Kuituoptinen vahvistin

Kuituoptinen vahvistin on eräänlainen optinen vahvistin, joka käyttää optista kuitua vahvistusvälineenä. Tyypillisesti vahvistusväliaine on kuitua, joka on seostettu harvinaisilla maametalli-ioneilla, kuten erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodyymi, ytterbium (YDFA), praseodyymi ja tuliumilla. Nämä aktiiviset seostusaineet pumpataan (saatavilla energialla) valolla laserista, kuten kuitukytketystä diodilaserista; useimmissa tapauksissa pumpun valo ja vahvistettu merkkivalo kulkevat samanaikaisesti kuituytimessä. Tyypillinen kuitulaser on Raman-vahvistin (katso alla oleva kuva).

Kuva 1: Kaaviokaavio ayksinkertainen erbium-seostettu kuituvahvistin. Kaksi laserdiodia (LDs) tarjoavat pumppuenergiaa erbium-seostetulle kuidulle, joka voi vahvistaa valoa aallonpituuksilla noin 1550 nm. Kaksi poninhäntätyylistä Faraday-isolaattoria eristävät takaisin heijastuneen valon, mikä eliminoi sen vaikutuksen laitteeseen.
Aluksi kuituvahvistimia käytettiin pääasiassa pitkän matkan kuituoptiseen viestintään, jossa signaalivaloa on vahvistettava ajoittain. Tyypillinen tilanne on käyttää erbiumseostettua kuitulaseria ja signaalivalon teho 1500nm spektrialueella on kohtalainen. Myöhemmin kuituvahvistimia käytettiin muilla tärkeillä aloilla. Suuritehoisia kuituvahvistimia käytetään lasermateriaalien käsittelyyn. Tämä vahvistin käyttää yleensä ytterbium-seostettua kaksoispäällystettyä kuitua, ja signaalivalon spektrialue on 1030-1100nm. Optinen lähtöteho voi olla useita kilowatteja.
Pienen tila-alueen ja pitkän kuidun pituuden ansiosta keskitehoisen pumpun valon vaikutuksesta voidaan saada kymmenien dB suuruinen vahvistus, eli korkea vahvistushyötysuhde (erityisesti pienellä teholla) . laite). Maksimivahvistusta rajoittaa yleensä ASE. Kuidulla on suuri pinta-tilavuussuhde ja vakaa yksimuotoinen lähetys, joten voidaan saavuttaa hyvä lähtöteho, ja lähtövalo on diffraktiorajoitettu säde, erityisesti käytettäessä kaksoispäällysteisiä kuituja. Suuritehoisilla kuituvahvistimilla ei kuitenkaan tyypillisesti ole kovin suurta vahvistusta viimeisessä vaiheessa, mikä johtuu osittain tehon hyötysuhdetekijöistä; silloin tarvitaan vahvistinketju, jotta esivahvistin tuottaa suurimman osan vahvistuksesta ja viimeinen vaihe antaa korkean tehon.
Kuituvahvistimien vahvistuskyllästys on aivan erilainen kuin puolijohdeoptisten vahvistimien (SOA). Pienen siirtymäpoikkileikkauksen ja suuren saturaatioenergian vuoksi se voi yleensä saavuttaa useita kymmeniä mJ erbium-seostetuissa viestintäkuituvahvistimissa ja satoja mJ ytterbium-seostetuissa vahvistimissa, joissa on suuret tila-alueet. Tästä syystä kuituvahvistimeen voidaan varastoida paljon energiaa (joskus useita mJ) ja ottaa sitten pois lyhyellä pulssilla. Vain silloin, kun ulostulopulssienergia on korkeampi kuin kyllästysenergia, kyllästyksen aiheuttama pulssivääristymä on vakava. Jos vahvistat tilalukitun laserin tuottamaa laseria, kyllästysvahvistus on sama kuin CW-laserin vahvistaminen samalla teholla.
Nämä kyllästymisominaisuudet ovat erittäin tärkeitä valokuituviestinnässä, koska puolijohdeoptisissa vahvistimissa esiintyvä symbolien välinen ylikuuluminen vältetään.
Kuituvahvistimet toimivat yleensä vahvalla saturaatioalueella. Tällä tavalla voidaan saavuttaa maksimiteho ja pienten pumpun valon muutosten vaikutus signaalin ulostulon optiseen tehoon vähenee.
Maksimivahvistus riippuu yleensä vahvistetusta spontaanista emissiosta, ei pumpun optisesta tehosta. Se ilmenee, kun vahvistus ylittää 40 dB. Korkean vahvistuksen vahvistimien on myös eliminoitava loisheijastukset, jotka voivat synnyttää loislaserin värähtelyjä ja jopa vahingoittaa kuitua, joten optiset isolaattorit lisätään yleensä tuloon ja lähtöön.
ASE tarjoaa perustavanlaatuisen rajan vahvistimen kohinan suorituskyvylle. Pienihäviöisissä nelitasoisissa vahvistimissa ylimääräinen kohina voi saavuttaa teoreettisen rajan, eli kohinaluku on 3 dB suurella vahvistuksella, mikä on suurempi kuin tavallisen häviöllisen kvasi-kolmitason vahvistusmedian kohina. ASE ja ylimääräinen kohina ovat yleensä suurempia taaksepäin pumpatuissa lasereissa.
Pumpun valonlähde aiheuttaa myös jonkin verran melua. Nämä kohinat vaikuttavat suoraan vahvistukseen ja signaalin lähtötehoon, mutta niillä ei ole vaikutusta, kun kohinan taajuus on paljon suurempi kuin ylemmän energiatilan käyttöiän käänteisarvo. (Laseraktiiviset ionit ovat samanlaisia ​​kuin energian varastointi, mikä vähentää suurtaajuisten tehonvaihteluiden vaikutuksia.) Muutokset pumpun tehossa aiheuttavat myös lämpötilan muutoksia, jotka sitten muuttuvat vaihevirheiksi.
Itse ASE:ta voidaan käyttää supersäteilyttävänä valonlähteenä, jolla on matala ajallinen koherenssi, jota tarvitaan optisessa koherentissa kuvantamisessa. Supersäteilevä valonlähde on samanlainen kuin suuritehoinen kuitulaser.