Fiiberoptiline võimendi

Fiber Optical Amplifier on teatud tüüpi optiline võimendi, mis kasutab võimenduskandjana optilist kiudu. Tavaliselt on võimenduskeskkond kiud, mis on legeeritud haruldaste muldmetallide ioonidega, nagu erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodüüm, ytterbium (YDFA), praseodüüm ja toolium. Neid aktiivseid lisandeid pumbatakse (varustatakse energiaga) laseri valguse abil, näiteks fiibersidestatud dioodlaserist; enamikul juhtudel liiguvad pumba tuli ja võimendatud signaaltuli kiu südamikus üheaegselt. Tüüpiline kiudlaser on Ramani võimendi (vt joonist allpool).

Joonis 1: alihtne erbiumiga legeeritud fiiberoptimendi. Kaks laserdioodi (LD) annavad erbiumiga legeeritud kiududele pumbaenergiat, mis võib võimendada valgust lainepikkustel umbes 1550 nm. Kaks hobusesaba-stiilis Faraday isolaatorit isoleerivad tagasipeegelduva valguse, kõrvaldades seeläbi selle mõju seadmele.
Algselt kasutati fiiberoptilise side jaoks peamiselt kiudvõimendeid, mille puhul tuleb signaalvalgust perioodiliselt võimendada. Tüüpiline olukord on erbiumiga legeeritud kiudlaseri kasutamine ja signaalvalguse võimsus 1500 nm spektripiirkonnas on mõõdukas. Seejärel hakati kiudvõimendeid kasutama muudes olulistes valdkondades. Materjali lasertöötluseks kasutatakse suure võimsusega kiudvõimendeid. See võimendi kasutab tavaliselt ytterbium-legeeritud topeltkattega kiudu ja signaalvalguse spektripiirkond on 1030–1100 nm. Optiline väljundvõimsus võib ulatuda mitme kilovatini.
Tänu väikesele režiimialale ja pikale kiu pikkusele saab keskmise võimsusega pumbavalguse mõjul saavutada kümnete dB-de suure võimenduse, st saavutada suure võimendusefektiivsuse (eriti väikese võimsuse korral). . seade). Maksimaalset võimendust piirab tavaliselt ASE. Kiul on suur pinna-mahu suhe ja stabiilne ühemoodiline ülekanne, nii et on võimalik saavutada hea väljundvõimsus ja väljundvalgus on difraktsioonipiiranguga valgusvihk, eriti kui kasutatakse topeltkattega kiude. Suure võimsusega kiudvõimenditel ei ole aga tavaliselt viimasel etapil eriti suurt võimendust, mis on osaliselt tingitud energiatõhususe teguritest; siis on vaja võimendiketti, et eelvõimendi annaks suurema osa võimendusest ja viimane aste annaks suure väljundvõimsuse.
Kiudvõimendite küllastus on üsna erinev pooljuhtoptiliste võimendite (SOA) omast. Väikese ülemineku ristlõike ja kõrge küllastusenergia tõttu võib see tavaliselt ulatuda mitmekümne mJ-ni erbiumiga legeeritud sidekiudvõimendites ja sadade mJ-ni suurte režiimialadega ytterbiumiga legeeritud võimendites. Seetõttu saab kiudvõimendisse salvestada palju energiat (mõnikord mitu mJ) ja seejärel lühikese impulsi abil eraldada. Ainult siis, kui väljundimpulsi energia on küllastusenergiast suurem, on küllastumise põhjustatud impulsi moonutamine tõsine. Kui võimendate režiimilukuga laseriga toodetud laserit, on küllastusvõimendus sama, mis CW-laseri võimendamisel sama võimsusega.
Need küllastusomadused on fiiberoptilise side jaoks väga olulised, kuna välditakse pooljuhtide optilistes võimendites esinevat sümbolitevahelist läbirääkimist.
Kiudvõimendid töötavad tavaliselt tugeva küllastuse piirkonnas. Sel viisil on võimalik saavutada maksimaalne väljund ja väheneb pumba valgustuse kergete muutuste mõju signaali väljundi optilisele võimsusele.
Maksimaalne võimendus sõltub tavaliselt võimendatud spontaansest emissioonist, mitte pumba optilisest võimsusest. See avaldub siis, kui võimendus ületab 40dB. Suure võimendusega võimendid peavad kõrvaldama ka parasiitpeegeldused, mis võivad tekitada parasiitlaseri võnkumisi ja isegi kiudu kahjustada, nii et tavaliselt lisatakse sisendisse ja väljundisse optilised isolaatorid.
ASE annab põhipiirangu võimendi müra jõudlusele. Väikeste kadudega neljatasemelistes võimendites võib liigne müra ulatuda teoreetilise piirini, see tähendab, et suure võimenduse korral on müratase 3 dB, mis on suurem kui tavalise kadudega kvaasi-kolmetasemelise võimenduskeskkonna müra. ASE ja liigne müra on tagurpidi pumbatavate laserite puhul üldiselt suuremad.
Pumba valgusallikas tekitab ka mõningast müra. Need mürad mõjutavad otseselt võimendust ja signaali väljundvõimsust, kuid neil ei ole mõju, kui müra sagedus on palju suurem ülemise energia oleku eluea pöördväärtusest. (Laseraktiivsed ioonid on sarnased energia salvestamisele, vähendades kõrgsageduslike võimsuse kõikumiste mõju.) Pumba võimsuse muutused põhjustavad ka temperatuuri muutusi, mis seejärel väljenduvad faasivigadena.
ASE-d ennast saab kasutada madala ajalise koherentsusega ülikiirgusliku valgusallikana, mida on vaja optilise koherentse pildistamise korral. Ülikiirgusega valgusallikas sarnaneb suure võimendusega kiudlaseriga.