Bộ khuếch đại sợi quang

Bộ khuếch đại sợi quang là một loại bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang làm phương tiện khuếch đại. Thông thường, môi trường khuếch đại là chất xơ được pha tạp với các ion đất hiếm, chẳng hạn như erbium (EDFA, Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium), neodymium, ytterbium (YDFA), praseodymium và thulium. Các chất dẫn xuất hoạt tính này được bơm (được cung cấp năng lượng) bằng ánh sáng từ tia laze, chẳng hạn như tia laze đi-ốt kết hợp sợi quang; trong hầu hết các trường hợp, đèn bơm và đèn tín hiệu khuếch đại truyền đồng thời trong lõi sợi quang. Laser sợi quang điển hình là bộ khuếch đại Raman (xem hình bên dưới).

Hình 1: Sơ đồ của mộtbộ khuếch đại sợi pha tạp erbium đơn giản. Hai điốt laze (LD) cung cấp năng lượng bơm cho sợi pha tạp erbium, sợi này có thể khuếch đại ánh sáng ở bước sóng khoảng 1550 nm. Hai bộ cách ly Faraday kiểu đuôi ngựa cách ly ánh sáng phản xạ ngược, do đó loại bỏ ảnh hưởng của nó trên thiết bị.
Ban đầu, bộ khuếch đại sợi quang chủ yếu được sử dụng cho truyền thông sợi quang đường dài, trong đó ánh sáng tín hiệu cần được khuếch đại định kỳ. Một tình huống điển hình là sử dụng laser sợi quang pha tạp erbium và công suất của ánh sáng tín hiệu trong vùng quang phổ 1500nm là vừa phải. Sau đó, bộ khuếch đại sợi quang được sử dụng trong các lĩnh vực quan trọng khác. Bộ khuếch đại sợi quang công suất cao được sử dụng để xử lý vật liệu laser. Bộ khuếch đại này thường sử dụng sợi quang kép pha tạp ytterbium và vùng quang phổ của đèn tín hiệu là 1030-1100nm. Công suất quang đầu ra có thể đạt tới vài kilowatt.
Do diện tích chế độ nhỏ và chiều dài sợi quang dài, có thể thu được mức tăng cao hàng chục dB dưới tác động của đèn bơm công suất trung bình, nghĩa là có thể đạt được hiệu suất khuếch đại cao (đặc biệt đối với công suất thấp) . thiết bị). Mức tăng tối đa thường bị giới hạn bởi ASE. Sợi quang có tỷ lệ bề mặt trên thể tích lớn và truyền dẫn đơn mode ổn định nên có thể đạt được công suất đầu ra tốt và ánh sáng đầu ra là chùm tia hạn chế nhiễu xạ, đặc biệt là khi sử dụng sợi quang hai lớp. Tuy nhiên, bộ khuếch đại sợi quang công suất cao thường không có mức tăng rất cao ở giai đoạn cuối, một phần do các yếu tố hiệu quả năng lượng; sau đó cần có một chuỗi bộ khuếch đại để phần tiền khuếch đại cung cấp hầu hết mức tăng và giai đoạn cuối mang lại công suất đầu ra cao.
Độ bão hòa khuếch đại của bộ khuếch đại sợi quang khá khác so với độ bão hòa của bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA). Do tiết diện chuyển tiếp nhỏ và năng lượng bão hòa cao, nó thường có thể đạt tới vài chục mJ trong bộ khuếch đại sợi truyền thông pha tạp erbium và hàng trăm mJ trong bộ khuếch đại pha tạp ytterbium với vùng chế độ lớn. Do đó, rất nhiều năng lượng (đôi khi vài mJ) có thể được lưu trữ trong bộ khuếch đại sợi quang và sau đó được trích xuất bằng một xung ngắn. Chỉ khi năng lượng xung đầu ra cao hơn năng lượng bão hòa, độ méo xung do bão hòa gây ra mới nghiêm trọng. Nếu bạn khuếch đại tia laze được tạo ra bởi tia laze bị khóa chế độ, mức tăng bão hòa cũng giống như khuếch đại tia laze CW ở cùng công suất.
Các đặc tính bão hòa này rất quan trọng đối với truyền thông sợi quang vì tránh được bất kỳ nhiễu xuyên âm giữa các ký hiệu nào xảy ra trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn.
Bộ khuếch đại sợi quang thường hoạt động trong vùng bão hòa mạnh. Bằng cách này, có thể đạt được đầu ra tối đa và ảnh hưởng của những thay đổi nhỏ trong đèn bơm đối với công suất quang đầu ra tín hiệu sẽ giảm.
Mức tăng tối đa thường phụ thuộc vào phát xạ tự phát được khuếch đại, không phải công suất quang của bơm. Nó tự biểu hiện khi mức tăng vượt quá 40dB. Bộ khuếch đại khuếch đại cao cũng cần loại bỏ phản xạ ký sinh, có thể tạo ra dao động laser ký sinh và thậm chí làm hỏng sợi quang, do đó, bộ cách ly quang thường được thêm vào ở đầu vào và đầu ra.
ASE cung cấp một giới hạn cơ bản về hiệu suất tiếng ồn của bộ khuếch đại. Trong các bộ khuếch đại bốn mức tổn thất thấp, tiếng ồn dư thừa có thể đạt đến giới hạn lý thuyết, nghĩa là, con số tiếng ồn là 3dB ở mức tăng cao, lớn hơn tiếng ồn trong môi trường khuếch đại gần như ba mức tổn thất thông thường. ASE và tiếng ồn dư thừa thường lớn hơn trong các laser được bơm ngược.
Nguồn sáng máy bơm cũng gây ra một số tiếng ồn. Những tiếng ồn này ảnh hưởng trực tiếp đến độ khuếch đại và công suất đầu ra của tín hiệu, nhưng không có tác dụng khi tần số tiếng ồn lớn hơn nhiều so với nghịch đảo của tuổi thọ trạng thái năng lượng trên. (Các ion hoạt động bằng laze tương tự như dự trữ năng lượng, giảm tác động của dao động năng lượng tần số cao.) Thay đổi công suất bơm cũng gây ra thay đổi nhiệt độ, sau đó chuyển thành sai số pha.
Bản thân ASE có thể được sử dụng làm nguồn sáng siêu bức xạ với độ kết hợp thời gian thấp, cần thiết trong hình ảnh kết hợp quang học. Nguồn sáng siêu bức xạ tương tự như laser sợi quang có độ lợi cao.