Fiberoptisk förstärkare

Fiber Optical Amplifier är en slags optisk förstärkare som använder optisk fiber som förstärkningsmedium. Vanligtvis är förstärkningsmediet fiberdopat med sällsynta jordartsmetalljoner, såsom erbium (EDFA, Erbium-dopad fiberförstärkare), neodym, ytterbium (YDFA), praseodym och thulium. Dessa aktiva dopämnen pumpas (försörjs med energi) av ljus från en laser, såsom en fiberkopplad diodlaser; i de flesta fall färdas pumpljuset och det förstärkta signalljuset samtidigt i fiberkärnan. En typisk fiberlaser är en Raman-förstärkare (se figur nedan).

Figur 1: Schematiskt diagram av enenkel erbiumdopad fiberförstärkare. Två laserdioder (LD) ger pumpenergi till den erbiumdopade fibern, som kan förstärka ljus vid våglängder runt 1550 nm. Två Faraday-isolatorer i hästsvansstil isolerar bakreflekterat ljus och eliminerar därmed dess effekt på enheten.
Till en början användes fiberförstärkare huvudsakligen för fiberoptisk kommunikation på långa avstånd, där signalljus periodiskt måste förstärkas. En typisk situation är att använda en erbiumdopad fiberlaser, och effekten av signalljuset i spektralområdet på 1500 nm är måttlig. Därefter användes fiberförstärkare inom andra viktiga områden. Högeffektfiberförstärkare används för lasermaterialbearbetning. Denna förstärkare använder vanligtvis ytterbiumdopad dubbelklädd fiber, och spektralområdet för signalljuset är 1030-1100nm. Den optiska uteffekten kan nå flera kilowatt.
På grund av den lilla modytan och långa fiberlängden kan en hög förstärkning på tiotals dB erhållas under verkan av pumpljuset med medeleffekt, det vill säga en hög förstärkningseffektivitet (särskilt för låg effekt) kan erhållas . enhet). Den maximala vinsten begränsas vanligtvis av ASE. Fibern har ett stort yta-till-volymförhållande och stabil enkellägestransmission, så bra uteffekt kan uppnås, och utgående ljus är en diffraktionsbegränsad stråle, speciellt vid användning av dubbelklädda fibrer. Emellertid har högeffektfiberförstärkare vanligtvis inte särskilt hög förstärkning i det sista steget, delvis på grund av effekteffektivitetsfaktorer; det krävs då en förstärkarkedja så att förförstärkaren ger det mesta av förstärkningen och det sista steget ger hög uteffekt.
Förstärkningsmättnaden för fiberförstärkare är helt annorlunda än den för optiska halvledarförstärkare (SOA). På grund av det lilla övergångstvärsnittet och den höga mättnadsenergin kan den vanligtvis nå flera tiotals mJ i erbiumdopade kommunikationsfiberförstärkare och hundratals mJ i ytterbiumdopade förstärkare med stora modytor. Därför kan mycket energi (ibland flera mJ) lagras i fiberförstärkaren och sedan extraheras med en kort puls. Endast när den utgående pulsenergin är högre än mättnadsenergin är pulsdistorsionen som orsakas av mättnad allvarlig. Om du förstärker lasern som produceras av en lägeslåst laser, är mättnadsförstärkningen densamma som att förstärka en CW-laser med samma effekt.
Dessa mättnadsegenskaper är mycket viktiga för fiberoptisk kommunikation eftersom all överhörning mellan symboler, som förekommer i optiska halvledarförstärkare, undviks.
Fiberförstärkare fungerar vanligtvis i den starka mättnadsregionen. På detta sätt kan den maximala uteffekten erhållas, och effekten av små förändringar i pumpljuset på den optiska signaleffekten kommer att reduceras.
Den maximala förstärkningen beror vanligtvis på den förstärkta spontana emissionen, inte på pumpens optiska effekt. Det visar sig när förstärkningen överstiger 40dB. Förstärkare med hög förstärkning behöver också eliminera parasitiska reflektioner, vilket kan generera parasitära laseroscillationer och till och med skada fibern, så optiska isolatorer läggs vanligtvis till vid ingången och utgången.
ASE ger en grundläggande gräns för förstärkarens brusprestanda. I fyra-nivåförstärkare med låga förluster kan överskottsbruset nå den teoretiska gränsen, det vill säga brustalet är 3dB vid hög förstärkning, vilket är större än bruset i det vanliga förlustmediet med kvasi-tre-nivå förstärkning. ASE och överskottsbrus är i allmänhet större i bakåtpumpade lasrar.
Pumpljuskällan introducerar också en del brus. Dessa brus påverkar direkt förstärkningen och signalens uteffekt, men har ingen effekt när brusfrekvensen är mycket större än inversen av det övre energitillståndets livslängd. (Laseraktiva joner liknar energilagring, vilket minskar effekterna av högfrekventa effektfluktuationer.) Förändringar i pumpeffekt orsakar också temperaturförändringar, som sedan översätts till fasfel.
ASE i sig kan användas som en superstrålande ljuskälla med låg tidsmässig koherens, vilket behövs vid optisk koherent avbildning. En superstrålande ljuskälla liknar en fiberlaser med hög förstärkning.