Amplificador de fibra óptica

El amplificador de fibra óptica es un tipo de amplificador óptico que utiliza fibra óptica como medio de ganancia. Normalmente, el medio de ganancia es fibra dopada con iones de tierras raras, como erbio (EDFA, amplificador de fibra dopado con erbio), neodimio, iterbio (YDFA), praseodimio y tulio. Estos dopantes activos son bombeados (suministrados con energía) por la luz de un láser, como un láser de diodo acoplado a fibra; en la mayoría de los casos, la luz de la bomba y la luz de la señal amplificada viajan simultáneamente en el núcleo de la fibra. Un láser de fibra típico es un amplificador Raman (consulte la figura a continuación).

Figura 1: Diagrama esquemático de unamplificador simple de fibra dopada con erbio. Dos diodos láser (LD) proporcionan energía de bombeo a la fibra dopada con erbio, que puede amplificar la luz en longitudes de onda de alrededor de 1550 nm. Dos aisladores de Faraday estilo cola de caballo aíslan la luz reflejada, eliminando así su efecto en el dispositivo.
Inicialmente, los amplificadores de fibra se usaban principalmente para comunicaciones de fibra óptica de larga distancia, en las que la luz de la señal debe amplificarse periódicamente. Una situación típica es usar un láser de fibra dopado con erbio, y la potencia de la luz de la señal en la región espectral de 1500 nm es moderada. Posteriormente, los amplificadores de fibra se utilizaron en otros campos importantes. Los amplificadores de fibra de alta potencia se utilizan para el procesamiento de materiales con láser. Este amplificador generalmente usa fibra de doble revestimiento dopada con iterbio, y la región espectral de la luz de la señal es 1030-1100nm. La potencia óptica de salida puede alcanzar varios kilovatios.
Debido al área modal pequeña y a la gran longitud de la fibra, se puede obtener una alta ganancia de decenas de dB bajo la acción de la luz de bomba de media potencia, es decir, se puede obtener una alta eficiencia de ganancia (especialmente para baja potencia). . dispositivo). La ganancia máxima suele estar limitada por ASE. La fibra tiene una gran relación superficie-volumen y una transmisión monomodo estable, por lo que se puede lograr una buena potencia de salida y la luz de salida es un haz de difracción limitada, especialmente cuando se usan fibras de doble revestimiento. Sin embargo, los amplificadores de fibra de alta potencia normalmente no tienen una ganancia muy alta en la última etapa, en parte debido a factores de eficiencia energética; Luego se requiere una cadena de amplificadores para que el preamplificador proporcione la mayor parte de la ganancia y la última etapa proporcione una salida de alta potencia.
La saturación de ganancia de los amplificadores de fibra es bastante diferente de la de los amplificadores ópticos de semiconductores (SOA). Debido a la pequeña sección transversal de transición y la alta energía de saturación, generalmente puede alcanzar varias decenas de mJ en amplificadores de fibra de comunicación dopados con erbio y cientos de mJ en amplificadores dopados con iterbio con áreas de modo grandes. Por lo tanto, se puede almacenar mucha energía (a veces varios mJ) en el amplificador de fibra y luego extraerla mediante un pulso corto. Solo cuando la energía del pulso de salida es mayor que la energía de saturación, la distorsión del pulso causada por la saturación es grave. Si amplifica el láser producido por un láser de modo bloqueado, la ganancia de saturación es la misma que si amplifica un láser CW con la misma potencia.
Estas características de saturación son muy importantes para las comunicaciones de fibra óptica porque se evita cualquier diafonía entre símbolos, que ocurre en los amplificadores ópticos de semiconductores.
Los amplificadores de fibra generalmente funcionan en la región de fuerte saturación. De esta manera, se puede obtener la salida máxima y se reducirá el efecto de ligeros cambios en la luz de la bomba en la potencia óptica de salida de la señal.
La ganancia máxima generalmente depende de la emisión espontánea amplificada, no de la potencia óptica de la bomba. Se manifiesta cuando la ganancia supera los 40dB. Los amplificadores de alta ganancia también deben eliminar los reflejos parásitos, que pueden generar oscilaciones láser parásitas e incluso dañar la fibra, por lo que generalmente se agregan aisladores ópticos en la entrada y la salida.
ASE proporciona un límite fundamental en el rendimiento del ruido del amplificador. En los amplificadores de cuatro niveles de baja pérdida, el exceso de ruido puede alcanzar el límite teórico, es decir, la cifra de ruido es de 3 dB a alta ganancia, que es mayor que el ruido en el medio de ganancia de casi tres niveles con pérdida habitual. El ASE y el exceso de ruido son generalmente mayores en los láseres retrobombeados.
La fuente de luz de la bomba también introduce algo de ruido. Estos ruidos afectan directamente la ganancia y la potencia de salida de la señal, pero no tienen ningún efecto cuando la frecuencia del ruido es mucho mayor que la inversa del tiempo de vida del estado de energía superior. (Los iones láser activos son similares al almacenamiento de energía, lo que reduce los efectos de las fluctuaciones de potencia de alta frecuencia). Los cambios en la potencia de la bomba también provocan cambios de temperatura, que luego se traducen en errores de fase.
ASE en sí mismo se puede utilizar como una fuente de luz superradiante con baja coherencia temporal, que es necesaria en imágenes ópticas coherentes. Una fuente de luz superrradiante es similar a un láser de fibra de alta ganancia.