Optický zosilňovač

Optický zosilňovač je druh optického zosilňovača využívajúci optické vlákno ako médium zisku. Zosilňovacím médiom je typicky vlákno dopované iónmi vzácnych zemín, ako je erbium (EDFA, erbiom dopovaný vláknový zosilňovač), neodým, yterbium (YDFA), prazeodým a thulium. Tieto aktívne dopujúce látky sú čerpané (dodávané energiou) svetlom z lasera, ako je diódový laser s vláknovou väzbou; vo väčšine prípadov sa svetlo pumpy a zosilnené signálne svetlo pohybujú súčasne v jadre vlákna. Typický vláknový laser je Ramanov zosilňovač (pozri obrázok nižšie).

Obrázok 1: Schematický diagram ajednoduchý erbiom dopovaný vláknový zosilňovač. Dve laserové diódy (LD) dodávajú erbiom dopovanému vláknu energiu pumpy, ktorá môže zosilniť svetlo pri vlnových dĺžkach okolo 1550 nm. Dva Faradayove izolátory v štýle chvosta izolujú spätne odrážané svetlo, čím eliminujú jeho vplyv na zariadenie.
Spočiatku sa vláknové zosilňovače používali hlavne na komunikáciu z optických vlákien na dlhé vzdialenosti, pri ktorej je potrebné pravidelne zosilňovať signálne svetlo. Typickou situáciou je použitie erbiom dopovaného vláknového lasera a sila signálneho svetla v 1500nm spektrálnej oblasti je mierna. Následne boli vláknové zosilňovače použité v iných dôležitých oblastiach. Na laserové spracovanie materiálov sa používajú vysokovýkonné vláknové zosilňovače. Tento zosilňovač zvyčajne používa dvojplášťové vlákno dopované ytterbiom a spektrálna oblasť signálneho svetla je 1030-1100 nm. Výstupný optický výkon môže dosiahnuť niekoľko kilowattov.
Vďaka malej oblasti režimu a dlhej dĺžke vlákna je možné dosiahnuť vysoký zisk v desiatkach dB pri pôsobení svetla čerpadla so stredným výkonom, to znamená, že je možné dosiahnuť vysokú účinnosť zisku (najmä pri nízkom výkone). . zariadenie). Maximálny zisk je zvyčajne obmedzený ASE. Vlákno má veľký pomer povrchu k objemu a stabilný prenos v jednom režime, takže je možné dosiahnuť dobrý výstupný výkon a výstupné svetlo je lúč s obmedzeným difrakciou, najmä pri použití dvojito plátovaných vlákien. Avšak vysokovýkonné vláknové zosilňovače zvyčajne nemajú veľmi vysoký zisk v poslednom stupni, čiastočne kvôli faktorom energetickej účinnosti; potom je potrebný reťaz zosilňovača, takže predzosilňovač poskytuje väčšinu zosilnenia a posledný stupeň poskytuje vysoký výkon.
Sýtosť zisku vláknových zosilňovačov je úplne odlišná od polovodičových optických zosilňovačov (SOA). Vďaka malému prechodovému prierezu a vysokej saturačnej energii môže zvyčajne dosiahnuť niekoľko desiatok mJ v erbiom dopovaných komunikačných vláknových zosilňovačoch a stovky mJ v ytterbiom dopovaných zosilňovačoch s veľkými oblasťami režimu. Preto môže byť veľa energie (niekedy niekoľko mJ) uložené vo vláknovom zosilňovači a potom extrahované krátkym impulzom. Len keď je energia výstupného impulzu vyššia ako energia saturácie, skreslenie impulzu spôsobené saturáciou je vážne. Ak zosilníte laser produkovaný laserom s uzamknutým režimom, zisk saturácie je rovnaký ako pri zosilnení CW lasera pri rovnakom výkone.
Tieto charakteristiky saturácie sú veľmi dôležité pre komunikáciu z optických vlákien, pretože je zabránené akémukoľvek medzisymbolovému presluchu, ku ktorému dochádza v polovodičových optických zosilňovačoch.
Vláknové zosilňovače zvyčajne pracujú v oblasti silnej saturácie. Týmto spôsobom možno dosiahnuť maximálny výkon a zníži sa vplyv malých zmien svetla čerpadla na optický výkon signálu.
Maximálny zisk zvyčajne závisí od zosilnenej spontánnej emisie, nie od optického výkonu pumpy. Prejaví sa, keď zosilnenie presiahne 40dB. Zosilňovače s vysokým ziskom musia eliminovať aj parazitné odrazy, ktoré môžu generovať parazitné laserové oscilácie a dokonca poškodiť vlákno, preto sa na vstup a výstup zvyčajne pridávajú optické izolátory.
ASE poskytuje základné obmedzenie výkonu šumu zosilňovača. V nízkostratových štvorúrovňových zosilňovačoch môže nadmerný šum dosiahnuť teoretickú hranicu, to znamená, že šumové číslo je 3 dB pri vysokom zosilnení, čo je väčšie ako hluk v zvyčajnom stratovom kvázi trojúrovňovom zosilnenom médiu. ASE a nadmerný šum sú vo všeobecnosti väčšie v spätne čerpaných laseroch.
Zdroj svetla pumpy tiež vytvára určitý hluk. Tieto šumy priamo ovplyvňujú zisk a výstupný výkon signálu, ale nemajú žiadny vplyv, keď je frekvencia šumu oveľa väčšia ako prevrátená hodnota životnosti horného energetického stavu. (Laserovo aktívne ióny sú podobné skladovaniu energie, čím sa znižujú účinky vysokofrekvenčných výkyvov výkonu.) Zmeny výkonu čerpadla spôsobujú aj zmeny teploty, ktoré sa potom premietajú do fázových chýb.
Samotné ASE možno použiť ako zdroj superžiarivého svetla s nízkou časovou koherenciou, čo je potrebné pri optickom koherentnom zobrazovaní. Zdroj superžiarivého svetla je podobný vláknovému laseru s vysokým ziskom.