Fiberoptisk forstærker

Fiber Optical Amplifier er en slags optisk forstærker, der bruger optisk fiber som forstærkningsmedium. Typisk er forstærkningsmediet fiberdoteret med sjældne jordarters ioner, såsom erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodym, ytterbium (YDFA), praseodym og thulium. Disse aktive dopingmidler pumpes (forsynet med energi) af lys fra en laser, såsom en fiberkoblet diodelaser; i de fleste tilfælde rejser pumpelyset og det forstærkede signallys samtidigt i fiberkernen. En typisk fiberlaser er en Raman-forstærker (se figuren nedenfor).

Figur 1: Skematisk diagram af ensimpel erbium-doteret fiberforstærker. To laserdioder (LD'er) giver pumpeenergi til den erbium-doterede fiber, som kan forstærke lys ved bølgelængder omkring 1550 nm. To Faraday-isolatorer i hestehale-stil isolerer tilbagereflekteret lys og eliminerer dermed dets effekt på enheden.
Oprindeligt blev fiberforstærkere hovedsageligt brugt til langdistance fiberoptisk kommunikation, hvor signallys periodisk skal forstærkes. En typisk situation er at bruge en erbium-doteret fiberlaser, og effekten af ​​signallyset i 1500nm spektralområdet er moderat. Efterfølgende blev fiberforstærkere brugt på andre vigtige områder. Højeffektfiberforstærkere bruges til lasermaterialebehandling. Denne forstærker bruger normalt ytterbium-doteret dobbeltbeklædt fiber, og signallysets spektrale område er 1030-1100nm. Den optiske udgangseffekt kan nå flere kilowatt.
På grund af det lille tilstandsareal og lange fiberlængde kan der opnås en høj forstærkning på titusinder af dB under påvirkning af pumpelyset med medium effekt, det vil sige, en høj forstærkningseffektivitet (især for lav effekt) kan opnås . enhed). Den maksimale gevinst er normalt begrænset af ASE. Fiberen har et stort overflade-til-volumen-forhold og stabil single-mode transmission, så der kan opnås god udgangseffekt, og udgangslyset er en diffraktionsbegrænset stråle, især ved brug af dobbeltbeklædte fibre. Imidlertid har fiberforstærkere med høj effekt typisk ikke særlig høj forstærkning i det sidste trin, delvist på grund af effekteffektivitetsfaktorer; Der kræves så en forstærkerkæde, så forforstærkeren giver det meste af forstærkningen, og det sidste trin giver høj effekt.
Forstærkningsmætningen af ​​fiberforstærkere er helt anderledes end for optiske halvlederforstærkere (SOA'er). På grund af det lille overgangstværsnit og høje mætningsenergi kan det normalt nå op på flere tiere af mJ i erbium-doterede kommunikationsfiberforstærkere og hundredvis af mJ i ytterbium-dopede forstærkere med store mode-områder. Derfor kan en masse energi (nogle gange flere mJ) lagres i fiberforstærkeren og derefter udvindes ved en kort puls. Kun når udgangspulsenergien er højere end mætningsenergien, er pulsforvrængningen forårsaget af mætning alvorlig. Hvis du forstærker laseren produceret af en tilstandslåst laser, er mætningsforstærkningen den samme som at forstærke en CW-laser med samme effekt.
Disse mætningsegenskaber er meget vigtige for fiberoptisk kommunikation, fordi enhver intersymbolkrydsning, som forekommer i optiske halvlederforstærkere, undgås.
Fiberforstærkere arbejder normalt i det stærke mætningsområde. På denne måde kan den maksimale output opnås, og effekten af ​​små ændringer i pumpelyset på den optiske signaludgangseffekt vil blive reduceret.
Den maksimale forstærkning afhænger normalt af den forstærkede spontane emission, ikke pumpens optiske effekt. Det viser sig, når forstærkningen overstiger 40dB. Forstærkere med høj forstærkning skal også eliminere parasitære refleksioner, som kan generere parasitiske laseroscillationer og endda beskadige fiberen, så optiske isolatorer tilføjes normalt ved input og output.
ASE giver en grundlæggende grænse for forstærkerens støjydelse. I fire-niveau forstærkere med lavt tab kan den overskydende støj nå den teoretiske grænse, det vil sige, at støjtallet er 3dB ved høj forstærkning, hvilket er større end støjen i det sædvanlige tabsgivende quasi-tre-niveau forstærkningsmedium. ASE og overskydende støj er generelt større i bagudpumpede lasere.
Pumpens lyskilde introducerer også noget støj. Disse støj påvirker direkte forstærkningen og signaludgangseffekten, men har ingen effekt, når støjfrekvensen er meget større end det omvendte af den øvre energitilstands levetid. (Laseraktive ioner ligner energilagring, hvilket reducerer virkningerne af højfrekvente effektudsving.) Ændringer i pumpeeffekt forårsager også temperaturændringer, som så udmønter sig i fasefejl.
ASE selv kan bruges som en superstrålende lyskilde med lav tidsmæssig kohærens, hvilket er nødvendigt i optisk kohærent billeddannelse. En superstrålende lyskilde ligner en fiberlaser med høj forstærkning.