광섬유 증폭기

광섬유 증폭기는 광섬유를 이득 매체로 사용하는 일종의 광 증폭기입니다. 일반적으로 이득 매체는 어븀(EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), 네오디뮴, 이테르븀(YDFA), 프라세오디뮴 및 툴륨과 같은 희토류 이온으로 도핑된 섬유입니다. 이러한 활성 도펀트는 광섬유 결합 다이오드 레이저와 같은 레이저의 빛에 의해 펌핑(에너지와 함께 제공)됩니다. 대부분의 경우 펌프 광과 증폭된 신호 광은 광섬유 코어에서 동시에 이동합니다. 일반적인 파이버 레이저는 라만 증폭기입니다(아래 그림 참조).

그림 1: 도식 다이어그램간단한 에르븀 도핑 광섬유 증폭기. 2개의 레이저 다이오드(LD)는 약 1550nm 파장의 빛을 증폭할 수 있는 어븀 도핑 섬유에 펌프 에너지를 제공합니다. 포니테일 스타일의 패러데이 아이솔레이터 2개가 후면 반사광을 격리하여 장치에 미치는 영향을 제거합니다.
초기에 섬유증폭기는 신호광을 주기적으로 증폭해야 하는 장거리 광섬유 통신에 주로 사용되었다. 일반적인 상황은 에르븀 도핑 광섬유 레이저를 사용하는 것이며 1500nm 스펙트럼 영역에서 신호등의 출력은 보통입니다. 그 후, 광섬유 증폭기는 다른 중요한 분야에서 사용되었습니다. 고출력 광섬유 증폭기는 레이저 재료 가공에 사용됩니다. 이 증폭기는 일반적으로 이테르븀 도핑 이중 클래드 광섬유를 사용하며 신호등의 스펙트럼 영역은 1030-1100nm입니다. 출력 광 전력은 몇 킬로와트에 달할 수 있습니다.
모드 면적이 작고 광섬유 길이가 길기 때문에 중간 출력의 펌프 광의 작용으로 수십 dB의 높은 이득을 얻을 수 있습니다. 즉, 높은 이득 효율(특히 저전력의 경우)을 얻을 수 있습니다. . 장치). 최대 이득은 일반적으로 ASE에 의해 제한됩니다. 섬유는 표면 대 부피 비율이 크고 안정적인 단일 모드 전송을 가지므로 우수한 출력을 얻을 수 있으며 특히 이중 클래드 섬유를 사용할 때 출력 광은 회절 제한 빔입니다. 그러나 고전력 광섬유 증폭기는 일반적으로 부분적으로 전력 효율 요인으로 인해 마지막 단계에서 매우 높은 이득을 갖지 않습니다. 그런 다음 프리앰프가 대부분의 게인을 제공하고 마지막 스테이지가 높은 출력을 제공하도록 앰프 체인이 필요합니다.
광섬유 증폭기의 이득 포화는 반도체 광 증폭기(SOA)의 이득 포화와 상당히 다릅니다. 전이 단면적이 작고 포화 에너지가 높기 때문에 일반적으로 에르븀이 도핑된 통신 광섬유 증폭기에서는 수십 mJ, 모드 영역이 큰 이터븀이 도핑된 증폭기에서는 수백 mJ에 도달할 수 있습니다. 따라서 많은 에너지(때로는 수 mJ)를 광섬유 증폭기에 저장했다가 짧은 펄스로 추출할 수 있습니다. 출력 펄스 에너지가 포화 에너지보다 높을 때만 포화로 인한 펄스 왜곡이 심각합니다. 모드 잠금 레이저에서 생성된 레이저를 증폭하면 포화 게인은 동일한 출력에서 ​​CW 레이저를 증폭하는 것과 같습니다.
이러한 포화 특성은 반도체 광 증폭기에서 발생하는 기호 간 누화가 방지되기 때문에 광섬유 통신에 매우 중요합니다.
광섬유 증폭기는 일반적으로 강한 포화 영역에서 작동합니다. 이러한 방식으로 최대 출력을 얻을 수 있으며 펌프 광의 미세한 변화가 신호 출력 광 전력에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다.
최대 이득은 일반적으로 펌프 광 출력이 아닌 증폭된 자발적 방출에 따라 달라집니다. 게인이 40dB를 초과하면 나타납니다. 또한 고이득 증폭기는 기생 레이저 발진을 생성하고 심지어 광섬유를 손상시킬 수 있는 기생 반사를 제거해야 하므로 일반적으로 광 아이솔레이터가 입력 및 출력에 추가됩니다.
ASE는 증폭기 잡음 성능에 근본적인 제한을 제공합니다. 저손실 4레벨 증폭기에서 초과 잡음은 이론적 한계에 도달할 수 있습니다. 즉, 높은 이득에서 잡음 지수는 3dB이며, 이는 일반적인 손실 준 3레벨 이득 매체의 잡음보다 큽니다. ASE 및 초과 노이즈는 일반적으로 역방향 펌핑 레이저에서 더 큽니다.
펌프 광원에서도 약간의 노이즈가 발생합니다. 이러한 노이즈는 이득 및 신호 출력 전력에 직접적인 영향을 주지만 노이즈 주파수가 상위 에너지 상태 수명의 역수보다 훨씬 클 때는 영향을 미치지 않습니다. (레이저 활성 이온은 에너지 저장과 유사하여 고주파 전력 변동의 영향을 줄입니다.) 펌프 전력의 변화는 온도 변화를 일으켜 위상 오류로 이어집니다.
ASE 자체는 광학 간섭성 이미징에 필요한 낮은 시간적 간섭성을 갖는 초복사 광원으로 사용될 수 있습니다. 초복사 광원은 고이득 파이버 레이저와 유사합니다.