Amplificator cu fibra optica

Fibre Optical Amplifier este un fel de amplificator optic care folosește fibra optică ca mediu de câștig. În mod obișnuit, mediul de câștig este fibră dopată cu ioni de pământuri rare, cum ar fi erbiu (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodim, itterbiu (YDFA), praseodim și tuliu. Acești dopanți activi sunt pompați (furnizați cu energie) de lumina de la un laser, cum ar fi un laser cu diodă cuplată cu fibre; în cele mai multe cazuri, lumina pompei și lumina de semnal amplificată se deplasează simultan în miezul fibrei. Un laser cu fibră tipic este un amplificator Raman (vezi figura de mai jos).

Figura 1: Diagrama schematică a lui aamplificator simplu cu fibră dopată cu erbiu. Două diode laser (LD) furnizează energie de pompă fibrei dopate cu erbiu, care poate amplifica lumina la lungimi de undă de aproximativ 1550 nm. Două izolatoare Faraday în stil coadă de cal izolează lumina reflectată în spate, eliminând astfel efectul acesteia asupra dispozitivului.
Inițial, amplificatoarele cu fibră au fost utilizate în principal pentru comunicațiile cu fibră optică pe distanțe lungi, în care lumina semnalului trebuie amplificată periodic. O situație tipică este utilizarea unui laser cu fibră dopată cu erbiu, iar puterea luminii de semnal în regiunea spectrală de 1500 nm este moderată. Ulterior, amplificatoarele cu fibră au fost folosite în alte domenii importante. Amplificatoarele cu fibre de mare putere sunt utilizate pentru prelucrarea materialelor cu laser. Acest amplificator folosește, de obicei, fibră dublă dopată cu itterbiu, iar regiunea spectrală a luminii de semnal este de 1030-1100 nm. Puterea optică de ieșire poate ajunge la câțiva kilowați.
Datorită zonei de mod reduse și lungimii lungi a fibrei, se poate obține un câștig mare de zeci de dB sub acțiunea luminii pompei de putere medie, adică se poate obține o eficiență ridicată a câștigului (în special pentru putere mică). . dispozitiv). Câștigul maxim este de obicei limitat de ASE. Fibra are un raport mare suprafață-volum și o transmisie monomod stabilă, astfel încât se poate obține o putere de ieșire bună, iar lumina de ieșire este un fascicul limitat de difracție, în special atunci când se utilizează fibre cu acoperire dublă. Cu toate acestea, amplificatoarele cu fibră de mare putere nu au un câștig foarte mare în ultima etapă, în parte din cauza factorilor de eficiență a puterii; este apoi necesar un lanț de amplificator, astfel încât preamplificatorul să ofere cea mai mare parte a câștigului, iar ultima treaptă să ofere o putere mare de ieșire.
Saturația câștigului amplificatoarelor cu fibre este destul de diferită de cea a amplificatoarelor optice cu semiconductor (SOA). Datorită secțiunii transversale mici de tranziție și energiei de saturație ridicate, poate atinge de obicei câteva zeci de mJ în amplificatoarele cu fibre de comunicație dopate cu erbiu și sute de mJ în amplificatoarele dopate cu itterbiu cu zone mari de mod. Prin urmare, în amplificatorul cu fibră poate fi stocată multă energie (uneori câțiva mJ) și apoi extrasă printr-un impuls scurt. Numai când energia impulsului de ieșire este mai mare decât energia de saturație, distorsiunea impulsului cauzată de saturație este gravă. Dacă amplificați laserul produs de un laser blocat în mod, câștigul de saturație este același cu amplificarea unui laser CW la aceeași putere.
Aceste caracteristici de saturație sunt foarte importante pentru comunicațiile cu fibră optică, deoarece orice diafonie intersimbol, care apare în amplificatoarele optice cu semiconductor, este evitată.
Amplificatoarele cu fibre funcționează de obicei în regiunea de saturație puternică. În acest fel, se poate obține puterea maximă, iar efectul modificărilor ușoare ale luminii pompei asupra puterii optice de ieșire a semnalului va fi redus.
Câștigul maxim depinde de obicei de emisia spontană amplificată, nu de puterea optică a pompei. Se manifestă atunci când câștigul depășește 40dB. De asemenea, amplificatoarele cu câștig mare trebuie să elimine reflexiile parazite, care pot genera oscilații laser parazite și chiar pot deteriora fibra, astfel încât izolatorii optici sunt de obicei adăugați la intrare și la ieșire.
ASE oferă o limită fundamentală a performanței zgomotului amplificatorului. În amplificatoarele cu patru niveluri cu pierderi reduse, zgomotul în exces poate atinge limita teoretică, adică cifra de zgomot este de 3 dB la câștig mare, care este mai mare decât zgomotul în mediu de câștig obișnuit cu pierderi cvasi-trei nivele. ASE și zgomotul în exces sunt în general mai mari la laserele pompate înapoi.
Sursa de lumină a pompei introduce, de asemenea, ceva zgomot. Aceste zgomote afectează direct câștigul și puterea de ieșire a semnalului, dar nu au niciun efect atunci când frecvența zgomotului este mult mai mare decât inversul duratei de viață superioare a stării de energie. (Ionii activi cu laser sunt similari cu stocarea energiei, reducând efectele fluctuațiilor de putere de înaltă frecvență.) Modificările puterii pompei cauzează, de asemenea, schimbări de temperatură, care apoi se traduc în erori de fază.
ASE în sine poate fi folosit ca o sursă de lumină superradiantă cu coerență temporală scăzută, care este necesară în imagistica coerentă optică. O sursă de lumină superradiantă este similară cu un laser cu fibre cu câștig mare.