Волоконно-оптический усилитель

Волоконно-оптический усилитель представляет собой разновидность оптического усилителя, использующего оптоволокно в качестве среды усиления. Как правило, усиливающая среда представляет собой волокно, легированное редкоземельными ионами, такими как эрбий (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), неодим, иттербий (YDFA), празеодим и тулий. Эти активные примеси накачиваются (снабжаются энергией) светом лазера, такого как диодный лазер с волоконной связью; в большинстве случаев свет накачки и усиленный сигнальный свет проходят по сердцевине волокна одновременно. Типичный волоконный лазер представляет собой рамановский усилитель (см. рисунок ниже).

Рисунок 1: Схематическая диаграммапростой усилитель на волокне, легированном эрбием. Два лазерных диода (ЛД) подают энергию накачки в легированное эрбием волокно, которое может усиливать свет на длинах волн около 1550 нм. Два изолятора Фарадея типа «конский хвост» изолируют отраженный назад свет, тем самым устраняя его влияние на устройство.
Первоначально волоконные усилители в основном использовались для дальней оптоволоконной связи, в которой сигнальный свет необходимо периодически усиливать. Типичной ситуацией является использование волоконного лазера, легированного эрбием, при умеренной мощности сигнального света в спектральной области 1500 нм. Впоследствии волоконные усилители стали использоваться и в других важных областях. Волоконные усилители высокой мощности используются для лазерной обработки материалов. В этом усилителе обычно используется волокно с двойной оболочкой, легированное иттербием, а спектральная область сигнального света составляет 1030-1100 нм. Выходная оптическая мощность может достигать нескольких киловатт.
За счет малой площади моды и большой длины волокна можно получить высокий коэффициент усиления в десятки дБ при воздействии света накачки средней мощности, то есть получить высокую эффективность усиления (особенно для малой мощности). . устройство). Максимальное усиление обычно ограничивается ASE. Волокно имеет большое отношение поверхности к объему и стабильную одномодовую передачу, поэтому может быть достигнута хорошая выходная мощность, а выходной свет представляет собой луч с ограниченной дифракцией, особенно при использовании волокон с двойной оболочкой. Однако мощные оптоволоконные усилители обычно не имеют очень высокого коэффициента усиления на последнем этапе, отчасти из-за коэффициентов энергоэффективности; Затем требуется цепь усилителя, чтобы предусилитель обеспечивал большую часть усиления, а последний каскад давал высокую выходную мощность.
Насыщение усиления волоконных усилителей сильно отличается от насыщения полупроводниковых оптических усилителей (ПОУ). Из-за малого сечения перехода и высокой энергии насыщения она обычно может достигать нескольких десятков мДж в усилителях на волокнах связи, легированных эрбием, и сотен мДж в усилителях, легированных иттербием, с большими площадями мод. Поэтому большое количество энергии (иногда несколько мДж) может накапливаться в волоконном усилителе, а затем извлекаться коротким импульсом. Только когда энергия выходного импульса выше энергии насыщения, искажение импульса, вызванное насыщением, является серьезным. Если вы усиливаете лазер, созданный лазером с синхронизацией мод, коэффициент насыщения будет таким же, как при усилении лазера непрерывного действия при той же мощности.
Эти характеристики насыщения очень важны для оптоволоконной связи, поскольку исключаются любые межсимвольные перекрестные помехи, возникающие в полупроводниковых оптических усилителях.
Волоконные усилители обычно работают в области сильного насыщения. Таким образом, можно получить максимальный выходной сигнал, а влияние небольших изменений света накачки на оптическую мощность выходного сигнала будет уменьшено.
Максимальное усиление обычно зависит от усиленного спонтанного излучения, а не от оптической мощности накачки. Проявляется, когда усиление превышает 40дБ. Усилители с высоким коэффициентом усиления также должны устранять паразитные отражения, которые могут генерировать паразитные лазерные колебания и даже повреждать волокно, поэтому на входе и выходе обычно добавляются оптические изоляторы.
ASE обеспечивает фундаментальное ограничение шумовых характеристик усилителя. В четырехуровневых усилителях с малыми потерями избыточный шум может достигать теоретического предела, то есть коэффициент шума составляет 3 дБ при большом усилении, что больше, чем шум в обычной среде с квазитрехуровневым усилением с потерями. ASE и избыточный шум обычно больше в лазерах с обратной накачкой.
Источник света накачки также вносит некоторый шум. Эти шумы напрямую влияют на коэффициент усиления и выходную мощность сигнала, но не оказывают никакого влияния, когда частота шума намного больше обратной величины времени жизни верхнего энергетического состояния. (Лазерно-активные ионы аналогичны накоплению энергии, уменьшая влияние высокочастотных колебаний мощности.) Изменения мощности накачки также вызывают изменения температуры, которые затем переходят в фазовые ошибки.
Сам ASE может использоваться как сверхизлучающий источник света с низкой временной когерентностью, которая необходима для получения оптических когерентных изображений. Сверхизлучающий источник света похож на волоконный лазер с высоким коэффициентом усиления.