Волоконно-оптичний підсилювач

Волоконно-оптичний підсилювач — це різновид оптичного підсилювача, який використовує оптичне волокно як середовище підсилення. Як правило, підсилювальним середовищем є волокно, леговане рідкоземельними іонами, такими як ербій (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), неодим, ітербій (YDFA), празеодим і тулій. Ці активні легуючі домішки накачуються (забезпечуються енергією) світлом від лазера, такого як волоконний діодний лазер; у більшості випадків світло накачки та світло посиленого сигналу одночасно проходять у серцевині волокна. Типовий волоконний лазер — це раманівський підсилювач (див. малюнок нижче).

Рисунок 1: Схематична діаграма aпростий легований ербієм волоконний підсилювач. Два лазерних діода (LD) забезпечують накачування енергією до легованого ербієм волокна, яке може посилювати світло на довжині хвилі близько 1550 нм. Два ізолятори Фарадея у формі хвостика ізолюють відбите світло, таким чином усуваючи його вплив на пристрій.
Спочатку волоконно-оптичні підсилювачі в основному використовувалися для міжміського оптоволоконного зв'язку, в якому потрібно періодично підсилювати світловий сигнал. Типовою ситуацією є використання волоконного лазера, легованого ербієм, і потужність світлового сигналу в спектральній області 1500 нм є помірною. Згодом волоконні підсилювачі почали використовувати в інших важливих галузях. Волоконні підсилювачі великої потужності використовуються для лазерної обробки матеріалів. У цьому підсилювачі зазвичай використовується волокно з подвійною оболонкою, леговане ітербієм, а спектральна область світлового сигналу становить 1030-1100 нм. Вихідна оптична потужність може досягати кількох кіловат.
Завдяки малій площі моди та великій довжині волокна під дією світла накачки середньої потужності можна отримати високе посилення в десятки дБ, тобто можна отримати високу ефективність посилення (особливо для малої потужності). . пристрій). Максимальне посилення зазвичай обмежується ASE. Волокно має велике відношення поверхні до об’єму та стабільну одномодову передачу, тому можна досягти хорошої вихідної потужності, а вихідне світло є дифракційним променем, особливо при використанні волокон з подвійною оболонкою. Однак оптоволоконні підсилювачі високої потужності зазвичай не мають дуже високого коефіцієнта посилення на останньому каскаді, частково через коефіцієнти енергоефективності; тоді потрібен ланцюжок підсилювача, щоб попередній підсилювач забезпечував більшу частину посилення, а останній каскад давав високу вихідну потужність.
Насичення підсилення волоконних підсилювачів значно відрізняється від напівпровідникових оптичних підсилювачів (SOA). Завдяки малому перетину переходу та високій енергії насичення вона зазвичай може досягати кількох десятків мДж у волоконних підсилювачах зв’язку, легованих ербієм, і сотень мДж у підсилювачах, легованих ітербієм, із великою площею мод. Таким чином, велика кількість енергії (іноді кілька мДж) може бути накопичена у волоконному підсилювачі, а потім виділена коротким імпульсом. Лише коли вихідна енергія імпульсу вища за енергію насичення, спотворення імпульсу, викликане насиченням, є серйозним. Якщо ви посилюєте лазер, вироблений лазером із синхронізованим режимом, посилення насиченості буде таким самим, як і підсилення лазера CW з такою ж потужністю.
Ці характеристики насичення дуже важливі для волоконно-оптичних комунікацій, оскільки уникають будь-яких міжсимвольних перехресних перешкод, які виникають у напівпровідникових оптичних підсилювачах.
Волоконні підсилювачі зазвичай працюють в області сильного насичення. Таким чином можна отримати максимальний вихід, а вплив невеликих змін світла накачування на оптичну потужність вихідного сигналу буде зменшено.
Максимальне посилення зазвичай залежить від посиленого спонтанного випромінювання, а не оптичної потужності накачки. Він проявляється, коли посилення перевищує 40 дБ. Підсилювачі з високим коефіцієнтом підсилення також повинні усунути паразитні відбиття, які можуть генерувати паразитні лазерні коливання і навіть пошкодити волокно, тому на вході та виході зазвичай додають оптичні ізолятори.
ASE забезпечує фундаментальне обмеження шумових характеристик підсилювача. У чотирирівневих підсилювачах з низькими втратами надлишковий шум може досягати теоретичної межі, тобто коефіцієнт шуму становить 3 дБ при високому посиленні, що більше, ніж шум у звичайному середовищі квазітрирівневого посилення з втратами. ASE та надлишковий шум зазвичай більші в лазерах із зворотним накачуванням.
Джерело світла насоса також створює певний шум. Ці шуми безпосередньо впливають на підсилення та вихідну потужність сигналу, але не впливають, коли частота шуму набагато більша, ніж зворотна величина часу життя верхнього енергетичного стану. (Лазерно-активні іони подібні до накопичувачів енергії, зменшуючи вплив високочастотних коливань потужності.) Зміни потужності насоса також викликають зміни температури, які потім перетворюються на фазові помилки.
Сам ASE може бути використаний як надвипромінюване джерело світла з низькою часовою когерентністю, яке необхідно для оптичного когерентного зображення. Надвипромінюване джерело світла схоже на волоконний лазер із високим коефіцієнтом посилення.