مضخم الألياف الضوئية

مضخم الألياف الضوئية هو نوع من المكبرات الضوئية التي تستخدم الألياف الضوئية كوسيط كسب. عادةً ما يكون وسيط الكسب عبارة عن ألياف مخدرة بأيونات أرضية نادرة ، مثل الإربيوم (EDFA ، ومضخم الألياف Erbium-Doped) ، والنيوديميوم ، والإيتربيوم (YDFA) ، والبراسيوديميوم والثوليوم. تُضخ هذه المنشطات النشطة (تزود بالطاقة) بواسطة ضوء ليزر ، مثل ليزر ديود مقترن بالألياف ؛ في معظم الحالات ، ينتقل ضوء المضخة وضوء الإشارة المضخم في نفس الوقت في قلب الألياف. ليزر الألياف النموذجي هو مضخم رامان (انظر الشكل أدناه).

الشكل 1: رسم تخطيطي لمضخم بسيط للألياف مخدر بالإربيوم. يوفر اثنان من ثنائيات الليزر (LDs) طاقة ضخ للألياف المشبعة بالإربيوم ، والتي يمكنها تضخيم الضوء بأطوال موجية تبلغ حوالي 1550 نانومتر. يعمل عازلا فاراداي على شكل ذيل حصان على عزل الضوء المنعكس للخلف ، وبالتالي القضاء على تأثيره على الجهاز.
في البداية ، تم استخدام مكبرات الصوت الليفية بشكل أساسي للاتصال بالألياف الضوئية لمسافات طويلة ، حيث يحتاج ضوء الإشارة إلى تضخيمه بشكل دوري. من الحالات النموذجية استخدام ليزر ليفي مخدر بالإربيوم ، وتكون قوة ضوء الإشارة في المنطقة الطيفية 1500 نانومتر معتدلة. بعد ذلك ، تم استخدام مضخمات الألياف في مجالات مهمة أخرى. تستخدم مضخمات الألياف عالية الطاقة لمعالجة المواد بالليزر. يستخدم هذا مكبر الصوت عادةً الألياف المزدوجة المكسوة بالإيتربيوم ، والمنطقة الطيفية لضوء الإشارة هي 1030-1100 نانومتر. يمكن أن تصل الطاقة الضوئية الناتجة إلى عدة كيلووات.
نظرًا لصغر مساحة الوضع وطول الألياف الطويل ، يمكن الحصول على مكاسب عالية لعشرات ديسيبل تحت تأثير المضخة ذات الطاقة المتوسطة ، أي يمكن الحصول على كفاءة عالية للكسب (خاصة للطاقة المنخفضة) . جهاز). عادة ما يكون الحد الأقصى للربح محددًا بواسطة ASE. تحتوي الألياف على نسبة سطح إلى حجم كبيرة ونقل مستقر أحادي الوضع ، لذلك يمكن تحقيق طاقة خرج جيدة ، والضوء الناتج عبارة عن شعاع محدود الانعراج ، خاصة عند استخدام ألياف مزدوجة الغلاف. ومع ذلك ، لا تتمتع مضخمات الألياف عالية الطاقة عادةً بمكاسب عالية جدًا في المرحلة الأخيرة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى عوامل كفاءة الطاقة ؛ ثم يلزم وجود سلسلة مكبر للصوت بحيث يوفر preamp معظم الكسب والمرحلة الأخيرة تعطي خرج قدرة عالية.
يختلف تشبع مكبرات الصوت للألياف تمامًا عن تشبع المضخمات الضوئية لأشباه الموصلات (SOAs). نظرًا للمقطع العرضي الانتقالي الصغير وطاقة التشبع العالية ، يمكن أن تصل عادةً إلى عدة عشرات من mJ في مضخمات ألياف الاتصالات المشبعة بالإربيوم ، ومئات mJ في مكبرات الصوت المشبعة بالإيتربيوم مع مناطق وضع كبيرة. لذلك ، يمكن تخزين الكثير من الطاقة (أحيانًا عدة ميغا جول) في مضخم الألياف ثم استخلاصها بنبضة قصيرة. فقط عندما تكون طاقة النبض الناتج أعلى من طاقة التشبع ، يكون تشوه النبض الناجم عن التشبع خطيرًا. إذا قمت بتضخيم الليزر الناتج عن ليزر وضع القفل ، فإن كسب التشبع يماثل تضخيم ليزر CW بنفس الطاقة.
تعتبر خصائص التشبع هذه مهمة جدًا لاتصالات الألياف الضوئية لأنه يتم تجنب أي تداخل بين الرموز ، والذي يحدث في المكبرات الضوئية لأشباه الموصلات.
تعمل مضخمات الألياف عادة في منطقة التشبع القوية. بهذه الطريقة ، يمكن الحصول على الحد الأقصى للإخراج ، وسيتم تقليل تأثير التغييرات الطفيفة في ضوء المضخة على الطاقة الضوئية لخرج الإشارة.
يعتمد الكسب الأقصى عادةً على الانبعاث التلقائي المضخم ، وليس على الطاقة الضوئية للمضخة. يتجلى عندما يتجاوز الكسب 40 ديسيبل. تحتاج مكبرات الصوت عالية الكسب أيضًا إلى التخلص من الانعكاسات الطفيلية ، والتي يمكن أن تولد تذبذبات ليزر طفيلية بل وتضر بالألياف ، لذلك تُضاف العوازل الضوئية عادةً عند المدخلات والمخرجات.
يوفر ASE حدًا أساسيًا لأداء ضوضاء مكبر الصوت. في مكبرات الصوت منخفضة الخسارة من أربعة مستويات ، يمكن أن تصل الضوضاء الزائدة إلى الحد النظري ، أي أن رقم الضوضاء هو 3 ديسيبل عند الكسب العالي ، وهو أكبر من الضوضاء في متوسط ​​الكسب العادي شبه ثلاثي المستويات. يكون ASE والضوضاء الزائدة أكبر بشكل عام في أجهزة الليزر التي يتم ضخها للخلف.
ينتج عن مصدر ضوء المضخة أيضًا بعض الضوضاء. تؤثر هذه الضوضاء بشكل مباشر على الكسب وقدرة خرج الإشارة ، ولكن ليس لها تأثير عندما يكون تردد الضوضاء أكبر بكثير من معكوس عمر حالة الطاقة العليا. (تتشابه الأيونات النشطة بالليزر مع تخزين الطاقة ، مما يقلل من تأثيرات تقلبات الطاقة عالية التردد.) كما تؤدي التغييرات في طاقة المضخة أيضًا إلى تغيرات في درجة الحرارة ، والتي تُترجم بعد ذلك إلى أخطاء في الطور.
يمكن استخدام ASE نفسه كمصدر ضوء فائق الإشعاع مع تماسك زمني منخفض ، وهو أمر ضروري في التصوير البصري المتماسك. يشبه مصدر الضوء فائق الإشعاع ليزر الألياف عالي الكسب.