Teknisk djupdykning: Optisk magi med EDFA

av Jörgen Städje den 22 Jun 2015

En mycket viktig del när man bygger upp ett optiskt fibernät är ljusförstärkarna. Optiska fibrer är väldigt genomskinliga. Ljus kan färdas igenom dem nästan obehindrat över väldigt stora avstånd. Men inte hur långt som helst.

Principen för en optisk fiber. Bild: Timwether, CC BY-SA 3.0
Principen för en optisk fiber. Bild: Timwether, CC BY-SA 3.0

Det finns en gräns för hur långt ljuset kan gå och den brukar man sätta vid 80 kilometer. Fibern är tyvärr inte fullständigt transparent, utan cirka hälften av ljuset (3 decibel) har dämpats ut efter 14 kilometer, och efter 80 kilometer har ljuset dämpats cirka 100 gånger (20 dB) och det är dags att förstärka det.

En erbiumdopad fiberförstärkare (EDFA) ser ut som en liten låda stor som en stor tändsticksask, med en optisk fiber in och en optisk fiber ut. Ett par fotoner in i ena änden kommer ut som åtskilligt många flera i andra änden, över hundra gånger starkare. Det är samma ljus, bara mera av det. Sedan orkar det 80 kilometer till. Förstärkarnoderna är de som benämns ILA (In-;ine Amplifier) på nätverkskartan på denna webbplats.

Hur förstärker man ljus?

I korthet använder man ljus för att förstärka ljus. Eller något längre uttryckt: för att förstärka laserljuset i fibern, använder man annat laserljus och det förstärkande mediet är också en laser.

Så här brukar man koppla en EDFA.

EDFA-systemskissHuvudkomponenten är en erbiumdopad optisk fiber (se vidare nedan), oftast en helt vanlig single mode-fiber som förorenats med metallen erbium. Fibern pumpas (förses med drivning) med ljus från en eller två laserdioder. Fibern kan pumpas från ena eller båda ändarna, beroende på hur mycket uteffekt man vill ha. Det går att få ut upp till 200 milliwatts ljuseffekt ur lasern till en EDFA. Det kan man bränna fingrarna på.

Pumpljuset har normalt en våglängd av 980 nanometer, vilket är kortvågigt infrarött. Det exciterar erbiumjonerna och ger dem möjlighet att förstärka den optiska signalen på omkring 1550 nanometer genom så kallad stimulerad emission. Efter att en erbiumjon exciterats och därpå stimulerats av det inkommande ljuset att släppa ifrån sig en foton på 1550 nm återgår den till grundtillståndet och suger åt sig mera pumpljus och är åter redo att stimuleras.

Pumpljuset förs in genom sk kopplare (couplers), som består av två fibrer som smälts ihop till en. Ljuset i de båda fibrerna blandas helt enkelt. Dessutom sitter det två optiska isolatorer, låt oss kalla dem för optiska backventiler, i kretsen. Den första finns för att hindra att ljus från EDFA läcker tillbaka ut i systemet och stör tidigare komponenter. Den andra finns för att hindra att förstärkt ljus som reflekteras från efterföljande komponenter kommer tillbaka in i EDFA och förstärks en gång till och får EDFA att agera laser istället för förstärkare. Förstärkningen skulle dessutom kunna bli så hög att fibern eller några av komponenterna smälte.

I skissen ovan visas inte de övervakningskomponenter som också brukar finnas, som sensorer som mäter inkommande och utgående effektnivåer, samt pumplaserns uteffekt. Ej heller visas de färgfilter som jämnar ut förstärkarens förstärkning över hela våglängdsområdet, så att alla inkommande ljusfärger förstärks lika mycket.

EDFA-lights-crop-medium-file-size_low_resDet förstärkande elementet är alltså en rulle fiber. Här visas en rulle erbiumdopad fiber som glöder mysigt när den pumpas med grönt laserljus. De mörkare, avlånga delarna längst bak i bilden är kopplingselement som blandar ihop den svaga insignalen med pumplasern och sedan skiljer isär dem igen efter förstärkning. Typiskt använder man en dopad fiber på mellan 10-50 meter för att få 25 dB förstärkning. Bild: Gooch & Housego PLC

Pudelns kärna – stimulerad emission

förstärkning-principAllt det magiska sker i den erbiumdopade fibersnutten. Erbiumjonerna har som alla andra ämnen elektroner i sina elektronskal. När erbiumjonen träffas av pumpljuset kommer en av de yttre elektronerna att absorbera energin och flytta upp i en högre energinivå. Där blir den kvar en stund, tills den faller tillbaka och släpper ifrån sig energin i form av en foton på 1530 nm. Det kallas spontan emission och är det vi ser i bland annat i kvicksilvergasen i lysrör.

Eller också kan man tvinga (stimulera) jonen att släppa ifrån sig energin med hjälp av en hård knuff från en inkommande foton på 1530 nm, eller däromkring. Varje inkommande foton knackar loss en ny, likadan och de båda fortsätter och knackar loss varsin ny foton och så vidare. Resultatet blir en hel lavin av fotoner. Det är det som är förstärkningen.

Man kan kalla det ljusförstärkning genom stimulerad emission, eller på engelska LASER. Erbiumfibern blir alltså en laser som inte tillåts blomma ut riktigt i och med att den inte får förstärka sitt eget ljus om och om och därmed lysa själv, utan bara får ta hand om inkommande ljus.

Det fina med en rent optisk förstärkare, bortsett från att den är mycket billigare än en elektrooptisk variant, är att den förstärker allt inkommande ljus oavsett modulation, polarisation osv och lämnar ifrån sig en likadan signal av exakt samma våglängd, fas och riktning som den inkommande signalen, bara mycket starkare. Förstärkningen är också oberoende av modulationstyp. Det betyder att om man väljer att byta modulationstyp i sitt fibernät, till exempel att gå från 4-kvadraturers QAM till den effektivare 8- eller 16-QAM fortsätter samma EDFA att fungera.

Erbiumdopad?

En vanlig optisk fiber innehåller bara glas, kiseldioxid (strandsand). Vid tillverkningsprocessen kan man emellertid förorena den med något störämne genom att låta ämnet, i det här fallet metallen erbium, få vandra in i glaset, atom för atom, när glaset är varmt och glöder. Man gör på precis samma sätt när man framställer halvledare, att man stör det rena kislet med något skräp (fosfor, arsenik), som senare bildar positivt eller negativt laddade områden, som tvingar elektronerna att utföra konster.

carlsbergEn vanligare form av dopat glas är vanliga ölflaskor där den gröna färgen beror på att man förorenat (dopat) glaset med järn- eller kopparoxid. En mera avancerad variant är det blyinfattade glas man ser i kyrkor, där glaskonstnären använt sig av ett antal olika störmetaller för att få olika färger.

Erbiumfönstret

mafa1000Emcore MAFA 1000 är en typisk EDFA-förstärkarmodul som är avsedd att byggas in i större konstruktioner. Den kräver yttre styrning, strömförsörjning och så vidare, men bilden ovan visar själva den förstärkande modulen. Den är bara 70×90 millimeter stor och ska matas med mellan 3 och 12 volt och drar 2 watt elektrisk effekt.

Ljusförstärkningen fungerar bara inom vissa våglängdsområden. För erbiumjoner handlar det om 1532 nm ~ 1565 nm, det sk erbiumfönstret. Den inkommande våglängden måste ligga tillräckligt nära erbiumets naturliga våglängd 1530 nm för att jonen ska kunna tvingas emittera.

Man har valt att göra de optiska fibrerna i nätet sådana att de har minst förluster i två våglängdsband, C-bandet (eller Conventional) mellan 1525 nm och 1565 nm och L-bandet (eller Long) mellan 1570 nm och 1610 nm. För att passa mot erbiumförstärkarna använder sig Sunet av C-bandet.OT-CC-16F-200-RPS_Back_AngleEn färdigbyggd enhet kan se ut så här. Just det här råkar vara Emcores Optiva-rack avsedd för transmission av snabba video- eller digitala signaler, som kan fungera som mellanled i exempelvis en mikrovågslänk, eller någon annan typ av distributionsnät. De digitala insignalerna kopplas in i några kortmodulerna till vänster i racken, medan fibrerna sätts i de rektangulära uttagen näst längst till höger. Bakom plåten döljer sig givetvis ett antal förstärkarblock i MAFA 1000-familjen.

Avdelningen för laserkuriosastrålpistol

Optisk förstärkning började man med ganska tidigt i laserns utveckling. En rubinstav som är halvförspeglad i ena änden och helförspeglad i den andra, brukar man kalla för rubinlaser och den uppfanns år 1960.

Rubinlasern i princip, med en rosa laserkristall omlindad med ett spiralformat xenonblixtrör. Bild: Deglr6328, PD
Rubinlasern i princip, med en rosa laserkristall omlindad med ett spiralformat xenonblixtrör. Bild: Deglr6328, PD

När man skjuter av en elektronblixt och pumpar laserkristallen, exciteras den och skickar ut en hel skur av röda laserpulser ur den halvförspeglade änden. Toppen om man ska bränna hål i rakblad, men mindre bra om man behöver en enda stor, stark puls.

Sätter man ytterligare en rubinstav efteråt, som laserskuren får passera igenom och pumpar den andra rubinstaven samtidigt kommer den att spara på sig pumpenergin och lösa ut den tillsammans med det inkommande pulståget i en enda jättepuls, ungefär som i erbiumfallet ovan. Man brukar kalla fenomenet för jättepulslaser.

jättepulslaserDet här är en riktig optisk bamseförstärkare. Mitt i röret ligger en laserkristall av neodymdopat glas (istället för rubin) och runt denna sitter tio blixtlampor. Du ser de röda anslutningsledningarna till xenonblixtrören. Just den här typen av pumpkammare kan pumpa staven med 22 kJ och kan skjuta hål i plåt.

Don’t stare into beam with remaining eye!

Läs mer

Fler blogginlägg av Jörgen Städje

DNS och DNSSEC utan facksnack

30 Jan 2018
/ Bloggen fiberfeber

Från oss alla, till er alla

14 Dec 2017
/ Bloggen fiberfeber

Så arbetar NOC

13 Nov 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNET i Hongkong

20 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

SUNETs handbok i informations- och IT-säkerhet

1 Sep 2017
/ Bloggen fiberfeber

Den ökända hästen från Troja

31 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

Redundans är allt

3 Jul 2017
/ Bloggen fiberfeber

SNIC-snack

2 Jun 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff: del 5 av 2

3 Maj 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: We are at the Forefront!

13 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

Maria Häll: Vi ligger i framkant!

10 Apr 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 4 av 2

22 Feb 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff, del 3 av 2

30 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 2 av 2

9 Jan 2017
/ Bloggen fiberfeber

We have liftoff! Del 1 av 2

16 Dec 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long Read – Cleanliness is a Virtue

20 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Långläsning - tvättar bäst som tvättar först

16 Sep 2016
/ Bloggen fiberfeber

Följa fiber – från Tulegatan till Stockholms universitet.

26 Aug 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ericsson, then swänske Lars Magnus

7 Jun 2016
/ Bloggen fiberfeber

One ring to rule them all

24 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Den tunga bakgrundstrafiken

12 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Long read: How to Design a Fibre Optic Network

5 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Welcome to the Fiber Fever Blog!

3 Maj 2016
/ Bloggen fiberfeber

Procuring an Optical Network – Smooth as Silk

2 Maj 2016
/ Blogg

The Breadth and Width of a Megabit

29 Apr 2016
/ Blogg

The Nobel Prized Piece of Glass

28 Apr 2016
/ Blogg

What’s the time? Really?

28 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (3) – molnsäkerhet

26 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (2) – vad är molnet egentligen?

25 Apr 2016
/ Blogg

SUNET in i molnet (1) – det här får du

25 Apr 2016
/ Blogg

Read about the brand new Sunet network.

11 Apr 2016
/ Bloggen fiberfeber

GÉANT och NORDUnet – bästa kompisar

14 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ljuset kommer från Tyskland

3 Mar 2016
/ Bloggen fiberfeber

Thunderbirds are GO!

19 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Ett panorama av verkligheten

17 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Det allseende ögat

15 Feb 2016
/ Bloggen fiberfeber

Förstärkning på längden

15 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Dämpning och förstärkning i optisk fiber

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Grundläggande om L-bandet

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

C-bandet – grundläggande om

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Logaritmer, min käre Watson

14 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

CERN – krossen som slår sönder materiens minsta byggstenar

12 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

Riksarkivets samarbete med SUNET

11 Jan 2016
/ Bloggen fiberfeber

One Ring to Rule them - Vetenskapsrådet

21 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Alla jättars jätte - Cisco

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En värld av siffror - belastning

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Ur led är inte alls tiden - atomur

19 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

En djungel av kontaktdon

4 Dec 2015
/ Bloggen fiberfeber

Elektronisk enbärsdricka - Juniper

27 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är Géant?

26 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Radar Love - Eiscat

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Color Purple - dispersion

25 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Full Metal Packet - switchen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Get your kicks on route 66 - routrar

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Game of Stones - kvarts

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

The Twilight Zone - fotonen

10 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Peering – SUNETs ekonomiska ryggrad

9 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

I mörkret är alla katter infraröda

4 Nov 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibertyperna i nätet och deras optiska felaktigheter

29 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Vad är klockan? Egentligen?

21 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Nätets centrum

20 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Den optiska transceivern

17 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Polarisation och informationsöverföring

1 Okt 2015
/ Bloggen fiberfeber

Laserns historia

30 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Koherent ljus, vad är det?

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

När allt är klart

28 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

SUNET – nu ännu bättre!

16 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fibern fruktar fukten

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Att få kontakt

11 Sep 2015
/ Bloggen fiberfeber

Så tillverkas optisk fiber

31 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

EMC – EMI – EMP

31 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Glasbiten som gav nobelpris

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Megabit på längden och tvären

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Fibern från Frostmofjället

21 Aug 2015
/ Bloggen fiberfeber

Upphandling av optiskt nät

25 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

OptaSense – när fiber blir sensorer

3 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: Optisk magi med ramanförstärkare

2 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk utvikning: 130.000 fibrer som i en liten ask

1 Jul 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 2: Felrapporter

27 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

NOCen spekulerar 1: hög belastning

26 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Långartikel: Så designar man ett fiberoptiskt nät

11 Jun 2015
/ Bloggen fiberfeber

Bredare motorväg för svenska data – äntligen en offensiv satsning!

22 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva tidslinjen

21 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Om den interaktiva kartan

20 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Fiberfeber: Vad som har varit och vad som komma skall

19 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Följ bygget av Sunets nät på bloggen Fiberfeber!

18 Maj 2015
/ Bloggen fiberfeber

Teknisk djupdykning: den mystiska routerkraschen

11 Jun 2006
/ Bloggen fiberfeber

2000–2013: Sunet mognar och kapaciteten ökar. Identitetsfederation skapas.

1 Jan 2000
/ Bloggen fiberfeber

1990–1999: Kapaciteten stiger, 2 – 34 – 155 Mbps

1 Jan 1990
/ Bloggen fiberfeber

1968–1989: Idéernas tidevarv. Internets vagga.

1 Jan 1968
/ Bloggen fiberfeber

Jörgen Städje

Jag heter Jörgen Städje och har skrivit om teknik och vetenskap sedan 1984. Friskt kopplat, hälften brunnet!


Warning: file_get_contents(https://www.linkedin.com/countserv/count/share?url=https://www.sunet.se/blogg/teknisk-djupdykning-optisk-magi-med-edfa/&format=json): failed to open stream: HTTP request failed! HTTP/1.0 404 Not Found in /var/www/html/wp-content/themes/sunet/functions.php on line 5416