Оптический усилитель — это устройство, которое усиливает оптический сигнал напрямую, без необходимости предварительного преобразования его в электрический сигнал. Оптический усилитель можно рассматривать как лазер без оптического резонатора или как лазер, в котором обратная связь от резонатора подавлена. Оптические усилители играют важную роль в оптической связи и лазерной физике . Они используются в качестве оптических повторителей в оптоволоконных кабелях на большие расстояния , по которым проходит большая часть мировых телекоммуникационных линий.
Существует несколько различных физических механизмов, которые можно использовать для усиления светового сигнала, которые соответствуют основным типам оптических усилителей. В усилителях с легированным волокном и объемных лазерах стимулированное излучение в усиливающей среде усилителя вызывает усиление падающего света. В полупроводниковых оптических усилителях (ПОУ) происходит электрон - дырочная рекомбинация . В рамановских усилителях комбинационное рассеяние падающего света на фононах в решетке усиливающей среды создает фотоны , когерентные с падающими фотонами. Параметрические усилители используют параметрическое усиление.
Принцип оптического усиления был изобретен Гордоном Гулдом 13 ноября 1957 года. [2] 6 апреля 1959 года он подал заявку на патент США № 804,539 под названием «Усилители света, использующие столкновения для создания инверсий заселенности» [3] (впоследствии в него были внесены поправки как продолжение статьи). часть и окончательно выдан в виде патента США 4,746,201A 4 мая 1988 г.). Патент касался «усиления света за счет вынужденного излучения фотонов ионами, атомами или молекулами в газообразном, жидком или твердом состоянии». [4] В общей сложности Гулд получил 48 патентов, связанных с оптическим усилителем [5] , которые охватывали 80% лазеров, представленных на рынке на момент их выдачи. [6]
Гулд стал соучредителем фирмы по производству оптического телекоммуникационного оборудования Optelecom Inc. , которая помогла основать Ciena Corp вместе с его бывшим главой отдела исследований легкой оптики Дэвидом Хубером и Кевином Кимберлином . Хубер и Стив Александер из Ciena изобрели двухкаскадный оптический усилитель [7] ( патент США 5,159,601 ), который стал ключом к созданию первой системы мультиплексирования с плотным волновым разделением (DWDM), которую они выпустили в июне 1996 года. Это положило начало оптическим технологиям. сети. [3] Его значимость была признана в то время оптическим авторитетом Сёичи Судо и технологическим аналитиком Джорджем Гилдером в 1997 году, когда Судо написал, что оптические усилители «откроют мировую революцию, называемую веком информации» [4] , а Гилдер сравнил оптический усилитель до интегральной схемы, предсказывая, что это сделает возможным век информации. [8] Системы оптического усиления WDM являются общей основой всех местных, городских, национальных, межконтинентальных и подводных телекоммуникационных сетей [9] и предпочтительной технологией для оптоволоконных магистралей Интернета (например, оптоволоконные кабели составляют основу современные компьютерные сети ).
Практически любую лазерную активную усиливающую среду можно накачать для получения усиления света на длине волны лазера, изготовленного из того же материала, что и его усиливающая среда. Такие усилители обычно используются для создания лазерных систем большой мощности. Для усиления ультракоротких импульсов используются специальные типы, такие как регенеративные усилители и усилители с чирпированными импульсами .
Твердотельные усилители — это оптические усилители, в которых для усиления оптических сигналов используется широкий спектр легированных твердотельных материалов ( Nd: Yb: YAG, Ti: Sa ) и различной геометрии (диск, пластина, стержень). Разнообразие материалов позволяет усиливать разные длины волн, а форма среды позволяет различать более подходящие для масштабирования энергии средней мощности. [10] Помимо их использования в фундаментальных исследованиях, от обнаружения гравитационных волн [11] до физики высоких энергий в Национальном центре зажигания, их также можно найти во многих современных ультракоротких импульсных лазерах . [ нужна цитата ]
Усилители из легированного волокна (DFA) — это оптические усилители, в которых в качестве усиливающей среды для усиления оптического сигнала используется легированное оптическое волокно . [12] Они относятся к волоконным лазерам . Сигнал, подлежащий усилению, и лазер накачки мультиплексируются в легированное волокно, и сигнал усиливается за счет взаимодействия с легирующими ионами .
Усиление достигается за счет вынужденного излучения фотонов из легирующих ионов в легированном волокне. Лазер накачки возбуждает ионы до более высокой энергии, откуда они могут распадаться посредством вынужденного излучения фотона с длиной волны сигнала обратно на более низкий энергетический уровень. Возбужденные ионы могут распадаться также самопроизвольно (спонтанное излучение) или даже за счет безызлучательных процессов, включающих взаимодействие с фононами стеклянной матрицы. Эти два последних механизма распада конкурируют со стимулированным излучением, снижая эффективность усиления света.
Окно усиления оптического усилителя — это диапазон оптических длин волн, в котором усилитель дает полезный коэффициент усиления. Окно усиления определяется спектроскопическими свойствами легирующих ионов, стеклянной структурой оптического волокна, а также длиной волны и мощностью лазера накачки.
Хотя электронные переходы изолированного иона очень хорошо определены, расширение энергетических уровней происходит, когда ионы внедряются в стекло оптического волокна, и, таким образом, окно усиления также расширяется. Это уширение бывает как однородным (все ионы имеют одинаковый уширенный спектр), так и неоднородным (разные ионы в разных местах стекла имеют разные спектры). Гомогенное уширение возникает в результате взаимодействия с фононами стекла, а неоднородное уширение вызвано различиями в участках стекла, в которых размещаются разные ионы. В разных местах ионы подвергаются воздействию разных локальных электрических полей, что приводит к сдвигу энергетических уровней за счет эффекта Штарка . Кроме того, эффект Штарка также снимает вырождение энергетических состояний, имеющих одинаковый полный угловой момент (задаваемый квантовым числом J). Так, например, ион трехвалентного эрбия (Er 3+ ) имеет основное состояние с J = 15/2 и в присутствии электрического поля распадается на J + 1/2 = 8 подуровней с несколько разными энергиями. Первое возбужденное состояние имеет J = 13/2 и, следовательно, является штарковским многообразием с 7 подуровнями. Переходы из возбужденного состояния J = 13/2 в основное состояние J = 15/2 ответственны за усиление на длине волны 1500 нм. Спектр усиления EDFA имеет несколько пиков, размытых указанными выше механизмами уширения. Конечным результатом является очень широкий спектр (обычно 30 нм в диоксиде кремния). Широкая полоса усиления волоконных усилителей делает их особенно полезными в системах связи с мультиплексированием по длине волны, поскольку один усилитель может использоваться для усиления всех сигналов, передаваемых по волокну и чьи длины волн попадают в окно усиления.
Волноводный усилитель, легированный эрбием (EDWA), представляет собой оптический усилитель, который использует волновод для усиления оптического сигнала.
Относительно мощный луч света смешивается с входным сигналом с помощью селективного ответвителя по длине волны (WSC). Входной сигнал и возбуждающий свет должны иметь существенно разные длины волн. Смешанный свет направляется в участок волокна с ионами эрбия, включенными в сердцевину. Этот мощный световой луч переводит ионы эрбия в более высокоэнергетическое состояние. Когда фотоны, принадлежащие сигналу на длине волны, отличной от длины волны света накачки, встречаются с возбужденными ионами эрбия, ионы эрбия отдают часть своей энергии сигналу и возвращаются в состояние с более низкой энергией.
Важным моментом является то, что эрбий отдает свою энергию в виде дополнительных фотонов, которые находятся точно в той же фазе и направлении, что и усиливаемый сигнал. Таким образом, сигнал усиливается только по направлению движения. В этом нет ничего необычного: когда атом «генерирует лазер», он всегда отдает свою энергию в том же направлении и фазе, что и падающий свет. Таким образом, вся дополнительная мощность сигнала передается в том же режиме волокна, что и входящий сигнал. На выходе обычно размещается оптический изолятор, чтобы предотвратить отражение отражений, возвращающихся от присоединенного волокна . Такие отражения нарушают работу усилителя и в крайнем случае могут привести к тому, что усилитель превратится в лазер.
Усилитель, легированный эрбием, представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления.
Основным источником шума в DFA является усиленная спонтанная эмиссия (ASE), спектр которой примерно такой же, как и спектр усиления усилителя. Коэффициент шума идеального ЦЧА составляет 3 дБ, тогда как практические усилители могут иметь коэффициент шума до 6–8 дБ.
Электроны на верхнем энергетическом уровне могут распадаться не только за счет вынужденного излучения, но и за счет спонтанного излучения, которое происходит случайным образом в зависимости от структуры стекла и уровня инверсии. Фотоны спонтанно излучаются во всех направлениях, но часть из них будет излучаться в направлении, попадающем в числовую апертуру волокна, и, таким образом, улавливается и направляется волокном. Захваченные фотоны могут затем взаимодействовать с другими ионами-примесями и, таким образом, усиливаться за счет стимулированного излучения. Таким образом, первоначальное спонтанное излучение усиливается так же, как и сигналы, отсюда и термин « усиленное спонтанное излучение» . ASE излучается усилителем как в прямом, так и в обратном направлении, но только прямой ASE напрямую влияет на производительность системы, поскольку этот шум будет распространяться вместе с сигналом к приемнику, где он ухудшает производительность системы. Однако встречное распространение ASE может привести к ухудшению характеристик усилителя, поскольку ASE может истощить уровень инверсии и тем самым уменьшить коэффициент усиления усилителя и увеличить создаваемый шум по сравнению с желаемым усилением сигнала.
Коэффициент шума можно анализировать как в оптической, так и в электрической области. [13] В оптической области измерение ASE, коэффициента усиления оптического сигнала и длины волны сигнала с помощью анализатора оптического спектра позволяет рассчитать коэффициент шума. В методе электрических измерений обнаруженный шум фототока оценивается с помощью малошумящего анализатора электрического спектра, который наряду с измерением коэффициента усиления усилителя позволяет измерить коэффициент шума. Как правило, оптический метод обеспечивает более простой метод, хотя он не учитывает эффекты избыточного шума, улавливаемые электрическим методом, такие как генерация шума многолучевой интерференции (MPI). В обоих методах внимание к таким эффектам, как спонтанное излучение, сопровождающее входной сигнал, имеет решающее значение для точного измерения коэффициента шума.
Выигрыш достигается в DFA за счет инверсии заселенности легирующих ионов. Уровень инверсии ЦЧА задается, в первую очередь, мощностью длины волны накачки и мощностью на усиливаемых длинах волн. По мере увеличения мощности сигнала или уменьшения мощности накачки уровень инверсии будет уменьшаться и, следовательно, коэффициент усиления усилителя будет уменьшаться. Этот эффект известен как насыщение усиления: по мере увеличения уровня сигнала усилитель насыщается и не может больше производить выходную мощность, и, следовательно, усиление снижается. Насыщение также широко известно как сжатие усиления.
Для достижения оптимальных шумовых характеристик DFA работают со значительным сжатием усиления (обычно 10 дБ), поскольку это снижает скорость спонтанного излучения, тем самым снижая ASE. Еще одним преимуществом работы DFA в области насыщения усиления является то, что небольшие колебания мощности входного сигнала уменьшаются в выходном усиленном сигнале: меньшие мощности входного сигнала дают больший (менее насыщенный) коэффициент усиления, в то время как большие входные мощности приводят к меньшему усилению.
Передний фронт импульса усиливается до достижения энергии насыщения усиливающей среды. В некоторых случаях ширина ( FWHM ) импульса уменьшается. [14]
Из-за неоднородной части уширения линии легирующих ионов спектр усиления имеет неоднородную составляющую, и насыщение усиления происходит в небольшой степени неоднородно. Этот эффект известен как выгорание спектральных дыр , поскольку мощный сигнал на одной длине волны может «прожечь» дыру в коэффициенте усиления для длин волн, близких к этому сигналу, за счет насыщения неоднородно уширенных ионов. Спектральные дыры различаются по ширине в зависимости от характеристик рассматриваемого оптического волокна и мощности сигнала горения, но обычно составляют менее 1 нм на коротковолновом конце C-диапазона и несколько нм на длинноволновом конце. C-диапазона. Однако глубина отверстий очень мала, что затрудняет наблюдение на практике.
Хотя DFA по существу является усилителем, не зависящим от поляризации, небольшая часть ионов легирующей примеси взаимодействует преимущественно с определенными поляризациями, и может возникнуть небольшая зависимость от поляризации входного сигнала (обычно <0,5 дБ). Это называется коэффициентом усиления, зависящим от поляризации (PDG). Сечения поглощения и эмиссии ионов можно смоделировать как эллипсоиды с главными осями, расположенными случайным образом во всех направлениях в разных местах стекла. Случайное распределение ориентации эллипсоидов в стекле создает макроскопически изотропную среду, но мощный лазер накачки индуцирует анизотропное распределение, избирательно возбуждая те ионы, которые в большей степени ориентированы на вектор оптического поля накачки. Кроме того, возбужденные ионы, ориентированные в направлении сигнального поля, производят более стимулированное излучение. Таким образом, изменение усиления зависит от выравнивания поляризаций накачивающего и сигнального лазеров, т.е. взаимодействуют ли два лазера с одним и тем же подмножеством легирующих ионов или нет. В идеальном легированном волокне без двойного лучепреломления ПДГ была бы неудобно большой. К счастью, в оптических волокнах всегда присутствует небольшое двойное лучепреломление, и, кроме того, быстрая и медленная оси случайным образом изменяются по длине волокна. Типичный ЦЧА имеет длину в несколько десятков метров, достаточную, чтобы уже показать эту случайность осей двойного лучепреломления. Эти два комбинированных эффекта (которые в передающих волокнах приводят к дисперсии мод поляризации ) вызывают рассогласование относительных поляризаций сигнального лазера и лазеров накачки вдоль волокна, что приводит к усреднению PDG. В результате PDG очень трудно наблюдать в одном усилителе (но он заметен в связях с несколькими каскадными усилителями).
Волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA), является наиболее распространенным волоконным усилителем, поскольку его окно усиления совпадает с третьим окном передачи оптического волокна на основе диоксида кремния. Сердечник кварцевого волокна легирован трехвалентными ионами эрбия (Er 3+ ) и может эффективно накачиваться лазером на длинах волн 980 нм и 1480 нм или вблизи них, а усиление проявляется в области 1550 нм. Область усиления EDFA варьируется от приложения к приложению и может составлять от нескольких до ~ 80 нм. Типичное использование EDFA в телекоммуникациях требует усилителей обычного или C-диапазона (от ~ 1525 нм до ~ 1565 нм) или усилителей длинного или L-диапазона (от ~ 1565 нм до ~ 1610 нм). Обе эти полосы можно усилить с помощью EDFA, но обычно используются два разных усилителя, каждый из которых оптимизирован для одной из полос.
Принципиальное различие между усилителями C- и L-диапазона заключается в том, что в усилителях L-диапазона используется легированное волокно большей длины. Более длинная длина волокна позволяет использовать более низкий уровень инверсии, тем самым обеспечивая излучение на более длинных волнах (из-за зонной структуры эрбия в кремнеземе), обеспечивая при этом полезный коэффициент усиления. [ нужна цитата ]
ЭДФА имеют две обычно используемые полосы накачки – 980 нм и 1480 нм. Полоса 980 нм имеет более высокое поперечное сечение поглощения и обычно используется там, где требуется низкий уровень шума. Полоса поглощения относительно узкая, поэтому обычно необходимы лазерные источники со стабилизацией длины волны. Полоса 1480 нм имеет меньшее, но более широкое сечение поглощения и обычно используется для усилителей более высокой мощности. В усилителях обычно используется комбинация накачки 980 нм и 1480 нм.
Усиление и генерация в волокнах, легированных эрбием, были впервые продемонстрированы в 1986–87 годах двумя группами; один, включающий Дэвида Н. Пейна , Р. Мирса , И. М. Джонси и Л. Рики, из Университета Саутгемптона [15] [16] и один из AT&T Bell Laboratories, состоящий из Э. Десервира, П. Беккера и Дж. Симпсона. . [17] Двухкаскадный оптический усилитель, обеспечивающий мультиплексирование с плотным волновым разделением (DWDM), был изобретен Стивеном Б. Александером из Ciena Corporation. [18] [19]
Волоконные усилители, легированные тулием, использовались в S-диапазоне (1450–1490 нм), а усилители, легированные празеодимом, - в диапазоне 1300 нм. Однако в этих регионах до сих пор не было значительного коммерческого использования, и поэтому эти усилители не стали предметом такого большого развития, как EDFA. Однако волоконные лазеры и усилители, легированные иттербием , работающие на длине волны около 1 микрометра, имеют множество применений в промышленной обработке материалов, поскольку эти устройства могут быть изготовлены с чрезвычайно высокой выходной мощностью (десятки киловатт).
Полупроводниковые оптические усилители (SOA) — это усилители, в которых в качестве усиливающей среды используется полупроводник. [20] Эти усилители имеют структуру, аналогичную лазерным диодам Фабри-Перо , но с антиотражающими элементами на торцевых поверхностях. Последние разработки включают антибликовые покрытия, наклонные волноводы и области окон, которые могут уменьшить отражение от торцевой поверхности до менее 0,001%. Поскольку это приводит к потере мощности резонатора, превышающей усиление, это не позволяет усилителю действовать как лазер. Другой тип SOA состоит из двух регионов. Одна часть имеет структуру лазерного диода Фабри-Перо, а другая имеет коническую геометрию для уменьшения плотности мощности на выходной грани.
Полупроводниковые оптические усилители обычно изготавливаются из составных полупроводников групп III-V, таких как GaAs /AlGaAs, InP / InGaAs , InP /InGaAsP и InP /InAlGaAs, хотя можно использовать любые полупроводники с прямой запрещенной зоной, такие как II-VI. Такие усилители часто используются в телекоммуникационных системах в виде компонентов с оптоволоконным кабелем, работающих на длинах волн сигналов от 850 до 1600 нм и генерирующих коэффициент усиления до 30 дБ.
Полупроводниковый оптический усилитель имеет небольшие размеры и электрическую накачку. Он потенциально может быть дешевле, чем EDFA, и его можно интегрировать с полупроводниковыми лазерами, модуляторами и т. д. Однако его производительность по-прежнему несопоставима с EDFA. SOA имеет более высокий уровень шума, более низкий коэффициент усиления, умеренную зависимость от поляризации и высокую нелинейность с быстрым переходным временем. Основное преимущество SOA заключается в том, что могут выполняться все четыре типа нелинейных операций (перекрестная модуляция усиления, перекрестная фазовая модуляция, преобразование длины волны и четырехволновое смешивание ). Кроме того, SOA может работать с лазером малой мощности. [21] Это происходит из-за короткого наносекундного или менее времени жизни верхнего состояния, так что усиление быстро реагирует на изменения мощности накачки или сигнала, а изменения усиления также вызывают фазовые изменения, которые могут искажать сигналы. Эта нелинейность представляет собой наиболее серьезную проблему для приложений оптической связи. Однако он обеспечивает возможность усиления в различных диапазонах длин волн по сравнению с EDFA. Были разработаны «линейные оптические усилители», использующие методы ограничения усиления.
Высокая оптическая нелинейность делает полупроводниковые усилители привлекательными для всех видов обработки оптических сигналов, таких как полностью оптическое переключение и преобразование длины волны. Было проведено много исследований полупроводниковых оптических усилителей как элементов обработки оптических сигналов, преобразования длины волны, восстановления тактовой частоты, демультиплексирования сигналов и распознавания образов.
Недавним дополнением к семейству SOA является SOA с вертикальным резонатором (VCSOA). Эти устройства аналогичны по структуре и имеют много общего с лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором ( VCSEL ). Основное различие при сравнении VCSOA и VCSEL заключается в пониженной отражательной способности зеркала, используемого в резонаторе усилителя. При использовании VCSOA необходимо уменьшить обратную связь, чтобы устройство не достигло порога генерации. Из-за чрезвычайно малой длины резонатора и, соответственно, тонкой усиливающей среды, эти устройства демонстрируют очень низкое однопроходное усиление (обычно порядка нескольких процентов), а также очень большой свободный спектральный диапазон (FSR). Небольшое однопроходное усиление требует относительно высокой отражательной способности зеркала для увеличения общего усиления сигнала. Помимо увеличения общего усиления сигнала, использование структуры резонансного резонатора приводит к очень узкой полосе усиления; в сочетании с большим FSR оптического резонатора это эффективно ограничивает работу VCSOA одноканальным усилением. Таким образом, VCSOA можно рассматривать как усиливающие фильтры.
Учитывая геометрию вертикального резонатора, VCSOA представляют собой оптические усилители с резонансным резонатором, которые работают с входным/выходным сигналом, входящим/выходящим нормально к поверхности пластины. Помимо небольшого размера, нормальная работа VCSOA на поверхности дает ряд преимуществ, включая низкое энергопотребление, низкий коэффициент шума, поляризационно-нечувствительный коэффициент усиления и возможность изготовления двумерных массивов с высоким коэффициентом заполнения на одном полупроводниковом кристалле. . Эти устройства все еще находятся на ранних стадиях исследований, хотя уже были продемонстрированы многообещающие результаты предусилителей. Дальнейшим расширением технологии VCSOA является демонстрация устройств с перестраиваемой длиной волны. Эти SOA с вертикальным резонатором, настраиваемые с помощью МЭМС, используют механизм настройки на основе микроэлектромеханических систем ( МЭМС ) для широкой и непрерывной настройки длины волны пикового усиления усилителя. [22] SOA имеют более быструю реакцию усиления, которая составляет от 1 до 100 пс.
Для большей выходной мощности и более широкого диапазона длин волн используются конические усилители. Эти усилители состоят из боковой одномодовой секции и секции с конической структурой, в которой усиливается лазерное излучение. Коническая структура приводит к снижению удельной мощности на выходной грани.
Типичные параметры: [23]
В рамановском усилителе сигнал усиливается за счет рамановского усиления . В отличие от EDFA и SOA эффект усиления достигается за счет нелинейного взаимодействия сигнала и лазера накачки внутри оптического волокна. Существует два типа комбинационного усилителя: распределенный и сосредоточенный. Распределенный рамановский усилитель — это усилитель, в котором передающее волокно используется в качестве усиливающей среды путем мультиплексирования длины волны накачки с длиной волны сигнала, тогда как рамановский усилитель с сосредоточенными параметрами использует выделенное волокно меньшей длины для обеспечения усиления. В случае рамановского усилителя с сосредоточенными параметрами используется сильно нелинейное волокно с небольшой сердцевиной, чтобы увеличить взаимодействие между длинами волн сигнала и накачки и тем самым уменьшить требуемую длину волокна.
Свет накачки может быть подан в передающее волокно в том же направлении, что и сигнал (сонаправленная накачка), в противоположном направлении (противонаправленная накачка) или в обоих направлениях. Противонаправленная накачка более распространена, поскольку передача шума от накачки к сигналу снижается.
Мощность накачки, необходимая для рамановского усиления, выше, чем требуется для EDFA, причем для достижения полезных уровней усиления в распределенном усилителе требуется более 500 мВт. Усилители с сосредоточенной мощностью, в которых свет накачки можно безопасно сдержать, чтобы избежать последствий для безопасности, связанных с высокой оптической мощностью, могут использовать оптическую мощность более 1 Вт.
Основным преимуществом рамановского усиления является его способность обеспечивать распределенное усиление внутри передающего волокна, тем самым увеличивая длину промежутков между усилителем и местами регенерации . Полоса усиления рамановских усилителей определяется используемыми длинами волн накачки, поэтому усиление может обеспечиваться в более широких и различных областях, чем это возможно с другими типами усилителей, которые полагаются на примеси и конструкцию устройства для определения «окна» усиления.
Рамановские усилители имеют некоторые фундаментальные преимущества. Во-первых, комбинационное усиление присутствует в каждом волокне, что обеспечивает экономичное средство модернизации с оконечных концов. Во-вторых, усиление нерезонансное, что означает, что усиление доступно во всей области прозрачности волокна в диапазоне примерно от 0,3 до 2 мкм. Третье преимущество рамановских усилителей заключается в том, что спектр усиления можно настроить путем регулировки длины волны накачки. Например, для увеличения оптической полосы пропускания можно использовать несколько линий накачки, а распределение накачки определяет неравномерность усиления. Еще одним преимуществом рамановского усиления является то, что это относительно широкополосный усилитель с полосой пропускания > 5 ТГц, а коэффициент усиления достаточно ровный в широком диапазоне длин волн. [24]
Однако ряд проблем, связанных с рамановскими усилителями, помешал их более раннему внедрению. Во-первых, по сравнению с EDFA, рамановские усилители имеют относительно низкую эффективность накачки при более низких мощностях сигнала. Недостаточная эффективность накачки, хотя и является недостатком, также облегчает ограничение усиления в рамановских усилителях. Во-вторых, рамановским усилителям требуется более длинное волокно усиления. Однако этот недостаток можно смягчить, объединив усиление и компенсацию дисперсии в одном волокне. Третьим недостатком рамановских усилителей является малое время отклика, которое приводит к появлению новых источников шума, о чем речь пойдет ниже. Наконец, существуют опасения по поводу нелинейных потерь в усилителе для каналов сигнала WDM. [24]
Примечание. Текст более ранней версии этой статьи был взят из общедоступного Федерального стандарта 1037C .
Оптический параметрический усилитель позволяет усиливать слабый сигнал-импульс в нелинейной среде, такой как нецентросимметричная нелинейная среда (например , бета-борат бария (BBO)) или даже в стандартном оптическом волокне из кварцевого стекла, посредством эффекта Керра . В отличие от ранее упомянутых усилителей, которые в основном используются в телекоммуникационной среде, этот тип находит свое основное применение в расширении возможностей перестройки частоты сверхбыстрых твердотельных лазеров (например, Ti: сапфир ). Благодаря использованию геометрии неколлинеарного взаимодействия оптические параметрические усилители способны обеспечить чрезвычайно широкую полосу усиления.
В 21 веке мощные волоконные лазеры были приняты в качестве инструмента промышленной обработки материалов и начали распространяться на другие рынки, включая медицинские и научные рынки. Одним из ключевых усовершенствований, позволивших проникнуть на научный рынок, стало усовершенствование высокоточных волоконных усилителей, которые стали способны обеспечивать одночастотную ширину линии (<5 кГц) вместе с отличным качеством луча и стабильным линейно поляризованным выходным сигналом. Системы, соответствующие этим спецификациям, постепенно развивались от первоначальной выходной мощности в несколько ватт до десятков, а затем и сотен ватт. Такое увеличение мощности было достигнуто за счет разработок в волоконной технологии, таких как внедрение методов подавления/смягчения вынужденного бриллюэновского рассеяния (SBS) внутри волокна, а также усовершенствований в общей конструкции усилителя, включая волокна с большой площадью моды (LMA) с малой апертурой. сердцевина, [25] микроструктурированное стержневое волокно [26] [27] спиральное ядро, [28] или волокна с хирально связанной сердцевиной, [29] и конические волокна с двойной оболочкой (T-DCF). [30] По состоянию на 2015 год [обновлять]высококачественные, мощные и импульсные оптоволоконные усилители обеспечивали уровни мощности, превышающие уровни, доступные от коммерческих твердотельных одночастотных источников, а также стабильную оптимизированную производительность, открывая новые научные применения. [31]
Существует несколько инструментов моделирования, которые можно использовать для проектирования оптических усилителей. Популярные коммерческие инструменты были разработаны компаниями Optiwave Systems и VPI Systems.