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 подавлена обратная связь от резонатора. Оптические усилители играют важную роль в оптической связи и лазерной физике . Они используются в качестве оптических повторителей в оптоволоконных кабелях большой протяженности , по которым проходит большая часть мировых телекоммуникационных линий.
Существует несколько различных физических механизмов, которые могут быть использованы для усиления светового сигнала, которые соответствуют основным типам оптических усилителей. В легированных волоконных усилителях и объемных лазерах стимулированное излучение в среде усиления усилителя вызывает усиление входящего света. В полупроводниковых оптических усилителях (SOA) происходит рекомбинация электронов и дырок . В рамановских усилителях рамановское рассеяние входящего света на фононах в решетке среды усиления производит фотоны, когерентные с входящими фотонами. Параметрические усилители используют параметрическое усиление.
Принцип оптического усиления был изобретен Гордоном Гулдом 13 ноября 1957 года. [2] Он подал патент США US80453959A 6 апреля 1959 года под названием «Усилители света, использующие столкновения для создания инверсий населенности» [3] (впоследствии частично измененный как продолжение и окончательно выданный как патент США 4,746,201A 4 мая 1988 года). Патент охватывал «усиление света путем 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 на рынке на момент выдачи. [6]
Гулд стал соучредителем фирмы по производству оптического телекоммуникационного оборудования Optelecom Inc. , которая помогла основать Ciena Corp вместе со своим бывшим руководителем Light Optics Research Дэвидом Хубером и Кевином Кимберлином . Хубер и Стив Александр из Ciena изобрели двухкаскадный оптический усилитель [7] ( патент США 5,159,601 ), который стал ключом к первой системе плотного волнового мультиплексирования (DWDM), которую они выпустили в июне 1996 года. Это ознаменовало начало оптических сетей. [3] Его значимость была признана в то время оптическим авторитетом Шоичи Судо и технологическим аналитиком Джорджем Гилдером в 1997 году, когда Судо написал, что оптические усилители «откроют мировую революцию, называемую Информационным веком» [4], а Гилдер сравнил оптический усилитель с интегральной схемой по важности, предсказав, что он сделает возможным Век информации. [8] Системы оптического усиления WDM являются общей основой всех локальных, городских, национальных, межконтинентальных и подводных телекоммуникационных сетей [9] и предпочтительной технологией для оптоволоконных магистралей Интернета (например, оптоволоконные кабели составляют основу современных компьютерных сетей ).
Почти любая активная среда усиления лазера может быть накачана для получения усиления для света на длине волны лазера, изготовленного из того же материала, что и его среда усиления. Такие усилители обычно используются для производства мощных лазерных систем. Специальные типы, такие как регенеративные усилители и усилители чирпированных импульсов, используются для усиления сверхкоротких импульсов .
Твердотельные усилители — это оптические усилители, которые используют широкий спектр легированных твердотельных материалов ( Nd: Yb:YAG, Ti:Sa ) и различные геометрии (диск, пластина, стержень) для усиления оптических сигналов. Разнообразие материалов позволяет усиливать различные длины волн, в то время как форма среды может 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 сверхкороткоимпульсных лазерах . [ требуется ссылка ]
Усилители на легированном волокне (DFA) — это оптические усилители, которые используют легированное оптическое волокно в качестве среды усиления для усиления оптического сигнала. [12] Они связаны с волоконными лазерами . Сигнал, который необходимо усилить, и лазер накачки мультиплексируются в легированное волокно, и сигнал усиливается посредством взаимодействия с легирующими ионами .
Усиление достигается за счет вынужденного излучения фотонов из ионов легирующей примеси в легированном волокне. Лазер накачки возбуждает ионы в более высокую энергию, откуда они могут распадаться посредством вынужденного излучения фотона на длине волны сигнала обратно на более низкий энергетический уровень. Возбужденные ионы могут также распадаться спонтанно (спонтанное излучение) или даже посредством нерадиационных процессов, включающих взаимодействие с фононами стеклянной матрицы. Эти два последних механизма распада конкурируют со вынужденным излучением, снижая эффективность усиления света.
Окно усиления оптического усилителя — это диапазон оптических длин волн, для которых усилитель обеспечивает полезный коэффициент усиления. Окно усиления определяется спектроскопическими свойствами легирующих ионов, структурой стекла 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 расширение является как однородным (все ионы демонстрируют одинаковый расширенный спектр), так и неоднородным (различные ионы в разных местах стекла демонстрируют разные спектры). Однородное расширение возникает из-за взаимодействия с фононами стекла, в то время как неоднородное расширение вызвано различиями в участках стекла, где размещены разные ионы. Различные участки подвергают ионы воздействию различных локальных электрических полей, что сдвигает уровни энергии посредством эффекта Штарка . Кроме того, эффект Штарка также снимает вырождение энергетических состояний, имеющих одинаковый полный угловой момент (задаваемый квантовым числом J). Так, например, трехвалентный ион эрбия (Er3 + ) имеет основное состояние с J = 15/2, и в присутствии электрического поля расщепляется на J + 1/2 = 8 подуровней с немного отличающимися энергиями. Первое возбужденное состояние имеет J = 13/2 и, следовательно, многообразие Штарка с 7 подуровнями. Переходы из возбужденного состояния J = 13/2 в основное состояние J = 15/2 отвечают за усиление на длине волны 1500 нм. Спектр усиления EDFA имеет несколько пиков, которые размываются вышеуказанными механизмами уширения. Конечным результатом является очень широкий спектр (обычно 30 нм в кремнии). Широкая полоса пропускания 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 длины волн которых попадают в окно усиления.
Усилитель на основе волновода, легированного эрбием (EDWA), представляет собой оптический усилитель, который использует волновод для усиления оптического сигнала.
Относительно мощный луч света смешивается с входным сигналом с помощью селективного по длине волны соединителя (WSC). Входной сигнал и возбуждающий свет должны иметь существенно разные длины волн. Смешанный свет направляется в секцию волокна с ионами эрбия, включенными в сердцевину. Этот мощный луч света возбуждает ионы эрбия до их более высокого энергетического состояния. Когда фотоны, принадлежащие сигналу на другой длине волны от света накачки, встречаются с возбужденными ионами эрбия, ионы эрбия отдают часть своей энергии сигналу и возвращаются в свое более низкое энергетическое состояние.
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 вдоль направления своего движения. Это не является чем-то необычным — когда атом «генерирует лазер», он всегда отдает свою энергию в том же направлении и фазе, что и входящий свет. Таким образом, вся дополнительная мощность сигнала направляется в том же режиме волокна, что и входящий сигнал. Оптический изолятор обычно размещается на выходе, чтобы предотвратить отражения, возвращающиеся от присоединенного волокна. Такие отражения нарушают работу усилителя и в крайнем случае могут привести к тому, что усилитель станет лазером.
Усилитель, легированный эрбием, представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления.
Основным источником шума в DFA является усиленное спонтанное излучение (ASE), спектр которого примерно совпадает со спектром усиления усилителя. Коэффициент шума в идеальном DFA составляет 3 дБ, тогда как практические усилители могут иметь коэффициент шума до 6–8 дБ.
Помимо распада посредством вынужденного излучения, электроны на верхнем энергетическом уровне могут также распадаться посредством спонтанного излучения, которое происходит случайным образом в зависимости от структуры стекла и уровня инверсии. Фотоны испускаются спонтанно во всех направлениях, но часть из них будет испускаться в направлении, которое попадает в числовую апертуру волокна, и, таким образом, захватывается и направляется волокном. Эти захваченные фотоны затем могут взаимодействовать с другими ионами легирующей примеси и, таким образом, усиливаться вынужденным излучением. Поэтому первоначальное спонтанное излучение усиливается таким же образом, как и сигналы, отсюда и термин усиленное спонтанное излучение . ASE испускается усилителем как в прямом, так и в обратном направлениях, но только прямое ASE имеет непосредственное отношение к производительности системы, поскольку этот шум будет распространяться вместе с сигналом к приемнику, где он ухудшает производительность системы. Однако встречный ASE может привести к ухудшению характеристик усилителя, поскольку ASE может истощить уровень инверсии и тем самым уменьшить усиление усилителя и увеличить производимый шум относительно желаемого усиления сигнала.
Коэффициент шума может быть проанализирован как в оптической, так и в электрической области. [13] В оптической области измерение ASE, оптического усиления сигнала и длины волны сигнала с использованием оптического анализатора спектра позволяет вычислить коэффициент шума. Для метода электрического измерения обнаруженный шум фототока оценивается с помощью малошумящего электрического анализатора спектра, который вместе с измерением усиления усилителя позволяет измерить коэффициент шума. Как правило, оптический метод обеспечивает более простой метод, хотя он не включает избыточные шумовые эффекты, 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.
Усиление достигается в DFA за счет инверсии заселенности ионов легирующей примеси. Уровень инверсии DFA 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 тем самым усиление усилителя будет уменьшаться. Этот эффект известен как насыщение усиления — по мере увеличения уровня сигнала усилитель насыщается и не может больше выдавать выходную мощность, и поэтому усиление уменьшается. Насыщение также широко известно как компрессия усиления.
Для достижения оптимальной шумовой производительности DFA работают при значительной степени компрессии усиления (обычно 10 дБ), поскольку это снижает скорость спонтанного излучения, тем самым уменьшая 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 испытывают большее (менее насыщенное) усиление, в то время как большие входные мощности испытывают меньшее усиление.
Передний фронт импульса усиливается до тех пор, пока не будет достигнута энергия насыщения среды усиления. В некоторых условиях ширина ( FWHM ) импульса уменьшается. [14]
Из-за неоднородной части расширения ширины линии легирующих ионов спектр усиления имеет неоднородный компонент, и насыщение усиления происходит, в небольшой степени, неоднородным образом. Этот эффект известен как выжигание спектральных дыр , поскольку мощный сигнал на одной длине волны может «выжигать» дыру в усилении для длин волн, близких к этому сигналу, путем насыщения неоднородно уширенных ионов. Спектральные дыры различаются по ширине в зависимости от характеристик рассматриваемого оптического волокна и мощности выжигающего сигнала, но обычно составляют менее 1 нм на коротковолновом конце C-диапазона и несколько нм на длинноволновом конце C-диапазона. Однако глубина дыр очень мала, что затрудняет наблюдение на практике.
Хотя DFA по сути является поляризационно-независимым усилителем, 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 усилением, зависящим от поляризации (PDG). Поперечные сечения поглощения и испускания ионов можно смоделировать как эллипсоиды с главными осями, выровненными случайным образом во всех направлениях в разных участках стекла. Случайное распределение ориентации эллипсоидов в стекле создает макроскопически изотропную среду, но сильный лазер накачки индуцирует анизотропное распределение, избирательно возбуждая те ионы, которые больше выровнены с вектором оптического поля накачки. Кроме того, эти возбужденные ионы, выровненные с полем сигнала, производят больше стимулированного излучения. Таким образом, изменение усиления зависит от выравнивания поляризаций лазеров накачки и сигнала, т. е. взаимодействуют ли два лазера с одним и тем же подмножеством ионов легирующей примеси или нет. В идеальном легированном волокне без двулучепреломления PDG был бы неудобно большим. К счастью, в оптических волокнах всегда присутствует небольшое количество двулучепреломления, и, кроме того, быстрая и медленная оси изменяются случайным образом по длине волокна. Типичный DFA имеет несколько десятков метров, достаточно длинных, чтобы уже показать эту случайность осей двулучепреломления. Эти два комбинированных эффекта (которые в передающих волокнах приводят к дисперсии поляризационных мод ) вызывают несовпадение относительных поляризаций сигнала и лазеров накачки вдоль волокна, таким образом, стремясь усреднить PDG. Результатом является то, что PDG очень трудно наблюдать в одном усилителе (но он заметен в связях с несколькими каскадными усилителями).
Усилитель на основе легированного эрбием волокна (EDFA) является наиболее используемым волоконным усилителем, поскольку его окно усиления совпадает с третьим окном пропускания оптического волокна на основе кремния. Сердцевина кварцевого волокна легирована трехвалентными ионами эрбия (Er3 + ) и может эффективно накачиваться лазером на длинах волн 980 нм и 1480 нм или около них, а усиление проявляется в области 1550 нм. Область усиления EDFA варьируется от приложения к приложению и может составлять от нескольких нм до ~80 нм. Типичное использование EDFA в телекоммуникациях требует обычных или усилителей C-диапазона (от ~1525 нм до ~1565 нм) или длинных или усилителей L-диапазона (от ~1565 нм до ~1610 нм). Оба эти диапазона могут быть усилены усилителями EDFA, но обычно используют два разных усилителя, каждый из которых оптимизирован для одного из диапазонов.
Принципиальное различие между усилителями C- и L-диапазона заключается в том, что в усилителях L-диапазона используется более длинная легированная нить. Более длинная нить позволяет использовать более низкий уровень инверсии, тем самым обеспечивая излучение на более длинных волнах (благодаря зонной структуре эрбия в кремнии), при этом обеспечивая полезный коэффициент усиления. [ необходима цитата ]
EDFA 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 производительность с низким уровнем шума. Полоса поглощения относительно узкая, поэтому обычно требуются лазерные источники со стабилизированной длиной волны. Полоса 1480 нм имеет более низкое, но более широкое поперечное сечение поглощения и обычно используется для усилителей большей мощности. Комбинация накачки 980 нм и 1480 нм обычно используется в усилителях.
Усиление и лазерная генерация в легированных эрбием волокнах были впервые продемонстрированы в 1986–87 годах двумя группами: одна включала Дэвида Н. Пейна , Р. Мирса , И. М. Джонси и Л. Рики из Университета Саутгемптона [15] [16] и одна из AT&T Bell Laboratories, состоящая из Э. Десурвира, П. Беккера и Дж. Симпсона. [17] Двухкаскадный оптический усилитель, который позволил реализовать плотное волновое мультиплексирование (DWDM), был изобретен Стивеном Б. Александером в корпорации Ciena. [18] [19]
Усилители на основе легированного тулием волокна использовались в S-диапазоне (1450–1490 нм), а усилители на основе легированного празеодимом волокна — в области 1300 нм. Однако эти области до сих пор не получили значительного коммерческого применения, и поэтому эти усилители не стали предметом столь масштабных разработок, как EDFA. Однако лазеры и усилители на основе легированного иттербием волокна, 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, которые используют полупроводник в качестве среды усиления. [20] Эти усилители имеют структуру, похожую на структуру лазерных диодов Фабри-Перо , но с антиотражающими элементами конструкции на торцевых поверхностях. Последние разработки включают антиотражающие покрытия и наклонные волноводы и области окон, которые могут уменьшить отражение торцевой поверхности до менее 0,001%. Поскольку это создает потерю мощности из полости, которая больше усиления, это не позволяет усилителю действовать как лазер. Другой тип SOA состоит из двух областей. 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 полупроводниковых соединений группы III-V, таких как GaAs /AlGaAs, InP / InGaAs , InP /InGaAsP и InP /InAlGaAs, хотя, возможно, могут использоваться любые полупроводники с прямой запрещенной зоной, такие как II-VI. Такие усилители часто используются в телекоммуникационных системах в виде компонентов с волоконно-оптическими выводами, работающих на длинах волн сигнала от 850 нм до 1600 нм и генерирующих усиление до 30 дБ.
Полупроводниковый оптический усилитель имеет небольшой размер и электрически накачивается. Он может быть потенциально менее дорогим, чем EDFA, и может быть интегрирован с полупроводниковыми лазерами, модуляторами и т. д. Однако производительность все еще несопоставима с EDFA. SOA имеет более высокий уровень шума, более низкий коэффициент усиления, умеренную зависимость от поляризации и высокую нелинейность с быстрым временем переходного процесса. Главное преимущество SOA заключается в том, что могут быть выполнены все четыре типа нелинейных операций (модуляция перекрестного усиления, перекрестная фазовая модуляция, преобразование длины волны и четырехволновое смешение ). Кроме того, SOA может работать с маломощным лазером. [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 изменения фазы, которые могут искажать сигналы. Эта нелинейность представляет собой самую серьезную проблему для приложений оптической связи. Однако она обеспечивает возможность усиления в различных диапазонах длин волн от EDFA. Были разработаны «линейные оптические усилители», использующие методы ограничения усиления.
Высокая оптическая нелинейность делает полупроводниковые усилители привлекательными для всех видов оптической обработки сигналов, таких как полностью оптическое переключение и преобразование длины волны. Было проведено много исследований полупроводниковых оптических усилителей как элементов для оптической обработки 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 похожи по структуре и имеют много общих черт с лазерами с вертикальным резонатором ( VCSEL ). Основное различие при сравнении VCSOA и VCSEL заключается в уменьшенной отражательной способности зеркала, используемой в резонаторе усилителя. В VCSOA необходима уменьшенная обратная связь, чтобы предотвратить достижение устройством порога генерации. Из-за чрезвычайно короткой длины резонатора и, соответственно, тонкой усиливающей среды эти устройства демонстрируют очень низкий коэффициент усиления за один проход (обычно порядка нескольких процентов), а также очень большой свободный спектральный диапазон (FSR). Небольшой коэффициент усиления за один проход требует относительно высокой отражательной способности зеркала для увеличения общего усиления сигнала. Помимо увеличения общего усиления сигнала, использование структуры резонансной полости приводит к очень узкой полосе усиления; в сочетании с большим FSR оптического резонатора это фактически ограничивает работу VCSOA одноканальным усилением. Таким образом, VCSOA можно рассматривать как усиливающие фильтры.
Учитывая их вертикальную геометрию полости, VCSOA являются резонансными оптическими усилителями, которые работают с входным/выходным сигналом, входящим/выходящим нормально к поверхности пластины. В дополнение к их небольшому размеру, нормальная работа поверхности VCSOA приводит к ряду 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 были продемонстрированы многообещающие результаты предусилителей. Дальнейшие расширения технологии VCSOA - это демонстрация устройств с настройкой длины волны. Эти MEMS-настраиваемые SOA с вертикальным резонатором используют механизм настройки на основе микроэлектромеханических систем ( MEMS ) для широкой и непрерывной настройки длины волны пикового усиления усилителя. [22] SOA имеют более быструю реакцию усиления, которая составляет порядка 1-100 пс.
Для высокой выходной мощности и более широкого диапазона длин волн используются конусные усилители. Эти усилители состоят из боковой одномодовой секции и секции с конусной структурой, где усиливается лазерный свет. Конусная структура приводит к снижению плотности мощности на выходной грани.
Типичные параметры: [23]
В усилителе Рамана сигнал усиливается с помощью усиления Рамана . В отличие от EDFA и SOA эффект усиления достигается за счет нелинейного взаимодействия между сигналом и лазером накачки в оптическом волокне. Существует два типа усилителей Рамана: распределенные и сосредоточенные. Распределенный усилитель Рамана — это усилитель, в котором передающее волокно используется в качестве среды усиления путем мультиплексирования длины волны накачки с длиной волны сигнала, в то время как сосредоточенный усилитель Рамана использует выделенное, более короткое волокно для обеспечения усиления. В случае сосредоточенного усилителя Рамана используется высоконелинейное волокно с небольшой сердцевиной для увеличения взаимодействия между длинами волн сигнала и накачки и, таким образом, уменьшения требуемой длины волокна.
Свет накачки может быть подключен к волокну передачи 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 уменьшается.
Мощность накачки, необходимая для усиления Рамана, выше, чем требуется EDFA, и для достижения полезных уровней усиления в распределенном усилителе требуется более 500 мВт. Сосредоточенные усилители, где свет накачки может быть надежно ограничен, чтобы избежать последствий для безопасности от высоких оптических мощностей, могут использовать более 1 Вт оптической мощности.
Главным преимуществом рамановского усиления является его способность обеспечивать распределенное усиление в передающем волокне, тем самым увеличивая длину пролетов между усилителем и участками регенерации . Ширина полосы усиления рамановского усилителя 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 легирующие примеси и конструкцию устройства для определения «окна» усиления.
Рамановские усилители имеют некоторые фундаментальные преимущества. Во-первых, рамановское усиление присутствует в каждом волокне, что обеспечивает экономически эффективный способ модернизации с конечных концов. Во-вторых, усиление нерезонансное, что означает, что усиление доступно во всей области прозрачности волокна в диапазоне приблизительно от 0,3 до 2 мкм. Третьим преимуществом рамановских усилителей является то, что спектр усиления можно настраивать, регулируя длины волн накачки. Например, для увеличения оптической полосы пропускания можно использовать несколько линий накачки, а распределение накачки определяет равномерность усиления. Еще одним преимуществом рамановского усиления является то, что это относительно широкополосный усилитель с полосой пропускания > 5 ТГц, а усиление достаточно ровное в широком диапазоне длин волн. [24]
Однако ряд проблем для усилителей Рамана помешал их более раннему принятию. Во-первых, по сравнению с EDFA, усилители Рамана имеют относительно низкую эффективность накачки при более низких мощностях сигнала. Хотя это и недостаток, этот недостаток эффективности накачки также упрощает фиксацию усиления в усилителях Рамана. Во-вторых, усилители Рамана требуют более длинного волокна усиления. Однако этот недостаток можно смягчить, объединив усиление и компенсацию дисперсии в одном волокне. Третьим недостатком усилителей Рамана является быстрое время отклика, что приводит к появлению новых источников шума, как более подробно обсуждается ниже. Наконец, существуют опасения нелинейного штрафа 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 стандартное оптическое волокно из плавленого кварца с помощью эффекта Керра . В отличие от ранее упомянутых усилителей, которые в основном используются в телекоммуникационных средах, этот тип находит свое основное применение в расширении частотной перестраиваемости сверхбыстрых твердотельных лазеров (например, Ti:сапфир ). Используя неколлинеарную геометрию взаимодействия, оптические параметрические усилители способны к чрезвычайно широким полосам усиления.
В 21 веке высокомощные волоконные лазеры были приняты в качестве промышленного инструмента обработки материалов и распространились на другие рынки, включая медицинские и научные рынки. Одним из ключевых усовершенствований, позволивших проникнуть на научный рынок, стало улучшение волоконных усилителей высокой точности, которые стали способны обеспечивать ширину линии одной частоты (<5 кГц) вместе с превосходным качеством луча и стабильным линейно поляризованным выходом. Системы, соответствующие этим характеристикам, постепенно прогрессировали от нескольких ватт выходной мощности изначально до десятков ватт, а затем и сотен ватт. Это увеличение мощности было достигнуто с развитием волоконной технологии, таким как принятие методов подавления/смягчения вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (SBS) внутри волокна, и улучшения в общей конструкции усилителя, включая волокна с большой площадью мод (LMA) с малоапертурным сердечником, [25] микроструктурированное стержневое волокно [26] [27] спиральное сердечник, [28] или хирально-связанные сердечники, [29] и конические волокна с двойной оболочкой (T-DCF). [30] По состоянию на 2015 год [обновлять]высокоточные, высокомощные и импульсные волоконные усилители обеспечивали уровни мощности, превышающие доступные от коммерческих твердотельных одночастотных источников, и стабильную оптимизированную производительность, открывая новые научные приложения. [31]
Существует несколько инструментов моделирования, которые можно использовать для проектирования оптических усилителей. Популярные коммерческие инструменты были разработаны Optiwave Systems и VPI Systems.