Amplificator optic

Un amplificator optic este un anumit tip de amplificator care amplifică direct un semnal optic fără a fi nevoie să-l convertească într-un semnal electric, așa cum se întâmplă într-un regenerator sau repetor de semnal clasic.

În general, un amplificator optic poate fi gândit ca un laser fără cavitatea optică sau al cărui feedback optic a fost suprimat: emisia stimulată în mediul activ al amplificatorului, generată de un semnal de pompă, determină amplificarea luminii. prin ea.

Amplificatoarele optice sunt extrem de importante în comunicațiile optice , considerate din toate punctele de vedere o adevărată revoluție înlocuind în rețeaua de transport optic în fibră optică, pentru funcțiile de amplificare, regeneratoarele optice mult mai scumpe și greoaie și în fizica laserului .

Parametrii unui amplificator optic

Factorii care definesc caracteristicile unui amplificator optic și adesea și factorii de merit ai acestuia sunt:

• Tipul de pompare (electric sau optic);
• Câștigă G și spectrul său;
• Distorsiunea și spectrul său;
• Zgomot optic ;
• Cost.

Amplificatoare laser

Aproape orice mediu activ al unui laser poate fi pompat pentru a obține câștig pentru lumină la lungimea de undă a unui laser realizat din același material ca mediul său activ. Astfel de amplificatoare sunt utilizate în mod obișnuit pentru a produce sisteme laser de mare putere . Tipuri speciale, cum ar fi amplificatoare regenerative sau amplificatoare cu impulsuri ciripite, sunt utilizate pentru a amplifica impulsurile ultra-scurte.

Amplificatoare cu fibre dopate

Schema conceptuală a unui amplificator simplu cu fibră optică

Amplificatoarele cu fibră dopată (DFA) sunt amplificatoare optice care utilizează direct o lungime a lungimii de fibră optică dopată L ca mediu activ pentru amplificarea unui semnal optic. Semnalul util care trebuie amplificat și un semnal de pompă optică sunt multiplexate într-o fibră dopată, iar semnalul optic util este amplificat de efectul emisiei stimulate a fotonilor grație interacțiunii semnalului pompei optice cu ionii dopanți.

Semnalul pompei optice excită electronii dopantului și îi aduce la o stare energetică mai mare ( inversarea populației ) din care pot decădea într-o stare energetică mai mică prin intermediul emisiei stimulate a unui foton. În general, nivelurile de energie implicate formează un sistem cu trei sau patru niveluri și, prin urmare, includ tranziții neradiative de la nivelul maxim la nivelul minim de energie și invers.

Fereastra de amplificare a unui amplificator optic (sau fereastra de câștig ), adică gama de lungimi de undă pentru care amplificatorul arată un câștig exploatabil, depinde de tipul de ioni dopanți utilizați, de structura de sticlă a fibrei optice și de forma de undă a lungimii pompei semnal utilizat. Câștigul unui amplificator optic depinde, de asemenea, de intensitatea locală a fasciculului în fiecare punct din amplificator.

Deși tranzițiile electronice ale unui singur ion sunt bine definite, atunci când ionii sunt introduși în sticla fibrei optice există o lărgire a nivelurilor de energie și, prin urmare, fereastra de lungimi de undă care poate fi amplificată. Această lărgire are o componentă omogenă și una eterogenă , care are ca rezultat un spectru de câștig neuniform pe toate lungimile de undă și, prin urmare, o posibilă sursă de distorsiune a amplitudinii.

Lățimea câștigului spectral larg al amplificatoarelor de fibră le face deosebit de potrivite în sistemele de comunicații opticemultiplexate cu lungime de undă (WDM), întrucât un singur amplificator este capabil să amplifice toate semnalele care călătoresc în fibră pe diferiți purtători optici.

Zgomot optic

Sursa principală de zgomot într-un DFA, care este de tip optic și nu de tip electric sau de zgomot fals de fotoni , este emisia amplificată spontană (ASE) și care are un spectru similar spectrului de câștig al amplificatorului.

În plus față de descompunerea prin emisie stimulată, electronii din stările cu energie mai mare pot de fapt să se descompună și prin emisie spontană, a cărei probabilitate este stocastică și depinde de structura fibrei și de nivelul de inversare a populației . Fotonii sunt emiși spontan în toate direcțiile, dar o parte din aceștia este emisă într-o direcție care se încadrează în deschiderea numerică a fibrei și, prin urmare, este captată și ghidată de-a lungul fibrei în sine. Acești fotoni capturați pot interacționa ulterior cu alți ioni dopanți, fiind astfel amplificați prin emisie spontană. Prin urmare, emisia spontană inițială este amplificată, precum și semnalele utile, din care derivă termenul de emisie spontană amplificată .

ASE este emis de amplificator atât în ​​direcțiile de copropagare, cât și de contropropagare, dar numai ASE de copropagare este o problemă directă pentru performanța sistemului, deoarece se propagă împreună cu semnalul către receptor, degradând performanța. . De fapt, acești fotoni falsi nu au aceeași frecvență și coerență de fază ca cele ale semnalului optic util și, prin urmare, nu contribuie la puterea utilă a semnalului, ci doar la perturbarea fazei de detectare a întregii puteri a fibrelor optice prin intermediul un fotodetector, care este de obicei un dispozitiv optoelectronic de bandă largă în raport cu semnalul util, generând un zgomot, adică o degradare a calității semnalului util sau o scădere a raportului semnal / zgomot . Cu toate acestea, chiar și ASE-ul de propagare poate duce la o degradare a performanței, deoarece poate duce la o epuizare a nivelului de inversare a populației și, prin urmare, poate induce o reducere a câștigului amplificatorului.

Cifra de zgomot pentru un DFA ideal este de cel puțin 3 dB, în timp ce amplificatoarele optice reale pot avea cifre de zgomot de până la aproximativ 6-8 dB.

Câștigați saturație

Câștigul într-un DFA se obține datorită inversării populației ionilor dopanți. Nivelul de inversare a unui DFA este determinat în principal de puterea semnalului pompei și de puterea semnalelor amplificate. Pe măsură ce puterea semnalului crește sau puterea pompei scade, nivelul de inversiune și, prin urmare, câștigul amplificatorului scade. Acest efect este cunoscut sub numele de saturație de câștig sau compresie . Pe măsură ce nivelul semnalului crește, amplificatorul devine saturat și nu mai poate produce mai multă putere de ieșire, rezultând o reducere a câștigului.

Pentru a obține o performanță optimă a zgomotului, DFA-urile funcționează într-un regim de saturație ușoară, deoarece acest lucru permite reducerea ratei de emisie spontană și, prin urmare, reducerea ASE.

Efecte neomogene

Datorită părții neomogene a lărgirii spectrale a liniei ionice dopante, spectrul de câștig are o componentă neomogenă și saturația câștigului are loc, într-o mică măsură, într-o manieră neomogenă. Acest efect este cunoscut sub numele de Spectral Hole Burning , întrucât un semnal de mare putere la o anumită lungime de undă poate „săpa o gaură” în câștig la lungimi de undă apropiate de semnal, saturând ionii legați de semnal. Mărire neomogenă. Tăierea spectrală variază în lățime pe baza caracteristicilor fibrelor optice în cauză, dar este de obicei mai mică de un nanometru pentru lungimile de undă inferioare ale benzii C și câțiva nanometri pentru lungimile de undă superioare ale benzii C.

Efecte de polarizare

Deși DFA sunt în esență amplificatori independenți de polarizare, o mică parte a ionilor dopanți interacționează de preferință cu unele polarizări, provocând o ușoară dependență de polarizarea însăși (de obicei <0,5 dB). Variația câștigului depinde în esență de alinierea polarizărilor semnalului și a pompei, adică de faptul că cele două lungimi de undă interacționează cu același subset de ioni sau nu.

Amplificatoare de fibre dopate cu erbiu

Amplificatorul de fibre dopate cu erbiu (EDFA) este cel mai utilizat amplificator de fibră, deoarece fereastra sa de amplificare coincide cu a treia fereastră de transmisie a fibrelor optice pe bază de silice.

În a treia fereastră de transmisie au fost dezvoltate două benzi, banda convențională sau banda C, care se extinde aproximativ de la 1525 nm la 1565 nm și banda lungă sau L, aproximativ de la 1570 nm la 1610 nm. Ambele benzi pot fi amplificate de EDFA, dar este normal să folosiți amplificatoare diferite, fiecare optimizat pentru o singură bandă.

Principala diferență între amplificatoarele cu bandă C și banda L este faptul că pentru amplificatoarele cu bandă L lungimea fibrei dopate este mai mare. Lungimea mai mare a fibrei permite utilizarea unui nivel de inversiune mai mic, permițând extinderea ferestrei la frecvențele mai mari ale lungimii de undă (datorită structurii chimice a Erbiului și a siliciului) și în același timp garantând un câștig bun.

În EDFA, două benzi sunt utilizate în mod obișnuit pentru semnalele pompei, 980 nm și 1480 nm. Banda de 980 nm are o secțiune transversală de absorbție mai mare și este utilizată în general acolo unde este necesar un zgomot redus. Banda de absorbție este destul de îngustă, deci este de obicei necesar ca sursa laserului să fie stabilizată în lungime de undă. Banda 1480 are o secțiune transversală de absorbție mai mică și este de obicei utilizată la amplificatoarele de putere. De obicei, în amplificatoare, cele două benzi sunt utilizate în combinație prin utilizarea a două sau mai multe pompe.

Amplificatorul cu fibră optică a fost inventat de HJ Shaw și Michel Digonnet la Universitatea Stanford, California, la începutul anilor 1980 ^[1] . EDFA a fost demonstrat câțiva ani mai târziu ^{[2] [3]} de un grup de David N. Payne, R. Mears și L. Reekie de la Universitatea din Southampton și un grup de AT&T Bell Laboratories format din E. Desurvire, P. Becker și J. Simpson ^[4] .

Amplificatoare de fibre dopate pentru alte game de lungimi de undă

Acestea au fost, de asemenea, utilizate în amplificatoarele de fibre dopate Tulio pentru banda S (1450 nm-1490 nm), amplificatoarele de fibre dopate la Praseodim în regiunea de 1300 nm și încă altele în fibrele dopate la neodim . Cu toate acestea, aceste două regiuni nu au avut niciodată un succes comercial ridicat și aceste amplificatoare nu au cunoscut aceeași dezvoltare ca EDFA-urile.

Amplificatoare optice semiconductoare (SOA)

Amplificatoarele optice semiconductoare folosesc un semiconductor ca mediu activ, obținând și aici efectul de amplificare sau câștig datorat efectului emisiei stimulate datorită unui semnal de pompă electrică care creează inversarea populației.

Acestea sunt de obicei create folosind semiconductori compuși din grupa III-V, cum ar fi GaAs / AlGaAs , InP / InGaAs, InP / InGaAsP și InP / InAlGaAs, deși ar putea fi utilizat orice semiconductor direct cu ecartament, precum cei din grupa II-VI. Acești amplificatori au o structură similară cu diodele laser Fabry-Perot , dar cu elemente anti-reflexie pe fețele exterioare. Proiectele recente includ straturi anti-orbire și ghidaje de undă înclinate care asigură reflexii exterioare ale feței mai mici de 0,001%. Acestea permit crearea unei pierderi de putere concentrate mai mare decât câștigul cavității, prevenind formarea unei oscilații laser. Astfel de amplificatoare sunt adesea utilizate în sistemele de telecomunicații sub formă de componente codificate care funcționează la lungimi de undă cuprinse între 850 nm și 1600 nm și generează câștiguri de până la 30 dB.

Amplificatorul optic semiconductor are dimensiuni reduse, este mai puțin costisitor decât EDFA și poate fi integrat cu lasere semiconductoare, modulatoare etc., însă performanța nu este încă comparabilă cu cea a EDFA: SOA este de fapt mai zgomotos, are un câștig mai mic, sensibilitate moderată la polarizare și neliniarități ridicate combinate cu timpi de răspuns foarte rapizi. Acest lucru provine din faptul că durata medie de viață a electronilor în stare excitată este foarte scurtă și aceasta implică reacții rapide ale câștigului la variațiile de putere ale semnalului util și al pompei. La rândul său, schimbările rapide ale câștigului pot distorsiona semnalul. Aceste neliniarități sunt problema majoră pentru aplicațiile de comunicații optice. Cu toate acestea, SOA garantează posibilitatea de a obține câștig pentru alte lungimi de undă decât EDFA. Pentru a rezolva problema timpilor de răspuns rapid, au fost dezvoltate amplificatoare optice liniare (LOA) care utilizează tehnici de „prindere” și sunt insensibile la variațiile de putere pe intervale de frecvență foarte largi.

Neliniaritățile ridicate fac amplificatoarele semiconductoare foarte atractive pentru procesarea semnalului optic, cum ar fi comutarea optică și conversia lungimii de undă. S-au făcut multe cercetări asupra amplificatoarelor optice semiconductoare ca elemente pentru procesarea semnalului optic, conversia lungimii de undă, recuperarea ceasului, demultiplexarea semnalului și recunoașterea tiparului.

Pentru o putere de ieșire mare, se utilizează amplificatoare optice cu structură conică. Lungimea de undă este de 633 nm până la 1480 nm ^[5] .

Cavitate verticală SOA

O adăugare recentă la familia SOA sunt SOA-urile cu cavitate verticală (VCSOA). Aceste dispozitive au o structură similară și multe caracteristici comune cu laserele cu cavitate verticală ( VCSEL ). Diferența majoră dintre VCSOA și VCSEL constă în mai puține reflexii utilizate în cavitatea amplificatoarelor, pentru a evita atingerea pragului la care dispozitivul începe să lasereze. Datorită cavităților foarte scurte și, în consecință, mediilor active foarte subțiri, aceste dispozitive au un câștig foarte mic cu o singură trecere (în ordinea câtorva puncte procentuale) și un „interval spectral liber” foarte mare. Câștigul scăzut necesită ca reflectivitatea oglinzilor să fie suficient de mare pentru a crește câștigul total al semnalului. Pe lângă creșterea câștigului, utilizarea structurilor cavității rezonante permite obținerea unei benzi de câștig foarte înguste; dacă adăugăm că „intervalul spectral liber” este foarte mare, acest lucru implică faptul că utilizarea VCSOA-urilor este limitată la operațiuni cu un singur canal. Rezultă că VCSOA-urile pot fi considerate filtre de amplificare.

Datorită geometriei cavității verticale, VCSOAs sunt amplificatoare rezonante cu cavitate verticală care funcționează cu semnale care intră și ies perpendicular pe suprafața plăcii. Combinat cu dimensiunile lor mici, acest lucru duce VCSOA-urile la numeroase avantaje, inclusiv consum redus de energie, zgomot redus, câștig insensibil la polarizare și capacitatea de a fabrica purtători de dispozitive bidimensionale foarte compacte pe un singur cip. Aceste dispozitive se află încă în faza inițială a cercetării, dar au fost deja obținute rezultate încurajatoare folosind ca preamplificatoare. Dezvoltarea viitoare a tehnologiei VCSOA este demonstrația dispozitivelor cu lungime de undă reglabile. Aceste MEMS reglabile cu cavitate verticală SOA - Arhivat pe 11 martie 2007 Arhiva Internet . utilizează un sistem microelectromecanic (MEMS) pentru a obține o gamă largă și continuă de reglare a câștigului amplificatorului.

Amplificatoare Raman

Același subiect în detaliu: amplificarea Raman .

Într-un amplificator Raman, spre deosebire de EDFA și SOA, semnalul util este amplificat prin amplificare Raman și nu prin emisie stimulată: amplificarea este de fapt obținută prin interacțiune neliniară între laser și semnalul pompei din interiorul fibrei. Există două tipuri de amplificatoare Raman: distribuite și concentrate . Într-un amplificator Raman distribuit, fibra de transmisie este utilizată ca mediu activ, introducând un semnal de pompă multiplexată în acesta cu semnalul în tranzit, în timp ce într-un amplificator Raman concentrat, se utilizează o fibră dedicată și mai scurtă pentru a obține amplificarea. În cazul amplificatoarelor Raman concentrate, se utilizează fibre foarte neliniare, cu miezuri foarte mici, pentru a crește interacțiunea dintre semnal și pompă și pentru a reduce lungimea fibrelor necesare.

Lumina pompei poate fi cuplată în fibra de transmisie în aceeași direcție ca și semnalele (pompare co-propagată), în direcția opusă (pompare contra propagare) sau ambele. Pomparea contra-propagării este mai frecventă deoarece asigură mai puțin zgomot.

Puterea pompei necesară pentru amplificarea Raman este mai mare decât cea necesară pentru amplificarea cu EDFA; Pentru a obține niveluri utile de câștig în amplificatoarele distribuite, este necesar un supliment de 500 mW. Amplificatoarele concentrate, unde lumina pompei poate fi pur și simplu conținută pentru a evita pericolele de siguranță, pot utiliza, de asemenea, 1 W de putere optică.

Principalul avantaj al amplificării Raman este posibilitatea de a obține amplificare distribuită de-a lungul fibrei de transmisie, crescând astfel lungimea secțiunilor de fibră dintre amplificatoare. Banda de amplificare a amplificatoarelor Raman este definită de lungimea de undă a pompei utilizate și, prin urmare, amplificarea poate fi realizată în regiuni mai largi și diferite decât alte tipuri de amplificatoare care se bazează pe dopaj și proiectarea dispozitivelor pentru a defini fereastra de amplificare.

Mecanismul amplificării Raman permite, de asemenea, realizarea de convertoare de frecvență optice.

Amplificatoare optice parametrice

Un amplificator optic parametric (OPA) permite amplificarea unui semnal slab într-un mediu extrem de neliniar. Spre deosebire de amplificatoarele menționate anterior, utilizate în cea mai mare parte în domeniul telecomunicațiilor, acest tip își găsește principala aplicație în extinderea gamei de tunabilitate a laserelor cu stare solidă ultrarapide. OPA-urile sunt capabile de benzi de amplificare foarte mari.

Notă

linkuri externe

• ( EN ) Encyclopedia of Laser Physics and Technology in Fibre Amplifiers , la rp-photonics.com .
• ( EN ) Amplificatoare Raman , pe rp-photonics.com .

Portal de inginerie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de inginerie