Перевод Павла Малахова
Определение: оптические усилители с усиливающей средой на легированных волокнах.
Волоконные усилители - это оптические усилители, основанные на явлении вынужденной эмиссии в волокнах в усиливающей среде.
/>
В большинстве случаев усиливающей средой является стеклянное волокно, легированное редкоземельными ионами, такими как эрбий (EDFA = легированный эрбием волоконный усилитель), неодим, иттербий (YDFA), празеодим, или тулий. Эта активная легирующая примесь накачивается с помощью энергии лазера, например диодным лазером с оптоволоконным выходом; почти во всех случаях излучение проходит через сердцевину волокна вместе с сигналом, который будет усилен. Специальный тип волоконных усилителей - это рамановские усилители (см. ниже).Первоначально оптоволоконные усилители использовались в телекоммуникациях на большие расстояниях, где сигнал требует периодического усилиения. Позже, они стали применяться в других областях. В частности, мощные волоконные усилители теперь используются в лазерной обработке материалов.
Усиление и выходная мощность
Из-за, как правило, малой площади моды и большой длины оптоволокна, получение усиления десятков децибелов может быть достигнуто с небольшим уровнем накачки, то есть эффективность усиления может быть очень высокой. Достижимое усиление часто ограничивается спонтанной эмиссией (ASE) (см. ниже). Большое отношение поверхности к объему и устойчивый одномодовый режим работы волокна также позволяют получить очень высокую выходную мощность с дифракционно-ограниченным качеством луча, особенно когда используются волокна с двойной оболочкой. Однако, у мощных волоконных усилителей обычно присутствует умеренное усиление в заключительном этапе, частично из-за проблем эффективной мощности; единственный выход - это использование цепочек усилителей, где предусилитель обеспечивает большую часть усиления, а на финальном этапе происходит усиление до высокой выходной мощности.
Особенности насыщения
В терминологии насыщения усиления, волоконные усилители очень сильно отличаются от, например, полупроводниковых оптических усилителей (SOAs). Из-за малого поперечного сечения переходов, энергия насыщения довольно высока, например, несколько десятков микроджоулей для обычного легированного эрбием телекоммуникационного усилителя, или сотен микроджоулей для многомодового легированного иттербием усилителя. В результате значительная энергия может быть сохранена в волоконном усилителе, и может позже быть извлечена, например, в одиночном коротком импульсе. Только если энергия выходного импульса выше энергии насыщенния, искажения импульса из-за насыщения становятся значительными. Для усиления импульсов mode-locked лазера (лазер с синхронизацией мод), насыщение коэффициента усиления которого обычно такое же, как для лазера с непрерывным излучением (CW), и с такой же средней мощностью.
Эти особенности насыщенности оптоволоконной связи также важны для оптоволоконных телекоммуникаций, так как они предотвращают любое внешнее влияние, как это может случиться с полупроводниковым оптическим усилителем.
Волоконные усилители часто работают в сильно насыщенном режиме. Это позволяет использовать высокую выходную мощность, а эффект малых колебаний мощности накачки на мощность выходного сигнала существенно уменьшается.
Усиленное спонтанное излучение и шумы
Усиление часто ограничивается не только доступной мощностью накачки, но и усиленным спонтанным излучением (ASE). Это относится к усилителям с коэффициентом усиления свыше 40 децибел. Усилители высокой мощности также должны быть защищены от паразитных отражений, потому что последние могут привести к паразитной генерации лазера или даже к повреждению волокна. Поэтому они часто оснащаются оптическими изоляторами как на выходе, так и на входе.
Усиленное спонтанное излучение также обеспечивает фундаментальное ограничение свойств шума усилителя. В то время как лишние шумы четырех-уровневого усилителя без потерь могут приблизиться к теоретическому пределу, соответствующему например, шум-фактору около 3-х децибел в случае сильного усиления, лишние шумы могут быть более сильными для обычных усилителей "квази-трехуровневых" моделей, и также могут присутствовать дополнительные потери. Отметим, что усиленное спонтанное излучение и лишние шумы часто сильнее в усилителях с накачкой в обратном направлении.
Шумы, вводимые источником накачки, также могут быть проблемой. Это может например, непосредственно затронуть усиление и таким образом выходную мощность сигнала, но может также привести к температурно- зависимому нагреванию, которое переходит в фазовый шум.
Сама ASE может быть использована для суперлюминесцентных источников с очень низкой временной когерентностью, как требуется например, в оптической когерентной томографии. Суперлюминесцентный источник должен обладать свойствами, близкими к обычному волоконному усилителю с высоким коэффициентом усиления.
По материалам интернет-энциклопедии www.rp-photonics.com