Fiberoptisk forsterker

Fiberoptisk forsterker er en slags optisk forsterker som bruker optisk fiber som forsterkningsmedium. Vanligvis er forsterkningsmediet fiberdopet med sjeldne jordarter, slik som erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodym, ytterbium (YDFA), praseodym og thulium. Disse aktive dopstoffene pumpes (forsynes med energi) av lys fra en laser, for eksempel en fiberkoblet diodelaser; i de fleste tilfeller beveger pumpelyset og det forsterkede signallyset seg samtidig i fiberkjernen. En typisk fiberlaser er en Raman-forsterker (se figur under).

Figur 1: Skjematisk diagram av enenkel erbium-dopet fiberforsterker. To laserdioder (LD-er) gir pumpeenergi til den erbium-dopede fiberen, som kan forsterke lys ved bølgelengder rundt 1550 nm. To Faraday-isolatorer i hestehale-stil isolerer bakreflektert lys, og eliminerer dermed effekten på enheten.
Opprinnelig ble fiberforsterkere hovedsakelig brukt til langdistanse fiberoptisk kommunikasjon, der signallys må forsterkes med jevne mellomrom. En typisk situasjon er å bruke en erbium-dopet fiberlaser, og kraften til signallyset i spektralområdet på 1500nm er moderat. Deretter ble fiberforsterkere brukt på andre viktige felt. Fiberforsterkere med høy effekt brukes til lasermaterialbehandling. Denne forsterkeren bruker vanligvis ytterbium-dopet dobbeltkledd fiber, og spektralområdet til signallyset er 1030-1100nm. Den optiske utgangseffekten kan nå flere kilowatt.
På grunn av det lille modusarealet og lange fiberlengden kan en høy forsterkning på titalls dB oppnås under påvirkning av pumpelyset med middels kraft, det vil si at en høy forsterkningseffektivitet (spesielt for lav effekt) kan oppnås . enhet). Den maksimale gevinsten er vanligvis begrenset av ASE. Fiberen har et stort overflate-til-volum-forhold og stabil enkeltmodustransmisjon, slik at god utgangseffekt kan oppnås, og utgangslyset er en diffraksjonsbegrenset stråle, spesielt ved bruk av dobbeltkledde fibre. Imidlertid har høyeffektfiberforsterkere vanligvis ikke særlig høy forsterkning i siste trinn, delvis på grunn av effekteffektivitetsfaktorer; det kreves da en forsterkerkjede slik at forforsterkeren gir mesteparten av forsterkningen og det siste trinnet gir høy effekt.
Forsterkningsmetningen til fiberforsterkere er ganske forskjellig fra den for optiske halvlederforsterkere (SOA). På grunn av det lille overgangstverrsnittet og høy metningsenergi, kan det vanligvis nå flere titalls mJ i erbium-dopet kommunikasjonsfiberforsterkere, og hundrevis av mJ i ytterbium-dopet forsterkere med store modusområder. Derfor kan mye energi (noen ganger flere mJ) lagres i fiberforsterkeren og deretter trekkes ut av en kort puls. Bare når utgangspulsenergien er høyere enn metningsenergien, er pulsforvrengningen forårsaket av metning alvorlig. Hvis du forsterker laseren produsert av en moduslåst laser, er metningsforsterkningen den samme som å forsterke en CW-laser med samme effekt.
Disse metningsegenskapene er svært viktige for fiberoptisk kommunikasjon fordi all intersymbolkrysstale, som forekommer i optiske halvlederforsterkere, unngås.
Fiberforsterkere fungerer vanligvis i det sterke metningsområdet. På denne måten kan den maksimale utgangen oppnås, og effekten av små endringer i pumpelyset på den optiske signaleffekten vil reduseres.
Maksimal forsterkning avhenger vanligvis av den forsterkede spontane emisjonen, ikke pumpens optiske kraft. Det manifesterer seg når forsterkningen overstiger 40dB. Høyforsterkede forsterkere må også eliminere parasittiske refleksjoner, som kan generere parasittiske laseroscillasjoner og til og med skade fiberen, så optiske isolatorer legges vanligvis til ved inngangen og utgangen.
ASE gir en grunnleggende grense for forsterkerens støyytelse. I fire-nivå forsterkere med lavt tap kan overskuddsstøyen nå den teoretiske grensen, det vil si at støytallet er 3dB ved høy forsterkning, som er større enn støyen i det vanlige tapsbaserte kvasi-tre-nivå forsterkningsmediet. ASE og overflødig støy er generelt større i bakoverpumpede lasere.
Pumpelyskilden introduserer også noe støy. Disse støyene påvirker forsterkningen og signalets utgangseffekt direkte, men har ingen effekt når støyfrekvensen er mye større enn det omvendte av den øvre energitilstandens levetid. (Laseraktive ioner ligner på energilagring, noe som reduserer effekten av høyfrekvente effektsvingninger.) Endringer i pumpeeffekt forårsaker også temperaturendringer, som da oversetter seg til fasefeil.
ASE i seg selv kan brukes som en superstrålende lyskilde med lav tidsmessig koherens, som er nødvendig i optisk koherent avbildning. En superstrålende lyskilde ligner på en fiberlaser med høy forsterkning.