Ein optischer Verstärker ist ein Gerät, das ein optisches Signal direkt ohne das Bedürfnis verstärkt, ihn zuerst zu einem elektrischen Signal umzuwandeln. Von einem optischen Verstärker kann als ein Laser ohne eine optische Höhle oder diejenige gedacht werden, in der das Feed-Back von der Höhle unterdrückt wird. Optische Verstärker sind in der optischen Kommunikation und Laserphysik wichtig.

Es gibt mehrere verschiedene physische Mechanismen, die verwendet werden können, um ein leichtes Signal zu verstärken, die den Haupttypen von optischen Verstärkern entsprechen. In lackierten Faser-Verstärkern und Hauptteil-Lasern verursacht die stimulierte Emission im Gewinn-Medium des Verstärkers Erweiterung des eingehenden Lichtes. In Halbleiter optischer amplfiers (SOAs) kommt Elektronloch-Wiederkombination vor. In Raman Verstärkern erzeugt das Zerstreuen von Raman des eingehenden Lichtes mit phonons im Gitter des Gewinn-Mediums mit den eingehenden Fotonen zusammenhängende Fotonen. Parametrische Verstärker verwenden parametrischen amplfication.

Laserverstärker

Fast jedes aktive Lasergewinn-Medium kann gepumpt werden, um Gewinn für das Licht an der Wellenlänge eines Lasers zu erzeugen, der mit demselben Material wie sein Gewinn-Medium gemacht ist. Solche Verstärker werden allgemein verwendet, um hohe Macht-Lasersysteme zu erzeugen. Spezielle Typen wie verbessernde Verstärker und Verstärker des gezirpten Pulses werden verwendet, um Ultrakurzpulse zu verstärken.

Lackierte Faser-Verstärker

Lackierte Faser-Verstärker (DFAs) sind optische Verstärker, die einen lackierten Glasfaserleiter als ein Gewinn-Medium verwenden, um ein optisches Signal zu verstärken. Sie sind mit Faser-Lasern verbunden. Das Signal, verstärkt zu werden, und ein Pumpe-Laser wird in die lackierte Faser gleichzeitig gesandt, und das Signal wird durch die Wechselwirkung mit den Doping-Ionen verstärkt. Das allgemeinste Beispiel ist Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA), wo der Kern einer Kieselerde-Faser mit dreiwertigen Erbium-Ionen lackiert wird und mit einem Laser an einer Wellenlänge von 980 nm oder 1,480 nm und Ausstellungsstück-Gewinn im 1,550 nm Gebiet effizient gepumpt werden kann.

Erweiterung wird durch die stimulierte Emission von Fotonen von dopant Ionen in der lackierten Faser erreicht. Der Pumpe-Laser erregt Ionen in eine höhere Energie davon, wo sie über die stimulierte Emission eines Fotons an der Signalwellenlänge zurück zu einem niedrigeren Energieniveau verfallen können. Die aufgeregten Ionen können auch spontan (spontane Emission) oder sogar durch Nichtstrahlungsprozesse verfallen, die mit Wechselwirkungen mit phonons der Glasmatrix verbunden sind. Diese letzten zwei Zerfall-Mechanismen bewerben sich mit der stimulierten Emission, die die Leistungsfähigkeit der leichten Erweiterung reduziert.

Das Erweiterungsfenster eines optischen Verstärkers ist die Reihe von optischen Wellenlängen, für die der Verstärker einen verwendbaren Gewinn nachgibt. Das Erweiterungsfenster wird durch die spektroskopischen Eigenschaften der dopant Ionen, die Glasstruktur des Glasfaserleiters, und die Wellenlänge und Macht des Pumpe-Lasers bestimmt.

Obwohl die elektronischen Übergänge eines isolierten Ions sehr gut definiert werden, kommt das Erweitern der Energieniveaus vor, wenn die Ionen ins Glas des Glasfaserleiters vereinigt werden und so das Erweiterungsfenster auch verbreitert wird. Dieses Erweitern ist beide homogen (alle Ionen stellen dasselbe verbreiterte Spektrum aus), und inhomogeneous (stellen verschiedene Ionen in verschiedenen Glaspositionen verschiedene Spektren aus). Das homogene Erweitern entsteht aus den Wechselwirkungen mit phonons des Glases, während das Inhomogeneous-Erweitern durch Unterschiede in den Glasseiten verursacht wird, wo verschiedene Ionen veranstaltet werden. Verschiedene Seiten stellen Ionen zu verschiedenen lokalen elektrischen Feldern aus, der die Energieniveaus über die Steife Wirkung auswechselt. Außerdem entfernt die Steife Wirkung auch die Entartung von Energiestaaten, die denselben winkeligen Gesamtschwung (angegeben durch die Quantenzahl J) haben. So, zum Beispiel, hat das dreiwertige Erbium-Ion (Er) einen Boden-Staat mit J = 15/2, und in Gegenwart von einem elektrischen Feld spaltet sich in J + 1/2 = 8 Subniveaus mit ein bisschen verschiedenen Energien auf. Der erste aufgeregte Staat hat J = 13/2 und deshalb eine Steife Sammelleitung mit 7 Subniveaus. Übergänge vom J = 13/2 aufgeregter Staat zum J = 15/2 Boden-Staat sind für den Gewinn an 1.5 µm Wellenlänge verantwortlich. Das Gewinn-Spektrum des EDFA hat mehrere Spitzen, die durch die obengenannten sich verbreiternden Mechanismen geschmiert werden. Das Nettoergebnis ist ein sehr breites Spektrum (30 nm in der Kieselerde, normalerweise). Die breite Gewinn-Bandbreite von Faser-Verstärkern macht sie besonders nützlich in

Wellenlänge-Abteilung hat Kommunikationssysteme gleichzeitig gesandt, weil ein einzelner Verstärker verwertet werden kann, um alle Signale zu verstärken, die eine Faser fortsetzen werden, und dessen Wellenlängen innerhalb des Gewinn-Fensters fallen.

Kernprinzip von EDFA

Ein relativ Hochleistungslichtstrahl wird mit dem Eingangssignal mit einer Wellenlänge auswählende Kopplung gemischt. Das Eingangssignal und das Erregungslicht müssen an bedeutsam verschiedenen Wellenlängen sein.

Das Mischlicht wird in eine Abteilung der Faser mit in den Kern eingeschlossenen Erbium-Ionen geführt.

Dieser leichte Hochleistungsbalken erregt die Erbium-Ionen zu ihrem Staat der höheren Energie.

Wenn die Fotonen, die dem Signal an einer verschiedenen Wellenlänge vom Pumpe-Licht gehören, die aufgeregten Erbium-Atome entsprechen, geben die Erbium-Atome etwas von ihrer Energie zum Signal auf und kehren zu ihrem Staat der niedrigeren Energie zurück.

Ein bedeutender Punkt ist, dass das Erbium seine Energie in der Form von zusätzlichen Fotonen aufgibt, die genau in derselben Phase und Richtung wie das Signal sind, das wird verstärkt. So wird das Signal entlang seiner Richtung des Reisens nur verstärkt. Das ist ziemlich üblich - wenn ein Atom "faulenzt", gibt es immer seine Energie in derselben Richtung und Phase wie das eingehende Licht auf. So wird die ganze zusätzliche Signalmacht in derselben Faser-Weise wie das eingehende Signal geführt. Es gibt gewöhnlich einen an der Produktion gelegten isolator, um Nachdenken zu verhindern, das von der beigefügten Faser zurückkehrt. Solches Nachdenken stört Verstärker-Operation, und im äußersten Fall kann den Verstärker veranlassen, ein Laser zu werden.

Geräusch

Die Hauptquelle des Geräusches in DFAs ist Amplified Spontaneous Emission (ASE), die ein Spektrum ungefähr dasselbe als das Gewinn-Spektrum des Verstärkers hat. Die Geräuschzahl in einem idealen DFA ist 3 DB, während praktische Verstärker Geräuschzahl so groß haben können wie 6-8 DB.

Sowie über die stimulierte Emission verfallend, können Elektronen im oberen Energieniveau auch durch die spontane Emission verfallen, die aufs Geratewohl, abhängig von Glasstruktur und Inversionsniveau vorkommt. Fotonen werden spontan in allen Richtungen ausgestrahlt, aber ein Verhältnis von denjenigen wird in einer Richtung ausgestrahlt, die innerhalb der numerischen Öffnung der Faser fällt und so gewonnen und durch die Faser geführt wird. Jene gewonnenen Fotonen können dann mit anderen dopant Ionen aufeinander wirken, und werden so durch die stimulierte Emission verstärkt. Die anfängliche spontane Emission wird deshalb auf dieselbe Weise wie die Signale, folglich der Begriff Verstärkte Spontane Emission verstärkt. ASE wird durch den Verstärker sowohl im nachschicken als auch in den Rückwartsrichtungen ausgestrahlt, aber nur der fortgeschrittene ASE ist eine direkte Sorge zur Systemleistung, da dieses Geräusch co-propagate mit dem Signal zum Empfänger wird, wo es Systemleistung erniedrigt. Das Gegenfortpflanzen ASE kann jedoch zu Degradierung der Leistung des Verstärkers seit dem ASE führen, kann das Inversionsniveau entleeren und dadurch den Gewinn des Verstärkers reduzieren.

Gewinn-Sättigung

Gewinn wird in einem DFA erwarteten zur Bevölkerungsinversion der dopant Ionen erreicht. Das Inversionsniveau eines DFA, wird in erster Linie, durch die Macht der Pumpe-Wellenlänge und die Macht an den verstärkten Wellenlängen gesetzt. Als die Signalmacht, oder die Pumpe-Macht-Abnahmen zunimmt, wird das Inversionsniveau abnehmen, und dadurch wird der Gewinn des Verstärkers reduziert. Diese Wirkung ist als Gewinn-Sättigung bekannt - als der Signalpegel zunimmt, sättigt der Verstärker und kann nicht mehr Produktionsmacht erzeugen, und deshalb nimmt der Gewinn ab. Sättigung ist auch als Gewinn-Kompression allgemein bekannt.

Um optimale Geräuschleistung zu erreichen, werden DFAs unter einem bedeutenden Betrag der Gewinn-Kompression (10 DB normalerweise) bedient, da das die Rate der spontanen Emission reduziert, dadurch ASE reduzierend. Ein anderer Vorteil, den DFA im Gewinn-Sättigungsgebiet zu bedienen, besteht darin, dass kleine Schwankungen in der Eingangssignalmacht im verstärkten Signal der Produktion reduziert werden: Kleinere Eingangssignalmächte erfahren größer (weniger durchtränkt) Gewinn, während größere Eingangsmächte weniger Gewinn sehen.

Das Blei des Pulses wird verstärkt, bis die Sättigungsenergie des Gewinn-Mediums erreicht wird. In etwas Bedingung wird die Breite (FWHM) des Pulses reduziert.

Inhomogeneous, der Effekten verbreitert

Wegen des inhomogeneous Teils des Linewidth-Erweiterns der dopant Ionen hat das Gewinn-Spektrum einen inhomogeneous Bestandteil, und Gewinn-Sättigung kommt in einem kleinen Ausmaß auf eine inhomogeneous Weise vor. Diese Wirkung ist als das Geisterhafte Loch-Brennen bekannt, weil ein hohes Macht-Signal an einer Wellenlänge 'brennen' kann, hat ein Loch im Gewinn für Wellenlängen in der Nähe von diesem Signal durch die Sättigung des inhomogeneously Ionen verbreitert. Geisterhafte Löcher ändern sich in Breite abhängig von den Eigenschaften des fraglichen Glasfaserleiters und der Macht des brennenden Signals, aber sind normalerweise weniger als 1 nm am kurzen Wellenlänge-Ende des C-band und einige nm am langen Wellenlänge-Ende des C-band. Die Tiefe der Löcher ist aber das Bilden davon schwierig sehr klein, in der Praxis zu beobachten.

Polarisationseffekten

Obwohl der DFA im Wesentlichen eine Polarisation unabhängiger Verstärker ist, wirkt ein kleines Verhältnis der dopant Ionen bevorzugt mit bestimmten Polarisationen aufeinander, und eine kleine Abhängigkeit von der Polarisation des Eingangssignals kann vorkommen (normalerweise Der EDFA wurde zuerst mehrere Jahre später von einer Gruppe einschließlich David N. Paynes, R. Mears und L. Reekies, von der Universität von Southampton und einer Gruppe von AT&T Glockenlaboratorien, E. Desurvire, P. Becker und J. Simpson demonstriert.

Lackierte Faser-Verstärker für andere Wellenlangenbereiche

Lackierte Faser-Verstärker des Thuliums sind im S-band verwendet worden (1450-1490 nm), und Praseodym hat Verstärker 1300 nm Gebiet lackiert. Jedoch haben jene Gebiete keinen bedeutenden kommerziellen Gebrauch bis jetzt gesehen, und so sind jene Verstärker nicht das Thema von so viel Entwicklung gewesen wie der EDFA. Jedoch hat Ytterbium Faser-Laser lackiert, und Verstärker, in der Nähe von 1-Mikrometer-Wellenlänge funktionierend, haben viele Anwendungen in der Industrieverarbeitung von Materialien, weil diese Geräte mit der äußerst hohen Produktionsmacht (Zehnen von Kilowatt) gemacht werden können.

Halbleiter optischer Verstärker

Optische Verstärker von Halbleiter (SOAs) sind Verstärker, die einen Halbleiter verwenden, um das Gewinn-Medium zur Verfügung zu stellen. Diese Verstärker haben eine ähnliche Struktur zu Fabry-Pérot Laserdioden, aber mit Antinachdenken-Designelementen am endfaces. Neue Designs schließen nicht reflektierende Deckschichten und gekippten Wellenleiter und Fenstergebiete ein, die endface Nachdenken auf weniger als 0.001 % reduzieren können. Da das einen Verlust der Macht von der Höhle schafft, die größer ist als der Gewinn, hält es den Verstärker davon ab, als ein Laser zu handeln.

Optische Verstärker von Halbleiter werden normalerweise von der Gruppe III-V zusammengesetzte Halbleiter wie GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP und InP/InAlGaAs gemacht, obwohl irgendwelche direkten Band-Lücke-Halbleiter wie II-VI denkbar verwendet werden konnten. Solche Verstärker werden häufig in Fernmeldesystemen in der Form von Bestandteilen der Faser-pigtailed verwendet, an Signalwellenlängen zwischen 0.85 µm und 1.6 µm funktionierend und Gewinne von bis zu 30 DB erzeugend.

Der Halbleiter optischer Verstärker ist der kleinen Größe und elektrisch gepumpt. Es kann potenziell weniger teuer sein als der EDFA und kann mit Halbleiter-Lasern, Modulatoren usw. integriert werden. Jedoch ist die Leistung mit dem EDFA noch immer nicht vergleichbar. Der SOA hat höheres Geräusch, gewinnen Sie tiefer, gemäßigte Polarisationsabhängigkeit und hohe Nichtlinearität mit der schnellen vergänglichen Zeit. Der Hauptvorteil von SOA besteht darin, dass alle vier Typen von nichtlinearen Operationen (böse Gewinn-Modulation, böse Phase-Modulation, Wellenlänge-Konvertierung und das vier Welle-Mischen) geführt werden können. Außerdem kann SOA mit einem niedrigen Macht-Laser geführt werden.

Das entsteht von der kurzen Nanosekunde oder weniger oberer Zustandlebenszeit, so dass der Gewinn schnell auf Änderungen der Pumpe oder Signalmacht reagiert und die Änderungen des Gewinns auch Phase-Änderungen verursachen, die die Signale verdrehen können.

Diese Nichtlinearität wirft das strengste Problem für optische Nachrichtenanwendungen auf. Jedoch stellt es die Möglichkeit für den Gewinn in verschiedenen Wellenlänge-Gebieten vom EDFA zur Verfügung. "Geradlinige optische Verstärker" das Verwenden von Gewinn festklammernden Techniken sind entwickelt worden.

Hohe optische Nichtlinearität macht Halbleiter-Verstärker attraktiv für das ganze optische Signal, das wie volloptische Schaltung und Wellenlänge-Konvertierung in einer Prozession geht. Es hat viel Forschung über Halbleiter optische Verstärker als Elemente für die optische Signalverarbeitung, Wellenlänge-Konvertierung, Uhr-Wiederherstellung, Signal entschachtelnd, und Muster-Anerkennung gegeben.

Vertikale Höhle SOA

Eine neue Hinzufügung zur SOA Familie ist die vertikale Höhle SOA (VCSOA). Diese Geräte sind in der Struktur dem ähnlich, und teilen viele Eigenschaften mit, Oberflächenausstrahlen-Laser der vertikalen Höhle (VCSELs). Der Hauptunterschied, wenn er VCSOAs und VCSELs vergleicht, ist die reduzierten in der Verstärker-Höhle verwendeten Spiegelreflexionsvermögen. Mit VCSOAs ist reduziertes Feed-Back notwendig, um das Gerät davon abzuhalten, faulenzende Schwelle zu erreichen. Wegen der äußerst kurzen Höhle-Länge und des entsprechend dünnen Gewinn-Mediums stellen diese Geräte sehr niedrigen Gewinn des einzelnen Passes (normalerweise auf der Ordnung von einigem Prozent) und auch eine sehr große freie geisterhafte Reihe (FSR) aus. Der kleine Gewinn des einzelnen Passes verlangt, dass relativ hohe Spiegelreflexionsvermögen den Gesamtsignalgewinn erhöhen. Zusätzlich zum Aufladen des Gesamtsignalgewinns läuft der Gebrauch der widerhallenden Höhle-Struktur auf eine sehr schmale Gewinn-Bandbreite hinaus; verbunden mit dem großen FSR der optischen Höhle beschränkt das effektiv Operation des VCSOA zur Erweiterung des einzelnen Kanals. So kann VCSOAs als ausführlicher erläuternde Filter gesehen werden.

In Anbetracht ihrer Geometrie der vertikalen Höhle sind VCSOAs widerhallende Höhle optische Verstärker, die mit dem Signal des Eingangs/Produktion funktionieren, das normal zur Oblate-Oberfläche/herrscht hereingeht. Zusätzlich zu ihrer kleinen Größe führt die normale Oberflächenoperation von VCSOAs zu mehreren Vorteilen, einschließlich des niedrigen Macht-Verbrauchs, der niedrigen Geräuschzahl, Polarisation unempfindlicher Gewinn, und die Fähigkeit, hoch zu fabrizieren, füllt Faktor zweidimensionale Reihe auf einem einzelnen Halbleiter-Span. Diese Geräte sind noch in den frühen Stufen der Forschung, obwohl viel versprechende Vorverstärker-Ergebnisse demonstriert worden sind. Weitere Erweiterungen auf die VCSOA Technologie sind die Demonstration der Wellenlänge stimmbare Geräte. Diese MEMS-stimmbare vertikale Höhle SOAs verwerten mikroelektromechanische Systeme gestützter (MEMS), Mechanismus für die breite und dauernde Einstimmung der Maximalgewinn-Wellenlänge des Verstärkers abstimmend.

SOAs hat eine schnellere Gewinn-Antwort, die in der Ordnung 1 zu 100ps ist.

Verstärker von Raman

In einem Verstärker von Raman wird das Signal durch die Erweiterung von Raman verstärkt. Verschieden vom EDFA und SOA wird die Erweiterungswirkung durch eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen dem Signal und einem Pumpe-Laser innerhalb eines Glasfaserleiters erreicht. Es gibt zwei Typen des Verstärkers von Raman: verteilt und zusammengelegt. Ein verteilter Verstärker von Raman ist derjenige, in dem die Übertragungsfaser als das Gewinn-Medium verwertet wird, indem sie eine Pumpe-Wellenlänge mit der Signalwellenlänge gleichzeitig gesandt wird, während ein zusammengelegter Verstärker von Raman eine hingebungsvolle, kürzere Länge der Faser verwertet, um Erweiterung zur Verfügung zu stellen. Im Fall von einem zusammengelegten Verstärker von Raman wird die hoch nichtlineare Faser mit einem kleinen Kern verwertet, um die Wechselwirkung zwischen Signal und Pumpe-Wellenlängen zu vergrößern und dadurch die Länge der erforderlichen Faser zu reduzieren.

Das Pumpe-Licht kann in die Übertragungsfaser in derselben Richtung wie das Signal (das gleichgerichtete Pumpen), in der entgegengesetzten Richtung (das Gegenrichtungspumpen) oder beide verbunden werden. Das Gegenrichtungspumpen ist üblicher, weil die Übertragung des Geräusches von der Pumpe bis das Signal reduziert wird.

Die für die Erweiterung von Raman erforderliche Pumpe-Macht ist höher als das, das durch den EDFA, mit über 500 mW erforderlich ist, die erforderliche, nützliche Niveaus des Gewinns in einem verteilten Verstärker zu erreichen. Zusammengelegte Verstärker, wo das Pumpe-Licht sicher enthalten werden kann, um Sicherheitsimplikationen von hohen optischen Mächten zu vermeiden, können über 1W der optischen Macht verwenden.

Der Hauptvorteil der Erweiterung von Raman ist seine Fähigkeit, verteilte Erweiterung innerhalb der Übertragungsfaser zur Verfügung zu stellen, dadurch die Länge von Spannen zwischen Verstärker und Regenerationsseiten vergrößernd. Die Erweiterungsbandbreite von Verstärkern von Raman wird durch die Pumpe-Wellenlängen verwertet definiert, und so kann Erweiterung über breitere und verschiedene, Gebiete zur Verfügung gestellt werden, als mit anderen Verstärker-Typen möglich sein kann, die sich auf dopants und Gerät-Design verlassen, um die Erweiterung 'Fenster' zu definieren.

Zeichen: Der Text einer früheren Version dieses Artikels wurde vom öffentlichen Gebiet Bundesstandard 1037C genommen.

Optischer parametrischer Verstärker

Ein optischer parametrischer Verstärker erlaubt die Erweiterung eines schwachen Signalimpulses in einem noncentrosymmetric nichtlinearen Medium (z.B. BBO). Im Gegensatz zu den vorher erwähnten Verstärkern, die größtenteils in Fernmeldeumgebungen verwendet werden, findet dieser Typ seine Hauptanwendung in der Erweiterung der Frequenz tunability ultraschneller Halbleiterlaser (z.B. Ti:sapphire). Durch das Verwenden einer noncollinear Wechselwirkungsgeometrie sind Optische Parametrische Verstärker zur äußerst breiten Erweiterungsbandbreite fähig.

Siehe auch

• Erbium-lackierter Wellenleiter-Verstärker
• Verbessernde Erweiterung

Links

• Enzyklopädie der Laserphysik und Technologie auf Faser-Verstärkern und Verstärkern von Raman