Amplificador óptico
amplificador óptico es un dispositivo que amplifica óptico señal directamente, sin la necesidad primero de convertirla a una señal eléctrica. Un amplificador óptico se puede pensar en como a laser sin cavidad óptica, o uno en el cual regeneración de la cavidad se suprime. Emisión estimulante en el amplificador medio del aumento causa la amplificación de la luz entrante. Los amplificadores ópticos son importantes adentro comunicación óptica y física del laser.Amplificadores del laser
Casi cualquier laser medio activo del aumento puede ser bombeado para producir aumento para la luz en la longitud de onda de un laser hecho con el mismo material que su medio del aumento. Tales amplificadores son de uso general producir sistemas del laser de la alta energía. Tipos especiales por ejemplo amplificadores regeneradores y amplificadores del gojear-pulso se utilizan amplificar pulsos del ultrashort.Amplificadores dopados de la fibra
Amplificadores dopados de la fibra (DFAs) son los amplificadores ópticos que utilizan a dopado fibra óptica como medio del aumento para amplificar una señal óptica. Se relacionan con lasers de la fibra. La señal de ser amplificado y un laser de la bomba es multiplexado en la fibra dopada, y la señal se amplifica con la interacción con el doping iones. El ejemplo más común es el amplificador dopado Erbium de la fibra (EDFA), donde la base de una fibra de la silicona se dopa con trivalente Erbium iones (Er+3) y puede ser bombeado eficientemente con un laser en una longitud de onda de 980 nanómetro o 1.480 nanómetro, y aumento de los objetos expuestos en la región de 1.550 nanómetros.La amplificación es alcanzada por la emisión estimulante de fotones de los iones del dopant en la fibra dopada. El laser de la bomba excita los iones en una energía más alta de donde pueden decaerse vía la emisión estimulante de un fotón en la longitud de onda de la señal de nuevo a un nivel de energía más bajo. Los iones excitados pueden también decaerse espontáneamente (emisión espontánea) o aún con los procesos nonradiative que implican interacciones con phonons de la matriz de cristal. Estos dos mecanismos pasados del decaimiento compiten con la emisión estimulante que reduce la eficacia de la amplificación ligera.
ventana de la amplificación de un amplificador óptico está la gama de las longitudes de onda ópticas para las cuales el amplificador rinde un aumento usable. La ventana de la amplificación es determinada por las características espectroscópicas de los iones del dopant, la estructura de cristal de la fibra óptica, y la longitud de onda y la energía del laser de la bomba.
Aunque las transiciones electrónicas de un ion aislado se definen muy bien, el ensanchamiento de los niveles de energía ocurre cuando los iones se incorporan en el cristal de la fibra óptica y la ventana de la amplificación también se ensancha así. Éste que ensancha es ambos homogéneo (todos los iones exhiben igual espectro ensanchado) y no homogéneo (diversos iones en diversas localizaciones de cristal exhiben diversos espectros). El ensanchamiento homogéneo se presenta de las interacciones con los phonons del cristal, mientras que el ensanchamiento no homogéneo es causado por diferencias en los sitios de cristal en donde se reciben diversos iones. Diversos sitios exponen los iones a diversos campos eléctricos locales, que cambia de puesto los niveles de energía vía Efecto rígido. Además, el efecto rígido también quita la degeneración de los estados de la energía que hacen el mismo ímpetu angular total (especificar por el número J del quántum). Así, por ejemplo, el ion trivalente de Erbium (Er+3) tiene un estado de tierra con J = 15/2, y en presencia de un campo eléctrico parte en J + 1/2 = 8 sublevels con energías levemente diversas. El primer estado excitado tiene J = 13/2 y por lo tanto un múltiple rígido con 7 sublevels. Las transiciones del J = 13/2 estado excitado al J= 15/2 estado de tierra son responsables del aumento en la longitud de onda de 1.5 µm. El espectro del aumento del EDFA tiene varios picos que sean manchados por los mecanismos de ensanchamiento antedichos. El beneficio neto es un espectro muy amplio (30 nanómetro en silicona, típicamente). La amplia ganar-anchura de banda de los amplificadores de la fibra los hace particularmente útiles adentro longitud de onda-división multiplexada los sistemas de comunicaciones como solo amplificador se pueden utilizar para amplificar todas las señales que son continuadas una fibra y que longitudes de onda bajan dentro de la ventana del aumento.
Ruido
La fuente principal del ruido en DFAs es la emisión espontánea amplificada (ASE), que tiene un espectro aproximadamente iguales que el espectro del aumento del amplificador. Figura del ruido en un DFA ideal está el DB 3, mientras que los amplificadores prácticos pueden tener figura del ruido tan grande como DB 6-8.Así como decaerse vía la emisión estimulante, los electrones en el nivel de energía superior pueden también decaerse por la emisión espontánea, que ocurre al azar, dependiendo del nivel de cristal de la estructura y de la inversión. Los fotones se emiten espontáneamente en todas las direcciones, pero una proporción de ésas será emitida en una dirección que baje dentro de Abertura numérica de la fibra y son capturados y dirigidos así por la fibra. Esos fotones capturados pueden entonces obrar recíprocamente con otros iones del dopant, y son amplificados así por la emisión estimulante. La emisión espontánea inicial por lo tanto se amplifica de manera semejante como las señales, por lo tanto el término Emisión espontánea amplificada. ASE es emitido por el amplificador en las direcciones delanteras y contrarias, pero solamente el ASE delantero es una preocupación directa al funcionamiento del sistema desde entonces que el ruido co-propaga con la señal al receptor donde degrada funcionamiento del sistema. Contador-propagar la poder de ASE, sin embargo, conduce a la degradación del funcionamiento del amplificador puesto que el ASE puede agotar el nivel de la inversión y de tal modo reducir el aumento del amplificador.
Saturación del aumento
El aumento se alcanza en un DFA debido a inversión de la población de los iones del dopant. El nivel de la inversión de un DFA es fijado, sobre todo, por la energía de la longitud de onda de la bomba y la energía en las longitudes de onda amplificadas. Mientras que la energía de la señal aumenta, o la energía de la bomba disminuye, el nivel de la inversión reducirá y de tal modo el aumento del amplificador será reducido. Se sabe este efecto mientras que saturación del aumento - mientras que el nivel de la señal aumenta, el amplificador satura y no puede producir más de potencia de salida, y por lo tanto el aumento reduce. La saturación también se conoce comúnmente como compresión del aumento.Para alcanzar el funcionamiento óptimo DFAs del ruido se funcionan bajo cantidad significativa de la compresión del aumento (10 DB típicamente), de que reduce desde entonces el índice de la emisión espontánea, de tal modo reduciendo ASE. Otra ventaja de funcionar el DFA en la región de la saturación del aumento es que las fluctuaciones pequeñas en la energía de la señal de entrada están reducidas en la señal amplificada salida: una señal de entrada más pequeña acciona un aumento (menos saturado) más grande de la experiencia, mientras que energías de entrada más grandes consideran menos aumento.
Efectos de ensanchamiento no homogéneos
Debido a la porción no homogénea del ensanchamiento del linewidth de los iones del dopant, el espectro del aumento tiene un componente no homogéneo y la saturación del aumento ocurre, a un grado pequeño, de una manera no homogénea. Se conoce este efecto como El quemarse espectral del agujero porque una señal de la alta energía en una poder "quemadura" de la longitud de onda un agujero en el aumento para las longitudes de onda cerca de esa señal por la saturación de los iones inhomogeneously ensanchados. Los agujeros espectrales varían en anchura dependiendo de las características de la fibra óptica en la pregunta, pero son típicamente menos de 1 nanómetro en el extremo corto de la longitud de onda de la C-venda, y algún nanómetro en el extremo largo de la longitud de onda de la C-venda. La profundidad de los agujeros es muy pequeña, aunque, haciéndolo difícil de observar en la práctica.Efectos de la polarización
Aunque el DFA es esencialmente un amplificador independiente de la polarización, una proporción pequeña de los iones del dopant obra recíprocamente preferencial con ciertas polarizaciones y una dependencia pequeña de la polarización de la señal de entrada puede ocurrir (típicamente < 0.5 DB). Esto se llama el aumento de Polarization Dependent (PDG). Los crossections de la absorción y de la emisión de los iones se pueden modelar como elipsoides con las hachas principales alineadas al azar en todas las direcciones en diversos sitios de cristal. La distribución al azar de la orientación de los elipsoides en un cristal produce un medio macroscópico isotrópico, pero un laser fuerte de la bomba induce una distribución anisotropic selectivamente excitando esos iones que se alineen más con el vector óptico del campo de la bomba. También, esos iones excitados alineados con el campo de la señal producen más emisión estimulante. El cambio en aumento es así dependiente en la alineación de las polarizaciones de los lasers de la bomba y de la señal - IE. si los dos lasers están obrando recíprocamente con el mismo subconjunto de iones del dopant o no. En una fibra dopada ideal fuera birrefringencia, el PDG sería incómodo grande. Afortunadamente, en fibras ópticas las cantidades pequeñas de birrefringencia están siempre presentes y, además, las hachas rápidas y lentas varían aleatoriamente a lo largo de la longitud de la fibra. Un DFA típico tiene varios diez de metros, bastante tiempo para demostrar ya esta aleatoriedad de las hachas de la birrefringencia. Estos dos efectos combinados (que en fibras de la transmisión dan lugar a la dispersión del modo de la polarización) producen un desalineamiento de las polarizaciones relativas de los lasers de la señal y de la bomba a lo largo de la fibra, así tendiendo para hacer un promedio hacia fuera del PDG. El resultado es que PDG es muy difícil de observar en un solo amplificador (pero es sensible en acoplamientos con varios amplificadores conectados en cascada).amplificadores Erbium-dopados de la fibra
amplificador erbium-dopado de la fibra (EDFA) es el amplificador desplegado de la fibra mientras que su ventana de la amplificación coincide con la tercera ventana de la transmisión de la fibra óptica silicona-basada.Dos vendas se han convertido en la tercera ventana de la transmisión - Convencional, o C-venda, de aproximadamente 1525 nanómetro - 1565 nanómetro, y Largo, o L-venda, de aproximadamente 1570 nanómetro a 1610 nanómetro. Ambas vendas se pueden amplificar por EDFAs, pero es normal utilizar dos diversos amplificadores, cada uno optimizado para una de las vendas.
La diferencia principal entre los amplificadores de la c y de la L-venda es que una longitud más larga de la fibra dopada está utilizada en amplificadores de la L-venda. La longitud más larga de la fibra permite que un nivel más bajo de la inversión sea utilizado, de tal modo dando en longitudes de onda más largas (debido al band-structure de Erbium en silicona) mientras que todavía proporciona una cantidad útil de aumento.
EDFAs tiene dos vendas de bombeo de uso general - 980 nanómetro y 1480 nanómetro. La venda de 980 nanómetros tiene una absorción más alta seccionada transversalmente y se utiliza generalmente donde se requiere el funcionamiento de poco ruido. La venda de absorción es relativamente estrecha y así que las fuentes de laser estabilizadas longitud de onda son típicamente necesarias. La venda de 1480 nanómetros tiene un más bajo, pero más amplio, absorción seccionada transversalmente y se utiliza generalmente para los amplificadores de una energía más alta. Una combinación del bombeo de 980 nanómetros y de 1480 nanómetros se utiliza generalmente en amplificadores.
El EDFA fue inventado [1] por un grupo incluyendo David Payne, R. Mears, y L. Reekie, del Universidad de Southampton y un grupo de los laboratorios de AT&T Bell, E. Desurvire, P. Becker, y J. Simpson. [2]
Amplificadores dopados de la fibra para otras gamas de longitud de onda
Thulium los amplificadores dopados de la fibra se han utilizado en S-venda (1450-1490 nanómetro) y Praseodymium amplificadores dopados en la región de 1300 nanómetros. Sin embargo, esas regiones no han visto ningún uso comercial significativo hasta ahora y así que esos amplificadores no haber sido el tema de tanto desarrollo como el EDFA. Sin embargo, Iterbio los lasers dopados y los amplificadores de la fibra, funcionando cerca de 1 longitud de onda del micrómetro, tienen muchos usos en la transformación industrial de materiales, pues estos dispositivos se pueden hacer con de potencia de salida extremadamente alto (los diez de kilovatios).Amplificador óptico del semiconductor (SOA)
Los amplificadores ópticos del semiconductor son los amplificadores que utilizan un semiconductor para proporcionar el medio del aumento[3]. Estos amplificadores tienen una estructura similar a Fabry-Perot diodos del laser pero con los elementos del diseño de los antireflejos en los endfaces. Los diseños recientes incluyen capas contra-reflexivas e inclinaron guía de onda y regiones de la ventana que pueden reducir la reflexión del endface menos a de 0.001%. Puesto que esto crea una pérdida de energía de la cavidad que es mayor que el aumento él evita que el amplificador actúe como laser.Los amplificadores ópticos del semiconductor se hacen típicamente de los semiconductores compuestos del grupo III-V por ejemplo GaAs/AlGaAs, INP/InGaAs, INP/InGaAsP y INP/InAlGaAs, aunque cualesquiera los semiconductores directos del boquete de la venda tales como II-VI podrían concebible ser utilizados. Tales amplificadores son de uso frecuente en sistemas de la telecomunicación bajo la forma de componentes de la fibra-pigtailed, funcionando en las longitudes de onda de la señal entre 0.85 µm y el µm 1.6 y generando aumentos de DB hasta 30.
El amplificador óptico del semiconductor está de tamaño pequeño y se bombea eléctricamente. Puede ser potencialmente menos costoso que el EDFA y puede ser integrado con los lasers del semiconductor, los moduladores, el etc. Sin embargo, el funcionamiento todavía no es comparable con el EDFA. El SOA tiene ruido más alto, baja aumento, dependencia moderada de la polarización y alto nonlinearity con tiempo transitorio rápido. Esto origina del nanosegundo corto o del curso de la vida menos superior del estado, de modo que el aumento reaccione rápidamente a los cambios de la bomba o energía de la señal y los cambios del aumento también cause los cambios de la fase que pueden torcer las señales. Este nonlinearity presenta el problema más severo para los usos de comunicación óptica. Sin embargo proporciona la posibilidad para el aumento en diversas regiones de la longitud de onda del EDFA. Los "amplificadores ópticos lineares" que usaban ganar-afianzando técnicas con abrazadera se han desarrollado.
El alto nonlinearity óptico hace los amplificadores del semiconductor atractivos para todo el proceso de señal óptica como la conversión todo-óptica de la conmutación y de la longitud de onda. Ha habido mucha investigación sobre los amplificadores ópticos del semiconductor pues los elementos para el proceso de señal óptico, la conversión de la longitud de onda, la recuperación de reloj, demultiplexing de la señal, y el reconocimiento de patrón.
Vertical-cavidad SOA
Una adición reciente a la familia de SOA es la vertical-cavidad SOA (VCSOA). Estos dispositivos son similares en estructura, y comparten muchas características con, a los lasers superficie-que emiten de la vertical-cavidad (VCSELs). La diferencia principal al comparar VCSOAs y VCSELs es las reflectividades reducidas del espejo usadas en la cavidad del amplificador. Con VCSOAs, la regeneración reducida es necesaria evitar que el dispositivo alcance el umbral lasing. Debido a la longitud extremadamente corta de la cavidad, y enrarezca correspondientemente el medio del aumento, el aumento single-pass del objeto expuesto de estos dispositivos muy bajo (típicamente en la orden de algunos por ciento) y también un muy grande gama espectral libre (FSR). El aumento single-pass pequeño requiere reflectividades relativamente altas del espejo alzar el aumento total de la señal. Además de alzar el aumento total de la señal, el uso del cavidad resonante estructure los resultados en una anchura de banda muy estrecha del aumento; juntado con el FSR grande de la cavidad óptica, esto limita con eficacia la operación del VCSOA a la amplificación single-channel. Así, VCSOAs se puede ver como filtros que amplifican.Dado su geometría de la vertical-cavidad, VCSOAs es los amplificadores ópticos de la cavidad resonante que funcionan con entrar/el salir de la señal de la entrada-salida normal a la superficie de la oblea. Además de su tamaño pequeño, la operación normal superficial de VCSOAs conduce a un número de ventajas, incluyendo la consumición de baja potencia, a la figura de poco ruido, aumento insensible de la polarización, y la capacidad de fabricar órdenes de dos dimensiones del alto factor del terraplén en un solo semiconductor salta. Estos dispositivos todavía están en los primeros tiempos de la investigación, aunque se han demostrado los resultados prometedores del preamplificador. Otras extensiones a la tecnología de VCSOA son la demostración de los dispositivos armoniosos de la longitud de onda. Éstos vertical-cavidad MEMS-armoniosa SOAs utilice los sistemas microelectromechanical (MEMS) mecanismo que templa basado para templar amplio y continuo de la longitud de onda máxima del aumento del amplificador.
Amplificador de Raman
La luz de la bomba se puede juntar en la fibra de la transmisión en la misma dirección que la señal (bombeo co-direccional), en la dirección opuesta (bombeo contra-direccional) o ambas. el bombeo Contra-direccional es más común pues la transferencia del ruido de la bomba a la señal se reduce.
La energía de la bomba requerida para la amplificación de Raman es más alta que lo requerida por el EDFA, con superior a 500 mW que son requeridos para alcanzar niveles útiles del aumento en un amplificador distribuido. Los amplificadores de Lumped, donde la luz de la bomba se puede contener con seguridad para evitar implicaciones de seguridad de altas energías ópticas, pueden utilizar 1W excesivo de la energía óptica.
La ventaja principal de la amplificación de Raman es su capacidad de proporcionar la amplificación distribuida dentro de la fibra de la transmisión, de tal modo aumentando la longitud de palmos entre el amplificador y los sitios de la regeneración. La anchura de banda de la amplificación de los amplificadores de Raman es definida por las longitudes de onda de la bomba utilizadas y así que la amplificación se puede proporcionar sobre más de par en par, y diferente, las regiones que puede ser posible con otros tipos del amplificador que confíen en dopants y diseño del dispositivo para definir la amplificación "ventana".
Nota: El texto de una versión anterior de este artículo fue tomado del public domain Estándar federal 1037C.
Amplificador paramétrico óptico
amplificador paramétrico óptico permite la amplificación de un Señal-Impulso débil en un medio no lineal noncentrosymmetric (e.g. BBO). En contraste con los amplificadores previamente mencionados, que se utilizan sobre todo en ambientes de la telecomunicación, este tipo hallazgos su uso principal en ampliar el tunability de la frecuencia de ultrarrápido lasers de estado sólido (e.g. Ti: zafiro). Usando los amplificadores paramétricos ópticos de una geometría noncollinear de la interacción sea capaz de amplias anchuras de banda extremas de la amplificación.
No hay comentarios:
Publicar un comentario