Оптический усилитель

Не путать с оперативным усилителем .

Оптические усилители используются для создания лазерных направляющих звезд , которые обеспечивают обратную связь с адаптивными системами управления оптикой , которые динамически регулируют форму зеркал в крупнейших астрономических телескопах .

Оптический усилитель - это устройство, которое напрямую усиливает оптический сигнал , без необходимости сначала преобразовать его в электрический сигнал. Оптический усилитель может рассматриваться как лазер без оптической полости , или тот, в котором обратная связь подавляется из полости. Оптические усилители важны для оптической связи и лазерной физики . Они используются в качестве оптических ретрансляторов в волоконно-оптических кабелях на длинных расстояниях , которые несут большую часть мировых телекоммуникационных связей.

Существует несколько различных физических механизмов, которые можно использовать для усиления светового сигнала, которые соответствуют основным типам оптических усилителей. У усилителей легированных волокон и объемных лазеров стимулированное излучение усилителя в среде усиления вызывает усиление входящего света. усилителях (SOA) электронная рекомбинация происходит В полупроводниковых оптических . У рамановских усилителей рассеяние комбинационного рассеяния входящего света с фононами в решетке усилительной среды создает фотоны, когерентные с входящими фотонами. Параметрические усилители используют параметрическое усиление.

История

Принцип оптического усиления был изобретен Гордоном Гулдом 13 ноября 1957 года. 6 апреля 1959 года он подал в США патент US80453959A под названием «Усилители света, использующие столкновения для производства инверсий населения» (Впоследствии поправка как продолжение частично и, наконец, выпущено в качестве патента США 4 746 201а 4 мая 1988 года). Патент охватывал «усиление света стимулированным излучением фотонов из ионов, атомов или молекул в газообразном, жидком или твердом состоянии». В общей сложности Гулд получил 48 патентов, связанных с оптическим усилителем Это покрыло 80% лазеров на рынке на момент выпуска.

Гулд стал соучредителем фирмы по оптическому телекоммуникационному оборудованию, Optelecom Inc. , которая помогла создать Ciena Corp с его бывшим руководителем отдела исследований в области легкой оптики, Дэвидом Хьюбер и Кевином Кимберлином . Хубер и Стив Александр из Ciena изобрел двойной оптический усилитель ( Патент США 5,159 601 ), который был ключом к первой системе мультиплексирования (DWDM), которую они выпустили в июне 1996 года. Это ознаменовало начало оптических сетей. Его значение было признано в то время оптическим авторитетом, Шоичи Судо и технологическим аналитиком Джорджем Гилдером в 1997 году, когда Sudo писал, что оптические усилители «будут открывать всемирную революцию, называемую Информационным веком» и Гилдер сравнил оптический усилитель с интегрированной схемой по важности, прогнозируя, что это станет возможным возрастом информации. Оптические амплификационные системы WDM являются общей основой всех местных, национальных, национальных, межконтинентальных и подводных телекоммуникационных сетей и технология выбора для оптоволоконных магистралей Интернета (например, волоконно-оптические кабели составляют основу современной компьютерной сети ).

Лазерные усилители

Почти любая лазерная среда активного усиления может быть перекачивается для производства усиления для света на длине волны лазера, сделанного с тем же материалом, что и его среда усиления. Такие усилители обычно используются для производства лазерных систем высокой мощности. Специальные типы, такие как регенеративные усилители и усилители чирпед-пульса, используются для амплификации ультрасортных импульсов .

Твердые усилители

Твердовые усилители представляют собой оптические усилители, которые используют широкий спектр легированных твердотельных материалов ( ND: YB: YAG, Ti: SA ) и различных геометрий (диск, плита, стержень) для усиления оптических сигналов. Разнообразие материалов позволяет усилить различную длину волны, в то время как форма среды может различать более подходящую для энергии среднего масштабирования мощности. Помимо их использования в фундаментальных исследованиях из гравитационных волн обнаружения Для физики с высокой энергией в национальном учреждении зажигания их также можно найти во многих современных ультра -коротких импульсных лазерах .

Усилители легированного волокна

Схематическая схема простого усилителя легированного волокна

Усилители легированного волокна (DFAS) представляют собой оптические усилители, которые используют легированное оптическое волокно в качестве среды усиления для усиления оптического сигнала. Они связаны с волоконными лазерами . Сигнал для усиления и лазер насоса мультиплексируется в легированное волокно, а сигнал усиливается посредством взаимодействия с легированными ионами .

Усиление достигается стимулированным излучением фотонов из легированных ионов в легированном волокне. Лазер насоса возбуждает ионы в более высокую энергию, откуда они могут затухать посредством стимулированного излучения фотона на длине волны сигнала обратно до более низкого уровня энергии. Взволнованные ионы также могут спонтанно разлагаться (спонтанное излучение) или даже с помощью нерадиативных процессов, включающих взаимодействие с фононами стеклянной матрицы. Эти последние два механизма распада конкурируют со стимулированным излучением, снижая эффективность усиления света.

Окно усиления оптического усилителя - это диапазон оптических длин волн, для которых усилитель дает полезное усиление. Окно амплификации определяется спектроскопическими свойствами ионов легирования, стеклянной структурой оптического волокна, а также длиной волны и мощностью лазера насоса.

Хотя электронные переходы изолированного иона очень хорошо определены, расширение уровней энергии происходит, когда ионы включены в стекло оптического волокна, и, следовательно, окно усиления также расширяется. Это расширение является однородным (все ионы демонстрируют одинаковый расширенный спектр), так и неоднородным (разные ионы в разных стеклянных местах демонстрируют разные спектры). Гомогенное расширение возникает из -за взаимодействия с фононами стекла, в то время как неоднородное расширение вызвано различиями в стеклянных участках, где размещаются различные ионы. Различные сайты подвергают ионы на разные локальные электрические поля, которые сдвигают уровни энергии с помощью резкого эффекта . Кроме того, эффект Stark также удаляет вырождение энергетических состояний, имеющих одинаковый общий угловой импульс (указанный квантовым числом J). Так, например, тривалентный эрбийский ион (ER ³⁺ ) имеет основное состояние с j = 15/2, а в присутствии электрического поля расщепляется на j + 1/2 = 8 пособия с немного разными энергиями. Первое возбужденное состояние имеет j = 13/2 и, следовательно, резкий коллектор с 7 пособиями. Переходы от возбужденного состояния J = 13/2 к основному состоянию J = 15/2 ответственны за усиление на длине волны 1500 нм. Спектр усиления EDFA имеет несколько пиков, которые размазываются вышеуказанными механизмами расширения. Чистым результатом является очень широкий спектр (обычно 30 нм в кремнеземах). Широкая пропускная способность усилителей волокна делает их особенно полезными в мультиплексированных системах связи с длиной волны, так как может использоваться один усилитель для усиления всех сигналов, которые переносятся на волокно и чьи длины волн попадают в окно усиления.

( Усилитель волновода, легированный эрбием EDWA), представляет собой оптический усилитель, который использует волноводад для повышения оптического сигнала.

Основной принцип EDFA

Относительно мощный луч света смешивается с входным сигналом с использованием селективного соединителя длины волны (WSC). Входной сигнал и свет возбуждения должны быть на значительно разных длинах волн. Смешанный свет управляется в участок волокна с ионами эрбия, включенными в ядро. Этот мощный световой луч возбуждает ионы эрбия в их состояние с более высокой энергией. Когда фотоны, принадлежащие к сигналу на другой длине волны от света насоса, соответствуют возбужденным ионам эрбия, ионы эрбия отдают часть своей энергии в сигнал и возвращаются в их состояние с более низкой энергией.

Значительным моментом является то, что эрбиум отдает свою энергию в форме дополнительных фотонов, которые точно находятся в той же фазе и направлении, что и усиливается сигнал. Таким образом, сигнал усиливается только вдоль его направления перемещения. Это не является необычным - когда атом «лазски» всегда дают свою энергию в одном и том же направлении и фазе, что и входящий свет. Таким образом, вся дополнительная мощность сигнала направляется в одном и том же волоконном режиме, что и входящий сигнал. Оптический изолятор обычно помещается на выходе, чтобы предотвратить возвращение отражений из прикрепленного волокна. Такие отражения нарушают работу усилителя и в крайнем случае могут привести к тому, что усилитель станет лазером.

Усилитель легированного эрбия является усилителем высокого усиления.

Шум

Основным источником шума в DFA является амплифицированное спонтанное излучение (ASE), которое имеет спектр примерно такой же, как спектр усиления усилителя. Шумовая фигура в идеальном DFA составляет 3 дБ, в то время как практические усилители могут иметь шумовую фигуру до 6–8 дБ.

Помимо разлагаемой посредством стимулированного излучения, электроны на верхнем уровне энергии также могут распадаться путем спонтанного излучения, что происходит случайным образом, в зависимости от структуры стекла и уровня инверсии. Фотоны испускаются спонтанно во всех направлениях, но доля из них будет испускана в направлении, которое попадает в числовую апертуру волокна и, таким образом, фиксируется и руководствуется волокном. Эти фотоны могут затем взаимодействовать с другими ионами легирующих приводов и, таким образом, усиливаются стимулированным излучением. Поэтому начальное спонтанное излучение амплифицируется так же, как и сигналы, следовательно, термин усилил спонтанное излучение . ASE испускается усилителем как в прямом, так и в обратном направлениях, но только прямое ASE является прямой проблемой для производительности системы, так как этот шум будет совместно распространен с сигналом для приемника, где он снижает производительность системы. Однако противоречия ASE может привести к деградации производительности усилителя, поскольку ASE может истощать уровень инверсии и тем самым уменьшить усиление усилителя и увеличивать шум, производимый относительно желаемого усиления сигнала.

Шумовая фигура может быть проанализирована как в оптическом домене, так и в электрическом домене. В оптическом домене измерение ASE, усиление оптического сигнала и длину волны сигнала с использованием анализатора оптического спектра позволяет расчете рисунка шума. Для метода электрического измерения обнаруженный фототочный шум оценивается с помощью анализатора электрического спектра с низким шумом, который наряду с измерением усиления усилителя позволяет измерять рисунок шума. Как правило, оптическая техника обеспечивает более простой метод, хотя он не включает избыточный шумовый эффект, захваченные электрическим методом, такой генерацией шума с мультиат-интерференцией (MPI). В обоих методах внимание к эффектам, таким как спонтанное излучение, сопровождающее входной сигнал, имеет решающее значение для точного измерения рисунка шума.

Получить насыщенность

Прибыль достигается в DFA из -за инверсии населения ионов легирующей применения. Уровень инверсии DFA устанавливается, прежде всего, мощностью длины волны насоса и мощностью на усиленной длине волн. По мере увеличения мощности сигнала или уменьшается мощность насоса, уровень инверсии уменьшится, и, таким образом, усиление усилителя будет уменьшено. Этот эффект известен как насыщение усиления - по мере увеличения уровня сигнала усилитель насыщается и не может производить больше выходной мощности, и поэтому усиление уменьшается. Насыщение также широко известно как сжатие усиления.

Для достижения оптимальных характеристик шума DFA работают при значительном количестве сжатия усиления (обычно 10 дБ), поскольку это снижает скорость спонтанного излучения, тем самым уменьшая ASE. Другим преимуществом работы DFA в области насыщения усиления является то, что небольшие колебания в мощности входного сигнала снижаются в выходном усиленном сигнале: меньшие мощности входного сигнала испытывают большее (менее насыщенное) усиление, в то время как более крупные входные мощности видят меньше усиления.

Передний край импульса усиливается, пока не будет достигнута энергия насыщения усилительной среды. В некотором условиях ширина ( FWHM ) импульса уменьшается.

Неоднородные расширяющие эффекты

Из -за неоднородной части расширения ширины линейки ионов лечебных приводов спектр усиления имеет неоднородную компонент и насыщение усиления в небольшой степени, неоднородным образом. Этот эффект известен как сжигание спектрального отверстия , потому что сигнал высокой мощности на одной длине волны может «сжечь» отверстие в усилении длины волн, близкое к этому сигналу путем насыщения неоднородно расширенных ионов. Спектральные отверстия варьируются по ширине в зависимости от характеристик рассматриваемого оптического волокна и мощности сжигающего сигнала, но, как правило, менее 1 нм на конце длины волны C-диапазона и несколько нм на длинной длине волны С-диапазона. Однако глубина отверстий очень мала, что затрудняет наблюдение на практике.

Поляризационные эффекты

Хотя DFA по существу является независимым поляризационным усилителем, небольшая доля легирующей ионов взаимодействует преимущественно с определенными поляризациями, и может возникнуть небольшая зависимость от поляризации входного сигнала (обычно <0,5 дБ). Это называется поляризационным зависимым усилением (PDG). Поглощение и поглощение и излучение ионов можно смоделировать как эллипсоиды с основными осями, выровненными случайными во всех направлениях в разных стеклянных участках. Случайное распределение ориентации эллипсоидов в стекле создает макроскопически изотропную среду, но сильный лазер насоса вызывает анизотропное распределение путем избирательно захватывающих те ионы, которые более выровнены с оптическим полевым вектором насоса. Кроме того, эти возбужденные ионы, выровненные с полем сигнала, вызывают более стимулированную эмиссию. Таким образом, изменение усиления зависит от выравнивания поляризаций лазеров насоса и сигналов-то есть, взаимодействуют ли два лазера с одинаковым подзадажным набором ионов легирования или нет. В идеальном легированном волокне без Двойное отверстие , PDG было бы неудобно большим. К счастью, в оптических волокнах всегда присутствуют небольшое количество двуметравения, и, кроме того, быстрые и медленные оси различаются случайным образом по длине волокна. Типичный DFA имеет несколько десятков метров, достаточно длинных, чтобы уже показать эту случайность осей двулучепреломления. Эти два комбинированных эффекта (которые в волокнах передачи дают дисперсию в режиме поляризации ) приводит к смещению относительных поляризаций сигнальных и насосных лазеров вдоль волокна, тем самым стремясь в среднем PDG. Результатом является то, что PDG очень трудно наблюдать в одном усилителе (но заметен в связи с несколькими каскадными усилителями).

Эрбий-легированные усилители оптического волокна

Усилитель волокна, легированного эрбием (EDFA), является наиболее развернутым усилителем волокна, поскольку его окно усиления совпадает с третьим окном пропускания оптического волокна на основе кремнезема. Ядро кремнеземного волокна легируется трехвалентными ионами эрбия (ER ³⁺ ) и может быть эффективно накачать лазером на длинах волн или около длинных волн 980 нм и 1480 нм, а усиление демонстрируется в области 1550 нм. Область усиления EDFA варьируется от приложения к приложению и может быть от нескольких нм до ~ 80 нм. Типичное использование EDFA в телекоммуникациях требует обычных или C-диапазонов (от ~ 1525 нм до ~ 1565 нм) или длинных усилителей L-диапазона (от ~ 1565 нм до ~ 1610 нм). Обе эти полосы могут быть усилены EDFAS, но нормально использовать два разных усилителя, каждый из которых оптимизирован для одной из полос.

Основное различие между усилителями C- и L-диапазона состоит в том, что более длинная длина легированного волокна используется в усилителях L-диапазона. Более длинная длина волокна позволяет использовать более низкий уровень инверсии, тем самым давая излучение на более длинных длинах волн (из-за полосовой структуры эрбия в кремнеземах), при этом при этом обеспечивая полезное количество усиления.

EDFA имеют две часто используемые насосные полосы - 980 нм и 1480 нм. Полоса 980 нм имеет более высокий поперечный сечение поглощения и обычно используется там, где требуется производительность с низким шумом. Полоса поглощения относительно узкая, поэтому обычно необходимы стабилизированные источники длины волны. Полоса 1480 нм имеет более низкий, но более широкий, поглощенный поперечный сечение и обычно используется для более высоких усилителей мощности. Комбинация накачки 980 нм и 1480 нм обычно используется в усилителях.

Получитель и нагрузка в волокнах, легированных эрбием, были впервые продемонстрированы в 1986–87 годах двумя группами; Один из них, в том числе Дэвид Н. Пейн , Р. Мирс , Им Джаунси и Л. Рики из Университета Саутгемптона и один из Laboratories AT & T Bell, состоящий из E. Desurvire, P. Becker и J. Simpson. Стивен Б. Александер из Ciena Corporation из Ciena Corporation из Ciena Corporation из Ciena Corporation из Ciena Corporation из Ciena Corporation из Corporation в корпорации Ciena, который позволил двойному оптическому усилению, который позволил мультиплексирование Dense Wave Division (DWDM).

Усилители легированных волокон для других диапазонов длины волны

Усилители, легированные легими , использовались в диапазоне S (1450–1490 нм), а усилители легированного празеодимия в области 1300 нм. Тем не менее, эти регионы до сих пор не видели какого -либо значительного коммерческого использования, и поэтому эти усилители не были предметом такого большого развития, как EDFA. Тем не менее, лазеры и усилители и усилители, легированные иттербием , работают около 1 микрометровой длины волны, имеют много применений в промышленной обработке материалов, так как эти устройства можно сделать с чрезвычайно высокой выходной мощностью (десятки киловаттов).

Полупроводник оптический усилитель

Полупроводниковые оптические усилители (SOA) являются усилителями, которые используют полупроводник для обеспечения среды усиления. Эти усилители имеют структуру, аналогичную Фабри-Перо лазерным диодам , но с антирефлекционными элементами дизайна на конечных лицах. Недавние конструкции включают анти-рефлексивные покрытия и направляющие на наклонные волны и окна, которые могут уменьшить отражение конечной поверхности до менее чем 0,001%. Поскольку это создает потерю власти от полости, которая больше, чем усиление, он предотвращает, как усилитель выступает в качестве лазера. Другой тип SOA состоит из двух регионов. Одна часть имеет структуру лазерного диода Fabry-Pérot, а другая имеет коническую геометрию, чтобы уменьшить плотность мощности на выходе.

Полупроводниковые оптические усилители обычно производятся из составных полупроводников группы III-V, таких как GAAS /AlgaAS, INP / IngAAS , INP /IngAASP и INP /INALGAAS, хотя любые полупроводники с прямыми полосами, такие как II-VI, можно использовать. Такие усилители часто используются в телекоммуникационных системах в виде компонентов с оптоволоконным пигфором, работающих на длине волн сигнала от 850 нм до 1600 нм и генерируя прирост до 30 дБ.

Полупроводник оптический усилитель имеет небольшой размер и электрически накачивается. Он может быть потенциально дешевле, чем EDFA, и может быть интегрирован с полупроводниковыми лазерами, модуляторами и т. Д. Однако производительность все еще не сопоставима с EDFA. SOA имеет более высокий шум, более низкий усиление, умеренная поляризационная зависимость и высокая нелинейность с быстрым временем переходного периода. Основным преимуществом SOA является то, что все четыре типа нелинейных операций (модуляция поперечного усиления, поперечная модуляция, преобразование длины волны и четыре волнового смешивания могут быть проведены ). Кроме того, SOA может работать с лазером с низкой мощностью. Это происходит от короткой наносекунды или меньшего времени срока службы в верхнем состоянии, так что усиление быстро реагирует на изменения мощности насоса или сигнала, а изменения усиления также вызывают изменения фазы, которые могут искажать сигналы. Эта нелинейность представляет собой наиболее серьезную проблему для приложений оптической связи. Однако это дает возможность получить выгоду в различных областях длины волны от EDFA. «Линейные оптические усилители» были разработаны с использованием методов удара усиления.

Высокая оптическая нелинейность делает полупроводниковые усилители привлекательными для всей обработки оптических сигналов, таких как всеоптическое переключение и преобразование длины волны. Было проведено много исследований по полупроводниковым оптическим усилителям в качестве элементов для обработки оптических сигналов, преобразования длины волны, восстановления часов, демольтиплексирования сигнала и распознавания шаблонов.

Вертикальная Кавити Соа

Недавнее дополнение к семейству SOA-это вертикальная кавити SOA (VCSOA). Эти устройства схожи по структуре и имеют множество функций с поверхностными лазерами вертикали ( VCSELS ). Основным отличием при сравнении VCSOAS и VCSEL является уменьшенная отражательная способность зеркала, используемая в полости усилителя. При VCSOAS необходима уменьшенная обратная связь, чтобы предотвратить достижение устройства. Из-за чрезвычайно короткой длины полости и соответственно тонкой среды усиления эти устройства демонстрируют очень низкий прирост одного прохождения (обычно по порядку нескольких процентов), а также очень большой свободный спектральный диапазон (FSR). Небольшой усиление однопроходного прохождения требует относительно высокой отражательной способности зеркала, чтобы повысить общий усиление сигнала. В дополнение к увеличению общего усиления сигнала, использование резонансной структуры полости приводит к очень узкой полосе пропускания усиления; В сочетании с большим FSR оптической полости, это эффективно ограничивает работу VCSOA до одноканальной амплификации. Таким образом, VCSOA можно рассматривать как усиливающие фильтры.

Учитывая их геометрию вертикальной мощности, VCSOA являются резонансными оптическими усилителями полости, которые работают с входным/выходным сигналом, вводящим/выходящим нормальным на поверхность пластины. В дополнение к их небольшому размеру, нормальная работа поверхностного VCSOAS приводит к ряду преимуществ, включая низкое энергопотребление, низкий уровень шума, нечувствительное усиление поляризации и возможность изготовления двухмерных массивов с высоким коэффициентом заполнения на одном полупроводниковом чипе Полем Эти устройства все еще находятся на ранних стадиях исследований, хотя были продемонстрированы перспективные результаты предусилителя. Дополнительными расширениями на технологию VCSOA являются демонстрация настраиваемых устройств длиной волны. В этих SOA по вертикали-настройке мемс используются микроэлектромеханические системы ( MEMS ) механизм настройки для широкой и непрерывной настройки пикового усиления длины волны усилителя. SOA имеют более быстрый ответ на усиление, который находится в порядке от 1 до 100 пс.

Конические усилители

Для высокой выходной мощности и более широкого диапазона длин волн используются конические усилители. Эти усилители состоят из бокового одномодового секции и секции с конической структурой, где усиливается лазерный свет. Коническая структура приводит к снижению плотности мощности на выходном грани.

Типичные параметры:

• Диапазон длины волны: от 633 до 1480 нм
• Входная мощность: от 10 до 50 МВт
• Выходная мощность: до 3 Вт.

Рамановский усилитель

Основная статья: амплификация комбинационного рассеяния

В усилителе комбинации сигнал усиливается путем усиления комбинационного рассеяния . В отличие от EDFA и SOA, эффект усиления достигается путем нелинейного взаимодействия между сигналом и лазером насоса в оптическом волокне. Существует два типа комбинационного усилителя: распределен и смешные. Распределенный рамановский усилитель - это тот, в котором трансмиссионное волокно используется в качестве усиления среды путем мультиплексирования длины волны насоса с длиной волны сигнала, в то время как смиренный рамановский усилитель использует выделенную, более короткую длину волокна для обеспечения усиления. В случае смешного комбинационного усилителя используется высоколинейное волокно с небольшим ядром для увеличения взаимодействия между длинами волн сигнала и насоса и тем самым уменьшить длину требуемой волокна.

Свет насоса может быть связан с трансмиссионным волокном в том же направлении, что и сигнал (совместно направляющая накачка), в противоположном направлении (противоположное насос) или обоих. Противопоправляющая накачка чаще встречается, поскольку передача шума от насоса в сигнал уменьшается.

Мощность насоса, необходимая для амплификации комбинационного рассеяния, выше, чем требуется для EDFA, при этом требуется более 500 МВт для достижения полезных уровней усиления в распределенном усилителе. Смешенные усилители, где свет насоса может быть безопасно содержать, чтобы избежать последствий безопасности высоких оптических мощностей, могут использовать более 1 Вт оптической мощности.

Основным преимуществом амплификации комбинационного рассеяния является его способность обеспечивать распределенное усиление в волокне передачи, тем самым увеличивая длину пролетов между усилителя и регенерации сайтами . Пропускная способность усиления усилителей комбинационного рассеяния определяется используемыми длинами волн насоса, и, таким образом, усиление может быть обеспечено более широкими, и различными областями, чем возможно, с другими типами усилителей, которые основаны на легированных восах и конструкции устройства, чтобы определить окно усиления «окно».

Рамановские усилители имеют некоторые фундаментальные преимущества. Во-первых, усиление комбинации существует в каждом волокне, которое обеспечивает экономически эффективное средство обновления с конца терминала. Во -вторых, усиление является нерезонансным, что означает, что усиление доступно по всей области прозрачности волокна в диапазоне от приблизительно 0,3 до 2 мкм. Третье преимущество усилителей комбинационного рассеяния состоит в том, что спектр усиления может быть адаптирована путем регулировки длин волн насоса. Например, для увеличения оптической полосы пропускания можно использовать несколько линий насоса, а распределение насоса определяет плоскостность усиления. Еще одним преимуществом амплификации комбинационного рассеяния является то, что он является относительно широкополосным усилителем с пропускной способностью> 5 ТГц, и усиление достаточно плоское в широком диапазоне длин волн.

Тем не менее, ряд проблем для усилителей комбинации предотвращал их более раннее принятие. Во -первых, по сравнению с EDFA, амплификаторы комбинационного рассеяния имеют относительно плохую эффективность накачки при более низких сигнальных мощностях. Несмотря на недостаток, это отсутствие эффективности насоса также облегчает зажим для усиления в усилителях комбинационного рассеяния. Во -вторых, рамановские усилители требуют более длительного усиления волокна. Тем не менее, этот недостаток может быть смягчен путем сочетания прибыли и компенсации дисперсии в одном волокне. Третий недостаток комбинационных усилителей - это время быстрого отклика, которое приводит к новым источникам шума, как обсуждается ниже. Наконец, существуют опасения по поводу нелинейного штрафа в усилителе для каналов сигналов WDM.

Примечание. Текст более ранней версии этой статьи был взят из федерального стандарта открытого достояния 1037c .

Оптический параметрический усилитель

Оптический параметрический усилитель позволяет усилить слабый сигнал-импульс в нелинейной среде, такой как нецентрозимметричная нелинейная среда (например, бета-бариум (BBO)) или даже стандартное оптическое волокно кремнезема с помощью KERR . В отличие от ранее упомянутых усилителей, которые в основном используются в средах телекоммуникации, этот тип обнаруживает его основное применение в расширении частоты настроительности сверхбыстрых твердотельных лазеров (например, TI: сапфир ). Используя неколлинеарную геометрию взаимодействия, оптические параметрические усилители способны к чрезвычайно широкой полосе пропускания усиления.

21 век

В 21 -м веке лазеры с высокой мощностью были приняты в качестве инструмента обработки промышленных материалов и расширились на другие рынки, включая медицинские и научные рынки. Одним из ключевых улучшений, способствующих проникновению на научный рынок, было улучшение усилителей изящных волокон, которые стали способными доставлять одну частоту ширины линии (<5 кГц) вместе с превосходным качеством луча и стабильным линейным поляризованным выходом. Системы, соответствующие этим спецификациям, постоянно прогрессировали от нескольких ватт выходной мощности до десятков ватт и более сотен ватт. Это увеличение мощности было достигнуто с помощью разработок в области технологии волокна, таких как принятие стимулированных методов подавления/смягчения рассеяния Brillouin (SBS) в волокне и улучшения в общей конструкции усилителя, включая клетки с большой областью режима (LMA) с низкой аспектой. основной, Микроструктурированное волокно типа стержня спиральная ядро, или хировые основные волокна, и конические двойные волокна (T-DCF). По состоянию на 2015 год Высокие изящные, высокие мощные и импульсные усилители волокна обеспечивали уровни мощности, превышающие уровни, доступные из коммерческих твердотельных одночастотных источников, и стабильная оптимизированная производительность, открывая новые научные приложения.

Реализации

Есть несколько инструментов моделирования, которые можно использовать для разработки оптических усилителей. Популярные коммерческие инструменты были разработаны Optiwave Systems и VPI Systems.

Смотрите также

• Нелинейная теория полупроводниковых лазеров
• Регенеративное усиление

Внешние ссылки

• Обзор коммерчески доступных полупроводниковых конусных усилителей
• Обзор коммерчески доступных твердотельных усилителей
• Энциклопедия лазерной физики и технологии на усилители волокна и рамановские усилители
• Текущие тенденции в неосчетных системах , включая удаленное усилитель ROPA, оптически накапливаемого усилителя