Fiber Optik Amplifikatör

Fiber Optik Amplifikatör, kazanç ortamı olarak optik fiber kullanan bir tür optik amplifikatördür. Tipik olarak kazanç ortamı, erbiyum (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodim, iterbiyum (YDFA), praseodim ve tülyum gibi nadir toprak iyonlarıyla katkılanmış fiberdir. Bu aktif katkı maddeleri, fiber-bağlı diyot lazer gibi bir lazerden gelen ışıkla pompalanır (enerji sağlanır); çoğu durumda, pompa ışığı ve güçlendirilmiş sinyal ışığı, fiber çekirdekte aynı anda hareket eder. Tipik bir fiber lazer, bir Raman amplifikatörüdür (aşağıdaki şekle bakın).

Şekil 1: Bir a'nın şematik diyagramıbasit erbiyum katkılı fiber amplifikatör. İki lazer diyodu (LD'ler), 1550 nm civarındaki dalga boylarında ışığı yükseltebilen erbiyum katkılı fibere pompa enerjisi sağlar. İki atkuyruğu tarzı Faraday izolatörü, geri yansıyan ışığı yalıtarak cihaz üzerindeki etkisini ortadan kaldırır.
Başlangıçta, fiber yükselticiler esas olarak, sinyal ışığının periyodik olarak yükseltilmesi gereken uzun mesafeli fiber optik iletişim için kullanılıyordu. Tipik bir durum, erbiyum katkılı bir fiber lazer kullanmaktır ve 1500nm spektral bölgedeki sinyal ışığının gücü orta düzeydedir. Daha sonra diğer önemli alanlarda fiber yükselteçler kullanılmaya başlandı. Lazer malzeme işleme için yüksek güçlü fiber amplifikatörler kullanılır. Bu amplifikatör genellikle iterbiyum katkılı çift kaplı fiber kullanır ve sinyal ışığının spektral bölgesi 1030-1100nm'dir. Çıkış optik gücü birkaç kilovata ulaşabilir.
Küçük mod alanı ve uzun fiber uzunluğu nedeniyle, orta güçteki pompa ışığının etkisi altında onlarca dB'lik yüksek bir kazanç elde edilebilir, yani yüksek bir kazanç verimliliği (özellikle düşük güç için) elde edilebilir. . cihaz). Maksimum kazanç genellikle ASE ile sınırlıdır. Fiber, büyük bir yüzey-hacim oranına ve kararlı tek modlu iletime sahiptir, bu nedenle iyi çıkış gücü elde edilebilir ve çıkış ışığı, özellikle çift kaplı fiberler kullanıldığında kırınımla sınırlı bir ışındır. Bununla birlikte, kısmen güç verimliliği faktörlerinden dolayı, yüksek güçlü fiber amplifikatörler tipik olarak son aşamada çok yüksek kazanca sahip değildir; daha sonra bir amplifikatör zinciri gereklidir, böylece ön amplifikatör kazancın çoğunu sağlar ve son aşama yüksek güç çıkışı verir.
Fiber yükselticilerin kazanç doygunluğu, yarı iletken optik yükselticilerden (SOA'lar) oldukça farklıdır. Küçük geçiş kesiti ve yüksek doygunluk enerjisi nedeniyle, genellikle erbiyum katkılı iletişim fiber amplifikatörlerinde birkaç on mJ'ye ve büyük mod alanlarına sahip iterbiyum katkılı amplifikatörlerde yüzlerce mJ'ye ulaşabilir. Bu nedenle, fiber yükselticide çok fazla enerji (bazen birkaç mJ) depolanabilir ve ardından kısa bir darbe ile çıkarılabilir. Yalnızca çıkış darbe enerjisi doygunluk enerjisinden yüksek olduğunda, doygunluğun neden olduğu darbe bozulması ciddidir. Mod kilitli bir lazer tarafından üretilen lazeri yükseltirseniz, doygunluk kazancı aynı güçte bir CW lazeri yükseltmekle aynıdır.
Bu doygunluk özellikleri, fiber optik iletişim için çok önemlidir çünkü yarı iletken optik amplifikatörlerde meydana gelen herhangi bir semboller arası karışma önlenir.
Fiber amplifikatörler genellikle güçlü doygunluk bölgesinde çalışır. Bu şekilde maksimum çıkış elde edilebilir ve pompa ışığındaki küçük değişikliklerin sinyal çıkış optik gücü üzerindeki etkisi azaltılır.
Maksimum kazanç genellikle pompanın optik gücüne değil, yükseltilmiş spontan emisyona bağlıdır. Kazanç 40dB'yi aştığında kendini gösterir. Yüksek kazançlı amplifikatörlerin ayrıca parazitik lazer salınımları oluşturabilen ve hatta fibere zarar verebilen parazitik yansımaları ortadan kaldırması gerekir, bu nedenle genellikle giriş ve çıkışa optik izolatörler eklenir.
ASE, amplifikatör gürültü performansı üzerinde temel bir sınır sağlar. Düşük kayıplı dört seviyeli amplifikatörlerde, aşırı gürültü teorik sınıra ulaşabilir, yani yüksek kazançta gürültü rakamı 3dB'dir ve bu, normal kayıplı yarı üç seviyeli kazanç ortamındaki gürültüden daha büyüktür. ASE ve aşırı gürültü genellikle geriye doğru pompalanan lazerlerde daha fazladır.
Pompa ışık kaynağı da biraz gürültüye neden olur. Bu gürültüler, kazancı ve sinyal çıkış gücünü doğrudan etkiler, ancak gürültü frekansı, üst enerji durumu ömrünün tersinden çok daha büyük olduğunda hiçbir etkisi olmaz. (Lazer aktif iyonlar enerji depolamaya benzer, yüksek frekanslı güç dalgalanmalarının etkilerini azaltır.) Pompa gücündeki değişiklikler ayrıca sıcaklık değişikliklerine neden olur ve bu da faz hatalarına dönüşür.
ASE'nin kendisi, optik tutarlı görüntülemede gerekli olan, düşük zamansal tutarlılığa sahip süper parlak bir ışık kaynağı olarak kullanılabilir. Süper parlak bir ışık kaynağı, yüksek kazançlı bir fiber lazere benzer.