Ojačevalnik z optičnimi vlakni

Fiber Optical Amplifier je neke vrste optični ojačevalnik, ki uporablja optična vlakna kot medij za pridobitev. Običajno je ojačevalni medij vlakno, dopirano z ioni redkih zemelj, kot so erbij (EDFA, erbium-doped Fiber Amplifier), neodim, iterbij (YDFA), praseodim in tulij. Te aktivne dopante črpa (oskrbi z energijo) svetloba laserja, kot je diodni laser, povezan z vlakni; v večini primerov svetloba črpalke in ojačena signalna svetloba potujeta hkrati v jedru vlakna. Tipičen laser z vlakni je Ramanov ojačevalnik (glejte sliko spodaj).

Slika 1: Shematski diagram apreprost ojačevalnik vlaken, dopiran z erbijem. Dve laserski diodi (LD) zagotavljata energijo črpalke vlaknu, dopiranemu z erbijem, ki lahko ojača svetlobo pri valovnih dolžinah okoli 1550 nm. Dva Faradayeva izolatorja v obliki čopskega repa izolirata nazaj odbito svetlobo in tako odpravita njen učinek na napravo.
Sprva so se optični ojačevalniki uporabljali predvsem za komunikacijo po optičnih vlaknih na dolge razdalje, pri kateri je treba signalno svetlobo periodično ojačati. Tipična situacija je uporaba laserja z vlakni, dopiranega z erbijem, in moč signalne svetlobe v spektralnem območju 1500 nm je zmerna. Kasneje so bili optični ojačevalniki uporabljeni na drugih pomembnih področjih. Za lasersko obdelavo materiala se uporabljajo ojačevalniki vlaken visoke moči. Ta ojačevalnik običajno uporablja vlakna z dvojno oblogo, dopirana z iterbijem, spektralno območje signalne svetlobe pa je 1030–1100 nm. Izhodna optična moč lahko doseže nekaj kilovatov.
Zaradi majhnega modalnega območja in dolge dolžine vlaken je mogoče doseči visok dobiček več deset dB pod delovanjem črpalne svetlobe srednje moči, kar pomeni, da je mogoče doseči visoko učinkovitost ojačanja (zlasti pri nizki moči). . naprava). Največji dobiček je običajno omejen z ASE. Vlakno ima veliko razmerje med površino in prostornino ter stabilen enomodni prenos, zato je mogoče doseči dobro izhodno moč, izhodna svetloba pa je žarek z omejenim uklonom, zlasti pri uporabi dvojno obloženih vlaken. Vendar pa ojačevalniki z vlakni visoke moči običajno nimajo zelo visokega ojačanja v zadnji stopnji, deloma zaradi faktorjev energetske učinkovitosti; potem je potrebna ojačevalna veriga, tako da predojačevalnik zagotovi večino ojačenja, zadnja stopnja pa visoko izhodno moč.
Nasičenost ojačanja pri optičnih ojačevalnikih je precej drugačna kot pri polprevodniških optičnih ojačevalnikih (SOA). Zaradi majhnega prehodnega preseka in visoke energije nasičenja lahko običajno doseže več deset mJ v ojačevalnikih komunikacijskih vlaken, dopiranih z erbijem, in več sto mJ v ojačevalnikih, dopiranih z iterbijem, z velikimi modalnimi območji. Zato se lahko v optičnem ojačevalniku shrani veliko energije (včasih več mJ) in nato izloči s kratkim impulzom. Samo kadar je energija izhodnega impulza višja od energije nasičenja, je popačenje impulza, ki ga povzroči nasičenost, resno. Če ojačate laser, ki ga ustvari laser z zaklenjenim načinom, je dobiček nasičenosti enak kot pri ojačanju CW laserja pri enaki moči.
Te značilnosti nasičenosti so zelo pomembne za komunikacijo z optičnimi vlakni, ker se izognemo kakršnemu koli medsimbolnemu preslušavanju, ki se pojavi v polprevodniških optičnih ojačevalnikih.
Optični ojačevalniki običajno delujejo v območju močne nasičenosti. Na ta način je mogoče doseči največji izhod in zmanjšati učinek rahlih sprememb svetlobe črpalke na optično moč izhodnega signala.
Največje ojačenje je običajno odvisno od ojačane spontane emisije, ne od optične moči črpalke. Pojavi se, ko ojačanje preseže 40 dB. Ojačevalniki z visokim ojačenjem morajo odpraviti tudi parazitske odboje, ki lahko ustvarijo parazitska laserska nihanja in celo poškodujejo vlakno, zato so na vhodu in izhodu običajno dodani optični izolatorji.
ASE zagotavlja temeljno omejitev hrupa ojačevalnika. V štirinivojskih ojačevalnikih z nizkimi izgubami lahko presežni šum doseže teoretično mejo, to je, da je vrednost hrupa 3dB pri visokem ojačanju, kar je večje od hrupa v običajnem mediju s kvazi-tristopenjskim ojačanjem z izgubami. ASE in presežni šum sta na splošno večja pri laserjih s povratnim črpanjem.
Svetlobni vir črpalke povzroča tudi nekaj šuma. Ti šumi neposredno vplivajo na ojačanje in izhodno moč signala, vendar nimajo učinka, ko je frekvenca šuma veliko večja od inverzne življenjske dobe zgornjega energijskega stanja. (Lasersko aktivni ioni so podobni shranjevanju energije, saj zmanjšujejo učinke visokofrekvenčnih nihanj moči.) Spremembe v moči črpalke povzročajo tudi temperaturne spremembe, ki se nato prevedejo v fazne napake.
Sam ASE se lahko uporablja kot superradiantni vir svetlobe z nizko časovno koherenco, ki je potrebna pri optično koherentnem slikanju. Superradiantni svetlobni vir je podoben optičnemu laserju z visokim ojačanjem.