Ein optischer Verstärker ist ein Gerät, das ein optisches Signal direkt verstärkt, ohne dass es zuvor in ein elektrisches Signal umgewandelt werden muss. Ein optischer Verstärker kann als ein Laser ohne einen optischen Hohlraum oder als einer betrachtet werden, bei dem eine Rückkopplung von dem Hohlraum unterdrückt wird. Optische Verstärker sind in der optischen Kommunikation und in der Laserphysik wichtig. Sie werden als optische Repeater in Fernleitungs-Glasfaserkabeln verwendet, die einen Großteil der Telekommunikationsverbindungen der Welt führen.
Es gibt verschiedene physikalische Mechanismen, die zur Verstärkung eines Lichtsignals verwendet werden können, die den Haupttypen optischer Verstärker entsprechen. In dotierten Faserverstärkern und Volumenlasern bewirkt die stimulierte Emission im Verstärkungsmedium des Verstärkers eine Verstärkung des einfallenden Lichts. In optischen Halbleiterverstärkern (SOAs) tritt eine Elektronen-Loch-Rekombination auf. In Raman-Verstärkern erzeugt die Raman-Streuung von einfallendem Licht mit Phononen im Gitter des Verstärkungsmediums Photonen, die mit den einfallenden Photonen kohärent sind. Parametrische Verstärker verwenden parametrische Verstärkung.
Laserverstärker [ edit ]
Nahezu jedes aktive Laserverstärkungsmedium kann gepumpt werden, um eine Verstärkung für Licht bei der Wellenlänge eines Lasers zu erzeugen, der mit demselben Material wie sein Verstärkungsmedium hergestellt ist. Solche Verstärker werden üblicherweise zur Herstellung von Hochleistungslasersystemen verwendet. Spezielle Typen wie regenerative Verstärker und Chirped-Pulse-Verstärker werden verwendet, um ultrakurze Pulse zu verstärken.
Festkörperverstärker [ edit ]
Festkörperverstärker sind optische Verstärker, die eine Vielzahl dotierter Festkörpermaterialien verwenden (Nd: YAG, Yb: YAG, Ti: Sa) und verschiedene Geometrien (Scheibe, Platte, Stab) zur Verstärkung optischer Signale. Die Vielfalt der Materialien erlaubt die Verstärkung verschiedener Wellenlängen, während die Form des Mediums zwischen besser geeignet für Energie der mittleren Leistungsskalierung unterscheiden kann. [2] Neben ihrer Verwendung in der Grundlagenforschung von der Gravitationswellenerfassung [3] bis zur Hochenergiephysik an der NIF Sie sind auch in vielen heutigen ultrakurz gepulsten Lasern zu finden.
Dotierte Faserverstärker [ edit ]
Dotierte Faserverstärker (DFAs) sind optische Verstärker, die eine dotierte optische Faser verwenden als Verstärkungsmedium zur Verstärkung eines optischen Signals. Sie sind mit Faserlasern verwandt. Das zu verstärkende Signal und ein Pumplaser werden in die dotierte Faser gemultiplext, und das Signal wird durch Wechselwirkung mit den Dotierungsionen verstärkt. Das bekannteste Beispiel ist der mit Erbium dotierte Faserverstärker (EDFA), bei dem der Kern einer Siliciumdioxidfaser mit dreiwertigen Erbiumionen dotiert ist und mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 980 nm oder 1480 nm effizient gepumpt werden kann 1,550 nm Bereich.
Ein Erbium-dotierter Wellenleiterverstärker ( EDWA ) ist ein optischer Verstärker, der einen Wellenleiter verwendet, um ein optisches Signal zu verstärken.
Die Verstärkung wird durch stimulierte Emission von Photonen aus Dotierstoffionen in der dotierten Faser erreicht. Der Pumplaser regt Ionen zu einer höheren Energie an, von der sie durch stimulierte Emission eines Photons bei der Signalwellenlänge auf ein niedrigeres Energieniveau abklingen können. Die angeregten Ionen können auch spontan zerfallen (spontane Emission) oder sogar durch nicht strahlende Prozesse, die Wechselwirkungen mit Phononen der Glasmatrix beinhalten. Diese letzten beiden Zerfallsmechanismen konkurrieren mit stimulierter Emission und reduzieren die Effizienz der Lichtverstärkung.
Das Verstärkungsfenster eines optischen Verstärkers ist der Bereich der optischen Wellenlängen, für den der Verstärker eine nutzbare Verstärkung liefert. Das Verstärkungsfenster wird durch die spektroskopischen Eigenschaften der Dotierstoffionen, die Glasstruktur der optischen Faser und die Wellenlänge und Leistung des Pumplasers bestimmt.
Obwohl die elektronischen Übergänge eines isolierten Ions sehr gut definiert sind, tritt eine Verbreiterung der Energieniveaus auf, wenn die Ionen in das Glas der optischen Faser eingebaut werden und somit auch das Verstärkungsfenster verbreitert wird. Diese Verbreiterung ist sowohl homogen (alle Ionen zeigen das gleiche verbreiterte Spektrum) als auch inhomogen (verschiedene Ionen an verschiedenen Glasstellen zeigen unterschiedliche Spektren). Homogene Verbreiterung ergibt sich aus den Wechselwirkungen mit Phononen des Glases, während inhomogene Verbreiterung durch Unterschiede in den Glasstellen verursacht wird, an denen unterschiedliche Ionen aufgenommen werden. An verschiedenen Orten werden Ionen unterschiedlichen lokalen elektrischen Feldern ausgesetzt, wodurch sich die Energieniveaus über den Stark-Effekt verschieben. Darüber hinaus beseitigt der Stark-Effekt auch die Entartung von Energiezuständen mit dem gleichen Gesamtdrehimpuls (angegeben durch die Quantenzahl J). So hat beispielsweise das dreiwertige Erbiumion (Er +3 ) einen Grundzustand mit J = 15/2 und teilt sich bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes in J + 1/2 = 8 Sublevels mit auf etwas unterschiedliche Energien. Der erste angeregte Zustand hat J = 13/2 und damit einen Stark-Krümmer mit 7 Unterebenen. Übergänge vom angeregten Zustand J = 13/2 in den Grundzustand J = 15/2 sind für die Verstärkung bei einer Wellenlänge von 1,5 um verantwortlich. Das Verstärkungsspektrum des EDFA weist mehrere Peaks auf, die durch die obigen Erweiterungsmechanismen verschmiert werden. Das Nettoergebnis ist ein sehr breites Spektrum (typischerweise 30 nm in Siliziumdioxid). Die breite Verstärkungsbandbreite von Faserverstärkern macht sie besonders nützlich Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssysteme als einzelner Verstärker können verwendet werden, um alle Signale zu verstärken, die auf einer Faser transportiert werden und deren Wellenlängen in das Verstärkungsfenster fallen.
Grundprinzip von EDFA [ edit ]
Ein relativ starker Lichtstrahl wird unter Verwendung eines wellenlängenselektiven Kopplers (WSC) mit dem Eingangssignal gemischt. Das Eingangssignal und das Anregungslicht müssen deutlich unterschiedliche Wellenlängen haben. Das gemischte Licht wird in einen Faserabschnitt geleitet, in dessen Kern Erbiumionen enthalten sind. Dieser leistungsstarke Lichtstrahl regt die Erbiumionen in ihren energiereichen Zustand an. Wenn die zu dem Signal gehörenden Photonen bei einer anderen Wellenlänge als das Pumplicht auf die angeregten Erbiumatome treffen, geben die Erbiumatome einen Teil ihrer Energie an das Signal ab und kehren in ihren Zustand mit niedrigerer Energie zurück. Ein wesentlicher Punkt ist, dass das Erbium seine Energie in Form zusätzlicher Photonen aufgibt, die sich genau in derselben Phase und Richtung wie das verstärkte Signal befinden. Das Signal wird also nur in Fahrtrichtung verstärkt. Dies ist nicht ungewöhnlich - wenn ein Atom „abläuft“, gibt es seine Energie immer in der gleichen Richtung und Phase wie das einfallende Licht ab. Somit wird die gesamte zusätzliche Signalleistung in demselben Fasermodus wie das ankommende Signal geführt. Am Ausgang befindet sich normalerweise ein Isolator, um zu verhindern, dass Reflexionen von der angeschlossenen Faser reflektiert werden. Solche Reflexionen unterbrechen den Betrieb des Verstärkers und können im Extremfall dazu führen, dass der Verstärker zum Laser wird. Der mit Erbium dotierte Verstärker ist ein Verstärker mit hohem Gewinn.
Noise [ edit ]
Die hauptsächliche Geräuschquelle in DFAs ist Amplified Spontaneous Emission (ASE), deren Spektrum etwa dem Verstärkungsspektrum des Verstärkers entspricht. Die Rauschzahl in einem idealen DFA beträgt 3 dB, während praktische Verstärker eine Rauschzahl von 6 bis 8 dB haben können.
Die Elektronen im oberen Energieniveau können nicht nur durch stimulierte Emission abklingen, sondern auch durch spontane Emission, die je nach Glasstruktur und Inversionsniveau zufällig auftritt. Photonen werden spontan in alle Richtungen emittiert, aber ein Teil davon wird in eine Richtung emittiert, die in die numerische Apertur der Faser fällt und somit von der Faser eingefangen und geführt wird. Diese eingefangenen Photonen können dann mit anderen Dotierungsionen interagieren und werden somit durch stimulierte Emission verstärkt. Die anfängliche spontane Emission wird daher auf dieselbe Weise wie die Signale verstärkt, daher der Ausdruck Amplified Spontaneous Emission . ASE wird vom Verstärker sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung emittiert, aber nur die Vorwärts-ASE ist ein direktes Anliegen für die Systemleistung, da sich dieses Rauschen zusammen mit dem Signal zum Empfänger ausbreitet, wo es die Systemleistung beeinträchtigt. Eine sich ausbreitende ASE kann jedoch zu einer Verschlechterung der Leistung des Verstärkers führen, da die ASE den Inversionspegel erschöpfen und dadurch die Verstärkung des Verstärkers verringern kann.
Verstärkungssättigung [ edit ]
Der Gewinn wird in einem DFA aufgrund einer Populationsinversion der Dotierstoffionen erzielt. Der Inversionspegel eines DFA wird hauptsächlich durch die Leistung der Pumpwellenlänge und die Leistung bei den verstärkten Wellenlängen eingestellt. Wenn die Signalleistung ansteigt oder die Pumpleistung abnimmt, nimmt der Inversionspegel ab und dadurch wird die Verstärkung des Verstärkers verringert. Dieser Effekt wird als Verstärkungssättigung bezeichnet - mit steigendem Signalpegel sättigt der Verstärker und kann keine Ausgangsleistung mehr erzeugen, wodurch die Verstärkung abnimmt. Die Sättigung wird auch als Verstärkungskompression bezeichnet.
Um ein optimales Rauschverhalten zu erreichen, werden DFAs mit einem erheblichen Maß an Verstärkungskompression (typischerweise 10 dB) betrieben, da dies die Rate der spontanen Emission verringert und damit die ASE reduziert. Ein weiterer Vorteil des Betriebs des DFA im Bereich der Verstärkungssättigung besteht darin, dass kleine Schwankungen der Eingangssignalleistung im verstärkten Ausgangssignal reduziert werden: kleinere Eingangssignalleistungen erfahren eine größere (weniger gesättigte) Verstärkung, während größere Eingangsleistungen eine geringere Verstärkung erfahren.
Die Vorderflanke des Impulses wird verstärkt, bis die Sättigungsenergie des Verstärkungsmediums erreicht ist. In einigen Fällen ist die Breite (FWHM) des Impulses reduziert. [4]
Inhomogene Verbreiterungseffekte [ edit
Aufgrund des inhomogenen Teils der Linienbreitenerweiterung der Dotierstoffionen das Verstärkungsspektrum hat eine inhomogene Komponente, und die Verstärkungssättigung tritt zu einem geringen Ausmaß inhomogen auf. Dieser Effekt ist als spektrales Lochbrennen bekannt, da ein Hochleistungssignal bei einer Wellenlänge ein Loch in der Verstärkung für Wellenlängen "brennen" kann, die sich in der Nähe dieses Signals befinden, durch Sättigung der inhomogen verbreiterten Ionen. Spektrallöcher variieren in der Breite in Abhängigkeit von den Eigenschaften der fraglichen optischen Faser und der Leistung des brennenden Signals, sind jedoch am kurzen Wellenlängenende des C-Bandes typischerweise kleiner als 1 nm und am langen Wellenlängenende einige nm der C-Band. Die Tiefe der Löcher ist jedoch sehr gering, was es schwierig macht, sie in der Praxis zu beobachten.
Polarisationseffekte [ edit ]
Obwohl der DFA im Wesentlichen ein polarisationsunabhängiger Verstärker ist, interagiert ein kleiner Teil der Dotierstoffionen bevorzugt mit bestimmten Polarisationen und einer geringen Abhängigkeit von der Polarisation von Das Eingangssignal kann auftreten (normalerweise <0,5 dB). Dies wird als polarisationsabhängige Verstärkung (PDG) bezeichnet. Die Absorptions- und Emissionsquerschnitte der Ionen können als Ellipsoide modelliert werden, wobei die Hauptachsen in allen Richtungen in verschiedenen Glasstellen zufällig ausgerichtet sind. Die zufällige Verteilung der Orientierung der Ellipsoide in einem Glas erzeugt ein makroskopisch isotropes Medium, aber ein starker Pumplaser induziert eine anisotrope Verteilung durch selektives Anregen derjenigen Ionen, die stärker auf den optischen Feldvektor der Pumpe ausgerichtet sind. Diese angeregten Ionen, die mit dem Signalfeld ausgerichtet sind, erzeugen eine stärker stimulierte Emission. Die Änderung der Verstärkung hängt somit von der Ausrichtung der Polarisationen der Pump- und Signallaser ab, d. H. Ob die beiden Laser mit der gleichen Teilmenge von Dotierstoffionen interagieren oder nicht. In einer idealen dotierten Faser ohne Doppelbrechung wäre die PDG unbequem groß. Glücklicherweise sind in optischen Fasern immer kleine Mengen an Doppelbrechung vorhanden, und außerdem variieren die schnelle und die langsame Achse zufällig entlang der Faserlänge. Ein typischer DFA hat mehrere Dutzend Meter, lang genug, um diese Zufälligkeit der Doppelbrechungsachsen bereits zu zeigen. Diese beiden kombinierten Effekte (die in Übertragungsfasern zu einer Polarisationsmodendispersion führen) erzeugen eine Fehlausrichtung der relativen Polarisationen der Signal- und Pumplaser entlang der Faser, wodurch die PDG tendenziell gemittelt wird. Das Ergebnis ist, dass PDG in einem einzelnen Verstärker sehr schwer zu beobachten ist (ist jedoch bei Verbindungen mit mehreren kaskadierten Verstärkern auffällig).
Erbium-dotierte optische Faserverstärker [ edit ]
Der Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFA) ist der am meisten eingesetzte Faserverstärker, da sein Verstärkungsfenster mit dem dritten Übertragungsfenster von zusammenfällt optische Faser auf Siliziumdioxidbasis.
Zwei Banden haben sich im dritten Übertragungsfenster entwickelt - das konventionelle oder das C-Band von etwa 1525 nm - 1565 nm und das Long-Band oder das L-Band. von ungefähr 1570 nm bis 1610 nm. Diese beiden Bänder können durch EDFAs verstärkt werden, es ist jedoch normal, zwei verschiedene Verstärker zu verwenden, die jeweils für eines der Bänder optimiert sind.
Der Hauptunterschied zwischen C- und L-Band-Verstärkern besteht darin, dass in L-Band-Verstärkern eine längere Länge dotierter Fasern verwendet wird. Die längere Faserlänge ermöglicht die Verwendung eines niedrigeren Inversionsniveaus, wodurch längere Wellenlängen (aufgrund der Bandstruktur von Erbium in Siliciumdioxid) erzielt werden, während immer noch ein nützlicher Betrag an Verstärkung bereitgestellt wird.
EDFAs haben zwei üblicherweise verwendete Pumpbanden - 980 nm und 1480 nm. Das 980-nm-Band hat einen höheren Absorptionsquerschnitt und wird im Allgemeinen dort verwendet, wo eine rauscharme Leistung erforderlich ist. Das Absorptionsband ist relativ eng und so werden typischerweise wellenlängenstabilisierte Laserquellen benötigt. Das 1480-nm-Band hat einen geringeren, aber breiteren Absorptionsquerschnitt und wird im Allgemeinen für Verstärker mit höherer Leistung verwendet. Im Allgemeinen wird in Verstärkern eine Kombination aus 980 nm und 1480 nm Pumpen verwendet.
Verstärkung und Lasern in Erbium-dotierten Fasern wurden 1986/87 erstmals von zwei Gruppen demonstriert. B. David N. Payne, R. Mears, IM Jauncey und L. Reekie von der University of Southampton [5][6] und einer von AT & T Bell Laboratories, bestehend aus E. Desurvire, P. Becker und J. Simpson [7] Der zweistufige optische Verstärker, der Dense Wave Division Multiplexing (DWDM) ermöglichte, wurde von Stephen B. Alexander von der Ciena Corporation erfunden. [8][9]
Dotierte Faserverstärker für andere Wellenlängenbereiche [ edit
Thulium-dotierte Faserverstärker wurden im S-Band (1450–1490 nm) und Praseodymium-dotierte Verstärker im Bereich von 1300 nm verwendet. Diese Regionen haben jedoch bislang keine signifikante kommerzielle Nutzung erfahren, so dass diese Verstärker nicht so stark entwickelt wurden wie der EDFA. Ytterbium-dotierte Faserlaser und -verstärker, die nahe einer Wellenlänge von 1 Mikrometer arbeiten, finden jedoch viele Anwendungen in der industriellen Materialbearbeitung, da diese Vorrichtungen mit einer extrem hohen Ausgangsleistung (Dutzende Kilowatt) hergestellt werden können.
Optischer Halbleiterverstärker [ edit ]
Optische Halbleiterverstärker (SOAs) sind Verstärker, die einen Halbleiter verwenden, um das Verstärkungsmedium bereitzustellen. [10] Diese Verstärker haben eine ähnliche Struktur wie Fabry –Perot-Laserdioden, jedoch mit Antireflex-Designelementen an den Stirnseiten. Neuere Konstruktionen umfassen Antireflexionsbeschichtungen und geneigte Wellenleiter- und Fensterbereiche, die die Endflächenreflexion auf weniger als 0,001% reduzieren können. Da dies zu einem Leistungsverlust des Hohlraums führt, der größer als die Verstärkung ist, wird verhindert, dass der Verstärker als Laser wirkt. Eine andere Art von SOA besteht aus zwei Regionen. Ein Teil hat die Struktur einer Fabry-Pérot-Laserdiode und der andere hat eine sich verjüngende Geometrie, um die Leistungsdichte auf der Ausgangsfacette zu reduzieren. Optische Halbleiterverstärker werden typischerweise aus Gruppe III-V-Verbindungshalbleitern wie GaAs / AlGaAs, InP / InGaAs, InP / InGaAsP und InP / InAlGaAs hergestellt, obwohl denkbar ist, dass auch Halbleiter mit direkter Bandlücke wie II-VI verwendet werden können. Solche Verstärker werden häufig in Telekommunikationssystemen in Form von Komponenten mit Faseranschluss verwendet, die bei Signalwellenlängen zwischen 0,85 & mgr; m und 1,6 & mgr; m arbeiten und Verstärkungen von bis zu 30 dB erzeugen.
Der optische Halbleiterverstärker ist klein und elektrisch gepumpt. Es ist möglicherweise günstiger als der EDFA und kann mit Halbleiterlasern, Modulatoren usw. integriert werden. Die Leistung ist jedoch immer noch nicht mit dem EDFA vergleichbar. Der SOA weist ein höheres Rauschen, eine geringere Verstärkung, eine moderate Polarisationsabhängigkeit und eine hohe Nichtlinearität mit schneller Übergangszeit auf. Der Hauptvorteil von SOA besteht darin, dass alle vier Arten nichtlinearer Operationen (Kreuzverstärkungsmodulation, Kreuzphasenmodulation, Wellenlängenumwandlung und Vierwellenmischung) durchgeführt werden können. Außerdem kann SOA mit einem Laser mit geringer Leistung betrieben werden. [11] Dies stammt aus der kurzen Lebensdauer im oberen Nanosekundenbereich, so dass die Verstärkung schnell auf Änderungen der Pump- oder Signalleistung reagiert und die Änderungen der Verstärkung auch Phasenänderungen verursachen kann die Signale verzerren. Diese Nichtlinearität stellt das größte Problem für optische Kommunikationsanwendungen dar. Es bietet jedoch die Möglichkeit, in verschiedenen Wellenlängenbereichen vom EDFA zu profitieren. Es wurden "lineare optische Verstärker" entwickelt, die Verstärkungsklemmtechniken verwenden.
Die hohe optische Nichtlinearität macht Halbleiterverstärker für alle optischen Signalverarbeitungsprozesse wie rein optisches Schalten und Wellenlängenumwandlung attraktiv. Es wurde viel über optische Halbleiterverstärker als Elemente für die optische Signalverarbeitung, Wellenlängenumwandlung, Taktrückgewinnung, Signaldemultiplexing und Mustererkennung geforscht.
SOA mit vertikalem Hohlraum [ edit ]
Ein kürzlich in die SOA-Familie aufgenommener Zusatz ist der SOA mit vertikalem Hohlraum (VCSOA). Diese Bauelemente ähneln in ihrer Struktur den oberflächenemittierenden Lasern mit vertikalem Resonator (VCSELs) und teilen viele Merkmale mit ihnen. Der Hauptunterschied beim Vergleich von VCSOAs und VCSELs ist das reduzierte Spiegelungsvermögen des Verstärkers. Bei VCSOAs ist eine reduzierte Rückkopplung erforderlich, um zu verhindern, dass das Gerät die Laserschwelle erreicht. Aufgrund der extrem kurzen Kavitätslänge und dem entsprechend dünnen Verstärkungsmedium weisen diese Vorrichtungen eine sehr geringe Verstärkung des einzelnen Durchgangs (typischerweise in der Größenordnung von wenigen Prozent) und auch einen sehr großen freien Spektralbereich (FSR) auf. Die kleine Verstärkung mit einem Durchgang erfordert ein relativ hohes Spiegelungsvermögen, um die Gesamtsignalverstärkung zu verstärken. Zusätzlich zur Verstärkung der Gesamtsignalverstärkung führt die Verwendung der Resonanzhohlraumstruktur zu einer sehr schmalen Verstärkungsbandbreite; In Verbindung mit dem großen FSR des optischen Resonators wird dadurch der Betrieb des VCSOA effektiv auf die Einkanalverstärkung begrenzt. Somit können VCSOAs als Verstärkungsfilter angesehen werden.
Bei VCSOAs handelt es sich aufgrund ihrer Vertikalhohlraumgeometrie um optische Resonanzhohlraumverstärker, die mit dem Eingangs- / Ausgangssignal arbeiten, das normal zur Waferoberfläche eintritt / austritt. Zusätzlich zu ihrer geringen Größe führt der normale Oberflächenbetrieb von VCSOAs zu einer Reihe von Vorteilen, einschließlich niedrigem Energieverbrauch, niedriger Rauschzahl, polarisationsunempfindlicher Verstärkung und der Fähigkeit, zweidimensionale Arrays mit hohem Füllfaktor auf einem einzigen Halbleiterchip herzustellen . Diese Geräte befinden sich noch im Anfangsstadium der Forschung, obwohl vielversprechende Vorverstärkerergebnisse gezeigt wurden. Weitere Erweiterungen der VCSOA-Technologie sind die Demonstration von wellenlängenabstimmbaren Geräten. Diese MEMS-abstimmbaren SOAs mit vertikalem Resonator verwenden einen MEMS-basierten Abstimmmechanismus (MEMS) für die weite und kontinuierliche Abstimmung der Wellenlänge des Verstärkers mit Spitzenverstärkung. [12] SOAs haben eine schnellere Verstärkungsreaktion, die in der Größenordnung von 1 liegt bis 100 ps.
Konische Verstärker [ edit ]
Für hohe Ausgangsleistung und einen breiteren Wellenlängenbereich werden konische Verstärker verwendet. Diese Verstärker bestehen aus einem lateralen Singlemode-Abschnitt und einem Abschnitt mit einer sich verjüngenden Struktur, in der das Laserlicht verstärkt wird. Die sich verjüngende Struktur führt zu einer Verringerung der Leistungsdichte an der Ausgangsfacette.
Typische Parameter: [13]
- Wellenlängenbereich: 633 bis 1480 nm
- Eingangsleistung: 10 bis 50 mW
- Ausgangsleistung: bis zu 3 Watt
Raman-Verstärker bearbeiten ]
In einem Raman-Verstärker wird das Signal durch Raman-Verstärkung verstärkt. Im Gegensatz zu EDFA und SOA wird der Verstärkungseffekt durch eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem Signal und einem Pumplaser innerhalb einer optischen Faser erzielt. Es gibt zwei Arten von Raman-Verstärkern: verteilt und konzentriert. Ein verteilter Raman-Verstärker ist einer, bei dem die Übertragungsfaser als Verstärkungsmedium durch Multiplexen einer Pumpwellenlänge mit einer Signalwellenlänge verwendet wird, während ein konzentrierter Raman-Verstärker eine dedizierte, kürzere Faserlänge verwendet, um eine Verstärkung bereitzustellen. Im Fall eines konzentrierten Raman-Verstärkers wird eine stark nichtlineare Faser mit einem kleinen Kern verwendet, um die Wechselwirkung zwischen Signal- und Pumpwellenlängen zu erhöhen und dadurch die erforderliche Faserlänge zu reduzieren. Das Pumplicht kann in die Übertragungsfaser in der gleichen Richtung wie das Signal (gleichgerichtetes Pumpen), in entgegengesetzter Richtung (gegensinniges Pumpen) oder in beide eingekoppelt werden. Gegengerichtetes Pumpen ist häufiger, da die Übertragung von Geräuschen von der Pumpe auf das Signal verringert wird.
Die für die Raman-Verstärkung erforderliche Pumpleistung ist höher als die vom EDFA geforderte, wobei mehr als 500 mW erforderlich sind, um brauchbare Verstärkungspegel in einem verteilten Verstärker zu erreichen. In konzentrierten Verstärkern, bei denen das Pumplicht sicher gehalten werden kann, um Sicherheitsauswirkungen hoher optischer Leistungen zu vermeiden, kann die optische Leistung über 1 W liegen.
Der Hauptvorteil der Raman-Verstärkung ist die Fähigkeit, eine verteilte Verstärkung innerhalb der Übertragungsfaser bereitzustellen, wodurch die Länge der Bereiche zwischen Verstärker und Regenerationsstellen verlängert wird. Die Verstärkungsbandbreite von Raman-Verstärkern wird durch die verwendeten Pumpwellenlängen definiert, so dass die Verstärkung über breitere und andere Bereiche bereitgestellt werden kann, als dies bei anderen Verstärkertypen möglich ist, die auf Dotierstoffen und dem Vorrichtungsdesign basieren, um das Verstärkungsfenster zu definieren.
Raman-Verstärker haben einige grundlegende Vorteile. Erstens gibt es in jeder Faser eine Raman-Verstärkung, die ein kostengünstiges Upgrade für die Endgeräte bietet. Zweitens ist die Verstärkung nichtresonant, was bedeutet, dass die Verstärkung über den gesamten Transparenzbereich der Faser im Bereich von ungefähr 0,3 bis 2 um verfügbar ist. Ein dritter Vorteil von Raman-Verstärkern ist, dass das Verstärkungsspektrum durch Einstellen der Pumpwellenlängen angepasst werden kann. Zum Beispiel können mehrere Pumpleitungen verwendet werden, um die optische Bandbreite zu erhöhen, und die Pumpverteilung bestimmt die Ebenheit der Verstärkung. Ein weiterer Vorteil der Raman-Verstärkung ist, dass es sich um einen relativ breitbandigen Verstärker mit einer Bandbreite von> 5 THz handelt und die Verstärkung über einen breiten Wellenlängenbereich relativ flach ist. [14]
Eine Anzahl Die Herausforderungen für Raman-Verstärker verhinderten ihre frühere Einführung. Erstens haben Raman-Verstärker im Vergleich zu den EDFAs eine relativ schlechte Pumpeffizienz bei niedrigeren Signalleistungen. Obwohl dies nachteilig ist, erleichtert dieser fehlende Pumpenwirkungsgrad auch die Verstärkungsklemmung in Raman-Verstärkern. Zweitens benötigen Raman-Verstärker eine längere Verstärkungsfaser. Dieser Nachteil kann jedoch durch Kombinieren der Verstärkung und der Dispersionskompensation in einer einzelnen Faser gemildert werden. Ein dritter Nachteil von Raman-Verstärkern ist eine schnelle Antwortzeit, die zu neuen Geräuschquellen führt, wie weiter unten erläutert wird. Schließlich gibt es Bedenken hinsichtlich der nichtlinearen Bestrafung im Verstärker für die WDM-Signalkanäle. [14]
Anmerkung: Der Text einer früheren Version dieses Artikels wurde der öffentlichen Domäne Federal entnommen Standard 1037C.
Optischer parametrischer Verstärker [ edit ]
Ein optischer parametrischer Verstärker ermöglicht die Verstärkung eines schwachen Signalimpulses in einem nicht zentrosymmetrischen nichtlinearen Medium (zB Beta-Bariumborat (BBO)). ). Im Gegensatz zu den zuvor erwähnten Verstärkern, die meistens in Telekommunikationsumgebungen verwendet werden, findet dieser Typ seine Hauptanwendung zur Erweiterung der Frequenzabstimmbarkeit von ultraschnellen Festkörperlasern (z. B. Ti: Saphir). Durch die Verwendung einer nicht kollinearen Wechselwirkungsgeometrie können optische parametrische Verstärker extrem breite Verstärkungsbandbreiten erreichen.
Neueste Errungenschaften [ edit ]
Die Einführung von Hochleistungs-Faserlasern als industrielles Materialverarbeitungswerkzeug wird seit mehreren Jahren durchgeführt und expandiert nun in andere Märkte, einschließlich der Medizintechnik wissenschaftliche Märkte. Eine entscheidende Verbesserung, die den Markteintritt in den wissenschaftlichen Markt ermöglicht, waren Verbesserungen bei Hochleistungsfaserverstärkern, die jetzt Einzelfrequenzfrequenzen (<5 kHz) zusammen mit hervorragender Strahlqualität und stabiler linear polarisierter Ausgabe liefern können. Systeme, die diese Spezifikationen erfüllen, haben sich in den letzten Jahren von wenigen Watt Ausgangsleistung stetig weiterentwickelt, zunächst auf 10 Watt und jetzt auf 100 Watt. Diese Leistungsskalierung wurde durch Entwicklungen in der Fasertechnologie erreicht, beispielsweise durch die Verwendung von Techniken zur Unterdrückung / Unterdrückung / Unterdrückung / Unterdrückung von stimulierter Brillouin-Streuung (SBS) in der Faser sowie Verbesserungen im gesamten Verstärkerdesign. Die neueste Generation hochleistungsfähiger Hochleistungsfaserverstärker liefert jetzt Leistungsniveaus, die über den von kommerziellen Festkörper-Einfrequenzquellen verfügbaren Werten liegen, und eröffnet aufgrund der höheren Leistungsniveaus und stabiler optimierter Leistung neue wissenschaftliche Anwendungen. [15]
Implementierungen [ edit ]
Es gibt mehrere Simulationswerkzeuge, die zum Entwerfen optischer Verstärker verwendet werden können. Beliebte kommerzielle Tools wurden von Optiwave Systems und VPI Systems entwickelt.
Siehe auch [ edit ]
Referenzen [ edit ]
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