Glasvezelversterker

Fiber Optical Amplifier is een soort optische versterker die optische vezels gebruikt als versterkingsmedium. Gewoonlijk is het versterkingsmedium vezelgedoteerd met zeldzame-aarde-ionen, zoals erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodymium, ytterbium (YDFA), praseodymium en thulium. Deze actieve doteerstoffen worden gepompt (voorzien van energie) door licht van een laser, zoals een fiber-gekoppelde diodelaser; in de meeste gevallen reizen het pomplicht en het versterkte signaallicht gelijktijdig door de vezelkern. Een typische fiberlaser is een Raman-versterker (zie onderstaande figuur).

Figuur 1: Schematisch diagram van eeneenvoudige met erbium gedoteerde vezelversterker. Twee laserdiodes (LD's) leveren pompenergie aan de met erbium gedoteerde vezel, die licht kan versterken bij golflengten rond 1550 nm. Twee Faraday-isolatoren in paardenstaartstijl isoleren teruggekaatst licht, waardoor het effect op het apparaat wordt geëlimineerd.
Aanvankelijk werden glasvezelversterkers vooral gebruikt voor glasvezelcommunicatie over lange afstanden, waarbij signaallicht periodiek moet worden versterkt. Een typische situatie is het gebruik van een met erbium gedoteerde fiberlaser en de kracht van het signaallicht in het spectrale gebied van 1500 nm is matig. Vervolgens werden glasvezelversterkers op andere belangrijke gebieden gebruikt. Voor de verwerking van lasermateriaal worden krachtige vezelversterkers gebruikt. Deze versterker gebruikt meestal met ytterbium gedoteerde dubbel beklede vezels en het spectrale gebied van het signaallicht is 1030-1100nm. Het optische uitgangsvermogen kan enkele kilowatt bereiken.
Vanwege het kleine modusgebied en de lange vezellengte kan een hoge versterking van tientallen dB worden verkregen onder invloed van de pomplicht van gemiddeld vermogen, dat wil zeggen, een hoge versterkingsefficiëntie (vooral voor laag vermogen) kan worden verkregen . apparaat). De maximale versterking wordt meestal beperkt door ASE. De vezel heeft een grote oppervlakte-tot-volumeverhouding en stabiele single-mode transmissie, zodat een goed uitgangsvermogen kan worden bereikt en het uitgangslicht een diffractiebeperkte straal is, vooral bij gebruik van dubbel beklede vezels. Vezelversterkers met hoog vermogen hebben echter doorgaans geen erg hoge versterking in de laatste trap, deels vanwege vermogensefficiëntiefactoren; er is dan een versterkerketen nodig zodat de voorversterker het grootste deel van de versterking levert en de laatste trap een hoog uitgangsvermogen geeft.
De versterkingsverzadiging van glasvezelversterkers verschilt nogal van die van optische halfgeleiderversterkers (SOA's). Vanwege de kleine overgangsdoorsnede en hoge verzadigingsenergie, kan het gewoonlijk enkele tientallen mJ bereiken in met erbium gedoteerde communicatievezelversterkers, en honderden mJ in met ytterbium gedoteerde versterkers met grote modusgebieden. Daardoor kan veel energie (soms meerdere mJ) in de glasvezelversterker worden opgeslagen en vervolgens met een korte puls worden onttrokken. Alleen wanneer de uitgangspulsenergie hoger is dan de verzadigingsenergie, is de door verzadiging veroorzaakte pulsvervorming ernstig. Als u de laser versterkt die wordt geproduceerd door een laser met modusvergrendeling, is de verzadigingsversterking hetzelfde als het versterken van een CW-laser met hetzelfde vermogen.
Deze verzadigingskarakteristieken zijn erg belangrijk voor glasvezelcommunicatie omdat elke intersymbooloverspraak, die optreedt in optische halfgeleiderversterkers, wordt vermeden.
Vezelversterkers werken meestal in het sterke verzadigingsgebied. Op deze manier kan de maximale uitvoer worden verkregen en wordt het effect van kleine veranderingen in het pomplicht op het optische uitgangsvermogen van het signaal verminderd.
De maximale versterking hangt meestal af van de versterkte spontane emissie, niet van het optische vermogen van de pomp. Het manifesteert zich wanneer de versterking groter is dan 40dB. High-gain versterkers moeten ook parasitaire reflecties elimineren, die parasitaire laseroscillaties kunnen genereren en zelfs de vezel kunnen beschadigen, dus optische isolatoren worden meestal toegevoegd aan de invoer en uitvoer.
ASE biedt een fundamentele limiet aan de ruisprestaties van versterkers. In verliesarme versterkers met vier niveaus kan de overtollige ruis de theoretische limiet bereiken, dat wil zeggen, het ruisgetal is 3dB bij hoge versterking, wat groter is dan de ruis in het gebruikelijke verliesgevende quasi-drie-niveau versterkingsmedium. ASE en overtollige ruis zijn over het algemeen groter bij achterwaarts gepompte lasers.
De lichtbron van de pomp introduceert ook wat geluid. Deze ruis heeft een directe invloed op de versterking en het uitgangsvermogen van het signaal, maar heeft geen effect wanneer de ruisfrequentie veel groter is dan het omgekeerde van de levensduur van de bovenste energietoestand. (Laseractieve ionen zijn vergelijkbaar met energieopslag, waardoor de effecten van hoogfrequente stroomfluctuaties worden verminderd.) Veranderingen in het pompvermogen veroorzaken ook temperatuurveranderingen, die zich vervolgens vertalen in fasefouten.
ASE zelf kan worden gebruikt als een superstralende lichtbron met lage temporele coherentie, wat nodig is bij optische coherente beeldvorming. Een superstralende lichtbron is vergelijkbaar met een high-gain fiberlaser.