Оптичен усилвател

Оптичният усилвател е вид оптичен усилвател, използващ оптично влакно като среда за усилване. Обикновено усилващата среда е влакно, легирано с редкоземни йони, като ербий (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), неодим, итербий (YDFA), празеодим и тулий. Тези активни добавки се изпомпват (осигуряват с енергия) от светлина от лазер, като диоден лазер, свързан с влакна; в повечето случаи светлината на помпата и светлината на усиления сигнал преминават едновременно в сърцевината на влакното. Типичен оптичен лазер е Раманов усилвател (вижте фигурата по-долу).

Фигура 1: Схематична диаграма на aпрост усилвател с влакна с добавка на ербий. Два лазерни диода (LDs) осигуряват енергия на изпомпване към легираното с ербий влакно, което може да усили светлината при дължини на вълните около 1550 nm. Два Фарадей изолатора в стил конска опашка изолират обратно отразената светлина, като по този начин елиминират ефекта й върху устройството.
Първоначално влакнестите усилватели се използват главно за оптична комуникация на дълги разстояния, при която сигналната светлина трябва периодично да се усилва. Типична ситуация е да се използва оптичен лазер с добавка на ербий и мощността на сигналната светлина в спектралната област от 1500 nm е умерена. Впоследствие оптичните усилватели се използват в други важни области. За лазерна обработка на материали се използват високомощни влакнести усилватели. Този усилвател обикновено използва влакна с двойна облицовка, легирани с итербий, а спектралната област на сигналната светлина е 1030-1100 nm. Изходната оптична мощност може да достигне няколко киловата.
Поради малката площ на мода и дългата дължина на влакното, може да се получи голямо усилване от десетки dB под действието на светлината на помпата със средна мощност, тоест може да се получи висока ефективност на усилването (особено за ниска мощност). . устройство). Максималната печалба обикновено е ограничена от ASE. Влакното има голямо съотношение повърхност/обем и стабилно едномодово предаване, така че може да се постигне добра изходна мощност, а изходната светлина е дифракционно ограничен лъч, особено когато се използват влакна с двойно покритие. Въпреки това, усилвателите с влакна с висока мощност обикновено нямат много голямо усилване в последния етап, отчасти поради фактори на енергийна ефективност; тогава е необходима усилвателна верига, така че предусилвателят да осигурява по-голямата част от усилването, а последното стъпало да дава висока мощност.
Наситеността на усилването на оптичните усилватели е доста различна от тази на полупроводниковите оптични усилватели (SOA). Поради малкото напречно сечение на прехода и високата енергия на насищане, обикновено може да достигне няколко десетки mJ в усилватели с комуникационни влакна, легирани с ербий, и стотици mJ в усилватели, легирани с итербий, с големи области на мода. Следователно, много енергия (понякога няколко mJ) може да бъде съхранена във влакнестия усилвател и след това извлечена чрез кратък импулс. Само когато енергията на изходния импулс е по-висока от енергията на насищане, изкривяването на импулса, причинено от насищане, е сериозно. Ако усилите лазера, произведен от лазер със заключен режим, печалбата от насищане е същата като при усилване на CW лазер със същата мощност.
Тези характеристики на насищане са много важни за комуникациите с оптични влакна, тъй като се избягва всяко междусимволно пресичане, което възниква в полупроводникови оптични усилватели.
Оптичните усилватели обикновено работят в областта на силно насищане. По този начин може да се получи максимална мощност и ефектът от леки промени в светлината на помпата върху оптичната мощност на изходния сигнал ще бъде намален.
Максималното усилване обикновено зависи от усилената спонтанна емисия, а не от оптичната мощност на помпата. Проявява се, когато усилването надвиши 40 dB. Усилвателите с голямо усилване също трябва да елиминират паразитните отражения, които могат да генерират паразитни лазерни трептения и дори да повредят влакното, така че обикновено се добавят оптични изолатори на входа и изхода.
ASE осигурява фундаментално ограничение на шумовите характеристики на усилвателя. В четиристепенни усилватели с ниски загуби излишният шум може да достигне теоретичната граница, тоест стойността на шума е 3dB при високо усилване, което е по-голямо от шума в обичайната среда с квази-три нива на усилване със загуби. ASE и излишният шум обикновено са по-големи при лазерите с обратно изпомпване.
Източникът на светлина на помпата също създава известен шум. Тези шумове влияят пряко върху усилването и изходната мощност на сигнала, но нямат ефект, когато честотата на шума е много по-голяма от обратната на живота на горното енергийно състояние. (Лазерно активните йони са подобни на съхранението на енергия, намалявайки ефектите от високочестотните колебания на мощността.) Промените в мощността на помпата също причиняват температурни промени, които след това се превръщат във фазови грешки.
Самият ASE може да се използва като свръхизлъчващ източник на светлина с ниска времева кохерентност, който е необходим при оптично кохерентно изображение. Свръхизлъчващият източник на светлина е подобен на оптичен лазер с високо усилване.