Faseroptischer Verstärker

Der faseroptische Verstärker ist eine Art optischer Verstärker, der Glasfasern als Verstärkungsmedium verwendet. Typischerweise handelt es sich bei dem Verstärkungsmedium um Fasern, die mit Seltenerdionen wie Erbium (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), Neodym, Ytterbium (YDFA), Praseodym und Thulium dotiert sind. Diese aktiven Dotierstoffe werden durch Licht eines Lasers, beispielsweise eines fasergekoppelten Diodenlasers, gepumpt (mit Energie versorgt); In den meisten Fällen bewegen sich das Pumplicht und das verstärkte Signallicht gleichzeitig im Faserkern. Ein typischer Faserlaser ist ein Raman-Verstärker (siehe Abbildung unten).

Abbildung 1: Schematische Darstellung eineseinfacher Erbium-dotierter Faserverstärker. Zwei Laserdioden (LDs) versorgen die mit Erbium dotierte Faser mit Pumpenergie, die Licht bei Wellenlängen um 1550 nm verstärken kann. Zwei Faraday-Isolatoren im Pferdeschwanz-Stil isolieren zurückreflektiertes Licht und eliminieren so dessen Auswirkungen auf das Gerät.
Ursprünglich wurden Faserverstärker hauptsächlich für die Glasfaserkommunikation über große Entfernungen eingesetzt, bei der das Signallicht periodisch verstärkt werden muss. Eine typische Situation ist die Verwendung eines Erbium-dotierten Faserlasers und die Leistung des Signallichts im 1500-nm-Spektralbereich ist mäßig. Anschließend wurden Faserverstärker in anderen wichtigen Bereichen eingesetzt. Für die Lasermaterialbearbeitung werden Hochleistungsfaserverstärker eingesetzt. Dieser Verstärker verwendet normalerweise eine mit Ytterbium dotierte Doppelmantelfaser und der Spektralbereich des Signallichts beträgt 1030–1100 nm. Die optische Ausgangsleistung kann mehrere Kilowatt erreichen.
Aufgrund der kleinen Modenfläche und der langen Faserlänge kann unter der Wirkung des Pumplichts mittlerer Leistung eine hohe Verstärkung von mehreren zehn dB erzielt werden, d. h. es kann eine hohe Verstärkungseffizienz (insbesondere bei geringer Leistung) erzielt werden . Gerät). Der maximale Gewinn wird normalerweise durch ASE begrenzt. Die Faser verfügt über ein großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis und eine stabile Singlemode-Übertragung, sodass eine gute Ausgangsleistung erzielt werden kann und das Ausgangslicht ein beugungsbegrenzter Strahl ist, insbesondere bei Verwendung von doppelt ummantelten Fasern. Hochleistungs-Faserverstärker weisen in der letzten Stufe jedoch typischerweise keine sehr hohe Verstärkung auf, was zum Teil auf Energieeffizienzfaktoren zurückzuführen ist; Dann ist eine Verstärkerkette erforderlich, sodass der Vorverstärker den größten Teil der Verstärkung liefert und die letzte Stufe eine hohe Ausgangsleistung liefert.
Die Verstärkungssättigung von Faserverstärkern unterscheidet sich erheblich von der von optischen Halbleiterverstärkern (SOAs). Aufgrund des kleinen Übergangsquerschnitts und der hohen Sättigungsenergie kann sie in Erbium-dotierten Kommunikationsfaserverstärkern normalerweise mehrere zehn mJ und in Ytterbium-dotierten Verstärkern mit großen Modenflächen Hunderte von mJ erreichen. Daher kann viel Energie (manchmal mehrere mJ) im Faserverstärker gespeichert und dann durch einen kurzen Impuls extrahiert werden. Nur wenn die Ausgangsimpulsenergie höher als die Sättigungsenergie ist, ist die durch die Sättigung verursachte Impulsverzerrung schwerwiegend. Wenn Sie den von einem modengekoppelten Laser erzeugten Laser verstärken, ist der Sättigungsgewinn derselbe wie bei der Verstärkung eines CW-Lasers mit derselben Leistung.
Diese Sättigungseigenschaften sind für die Glasfaserkommunikation sehr wichtig, da jegliches Intersymbol-Übersprechen, das bei optischen Halbleiterverstärkern auftritt, vermieden wird.
Faserverstärker arbeiten normalerweise im starken Sättigungsbereich. Auf diese Weise kann die maximale Leistung erzielt werden und die Auswirkung geringfügiger Änderungen des Pumplichts auf die optische Leistung des Signalausgangs wird verringert.
Der maximale Gewinn hängt normalerweise von der verstärkten spontanen Emission ab, nicht von der optischen Pumpleistung. Es macht sich bemerkbar, wenn die Verstärkung 40 dB überschreitet. Hochleistungsverstärker müssen außerdem parasitäre Reflexionen eliminieren, die parasitäre Laseroszillationen erzeugen und sogar die Faser beschädigen können. Daher werden am Ein- und Ausgang normalerweise optische Isolatoren hinzugefügt.
ASE stellt eine grundlegende Grenze für die Rauschleistung des Verstärkers dar. Bei verlustarmen Vierstufenverstärkern kann das überschüssige Rauschen die theoretische Grenze erreichen, d. ASE und überschüssiges Rauschen sind bei rückwärtsgepumpten Lasern im Allgemeinen größer.
Die Pumplichtquelle verursacht auch etwas Rauschen. Dieses Rauschen wirkt sich direkt auf die Verstärkung und die Signalausgangsleistung aus, hat jedoch keine Auswirkung, wenn die Rauschfrequenz viel größer ist als der Kehrwert der Lebensdauer des oberen Energiezustands. (Laseraktive Ionen ähneln einer Energiespeicherung und reduzieren die Auswirkungen hochfrequenter Leistungsschwankungen.) Änderungen der Pumpleistung verursachen auch Temperaturänderungen, die sich dann in Phasenfehlern niederschlagen.
ASE selbst kann als superstrahlende Lichtquelle mit geringer zeitlicher Kohärenz verwendet werden, die für die optische kohärente Bildgebung benötigt wird. Eine superstrahlende Lichtquelle ähnelt einem Faserlaser mit hoher Verstärkung.