Penguat Gentian Optik

Penguat Fiber Optik ialah sejenis penguat optik yang menggunakan gentian optik sebagai medium perolehan. Biasanya, medium perolehan adalah gentian yang didop dengan ion nadir bumi, seperti erbium (EDFA, Penguat Gentian Berdop Erbium), neodymium, ytterbium (YDFA), praseodymium dan thulium. Dopan aktif ini dipam (disediakan dengan tenaga) oleh cahaya daripada laser, seperti laser diod gandingan gentian; dalam kebanyakan kes, lampu pam dan lampu isyarat yang dikuatkan bergerak serentak dalam teras gentian. Laser gentian biasa ialah penguat Raman (lihat rajah di bawah).

Rajah 1: Gambarajah skematik apenguat gentian dop erbium ringkas. Dua diod laser (LD) membekalkan tenaga pam kepada gentian terdop erbium, yang boleh menguatkan cahaya pada panjang gelombang sekitar 1550 nm. Dua pengasing Faraday gaya ekor kuda mengasingkan cahaya pantulan belakang, sekali gus menghapuskan kesannya pada peranti.
Pada mulanya, penguat gentian digunakan terutamanya untuk komunikasi gentian optik jarak jauh, di mana lampu isyarat perlu dikuatkan secara berkala. Situasi biasa ialah menggunakan laser gentian doped erbium, dan kuasa lampu isyarat di kawasan spektrum 1500nm adalah sederhana. Selepas itu, penguat gentian digunakan dalam bidang penting lain. Penguat gentian kuasa tinggi digunakan untuk pemprosesan bahan laser. Penguat ini biasanya menggunakan gentian dwipakaian berdop ytterbium, dan kawasan spektrum cahaya isyarat ialah 1030-1100nm. Kuasa optik output boleh mencapai beberapa kilowatt.
Oleh kerana kawasan mod kecil dan panjang gentian panjang, keuntungan tinggi berpuluh-puluh dB boleh diperolehi di bawah tindakan lampu pam kuasa sederhana, iaitu, kecekapan keuntungan tinggi (terutama untuk kuasa rendah) boleh diperolehi . peranti). Keuntungan maksimum biasanya dihadkan oleh ASE. Gentian mempunyai nisbah permukaan-ke-isipadu yang besar dan penghantaran mod tunggal yang stabil, jadi kuasa keluaran yang baik boleh dicapai, dan cahaya keluaran adalah rasuk terhad pembelauan, terutamanya apabila menggunakan gentian berlapis dua. Walau bagaimanapun, penguat gentian kuasa tinggi biasanya tidak mempunyai keuntungan yang sangat tinggi pada peringkat terakhir, sebahagiannya disebabkan oleh faktor kecekapan kuasa; rantai penguat kemudiannya diperlukan supaya preamp memberikan sebahagian besar keuntungan dan peringkat terakhir memberikan output kuasa tinggi.
Ketepuan perolehan penguat gentian agak berbeza daripada penguat optik semikonduktor (SOA). Oleh kerana keratan rentas peralihan yang kecil dan tenaga tepu yang tinggi, ia biasanya boleh mencapai beberapa puluh mJ dalam penguat gentian komunikasi doped erbium, dan ratusan mJ dalam penguat dop ytterbium dengan kawasan mod yang besar. Oleh itu, banyak tenaga (kadang-kadang beberapa mJ) boleh disimpan dalam penguat gentian dan kemudian diekstrak oleh nadi pendek. Hanya apabila tenaga nadi keluaran lebih tinggi daripada tenaga tepu, herotan nadi yang disebabkan oleh tepu adalah serius. Jika anda menguatkan laser yang dihasilkan oleh laser terkunci mod, keuntungan tepu adalah sama seperti menguatkan laser CW pada kuasa yang sama.
Ciri tepu ini sangat penting untuk komunikasi gentian optik kerana sebarang crosstalk antara simbol, yang berlaku dalam penguat optik semikonduktor, dielakkan.
Penguat gentian biasanya berfungsi di kawasan tepu yang kuat. Dengan cara ini, output maksimum boleh diperolehi, dan kesan perubahan sedikit dalam cahaya pam pada kuasa optik output isyarat akan dikurangkan.
Keuntungan maksimum biasanya bergantung pada pelepasan spontan yang diperkuat, bukan kuasa optik pam. Ia menunjukkan dirinya apabila keuntungan melebihi 40dB. Penguat keuntungan tinggi juga perlu menghapuskan pantulan parasit, yang boleh menghasilkan ayunan laser parasit dan juga merosakkan gentian, jadi pengasing optik biasanya ditambah pada input dan output.
ASE menyediakan had asas pada prestasi hingar penguat. Dalam penguat empat peringkat kehilangan rendah, hingar berlebihan boleh mencapai had teori, iaitu angka hingar ialah 3dB pada keuntungan tinggi, yang lebih besar daripada hingar dalam medium keuntungan kuasi tiga peringkat biasa. ASE dan hingar berlebihan biasanya lebih besar dalam laser yang dipam ke belakang.
Sumber cahaya pam juga memperkenalkan sedikit bunyi. Bunyi ini secara langsung menjejaskan keuntungan dan kuasa keluaran isyarat, tetapi tidak mempunyai kesan apabila frekuensi hingar jauh lebih besar daripada songsangan masa hayat keadaan tenaga atas. (Ion aktif laser adalah serupa dengan penyimpanan tenaga, mengurangkan kesan turun naik kuasa frekuensi tinggi.) Perubahan dalam kuasa pam juga menyebabkan perubahan suhu, yang kemudiannya diterjemahkan kepada ralat fasa.
ASE sendiri boleh digunakan sebagai sumber cahaya superradiant dengan koheren temporal yang rendah, yang diperlukan dalam pengimejan koheren optik. Sumber cahaya superradiant adalah serupa dengan laser gentian keuntungan tinggi.