Wzmacniacz światłowodowy

Wzmacniacz światłowodowy jest rodzajem wzmacniacza optycznego wykorzystującego światłowód jako medium wzmacniające. Zazwyczaj medium wzmacniające jest włókno domieszkowane jonami ziem rzadkich, takimi jak erb (EDFA, Erbium-Doped Fibre Amplifier), neodym, iterb (YDFA), prazeodym i tul. Te aktywne domieszki są pompowane (zaopatrywane w energię) przez światło lasera, takiego jak laser diodowy sprzężony z włóknem; w większości przypadków światło pompy i wzmocnione światło sygnalizacyjne przemieszczają się jednocześnie w rdzeniu światłowodu. Typowym laserem światłowodowym jest wzmacniacz Ramana (patrz rysunek poniżej).

Rysunek 1: Schematyczny diagram aprosty wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem. Dwie diody laserowe (LD) dostarczają energię do włókna domieszkowanego erbem, które może wzmacniać światło o długości fali około 1550 nm. Dwa izolatory Faradaya w kształcie kucyka izolują światło odbite, eliminując w ten sposób jego wpływ na urządzenie.
Początkowo wzmacniacze światłowodowe były używane głównie do komunikacji światłowodowej na duże odległości, w której sygnał świetlny musi być okresowo wzmacniany. Typową sytuacją jest użycie lasera światłowodowego domieszkowanego erbem, a moc światła sygnalizacyjnego w obszarze widmowym 1500nm jest umiarkowana. Następnie wzmacniacze światłowodowe były używane w innych ważnych dziedzinach. Do laserowej obróbki materiałów stosuje się wzmacniacze światłowodowe dużej mocy. Ten wzmacniacz zwykle wykorzystuje podwójne włókno domieszkowane iterbem, a obszar widmowy światła sygnalizacyjnego wynosi 1030-1100nm. Wyjściowa moc optyczna może osiągnąć kilka kilowatów.
Dzięki małemu obszarowi modowemu i dużej długości światłowodu, przy działaniu światła pompującego średniej mocy można uzyskać duży zysk rzędu kilkudziesięciu dB, czyli można uzyskać wysoką efektywność wzmocnienia (zwłaszcza dla małych mocy) . urządzenie). Maksymalne wzmocnienie jest zwykle ograniczone przez ASE. Włókno ma duży stosunek powierzchni do objętości i stabilną transmisję jednomodową, dzięki czemu można uzyskać dobrą moc wyjściową, a światło wyjściowe jest wiązką o ograniczonej dyfrakcji, zwłaszcza przy użyciu włókien dwupłaszczowych. Jednak wzmacniacze światłowodowe dużej mocy zazwyczaj nie mają bardzo dużego wzmocnienia na ostatnim etapie, częściowo ze względu na współczynniki efektywności energetycznej; wymagany jest wtedy łańcuch wzmacniaczy, tak aby przedwzmacniacz zapewniał większość wzmocnienia, a ostatni stopień zapewniał wysoką moc wyjściową.
Nasycenie wzmocnienia wzmacniaczy światłowodowych jest zupełnie inne niż w przypadku półprzewodnikowych wzmacniaczy optycznych (SOA). Ze względu na mały przekrój poprzeczny przejścia i dużą energię nasycenia, może on zwykle osiągnąć kilkadziesiąt mJ we wzmacniaczach światłowodowych domieszkowanych erbem i setki mJ we wzmacniaczach domieszkowanych iterbem o dużych obszarach modowych. Dlatego we wzmacniaczu światłowodowym można zgromadzić dużo energii (czasami kilka mJ), a następnie wydobyć ją krótkim impulsem. Tylko wtedy, gdy energia impulsu wyjściowego jest wyższa niż energia nasycenia, zniekształcenie impulsu spowodowane nasyceniem jest poważne. Jeśli wzmocnisz laser wytwarzany przez laser z synchronizacją modów, wzmocnienie nasycenia jest takie samo, jak przy wzmocnieniu lasera CW przy tej samej mocy.
Te charakterystyki nasycenia są bardzo ważne dla komunikacji światłowodowej, ponieważ unika się przesłuchu międzysymbolowego, który występuje w półprzewodnikowych wzmacniaczach optycznych.
Wzmacniacze światłowodowe zwykle pracują w obszarze silnego nasycenia. W ten sposób można uzyskać maksymalną moc wyjściową, a wpływ niewielkich zmian światła pompy na moc optyczną wyjścia sygnału zostanie zmniejszony.
Maksymalne wzmocnienie zwykle zależy od wzmocnionej emisji spontanicznej, a nie od mocy optycznej pompy. Przejawia się to, gdy wzmocnienie przekracza 40 dB. Wzmacniacze o dużym wzmocnieniu muszą również eliminować odbicia pasożytnicze, które mogą generować pasożytnicze oscylacje lasera, a nawet uszkodzić światłowód, dlatego na wejściu i wyjściu zwykle dodaje się izolatory optyczne.
ASE zapewnia podstawowe ograniczenie wydajności szumowej wzmacniacza. We wzmacniaczach czteropoziomowych o niskich stratach nadmiar szumów może osiągnąć teoretyczną granicę, to znaczy współczynnik szumów wynosi 3dB przy dużym wzmocnieniu, czyli jest większy niż szum w zwykłym stratnym medium o quasi-trzypoziomowym wzmocnieniu. ASE i nadmiar szumu są na ogół większe w przypadku laserów pompowanych wstecz.
Źródło światła pompy również wprowadza pewien hałas. Te szumy bezpośrednio wpływają na wzmocnienie i moc wyjściową sygnału, ale nie mają wpływu, gdy częstotliwość szumu jest znacznie większa niż odwrotność czasu życia górnego stanu energetycznego. (Jony aktywne laserowo działają podobnie do magazynowania energii, zmniejszając skutki wahań mocy o wysokiej częstotliwości). Zmiany mocy pompy powodują również zmiany temperatury, które następnie przekładają się na błędy fazowe.
Sam ASE może być używany jako źródło światła nadpromieniującego o niskiej spójności czasowej, co jest potrzebne w optycznym obrazowaniu koherentnym. Nadradiantowe źródło światła jest podobne do lasera światłowodowego o dużym wzmocnieniu.