Fiber Optical Amplifier

Ang Fiber Optical Amplifier ay isang uri ng optical amplifier na gumagamit ng optical fiber bilang gain medium. Kadalasan, ang gain medium ay fiber doped na may rare earth ions, gaya ng erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodymium, ytterbium (YDFA), praseodymium at thulium. Ang mga aktibong dopant na ito ay binobomba (na binibigyan ng enerhiya) sa pamamagitan ng liwanag mula sa isang laser, tulad ng isang fiber-coupled diode laser; sa karamihan ng mga kaso, ang pump light at ang amplified signal light ay sabay na naglalakbay sa fiber core. Ang isang tipikal na fiber laser ay isang Raman amplifier (tingnan ang figure sa ibaba).

Figure 1: Schematic diagram ng asimpleng erbium-doped fiber amplifier. Dalawang laser diode (LDs) ang nagbibigay ng pump energy sa erbium-doped fiber, na maaaring magpalakas ng liwanag sa mga wavelength sa paligid ng 1550 nm. Dalawang nakapusod na naka-istilong Faraday isolator ang naghihiwalay sa back-reflected light, kaya inaalis ang epekto nito sa device.
Sa una, ang mga fiber amplifier ay pangunahing ginagamit para sa long-distance fiber-optic na komunikasyon, kung saan ang signal light ay kailangang pana-panahong palakasin. Ang isang tipikal na sitwasyon ay ang paggamit ng isang erbium-doped fiber laser, at ang kapangyarihan ng signal light sa 1500nm spectral na rehiyon ay katamtaman. Kasunod nito, ginamit ang mga fiber amplifier sa iba pang mahahalagang larangan. Ang mga high power fiber amplifier ay ginagamit para sa pagproseso ng materyal ng laser. Ang amplifier na ito ay karaniwang gumagamit ng ytterbium-doped double-clad fiber, at ang spectral na rehiyon ng signal light ay 1030-1100nm. Ang output optical power ay maaaring umabot ng ilang kilowatts.
Dahil sa maliit na lugar ng mode at mahabang haba ng hibla, ang isang mataas na pakinabang ng sampu-sampung dB ay maaaring makuha sa ilalim ng pagkilos ng pump light ng katamtamang kapangyarihan, ibig sabihin, ang isang mataas na pakinabang na kahusayan (lalo na para sa mababang kapangyarihan) ay maaaring makuha. . aparato). Ang pinakamataas na pakinabang ay karaniwang nililimitahan ng ASE. Ang fiber ay may malaking surface-to-volume ratio at stable single-mode transmission, kaya magandang output power ay maaaring makamit, at ang output light ay isang diffraction-limited beam, lalo na kapag gumagamit ng double-clad fibers. Gayunpaman, ang mga high power fiber amplifier ay karaniwang walang napakataas na pakinabang sa huling yugto, sa bahagi dahil sa mga salik ng kahusayan ng kuryente; ang isang amplifier chain ay kinakailangan upang ang preamp ay nagbibigay ng karamihan sa mga pakinabang at ang huling yugto ay nagbibigay ng mataas na power output.
Ang pagkakaroon ng saturation ng fiber amplifiers ay medyo naiiba mula sa semiconductor optical amplifier (SOAs). Dahil sa maliit na transition cross section at mataas na saturation na enerhiya, kadalasang maaabot nito ang ilang sampu ng mJ sa erbium-doped communication fiber amplifier, at daan-daang mJ sa ytterbium-doped amplifier na may malalaking mode area. Samakatuwid, maraming enerhiya (minsan ilang mJ) ang maaaring maimbak sa fiber amplifier at pagkatapos ay makuha sa pamamagitan ng isang maikling pulso. Tanging kapag ang output pulse energy ay mas mataas kaysa sa saturation energy, ang pulse distortion na dulot ng saturation ay seryoso. Kung palakasin mo ang laser na ginawa ng isang mode-locked laser, ang saturation gain ay kapareho ng pagpapalakas ng CW laser sa parehong kapangyarihan.
Ang mga katangian ng saturation na ito ay napakahalaga para sa fiber optic na komunikasyon dahil ang anumang intersymbol crosstalk, na nangyayari sa mga semiconductor optical amplifier, ay iniiwasan.
Karaniwang gumagana ang mga fiber amplifier sa malakas na rehiyon ng saturation. Sa ganitong paraan, ang maximum na output ay maaaring makuha, at ang epekto ng bahagyang pagbabago sa pump light sa signal output optical power ay mababawasan.
Ang maximum na nakuha ay karaniwang nakasalalay sa pinalakas na kusang paglabas, hindi sa pump optical power. Ito ay nagpapakita ng sarili kapag ang nakuha ay lumampas sa 40dB. Kailangan din ng mga high-gain na amplifier na alisin ang mga pagmuni-muni ng parasitiko, na maaaring makabuo ng mga parasitic laser oscillations at makapinsala pa sa fiber, kaya kadalasang idinaragdag ang mga optical isolator sa input at output.
Nagbibigay ang ASE ng pangunahing limitasyon sa pagganap ng ingay ng amplifier. Sa low-loss four-level amplifier, ang labis na ingay ay maaaring umabot sa teoretikal na limitasyon, iyon ay, ang ingay na pigura ay 3dB sa mataas na pakinabang, na mas malaki kaysa sa ingay sa karaniwang lossy quasi-three-level gain medium. Ang ASE at labis na ingay ay karaniwang mas malaki sa mga backward pumped laser.
Ang pinagmumulan ng ilaw ng bomba ay nagpapakilala rin ng ilang ingay. Ang mga ingay na ito ay direktang nakakaapekto sa pagtaas at kapangyarihan ng output ng signal, ngunit walang epekto kapag ang dalas ng ingay ay mas malaki kaysa sa kabaligtaran ng pang-itaas na estado ng buhay ng enerhiya. (Ang mga laser-active ions ay katulad ng pag-iimbak ng enerhiya, na binabawasan ang mga epekto ng mataas na dalas ng pagbabagu-bago ng kapangyarihan.) Ang mga pagbabago sa pump power ay nagdudulot din ng mga pagbabago sa temperatura, na pagkatapos ay isinasalin sa mga phase error.
Ang ASE mismo ay maaaring gamitin bilang isang superradiant light source na may mababang temporal na pagkakaugnay, na kinakailangan sa optical coherent imaging. Ang isang superradiant light source ay katulad ng isang high gain fiber laser.