Száloptikai erősítő

x

1. ábra: Sematikus diagram az aegyszerű, erbiummal adalékolt szálas erősítő. Két lézerdióda (LD) biztosít szivattyúenergiát az erbiummal adalékolt szálnak, amely 1550 nm körüli hullámhosszon képes felerősíteni a fényt. Két lófarok stílusú Faraday izolátor elszigeteli a visszavert fényt, így kiküszöböli annak a készülékre gyakorolt ​​hatását.
Kezdetben a szálerősítőket főként nagy távolságú száloptikai kommunikációra használták, amelyben a jelfényt időszakonként erősíteni kell. Tipikus helyzet az erbiummal adalékolt szálas lézer használata, és az 1500 nm-es spektrális tartományban a jelfény ereje mérsékelt. Ezt követően a szálerősítőket más fontos területeken is alkalmazták. A lézeres anyagfeldolgozáshoz nagy teljesítményű szálerősítőket használnak. Ez az erősítő általában ytterbiummal adalékolt kettős bevonatú szálat használ, és a jelzőfény spektrális tartománya 1030-1100 nm. A kimenő optikai teljesítmény elérheti a több kilowatttot is.
A kis üzemmódú területnek és a hosszú szálhossznak köszönhetően a közepes teljesítményű szivattyúfény hatására több tíz dB-es nagy nyereség érhető el, azaz nagy erősítési hatásfok érhető el (főleg kis teljesítmény esetén). . eszköz). A maximális erősítést általában az ASE korlátozza. A szál nagy felület-térfogat aránnyal és stabil egymódusú átvitellel rendelkezik, így jó kimeneti teljesítmény érhető el, a kimenő fény pedig diffrakciókorlátozott sugár, különösen dupla bevonatú szálak használatakor. A nagy teljesítményű szálas erősítők azonban jellemzően nem rendelkeznek túl magas erősítéssel az utolsó fokozatban, részben az energiahatékonysági tényezők miatt; ekkor erősítő láncra van szükség, hogy az előerősítő biztosítsa az erősítés nagy részét, az utolsó fokozat pedig nagy teljesítményt.
A szálerősítők erősítési telítettsége egészen más, mint a félvezető optikai erősítőké (SOA). A kis átmenet-keresztmetszet és a magas telítési energia miatt általában több tíz mJ-t is elérhet az erbiummal adalékolt kommunikációs szálas erősítőkben, és több száz mJ-t a nagy módusú területű, itterbiummal adalékolt erősítőkben. Ezért sok energia (néha több mJ) tárolható a szálerősítőben, majd rövid impulzussal kinyerhető. Csak ha a kimeneti impulzus energia nagyobb, mint a telítési energia, akkor a telítés okozta impulzustorzulás súlyos. Ha erősíti a mód-zárolt lézerrel előállított lézert, akkor a telítési nyereség megegyezik a CW lézer azonos teljesítménnyel történő erősítésével.
Ezek a telítési jellemzők nagyon fontosak a száloptikai kommunikációban, mert elkerülhető a félvezető optikai erősítőkben előforduló szimbólumok közötti áthallás.
A szálerősítők általában az erős telítési tartományban működnek. Ily módon a maximális teljesítmény érhető el, és a szivattyú fényében bekövetkező enyhe változtatások hatása a jel kimeneti optikai teljesítményére csökken.
A maximális nyereség általában az erősített spontán emissziótól függ, nem a szivattyú optikai teljesítményétől. Akkor nyilvánul meg, ha az erősítés meghaladja a 40 dB-t. A nagy nyereségű erősítőknek ki kell küszöbölniük a parazita visszaverődéseket is, amelyek parazita lézerrezgéseket generálhatnak, és akár károsíthatják a szálat, ezért általában optikai leválasztókat adnak hozzá a bemeneten és a kimeneten.
Az ASE alapvető korlátot biztosít az erősítő zajteljesítményének. Alacsony veszteségű négyszintű erősítőkben a többletzaj elérheti az elméleti határt, vagyis a zajadat nagy erősítésnél 3dB, ami nagyobb, mint a szokásos veszteséges kvázi-három fokozatú erősítési közegben. Az ASE és a túlzott zaj általában nagyobb a visszafelé pumpált lézereknél.
A szivattyú fényforrása némi zajt is bevezet. Ezek a zajok közvetlenül befolyásolják az erősítést és a jelkimeneti teljesítményt, de nincs hatással, ha a zajfrekvencia sokkal nagyobb, mint a felső energiaállapot élettartamának inverze. (A lézeraktív ionok hasonlóak az energiatároláshoz, csökkentik a nagyfrekvenciás teljesítményingadozások hatását.) A szivattyú teljesítményének változása is hőmérséklet-változást okoz, ami aztán fázishibákká alakul át.
Maga az ASE szupersugárzó fényforrásként használható alacsony időbeli koherenciával, amelyre az optikai koherens képalkotásban van szükség. A szupersugárzó fényforrás hasonló a nagy nyereségű szálas lézerhez.