تقویت کننده فیبر نوری

تقویت کننده فیبر نوری نوعی تقویت کننده نوری است که از فیبر نوری به عنوان رسانه بهره استفاده می کند. به طور معمول، محیط افزایش فیبر دوپ شده با یون های خاکی کمیاب، مانند اربیوم (EDFA، تقویت کننده فیبر دوپ شده با اربیوم)، نئودیمیم، ایتربیوم (YDFA)، پرازئودیمیم و تولیوم است. این مواد ناخالص فعال توسط نور لیزر مانند لیزر دیود فیبر کوپل شده (با انرژی) پمپ می شوند. در بیشتر موارد، نور پمپ و نور سیگنال تقویت شده به طور همزمان در هسته فیبر حرکت می کنند. یک لیزر فیبر معمولی تقویت کننده رامان است (شکل زیر را ببینید).

شکل 1: نمودار شماتیک الفتقویت کننده فیبر دوپ شده با اربیوم ساده. دو دیود لیزری (LDs) انرژی پمپ را به فیبر دوپ شده با اربیوم می‌رسانند که می‌تواند نور را در طول موج‌های حدود 1550 نانومتر تقویت کند. دو جداکننده فارادی به سبک دم اسبی نور منعکس شده از پشت را ایزوله می کنند و در نتیجه اثر آن را بر روی دستگاه از بین می برند.
در ابتدا تقویت‌کننده‌های فیبر عمدتاً برای ارتباطات فیبر نوری از راه دور استفاده می‌شد که در آن نور سیگنال باید به طور دوره‌ای تقویت شود. یک موقعیت معمولی استفاده از لیزر فیبر دوپ شده با اربیوم است و قدرت نور سیگنال در ناحیه طیفی 1500 نانومتری متوسط ​​است. متعاقباً از تقویت کننده های فیبر در زمینه های مهم دیگر استفاده شد. تقویت کننده های فیبر توان بالا برای پردازش مواد لیزری استفاده می شود. این تقویت کننده معمولاً از فیبر دوپوش دوپ شده با ایتربیوم استفاده می کند و ناحیه طیفی نور سیگنال 1030-1100 نانومتر است. توان نوری خروجی می تواند به چند کیلووات برسد.
با توجه به مساحت حالت کوچک و طول فیبر زیاد، می توان بهره بالایی از ده ها دسی بل را تحت تأثیر نور پمپ با توان متوسط ​​به دست آورد، یعنی بازده بالا (مخصوصاً برای توان کم) را به دست آورد. . دستگاه). حداکثر بهره معمولاً توسط ASE محدود می شود. فیبر دارای نسبت سطح به حجم زیاد و انتقال تک حالته پایدار است، بنابراین می توان به توان خروجی خوبی دست یافت، و نور خروجی یک پرتو با پراش محدود است، به خصوص در هنگام استفاده از الیاف دو لایه. با این حال، تقویت‌کننده‌های فیبر توان بالا معمولاً در آخرین مرحله بهره بسیار بالایی ندارند، که بخشی از آن به دلیل عوامل بازده توان است. سپس به یک زنجیره تقویت کننده نیاز است تا پری آمپلی فایر بیشتر بهره را تامین کند و آخرین مرحله توان خروجی بالایی داشته باشد.
اشباع بهره تقویت کننده های فیبر با تقویت کننده های نوری نیمه هادی (SOA) کاملاً متفاوت است. به دلیل مقطع انتقالی کوچک و انرژی اشباع بالا، معمولاً می‌تواند به چندین ده میلی‌ژول در تقویت‌کننده‌های فیبر ارتباطی دوپ‌شده با اربیوم و صدها میلی‌ژول در تقویت‌کننده‌های دوپ‌شده با ایتربیوم با مناطق حالت بزرگ برسد. بنابراین، انرژی زیادی (گاهی چند میلی ژول) می تواند در تقویت کننده فیبر ذخیره شود و سپس توسط یک پالس کوتاه استخراج شود. تنها زمانی که انرژی پالس خروجی بیشتر از انرژی اشباع باشد، اعوجاج پالس ناشی از اشباع جدی است. اگر لیزر تولید شده توسط لیزر قفل شده را تقویت کنید، افزایش اشباع مانند تقویت یک لیزر CW با همان توان است.
این ویژگی های اشباع برای ارتباطات فیبر نوری بسیار مهم هستند زیرا از هرگونه تداخل بین نمادی که در تقویت کننده های نوری نیمه هادی رخ می دهد، اجتناب می شود.
تقویت کننده های فیبر معمولاً در ناحیه اشباع قوی کار می کنند. به این ترتیب می توان حداکثر خروجی را به دست آورد و از تاثیر تغییرات جزئی نور پمپ بر توان نوری سیگنال خروجی کاسته شد.
حداکثر بهره معمولاً به انتشار خود به خودی تقویت شده بستگی دارد، نه به توان نوری پمپ. زمانی که بهره از 40 دسی بل تجاوز کند خود را نشان می دهد. تقویت‌کننده‌های با بهره بالا نیز باید بازتاب‌های انگلی را حذف کنند، که می‌تواند نوسانات لیزری انگلی ایجاد کند و حتی به فیبر آسیب برساند، بنابراین جداکننده‌های نوری معمولاً در ورودی و خروجی اضافه می‌شوند.
ASE یک محدودیت اساسی در عملکرد نویز تقویت کننده ایجاد می کند. در تقویت‌کننده‌های چهار سطحی با تلفات کم، نویز اضافی می‌تواند به حد تئوری برسد، یعنی رقم نویز در بهره بالا 3dB است که بزرگ‌تر از نویز در محیط معمولی بهره‌گیری شبه سه سطحی با تلفات است. ASE و نویز اضافی معمولاً در لیزرهای پمپ شده به عقب بزرگتر هستند.
منبع نور پمپ نیز مقداری نویز ایجاد می کند. این نویزها مستقیماً بر روی بهره و توان خروجی سیگنال تأثیر می‌گذارند، اما زمانی که فرکانس نویز بسیار بزرگتر از معکوس طول عمر حالت انرژی بالایی باشد، تأثیری ندارند. (یون‌های فعال لیزری مشابه ذخیره‌سازی انرژی هستند و اثرات نوسانات توان با فرکانس بالا را کاهش می‌دهند.) تغییر در توان پمپ نیز باعث تغییرات دما می‌شود که سپس به خطاهای فاز تبدیل می‌شود.
خود ASE می تواند به عنوان یک منبع نور فوق تابشی با انسجام زمانی کم استفاده شود که در تصویربرداری منسجم نوری مورد نیاز است. منبع نور فوق تابشی شبیه به لیزر فیبر با بهره بالا است.