
Verzerrte Taktung oder Wellenform vollständig korrigieren
In vielen Systemen funktioniert das auch, ohne die Datenrate zu kennen
Unbegrenzte Verstärkung ohne Rauschen hinzufügen
Kann als Verstärker, Inline-Verstärker oder Vorverstärker eingesetzt werden
Empfängerüberlastung und optische Sicherheitsgrenzwerte ignorieren

Diese Unterscheidung verhindert einen häufigen Konstruktionsfehler: das Hinzufügen eines weiteren Verstärkers, obwohl das eigentliche Problem in der Streuung, nichtlinearen Effekten, einem schlechten optischen Signal-Rausch-Verhältnis, Reflexionen oder einer Überlastung des Empfängers liegt.

EDFA im Vergleich zu anderen Optionen

Technologie Größte Stärke Hauptbeschränkung
EDFA
Effiziente Verstärkung bei etwa 1550 nm; kann viele WDM-Kanäle verstärken
Beschränkt die Wellenlängenbereiche und verursacht ASE-Rauschen
Optischer Halbleiterverstärker
Kompakt und für verschiedene Wellenlängenbereiche erhältlich
Weist in der Regel ein höheres Rauschen und stärkere signalabhängige Effekte auf
Raman-Verstärker
Eine verteilte Verstärkung kann die Leistung bei großen Spannweiten verbessern
Ist komplexer und erfordert eine hohe Pumpleistung in der Übertragungsfaser
O-E-O-Regenerator
Kann ein Signal umformen, zeitlich anpassen und erneut senden
Komplexer und abhängig vom Signalformat und der Datenrate

Es gibt keine einheitliche optimale Lösung für jedes Netzwerk. Die richtige Wahl hängt von der Wellenlänge, der Entfernung, dem Signalformat, dem Kanalplan, dem Rauschbudget, den Kosten und dem Wartungsaufwand ab.

So wählen Sie einen EDFA aus

So überprüfen Sie einen EDFA

Bevor Sie sich für ein Gerät entscheiden, sollten Sie sich folgende Frage stellen:

  1. Wie lautet der genaue Wellenlängenbereich des Signals: C-Band, L-Band oder etwas anderes?
  2. Wird das Gerät als Verstärker, Inline-Verstärker oder Vorverstärker benötigt?
  3. Wie hoch sind die minimale und maximale Eingangsleistung?
  4. Welche Ausgangsleistung und welche Verstärkung sind erforderlich?
  5. Wie viele WDM-Kanäle werden vorhanden sein, und wie hoch ist die Gesamteingangsleistung?
  6. Welche Rauschzahl und welche Verstärkungsgleichmäßigkeit kann die Verbindung verkraften?
  7. Welcher Regelmodus wird benötigt: konstante Verstärkung, konstante Ausgangsleistung oder ein anderer Modus?
  8. Welche Anschlüsse, welches Rack-Format, welche Stromversorgung, welche Alarmfunktionen, welche Überwachungsfunktionen und welche Betriebstemperatur sind erforderlich?
  9. Wie hoch ist die maximale sichere Leistung am nächsten passiven Bauteil und am Empfänger?

Wählen Sie einen EDFA nicht allein aufgrund der maximalen Verstärkung aus. Ein Modell mit sehr hoher Verstärkung kann ungeeignet sein, wenn sein Eingangsbereich, seine Ausgangsbegrenzung, sein Rauschen, seine Linearität oder sein Regelverhalten nicht zur Verbindung passen.

Häufige Probleme und Fehler bei EDFA-Anlagen

Fehler 1: Einsatz eines EDFA für 1310 nm

Herkömmliche EDFAs für die Telekommunikation sind auf die Verstärkungsbänder von Erbium im Bereich um 1550 nm ausgelegt. Überprüfen Sie den angegebenen Wellenlängenbereich, anstatt davon auszugehen, dass ein optischer Verstärker jedes Fenster abdeckt.

Fehler 2: Zu viel Leistung hinzufügen

Mehr Leistung ist nicht immer besser. Eine zu hohe Sendeleistung kann nichtlineare Effekte in der Faser verstärken. Eine zu hohe Empfangsleistung kann den Empfänger überlasten oder beschädigen.

Fehler 3: ASE-Rauschen ignorieren

Das optische Spektrum kann nach der Verstärkung zwar stärker erscheinen, während sich die Signalqualität jedoch verschlechtert. In Reihe geschaltete EDFAs akkumulieren ASE und verringern das optische Signal-Rausch-Verhältnis.

Fehler 4: Verwechslung der Gesamtleistung mit der Leistung pro Kanal

Eine Gesamtleistung von +20 dBm, die sich viele WDM-Kanäle teilen, bedeutet nicht, dass jeder Kanal +20 dBm erhält.

Fehler 5: Nichtbeachtung von Reflexionen und des Zustands der Steckverbinder

Verschmutzte oder beschädigte Stirnflächen führen zu erhöhten Verlusten und Reflexionen. Optische Isolatoren tragen zum Schutz des Verstärkers bei, dennoch sind eine ordnungsgemäße Überprüfung, Reinigung und die richtige Auswahl der Steckverbinder weiterhin erforderlich.

Fehler 6: Die Erwartung, dass die Verstärkung die Dispersion behebt

Ein EDFA stellt die Leistung wieder her. Er macht die durch Dispersion verursachte Impulsausbreitung nicht rückgängig. Bei der Systemauslegung müssen Leistung, Rauschen, Dispersion und nichtlineare Effekte als separate, aber miteinander verbundene Aspekte betrachtet werden.

Optische Sicherheit

Die von einem EDFA abgegebene Leistung kann so hoch sein, dass eine Gefahr für die Augen besteht. Infrarotlicht im Bereich von 1550 nm ist unsichtbar, sodass eine aktive Faser dunkel erscheinen kann.

Schauen Sie niemals in einen Stecker oder eine Glasfaserendfläche. Befolgen Sie die Angaben auf dem Geräteschild, die Lasersicherheitsvorschriften und die geltenden Arbeitsschutzvorschriften. Schalten Sie vor der Überprüfung oder Reinigung die Lichtquelle aus, sofern dies für den Vorgang erforderlich ist, und überprüfen Sie den Zustand mit geeigneten Prüfgeräten.

Häufig gestellte Fragen

Wandelt ein EDFA Licht in Strom um?

Nicht im normalen Verstärkungsweg. Das optische Signal wird direkt verstärkt. Interne Fotodioden überwachen zwar möglicherweise die Leistung, das Datensignal benötigt jedoch keine O-E-O-Wandlung.

Ja. Dies ist einer der wesentlichen Vorteile in WDM-Systemen im C- oder L-Band. Der unterstützte Bereich, die Gesamteingangsleistung, die Ausgangsleistung und die Verstärkungsgleichmäßigkeit müssen jedoch noch überprüft werden.

Ein herkömmlicher EDFA tut dies nicht. Er ist für Erbium-Verstärkungsbänder im Bereich von 1550 nm ausgelegt. Für andere Wellenlängenbereiche kommen andere Verstärkertechnologien zum Einsatz.

Ja, aber die Verbindungsstelle gewährleistet keine Polarisationserhaltung mehr jenseits des PM-Abschnitts. Auch eine Fehlanpassung der Modenfelder kann zu Verlusten führen.

Ja. Ein geeigneter Spleißer muss die Spannungsstrukturen bzw. -achsen identifizieren und ausrichten. Eine bloße Ausrichtung des Kerns allein führt zwar zu geringen Verlusten, aber zu einer schlechten Polarisationsleistung.

Er kann hinter einem Sender, entlang einer Strecke oder vor einem Empfänger platziert werden. Die optimale Position ergibt sich aus dem gesamten Link-Budget, dem Rauschbudget, den Empfängergrenzen und der Auslegung der Spannweite.

Ja, und bei Langstreckensystemen kommen oft mehrere zum Einsatz. Allerdings summieren sich dabei ASE-Rauschen, Verstärkungsneigung, nichtlineare Effekte und Leistungsgrenzen. Ein kaskadiertes Design erfordert eine Auslegung auf Systemebene.

Die einfache Erkenntnis

Ein EDFA nutzt die Energie eines Pumplasers und erbiumdotierte Fasern, um optische Signale im Bereich von 1550 nm zu verstärken, ohne sie zuvor in elektrische Signale umzuwandeln.

Beachten Sie vier Punkte:

  1. EDFA ist in erster Linie eine C-Band- oder L-Band-Technologie und kein universeller Verstärker für jede Wellenlänge.
  2. Die Verstärkung allein reicht nicht aus; auch die Ausgangsleistung, die Rauschzahl, die Frequenzganggleichmäßigkeit und der Eingangsbereich spielen eine Rolle.
  3. Ein Verstärker stellt die Leistung wieder her, beseitigt jedoch weder die Streuung noch regeneriert er ein beschädigtes Signal vollständig.
  4. Jede Spezifikation muss unter Berücksichtigung der Wellenlänge, der Eingangsleistung, der Kanalbelastung und der Prüfbedingungen gelesen werden.

Diese Grundlagen reichen aus, um die meisten EDFA-Produktseiten zu verstehen und vor der Auswahl fundiertere Fragen zu stellen.

Quelle

    1. ITU-T G.661 – Definition und Prüfverfahren für die relevanten generischen Parameter von optischen Verstärkern und Subsystemen
    2. IEC 61291-1:2018 – Optische Verstärker, Allgemeine Spezifikation
    3. IEC TR 61292-3:2020 – Klassifizierung, Eigenschaften und Anwendungen von optischen Verstärkersubsystemen
    4. IEEE – Überblick über das Thema „Erbium-dotierter Faserverstärker“
    5. FiberLabs – Glossar zum Erbium-dotierten Faserverstärker
    6. FiberLabs – Technische Daten des C-Band-EDFA-Tischgeräts
    EXFO – Messung der Verstärkung und der Rauschzahl eines EDFA mit einem optischen Spektrumanalysator

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