เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ออปติก

Fiber Optical Amplifier เป็นเครื่องขยายสัญญาณออปติคอลชนิดหนึ่งที่ใช้ใยแก้วนำแสงเป็นสื่อกลาง โดยทั่วไปแล้ว สื่อขยายสัญญาณคือไฟเบอร์ที่เจือด้วยไอออนของธาตุหายาก เช่น เออร์เบียม (EDFA, เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม), นีโอไดเมียม, อิตเทอร์เบียม (YDFA), praseodymium และ thulium สารเจือปนที่ออกฤทธิ์เหล่านี้ถูกสูบฉีด (ให้พลังงาน) โดยแสงจากเลเซอร์ เช่น เลเซอร์ไดโอดคู่ไฟเบอร์ ในกรณีส่วนใหญ่ ไฟปั๊มและไฟสัญญาณขยายจะเคลื่อนที่พร้อมกันในแกนไฟเบอร์ ไฟเบอร์เลเซอร์ทั่วไปคือเครื่องขยายสัญญาณรามาน (ดูรูปด้านล่าง)

รูปที่ 1: แผนผังของ aแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์เจือด้วยเออร์เบียมอย่างง่าย. เลเซอร์ไดโอด (LD) สองตัวให้พลังงานปั๊มแก่เส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียม ซึ่งสามารถขยายแสงที่ความยาวคลื่นประมาณ 1550 นาโนเมตร ตัวแยกฟาราเดย์แบบผมหางม้าสองตัวแยกแสงสะท้อนกลับ ดังนั้นจึงไม่มีผลกระทบต่ออุปกรณ์
ในขั้นต้น เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการสื่อสารทางไกลด้วยไฟเบอร์ออปติก ซึ่งจำเป็นต้องขยายสัญญาณไฟเป็นระยะ สถานการณ์ทั่วไปคือการใช้ไฟเบอร์เลเซอร์ที่เจือด้วยเออร์เบียม และพลังของสัญญาณไฟในย่านสเปกตรัม 1500 นาโนเมตรอยู่ในระดับปานกลาง ต่อจากนั้น ไฟเบอร์แอมพลิฟายเออร์ถูกนำมาใช้ในสาขาที่สำคัญอื่นๆ เครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์กำลังสูงใช้สำหรับการประมวลผลวัสดุด้วยเลเซอร์ แอมพลิฟายเออร์นี้มักใช้ไฟเบอร์หุ้มสองชั้นที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียม และขอบเขตสเปกตรัมของไฟสัญญาณคือ 1,030-1100 นาโนเมตร กำลังแสงเอาต์พุตสามารถเข้าถึงหลายกิโลวัตต์
เนื่องจากพื้นที่โหมดขนาดเล็กและความยาวของเส้นใยยาว จึงสามารถเพิ่มเกนได้สูงนับสิบเดซิเบลภายใต้การทำงานของไฟปั๊มที่มีกำลังปานกลาง กล่าวคือสามารถรับประสิทธิภาพเกนสูง (โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับกำลังไฟต่ำ) . อุปกรณ์). อัตราขยายสูงสุดมักจะถูกจำกัดโดย ASE เส้นใยมีอัตราส่วนระหว่างพื้นผิวต่อปริมาตรที่มากและการส่งผ่านโหมดเดียวที่เสถียร จึงสามารถรับกำลังขับได้ดี และแสงที่ส่งออกเป็นลำแสงจำกัดการเลี้ยวเบน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้เส้นใยหุ้มสองชั้น อย่างไรก็ตาม แอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์กำลังสูงมักจะมีอัตราขยายไม่สูงมากในขั้นตอนสุดท้าย ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากปัจจัยด้านประสิทธิภาพพลังงาน จากนั้นจึงจำเป็นต้องใช้วงจรขยายสัญญาณเพื่อให้ปรีแอมป์ให้อัตราขยายส่วนใหญ่และช่วงสุดท้ายให้กำลังขับสูง
ความอิ่มตัวของอัตราขยายของแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์ค่อนข้างแตกต่างจากแอมพลิฟายเออร์ออปติคอลเซมิคอนดักเตอร์ (SOA) เนื่องจากหน้าตัดทรานซิชันขนาดเล็กและพลังงานอิ่มตัวสูง โดยปกติแล้วจะสามารถขยายได้ถึงหลายสิบ mJ ในแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์สื่อสารที่เจือด้วยเออร์เบียม และหลายร้อย mJ ในแอมพลิฟายเออร์ที่เจือด้วยอิตเทอร์เบียมที่มีพื้นที่โหมดขนาดใหญ่ ดังนั้น พลังงานจำนวนมาก (บางครั้งอาจหลาย mJ) สามารถเก็บไว้ในเครื่องขยายสัญญาณไฟเบอร์แล้วแยกออกด้วยพัลส์สั้น เฉพาะเมื่อพลังงานพัลส์เอาต์พุตสูงกว่าพลังงานอิ่มตัวเท่านั้น การบิดเบือนพัลส์ที่เกิดจากความอิ่มตัวนั้นร้ายแรง หากคุณขยายเลเซอร์ที่ผลิตโดยเลเซอร์ที่ล็อกโหมด อัตราขยายความอิ่มตัวจะเหมือนกับการขยายเลเซอร์ CW ​​ที่กำลังเท่ากัน
ลักษณะความอิ่มตัวของสีเหล่านี้มีความสำคัญมากสำหรับการสื่อสารด้วยไฟเบอร์ออปติก เนื่องจากมีการหลีกเลี่ยงครอสทอล์คระหว่างสัญลักษณ์ใดๆ ซึ่งเกิดขึ้นในแอมพลิฟายเออร์ออปติกของเซมิคอนดักเตอร์
ไฟเบอร์แอมพลิฟายเออร์มักจะทำงานในพื้นที่ที่มีความอิ่มตัวสูง ด้วยวิธีนี้ เอาต์พุตสูงสุดสามารถรับได้ และผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในไฟปั๊มต่อกำลังออปติคอลเอาต์พุตของสัญญาณจะลดลง
อัตราขยายสูงสุดมักจะขึ้นอยู่กับการปล่อยก๊าซธรรมชาติที่ขยายตัว ไม่ใช่พลังงานออปติคอลของปั๊ม มันปรากฏตัวเมื่อได้รับเกิน 40dB แอมพลิฟายเออร์อัตราขยายสูงยังต้องกำจัดการสะท้อนของกาฝาก ซึ่งสามารถสร้างการสั่นของเลเซอร์แบบกาฝากและแม้กระทั่งสร้างความเสียหายให้กับไฟเบอร์ ดังนั้นโดยปกติแล้วตัวแยกแสงจะถูกเพิ่มที่อินพุตและเอาต์พุต
ASE ให้ขีดจำกัดพื้นฐานเกี่ยวกับประสิทธิภาพเสียงของเครื่องขยายเสียง ในแอมพลิฟายเออร์สี่ระดับการสูญเสียต่ำ สัญญาณรบกวนส่วนเกินสามารถถึงขีดจำกัดทางทฤษฎี นั่นคือ ตัวเลขสัญญาณรบกวนคือ 3dB ที่เกนสูง ซึ่งมากกว่าสัญญาณรบกวนในตัวกลางเกนสามระดับกึ่งสูญเสียปกติ โดยทั่วไป ASE และสัญญาณรบกวนส่วนเกินจะมีขนาดใหญ่กว่าในเลเซอร์แบบย้อนกลับ
แหล่งกำเนิดแสงของปั๊มยังทำให้เกิดเสียงรบกวนอีกด้วย สัญญาณรบกวนเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่ออัตราขยายและกำลังเอาต์พุตของสัญญาณ แต่ไม่มีผลเมื่อความถี่สัญญาณรบกวนมีค่ามากกว่าค่าผกผันของอายุการใช้งานสถานะพลังงานด้านบนมาก (ไอออนที่ออกฤทธิ์ด้วยเลเซอร์คล้ายกับการเก็บพลังงาน ซึ่งช่วยลดผลกระทบจากความผันผวนของพลังงานความถี่สูง) การเปลี่ยนแปลงของกำลังปั๊มยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดของเฟส
ASE เองสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงเหนือรังสีที่มีการเชื่อมโยงกันทางโลกต่ำ ซึ่งจำเป็นในการถ่ายภาพที่เชื่อมโยงกันทางแสง แหล่งกำเนิดแสงเหนือรังสีจะคล้ายกับไฟเบอร์เลเซอร์อัตราขยายสูง