Back

Unternehmen

Lösungen

Produkte

Services

Kontakt

Deutsch
SOA (Semiconductor Optical Amplifier)

SOA (Semiconductor Optical Amplifier)

Ein SOA (Semiconductor Optical Amplifier) kann in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise Wellenlängenkonversion, Signalwiederherstellung, Impulsformung und Leistungsbegrenzung. Da sie hochintegration- und massenherstellungsfähig ist, ist sie sehr beliebt, wenn die Verfahren Platz und Leistungseffizienz erfordern. SOA wird in einem breiten Spektrum von Hochgeschwindigkeitsanwendungen, von Langstrecke bis U-Bahn, und beim Zugriff auf optische Netzwerke eingesetzt. 

Eigenschaften

SOA ist im Handel in verschiedenen Baugrössen gemäss der Anwendung und den Anforderungen erhältlich.

Das grundlegende Funktionsprinzip eines SOA ist identisch mit jenem eines optischen Halbleiterlasers auf Basis der stimulierten Emission. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass es kein Reflexionsfeedback hat. Das Übertragungsmedium wird zunächst mit externem Strom so stimuliert, dass das Elektron auf seine höhere Energiestufe springt. Ein eingehendes Photon mit einer bestimmten Frequenz interagiert dann mit dem stimulierten Elektron und erzwingt den Rückfall auf dessen natürlich niedrigeres Energieniveau. Der Energieverlust in diesem Prozess erzeugt ein neues Photon mit identischer Phase, Frequenz, Polarisation und Richtung des zufälligen Photons.

Zur Stimulation der Elektrone im aktiven SOA-Bereich wird elektrischer Pumpstrom verwendet. Wenn das optische Signal durch den aktiven Bereich kommt, führt es dazu, dass diese Elektronen Energie in Form von Photonen verlieren und wieder in den Grundstatus gelangen. Die stimulierten Photonen haben dieselbe Wellenlänge wie das optische Signal, daher verstärken sie es.

Die Schlüsselparameter zur Charakterisierung eines SOAs sind Verstärkungsfaktor, Verstärkungsfaktor-Bandbreite, Sättigungs-Ausgangsleistung und Geräusch. Der Verstärkungsfaktor ist jener Faktor, mit dem das Eingangssignal verstärkt wird und als Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung (in dB) gemessen wird. Der optische Verstärkungsfaktor der Einheit wird vom SOA-Strom kontrolliert. Ein höherer Verstärkungsfaktor führt zu einem höheren optischen Ausgangssignal. Die Verstärkungsfaktor-Bandbreite legt den Bandbreitenbereich fest, in dem die Verstärkung funktioniert. Eine grosse Verstärkungsfaktor-Bandbreite ist zur Verstärkung von einer ganzen Reihe von Signalwellenlängen erwünscht.

Die Sättigungs-Ausgangsleistung ist die maximale Ausgangsleistung, die nach maximaler Verstärkung erzielt werden kann Es ist wichtig, dass das SOA einen hohen Leistungs-Sättigungswert hat, damit es im linearen Funktionsbereich bleibt und einen hohen dynamischen Bereich hat. Geräusch bedeutet das unerwünschte Signal innerhalb der Signalbandbreite, das wegen der physischen Verarbeitung im Verstärker entsteht. Ein Parameter namens Geräusch wird zur Messung der Geräuschauswirkung verwendet, die typischerweise um 5 dB liegt.

Das grundlegende Funktionsprinzip eines SOA ist identisch mit jenem eines optischen Halbleiterlasers auf Basis der stimulierten Emission. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass es kein Reflexionsfeedback hat. Das Übertragungsmedium wird zunächst mit externem Strom so stimuliert, dass das Elektron auf seine höhere Energiestufe springt. Ein eingehendes Photon mit einer bestimmten Frequenz interagiert dann mit dem stimulierten Elektron und erzwingt den Rückfall auf dessen natürlich niedrigeres Energieniveau. Der Energieverlust in diesem Prozess erzeugt ein neues Photon mit identischer Phase, Frequenz, Polarisation und Richtung des zufälligen Photons.

Zur Stimulation der Elektrone im aktiven SOA-Bereich wird elektrischer Pumpstrom verwendet. Wenn das optische Signal durch den aktiven Bereich kommt, führt es dazu, dass diese Elektronen Energie in Form von Photonen verlieren und wieder in den Grundstatus gelangen. Die stimulierten Photonen haben dieselbe Wellenlänge wie das optische Signal, daher verstärken Sie es.

Die Schlüsselparameter zur Charakterisierung eines SOAs sind Verstärkungsfaktor, Verstärkungsfaktor-Bandbreite, Sättigungs-Ausgangsleistung und Geräusch. Der Verstärkungsfaktor ist jener Faktor, mit dem das Eingangssignal verstärkt wird und als Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung (in dB) gemessen wird. Der optische Verstärkungsfaktor der Einheit wird vom SOA-Strom kontrolliert. Ein höherer Verstärkungsfaktor führt zu einem höheren optischen Ausgangssignal. Die Verstärkungsfaktor-Bandbreite legt den Bandbreitenbereich fest, in dem die Verstärkung funktioniert. Eine grosse Verstärkungsfaktor-Bandbreite ist zur Verstärkung von einer ganzen Reihe von Signalwellenlängen erwünscht.

Die Sättigungs-Ausgangsleistung ist die maximale Ausgangsleistung, die nach maximaler Verstärkung erzielt werden kann Es ist wichtig, dass das SOA einen hohen Leistungs-Sättigungswert hat, damit es im linearen Funktionsbereich bleibt und einen hohen dynamischen Bereich hat. Geräusch bedeutet das unerwünschte Signal innerhalb der Signalbandbreite, das wegen der physischen Verarbeitung im Verstärker entsteht. Ein Parameter namens Geräusch wird zur Messung der Geräuschauswirkung verwendet, die typischerweise um 5 dB liegt.

100G LR4 Verstärkung über SOA

Der SOA ist besonders für optische Übertragungssysteme mit einer Wellenlänge von 1310 nm wichtig. Die Verstärkung im Wellenlängenbereich von 1310 nm ist höher als im 1550-nm-Band, weswegen die Verstärkung eine wichtige Bedingung wird. Ein gewöhnlicher Erbium-dotierter Faserverstärker (EDFA, Erbium Doped Fibre Amplifier) würde nicht funktionieren, weil er den 1.550-nm-Signalbereich verstärkt aber das 1.310-nm-Signal blockiert. Der 100GBASE-LR4 Hochgeschwindigkeits-Ethernet-Transceiver verwendet auch vier sich gemeinsam verbreitende 28 Gb/s Wellenlängenaufteilungs-Multiplex (WDM, Wavelength Division Multiplexed) Signale im 1.310-nm-Bereich, getrennt durch 800-GHz-Abstand. Die Reichweite dieses Transceivers wird mit 10 km festgelegt.

Für Anwendungen über 10 km wurde 100GBASE-ER4 Ethernet empfohlen, das eine Übertragungsreichweite von bis zu 40 km hat. Der ER4 Transceiver kann entweder mit einem SOA- oder einem Avalanche Fotodetektor (APD, Avalanche Photo-Detector) an der Empfänger-Subassembly im Transceiver zur Erreichung einer besseren Sensibilität und Erhöhung des Leistungsbudgets hergestellt werden. Der gewerbliche ER4 Transceiver ist in den Baugrössen CFP und CFP2 erhältlich. Aufgrund der Leistungs- und Platzbegrenzung der kleineren Baugrössen ist jedoch ein 100G ER4 nicht möglich und daher nicht in den Baugrössen CFP4 oder QSFP28 erhältlich. Zusätzlich wurde bei den Schaltern und Routern mit dem Übergang zu hochdichten QSFP28-Anschlüssen begonnen, um die Kapazität zu maximieren sowie den Platzbedarf, die Verlustleistung und im Endeffekt die Kosten zu minimieren. Dadurch sind die ER4-Transceiver für ein solches System nicht von Interesse.

Der SOA wird als optischer Vorverstärker verwendet, d.h. vor dem Empfänger eingesetzt, um das schwache Eingangssignal zu verstärken. Für ein solches Szenario stellt die externe Verstärkung des 100G LR4 Signals eine optimale Lösung dar, wenn längere Distanzen (>10km) gewünscht werden. Dies würde nicht nur dem Zweck der Verstärkung dienen, sondern anlagenbedingt auch die Unabhängigkeit von der Transceiver-Baugrösse und dem Schalteranschluss-Typ nutzen. Der 100G LR4 Transceiver ist in verschiedenen Baugrössen erhältlich, siehe Abbildung 3 (unterer Teil). Daraus ist ersichtlich, dass die LR4 Transceiver auch in kleinen Packungen von CFP4 und QSFP28 erhätlich sind.

SOA stellt sich als einfache Plug-and-Play-Alternative dar und durch seine einzigartige Eigenschaften von hoher Integration kann er in Linecards mit hoher Dichte entwickelt werden. Da die 100G LR4 Transceiver in verschiedenen Baugrössen tatsächlich subtile Unterschiede in der tatsächlichen Reichweite aufweisen, muss der Pumpstrom des Verstärkers verändert werden, um dieselbe Anwendung zu befriedigen. Durch das einfache Hinzufügen von SOA kann die Reichweite des 100G LR4 CFP leicht auf ungefähr 40 km vergrössert werden.  

Das SOA-gestützte LR4-Signal kann mit 40 x 10 Gb/s DWDM Signalen zusammen multiplext (gebündelt) werden, mithilfe eines speziellen 1310 nm+DWDM Multiplexer zur Erhöhung der Kapazität auf 500 Gb/s über U-Bahn-Distanzen. In diesem Szenario wäre die Übertragungsdistanz >10 km und in Abhängigkeit vom Multiplexer-Verlust, Faserverlust und der Baugrösse des Transceivers kann die maximale Übertragungsdistanz berechnet werden. Auch muss in Betracht gezogen werden, dass im Gegensatz zu EDFA SOA das 1310-nm-Spektrum vertärkt, aber alle 1550-nm-Singale blockiert.