Verstärker und Regeneration: EDFA, Raman, SOA, OEO

Ein Transceiverpaar trägt ein Signal so weit, wie es sein Leistungsbudget und seine Dispersionstoleranz erlauben — 10 km bei LR, 80 km bei ZR, 120 km bei einem verstärkten 400ZR. Darüber hinaus muss etwas in der Leitung wiederherstellen, was die Faser gekostet hat: ein optischer Verstärker, der jede Wellenlänge gleichzeitig verstärkt, ohne die Daten anzutasten, oder ein Regenerator, der das Signal elektrisch empfängt und neu sendet. Diese Seite behandelt, wann das Budget endet, die Verstärkertypen und ihre Kennzahlen, wo sie in der Leitung sitzen, wie das Budget bei vorhandenen Verstärkern zu einem OSNR-Budget wird, was der Betrieb einer verstärkten Leitung erfordert, und wie zwischen Verstärkung, Regeneration und einem kohärenten Modul zu wählen ist.

Wo das Budget des Transceivers endet

Technologie	Unverstärkte Reichweite	Was sie verlängert
10G LR / ER / ZR	10 / 40 / 80 km	Dispersionskompensation und ein EDFA bis 100–150 km; darüber hinaus DWDM-Leitungssysteme
100G LR4 / ER4 (Direktdetektion)	10 / 40 km	keine — für längere Spans auf kohärent wechseln
100G–400G kohärente Pluggables (ZR, ZR+)	40 km (400ZR unverstärkt, ≤ 11 dB)	ein EDFA-Paar bis 120 km (ZR), Verstärkerketten bis 1 000+ km (ZR+, OpenZR+) (Kohärente Langstrecke)
10G DWDM über einen Multiplexer	80 km pro Span mit EDFAs	Ketten von EDFAs mit Dispersionskompensationsmodulen bis 400–600 km, danach Regeneration
Kohärente Transponder	80–120 km pro Span	EDFA- und Raman-Ketten, ROADMs, 1 000–3 000 km pro Regenerationsabschnitt
PON, Klasse C+	20 km, 1:32–1:64	Reichweitenverlängerer (ITU-T G.984.6) bis 60 km oder größere Splits
Multimode	100–400 m	wird nie verstärkt — ein Switch oder Medienkonverter regeneriert

Verstärkertypen

Typ	Prinzip	Band	Verstärkung und Ausgangsleistung	Rauschzahl	Anmerkungen
EDFA (erbiumdotierter Faserverstärker)	wenige Meter erbiumdotierte Faser, gepumpt bei 980 oder 1480 nm; das Signal stimuliert die Emission	C-Band 1 530–1 565 nm; L-Band-Varianten 1 565–1 625 nm	15–35 dB Verstärkung; +17 … +23 dBm Gesamtausgangsleistung, Booster bis +27 dBm	4–6 dB	das Arbeitspferd; einkanalig oder mehrkanalig; Gain-Flattening-Filter, variable Verstärkung, Transientenregelung beim Channel-Add/Drop (DWDM-Komponenten)
Raman (verteilt)	eine Pumpe rund 100 nm unterhalb des Signals (≈ 1 450 nm für C-Band) wird in die Übertragungsfaser eingekoppelt, meist rückwärts; die Faser selbst verstärkt über ihre ersten 20–40 km	jedes Band, das die Pumpe erlaubt	10–15 dB verteilte Verstärkung	effektive Rauschzahl niedriger als bei einem EDFA — 3–5 dB besseres OSNR pro Span	Pumpen +27 … +30 dBm, Klasse 4 — Steckersauberkeit und APR sind lebenswichtig (Sicherheit & Handhabung); hybrides Raman-EDFA für lange oder repeaterlose Spans (300+ km)
SOA (Halbleiter-optischer Verstärker)	ein Laserchip ohne Spiegel; elektrisch gepumpt	jedes, einschließlich des O-Bands bei 1 310 nm	10–20 dB; +10 … +13 dBm	7–9 dB	schnell, klein, günstig; PON-Reichweitenverlängerer und Burst-Mode; mustergesteuerte Verstärkung schränkt den Einsatz in DWDM ein
Remote Optically Pumped Amplifier (ROPA)	eine unversorgte Erbiumspule in der Leitung, vom Terminal aus durch die Faser gepumpt	C-Band	10–15 dB	—	repeaterlose Unterseekabel- und Wüstenspans
3R-Regenerator (OEO)	empfangen, retimen, reshapen, neu senden — zwei Transponder Rücken an Rücken	pro Kanal	setzt OSNR, Dispersion, PMD und nichtlineare Verzerrung zurück	—	teuer pro Kanal und bringt zusätzliche Latenz; nötig, wo Verstärkung allein das erforderliche OSNR nicht mehr erreicht
2R-Regenerator, Medienkonverter	elektrisches Reamplify und Reshape ohne neuen Takt	pro Kanal	setzt Leistung und Augendiagramm zurück	—	kleine Links; ein Switch-Port ist der alltägliche Regenerator (Transport- und Zugangsgeräte)

Wo Verstärker in der Leitung sitzen

Position	Zweck	Typische Werte
Booster (Nachverstärker) nach dem Multiplexer am Sendeterminal	die kombinierten Kanäle auf die Einkoppelleistung anheben	+17 … +20 dBm gesamt, 0 … +3 dBm pro Kanal
Inline (Leitungsverstärker) an jedem Span	den Spanverlust ausgleichen	Span 80–120 km, 20–28 dB Verlust; Verstärkung entsprechend eingestellt; Mid-Stage-Zugang für ein Dispersionskompensationsmodul in älteren 10G-Leitungen
Vorverstärker vor dem Demultiplexer am Empfangsterminal	schwache Kanäle über das Rauschen des Empfängers heben	−25 dBm pro Kanal Eingang, −5 dBm Ausgang; verbessert die effektive Empfindlichkeit um 10 dB und mehr
Verteiltes Raman am Empfangsende eines Spans	die effektive Rauschzahl senken, den Span verlängern	20–40 km verteilte Verstärkung
Verstärkerstandort	eine mit Strom versorgte Hütte oder ein Schrank mit Batterien, Kühlung, dem OSC-Terminal und Überwachung	alle 80–120 km auf langen Strecken (Fasernetz-Topologien)

Vom Leistungsbudget zum OSNR-Budget

Ein Verstärker fügt mit jeder Stufe verstärkte Spontanemission — Rauschen — hinzu. Sobald Verstärker in der Leitung vorhanden sind, wird der Empfänger durch das optische Signal-Rausch-Verhältnis begrenzt, nicht durch die Leistung.

Formel	Bedeutung
OSNR_span [dB, 0,1 nm] ≈ 58 + P_channel [dBm] − L_span [dB] − NF [dB]	das OSNR nach einem Span und einem Verstärker
OSNR_total ≈ OSNR_span − 10 · log₁₀ N	N identische Spans
Erforderliches OSNR: 10G NRZ ≈ 15–18 dB; 100G DP-QPSK mit Soft-Decision-FEC ≈ 12–15 dB; 400ZR ≈ 26 dB; 400G 16QAM ZR+ ≈ 22–24 dB	was der Empfänger benötigt

Beispiel: 0 dBm pro Kanal, 22-dB-Spans, 5 dB Rauschzahl → 31 dB pro Span; drei Spans → 26,2 dB, die Grenze von 400ZR; zehn Spans → 21 dB, komfortabel für 100G DP-QPSK. Eine höhere Kanalleistung bringt OSNR, bis nichtlineare Effekte es wieder zunichtemachen — das Optimum liegt meist bei 0 … +3 dBm pro Kanal auf G.652 (Nichtlineare Effekte, Verstärkung & OSNR).

Betrieb einer verstärkten Leitung

Punkt	Praxis
Optische Sicherheit	Klasse 3B/4 an jedem Verstärkerausgang und jeder Raman-Pumpe; automatische Leistungsreduzierung (APR, ITU-T G.664) schaltet die Pumpen bei Signalverlust ab; nie einen aktiven Hochleistungsstecker trennen; Gefahrenkennzeichnung an jedem Standort
Steckersauberkeit	ab +20 dBm verbrennt eine verschmutzte Stirnfläche und kann einen Fibre Fuse auslösen; vor jeder Verbindung prüfen (Stirnflächenprüfung & -reinigung)
Reflexionen	Isolatoren in den Verstärkern, APC-Stecker, ORL ≥ 24 dB in der Leitung; eine starke Reflexion in ein EDFA bringt es zum Lasen (Reflexionen & Rückflussdämpfung)
Pumpenüberwachung	der Pumpstrom bei konstanter Ausgangsleistung ist der Alterungsindikator; Ersatzpumpkarten oder ganze Verstärker
Verstärkung und Tilt	Gain-Flattening-Filter und dynamische Verstärkungsausgleichung halten 40–96 Kanäle innerhalb von 1–2 dB; der Tilt wächst mit Raman und der Anzahl der Spans
Channel-Add/Drop	die Transientenregelung verhindert, dass verbleibende Kanäle hochschnellen, wenn andere verschwinden; Kanäle nach Verfahren hinzufügen
Optical Supervisory Channel (OSC)	eine separate Wellenlänge, typischerweise 1 510 oder 1 610 nm, terminiert an jedem Verstärkerstandort, die Management, Alarme und Spanverlust-Telemetrie überträgt (Überwachung & Management)
Stromversorgung und Umgebung	−48 V DC mit 4–8 Stunden Batterie, Kühlung, Tür- und Temperatursensoren an unbemannten Standorten
Zuerst Faser-Charakterisierung	Spanverlust, ORL, Dispersion, PMD und effektive Fläche entscheiden über den Verstärkerplan (Faser-Charakterisierung)

Wahl zwischen Verstärkung, Regeneration und Kohärenz

Situation	Wahl
10G Einzelkanal, 80–100 km	ein 10G-ZR-Modul, oder LR/ER mit einem EDFA und Dispersionskompensation
10G DWDM, 200–400 km, Altsystem	EDFA-Kette mit Dispersionskompensationsmodulen; Ersatz durch kohärent erwägen
100G, 80–120 km	400ZR/100G-ZR-Pluggable mit einem EDFA-Paar — die einfachste moderne Lösung
100G–400G, 500–2 000 km	kohärente Transponder oder ZR+ mit EDFA-Ketten und ROADMs; Regeneration nur, wo das OSNR nicht mehr ausreicht
Repeaterlos 250–400 km	Hochleistungsbooster, Raman, ROPA, kohärent
PON über 20 km hinaus oder große Splits	Reichweitenverlängerer oder Optik der Klasse C++/E2 (ODN-Klassen)
Campus-Multimode über 400 m hinaus	ein Switch oder Medienkonverter als Regenerator, oder Singlemode-Faser
Jeder Link mit einem OSNR-Defizit, das die Verstärker nicht beheben können	3R-Regeneration

In CodingBox

Die Module, die eine verstärkte Leitung speisen und abschließen, sind weiterhin Pluggables, und CodingBox liest, was am Eingang des Verstärkers zählt: Einkoppelleistung, exakte Wellenlänge oder DWDM-Kanal, Durchstimmbereich, Leistungsklasse. Ein kohärentes Modul meldet zudem OSNR, chromatische Dispersion und Pre-FEC-BER über VDM — den Gesundheitszustand des Leitungssystems, wie ihn der Empfänger sieht — und CodingBox zeigt, welche dieser Messgrößen das Modul bereitstellt (Durchstimmbare Transceiver, VDM- und FEC-Metriken, Check transceiver).

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