Optický zesilovač

Optický zesilovač je druh optického zesilovače využívajícího optické vlákno jako médium zisku. Obvykle je ziskovým médiem vlákno dopované ionty vzácných zemin, jako je erbium (EDFA, erbiem dopovaný vláknový zesilovač), neodym, ytterbium (YDFA), praseodym a thulium. Tyto aktivní příměsi jsou čerpány (poskytovány energií) světlem z laseru, jako je diodový laser s vlákny; ve většině případů se světlo čerpadla a zesílené signální světlo pohybují současně v jádru vlákna. Typickým vláknovým laserem je Ramanův zesilovač (viz obrázek níže).

Obrázek 1: Schématický diagram ajednoduchý erbiem dopovaný vláknový zesilovač. Dvě laserové diody (LD) poskytují erbiem dopovanému vláknu čerpací energii, která může zesílit světlo o vlnových délkách kolem 1550 nm. Dva Faradayovy izolátory ve stylu culíku izolují zpětně odrážené světlo, čímž eliminují jeho vliv na zařízení.
Zpočátku se vláknové zesilovače používaly hlavně pro komunikaci s optickými vlákny na dlouhé vzdálenosti, kde je potřeba periodicky zesilovat signální světlo. Typickou situací je použití erbiem dopovaného vláknového laseru a výkon signálního světla ve spektrální oblasti 1500nm je střední. Následně byly vláknové zesilovače použity v dalších důležitých oborech. Pro laserové zpracování materiálů se používají vysokovýkonové vláknové zesilovače. Tento zesilovač obvykle používá dvojitě plátované vlákno dopované ytterbiem a spektrální oblast signálního světla je 1030-1100nm. Výstupní optický výkon může dosáhnout několika kilowattů.
Vzhledem k malé oblasti režimu a dlouhé délce vlákna lze při působení světla čerpadla středního výkonu dosáhnout vysokého zisku v řádu desítek dB, to znamená, že lze dosáhnout vysoké účinnosti zisku (zejména u nízkého výkonu). . přístroj). Maximální zisk je obvykle omezen ASE. Vlákno má velký poměr povrchu k objemu a stabilní přenos v jednom režimu, takže lze dosáhnout dobrého výstupního výkonu a výstupní světlo je paprsek s omezenou difrakcí, zejména při použití dvojitě plátovaných vláken. Avšak vysokovýkonové vláknové zesilovače typicky nemají velmi vysoký zisk v posledním stupni, částečně kvůli faktorům energetické účinnosti; je pak zapotřebí řetěz zesilovače, aby předzesilovač poskytoval většinu zesílení a poslední stupeň poskytoval vysoký výstupní výkon.
Saturace zisku vláknových zesilovačů je zcela odlišná od saturace polovodičových optických zesilovačů (SOA). Vzhledem k malému přechodovému průřezu a vysoké saturační energii může obvykle dosáhnout několika desítek mJ v erbiem dotovaných komunikačních vláknových zesilovačích a stovek mJ v ytterbiem dotovaných zesilovačích s velkými oblastmi režimu. Proto může být ve vláknovém zesilovači uloženo velké množství energie (někdy několik mJ) a následně extrahováno krátkým pulzem. Pouze když je výstupní energie pulzu vyšší než saturační energie, je zkreslení pulzu způsobené saturací vážné. Pokud zesílíte laser produkovaný laserem s uzamčeným režimem, zisk saturace je stejný jako zesílení CW laseru při stejném výkonu.
Tyto charakteristiky saturace jsou velmi důležité pro komunikaci s optickými vlákny, protože je zabráněno jakémukoli přeslechu mezi symboly, ke kterému dochází v polovodičových optických zesilovačích.
Vláknové zesilovače obvykle pracují v oblasti silného nasycení. Tímto způsobem lze dosáhnout maximálního výkonu a sníží se vliv nepatrných změn světla čerpadla na optický výkon výstupního signálu.
Maximální zisk obvykle závisí na zesílené spontánní emisi, nikoli na optickém výkonu pumpy. Projeví se, když zesílení překročí 40dB. Zesilovače s vysokým ziskem také potřebují eliminovat parazitní odrazy, které mohou generovat parazitní laserové oscilace a dokonce poškodit vlákno, proto se na vstup a výstup obvykle přidávají optické izolátory.
ASE poskytuje základní limit šumu zesilovače. U nízkoztrátových čtyřúrovňových zesilovačů může nadměrný šum dosáhnout teoretické hranice, to znamená, že šumové číslo je 3 dB při vysokém zesílení, což je větší než šum v obvyklém ztrátovém kvazi tříúrovňovém zesílení. ASE a nadměrný šum jsou obecně větší u zpětně čerpaných laserů.
Zdroj světla pumpy také přináší určitý hluk. Tyto šumy přímo ovlivňují zisk a výstupní výkon signálu, ale nemají žádný vliv, když je frekvence šumu mnohem větší než převrácená hodnota životnosti horního energetického stavu. (Laserově aktivní ionty jsou podobné ukládání energie, snižují účinky vysokofrekvenčních výkyvů výkonu.) Změny výkonu čerpadla také způsobují teplotní změny, které se pak promítají do fázových chyb.
Samotné ASE lze použít jako superradiantový světelný zdroj s nízkou časovou koherencí, což je potřeba při optickém koherentním zobrazování. Zdroj superradiantu je podobný vláknovému laseru s vysokým ziskem.