Ενισχυτής οπτικών ινών

Ο ενισχυτής οπτικών ινών είναι ένα είδος οπτικού ενισχυτή που χρησιμοποιεί οπτική ίνα ως μέσο απολαβής. Τυπικά, το μέσο κέρδους είναι ίνες εμποτισμένες με ιόντα σπάνιων γαιών, όπως έρβιο (EDFA, Ενισχυτής ινών με πρόσμειξη με Erbium), νεοδύμιο, υττέρβιο (YDFA), πρασεοδύμιο και θούλιο. Αυτά τα ενεργά πρόσμικτα αντλούνται (παρέχονται με ενέργεια) από το φως από ένα λέιζερ, όπως ένα λέιζερ διόδου συζευγμένης με ίνες. Στις περισσότερες περιπτώσεις, το φως της αντλίας και το ενισχυμένο φως σήματος ταξιδεύουν ταυτόχρονα στον πυρήνα της ίνας. Ένα τυπικό λέιζερ ινών είναι ένας ενισχυτής Raman (βλ. παρακάτω σχήμα).

Εικόνα 1: Σχηματικό διάγραμμα του ααπλός ενισχυτής ινών με πρόσμιξη ερβίου. Δύο δίοδοι λέιζερ (LDs) παρέχουν ενέργεια αντλίας στην ίνα με πρόσμιξη ερβίου, η οποία μπορεί να ενισχύσει το φως σε μήκη κύματος περίπου 1550 nm. Δύο μονωτήρες Faraday σε στιλ αλογοουράς απομονώνουν το φως που αντανακλάται προς τα πίσω, εξαλείφοντας έτσι την επίδρασή του στη συσκευή.
Αρχικά, οι ενισχυτές ινών χρησιμοποιήθηκαν κυρίως για επικοινωνία οπτικών ινών μεγάλων αποστάσεων, στην οποία το φως σήματος πρέπει να ενισχύεται περιοδικά. Μια τυπική κατάσταση είναι η χρήση ενός λέιζερ ινών με πρόσμιξη ερβίου και η ισχύς του φωτός σήματος στη φασματική περιοχή των 1500 nm είναι μέτρια. Στη συνέχεια, οι ενισχυτές ινών χρησιμοποιήθηκαν σε άλλα σημαντικά πεδία. Για την επεξεργασία υλικού λέιζερ χρησιμοποιούνται ενισχυτές ινών υψηλής ισχύος. Αυτός ο ενισχυτής χρησιμοποιεί συνήθως ίνα διπλής επένδυσης με πρόσμειξη υττερβίου και η φασματική περιοχή του φωτός σήματος είναι 1030-1100 nm. Η οπτική ισχύς εξόδου μπορεί να φτάσει αρκετά κιλοβάτ.
Λόγω της μικρής περιοχής λειτουργίας και του μεγάλου μήκους ινών, μπορεί να επιτευχθεί υψηλό κέρδος δεκάδων dB υπό τη δράση του φωτός της αντλίας μέσης ισχύος, δηλαδή μπορεί να επιτευχθεί υψηλή απόδοση απολαβής (ειδικά για χαμηλή ισχύ). . συσκευή). Το μέγιστο κέρδος συνήθως περιορίζεται από το ΧΑΑ. Η ίνα έχει μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο και σταθερή μετάδοση μονής λειτουργίας, επομένως μπορεί να επιτευχθεί καλή ισχύς εξόδου και το φως εξόδου είναι μια δέσμη περιορισμένης περίθλασης, ειδικά όταν χρησιμοποιούνται ίνες διπλής επένδυσης. Ωστόσο, οι ενισχυτές ινών υψηλής ισχύος συνήθως δεν έχουν πολύ υψηλό κέρδος στο τελευταίο στάδιο, εν μέρει λόγω παραγόντων απόδοσης ισχύος. Τότε απαιτείται μια αλυσίδα ενισχυτή, έτσι ώστε ο προενισχυτής να παρέχει το μεγαλύτερο μέρος του κέρδους και το τελευταίο στάδιο να παρέχει υψηλή ισχύ εξόδου.
Ο κορεσμός απολαβής των ενισχυτών ινών είναι αρκετά διαφορετικός από αυτόν των οπτικών ενισχυτών ημιαγωγών (SOA). Λόγω της μικρής διατομής μετάβασης και της υψηλής ενέργειας κορεσμού, μπορεί συνήθως να φτάσει αρκετές δεκάδες mJ σε ενισχυτές ινών επικοινωνίας με πρόσμειξη έρβιου και εκατοντάδες mJ σε ενισχυτές με πρόσμειξη υττερβίου με μεγάλες περιοχές λειτουργίας. Επομένως, πολλή ενέργεια (μερικές φορές αρκετά mJ) μπορεί να αποθηκευτεί στον ενισχυτή οπτικών ινών και στη συνέχεια να εξαχθεί με έναν σύντομο παλμό. Μόνο όταν η ενέργεια του παλμού εξόδου είναι μεγαλύτερη από την ενέργεια κορεσμού, η παραμόρφωση παλμού που προκαλείται από τον κορεσμό είναι σοβαρή. Εάν ενισχύσετε το λέιζερ που παράγεται από ένα λέιζερ κλειδωμένου τρόπου λειτουργίας, το κέρδος κορεσμού είναι το ίδιο με την ενίσχυση ενός λέιζερ CW με την ίδια ισχύ.
Αυτά τα χαρακτηριστικά κορεσμού είναι πολύ σημαντικά για τις επικοινωνίες οπτικών ινών επειδή αποφεύγεται οποιαδήποτε διασύνδεση μεταξύ των συμβόλων, η οποία εμφανίζεται σε οπτικούς ενισχυτές ημιαγωγών.
Οι ενισχυτές ινών συνήθως λειτουργούν στην περιοχή ισχυρού κορεσμού. Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να επιτευχθεί η μέγιστη έξοδος και η επίδραση των ελαφρών αλλαγών στο φως της αντλίας στην οπτική ισχύ εξόδου του σήματος θα μειωθεί.
Το μέγιστο κέρδος εξαρτάται συνήθως από την ενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή, όχι από την οπτική ισχύ της αντλίας. Εκδηλώνεται όταν το κέρδος ξεπεράσει τα 40dB. Οι ενισχυτές υψηλής απολαβής πρέπει επίσης να εξαλείψουν τις παρασιτικές αντανακλάσεις, οι οποίες μπορούν να δημιουργήσουν παρασιτικές ταλαντώσεις λέιζερ και ακόμη και να καταστρέψουν την ίνα, επομένως συνήθως προστίθενται οπτικοί απομονωτές στην είσοδο και στην έξοδο.
Το ASE παρέχει ένα θεμελιώδες όριο στην απόδοση του θορύβου του ενισχυτή. Σε ενισχυτές τεσσάρων επιπέδων χαμηλών απωλειών, ο υπερβολικός θόρυβος μπορεί να φτάσει το θεωρητικό όριο, δηλαδή το ποσοστό θορύβου είναι 3dB σε υψηλό κέρδος, το οποίο είναι μεγαλύτερο από το θόρυβο στο συνηθισμένο μέσο απολαβής σχεδόν τριών επιπέδων με απώλειες. Το ASE και ο υπερβολικός θόρυβος είναι γενικά μεγαλύτεροι στα λέιζερ με αντίστροφη άντληση.
Η πηγή φωτός της αντλίας εισάγει επίσης κάποιο θόρυβο. Αυτοί οι θόρυβοι επηρεάζουν άμεσα το κέρδος και την ισχύ εξόδου του σήματος, αλλά δεν έχουν καμία επίδραση όταν η συχνότητα θορύβου είναι πολύ μεγαλύτερη από το αντίστροφο της διάρκειας ζωής της ανώτερης ενεργειακής κατάστασης. (Τα ενεργά ιόντα με λέιζερ είναι παρόμοια με την αποθήκευση ενέργειας, μειώνοντας τις επιπτώσεις των διακυμάνσεων της ισχύος υψηλής συχνότητας.) Οι αλλαγές στην ισχύ της αντλίας προκαλούν επίσης αλλαγές θερμοκρασίας, οι οποίες στη συνέχεια μεταφράζονται σε σφάλματα φάσης.
Το ίδιο το ASE μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πηγή υπερακτινοβολίας με χαμηλή χρονική συνοχή, η οποία απαιτείται στην οπτική συνεκτική απεικόνιση. Μια πηγή υπερακτινοβολίας είναι παρόμοια με ένα λέιζερ ινών υψηλής απολαβής.