Оптический усилитель - Википедия - Optical amplifier

Оптические усилители используются для создания лазерные направляющие звезды которые предоставляют обратную связь адаптивная оптика системы управления, которые динамически регулируют форму зеркал в крупнейших астрономических телескопы.[1]

An оптический усилитель это устройство, которое усиливает оптический сигнал напрямую, без необходимости сначала преобразовывать его в электрический сигнал. Оптический усилитель можно рассматривать как лазер без оптический резонатор, или тот, в котором Обратная связь из полости подавляется. Оптические усилители важны в оптическая связь и лазерная физика. Они используются как оптические повторители на большом расстоянии оптоволоконные кабели по которым проходит большая часть мировых телекоммуникационных каналов.

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 усилителе получить средний вызывает усиление падающего света. В полупроводниковых оптических усилителях (ПОУ) электрон -дыра рекомбинация происходит. В Рамановские усилители, Рамановское рассеяние входящего света с фононы в решетке усиливающей среды производит фотоны когерентные с входящими фотонами. Параметрические усилители использовать параметрическое усиление.

Лазерные усилители

Практически любой лазер активная среда усиления возможно накачанный производить прирост для света на длине волны лазера, сделанного из того же материала, что и его усиливающая среда. Такие усилители обычно используются для создания высокомощных лазерных систем. Специальные типы, такие как регенеративные усилители и усилители чирпированных импульсов используются для усиления ультракороткие импульсы.

Твердотельные усилители

Твердотельные усилители оптические усилители, в которых используется широкий спектр легированных твердое состояние материалы (Nd: YAG, Yb: YAG, Ti: Sa ) и различной геометрии (диск, плита, стержень) для усиления оптических сигналов. Разнообразие материалов позволяет усиливать волны различной длины, в то время как форма среды позволяет различать более подходящие для масштабирования энергии средней мощности.[2] Помимо их использования в фундаментальных исследованиях от гравитационная волна обнаружение[3] к физике высоких энергий на Национальный центр зажигания их также можно найти во многих современных ультракороткие импульсные лазеры.[нужна цитата ]

Усилители из легированного волокна

Принципиальная схема простого усилителя из легированного волокна

Усилители из легированного волокна (DFA) - это оптические усилители, использующие допированный оптоволокно как усиливающая среда для усиления оптического сигнала. Они связаны с волоконные лазеры. Усиливаемый сигнал и лазер накачки мультиплексированный в легированное волокно, и сигнал усиливается за счет взаимодействия с легирующим ионы.

Усиление достигается за счет вынужденного излучения фотонов из легирующих ионов в легированном волокне. Лазер накачки возбуждает ионы с более высокой энергией, откуда они могут распадаться посредством вынужденного излучения фотона с длиной волны сигнала обратно на более низкий энергетический уровень. Возбужденные ионы также могут распадаться самопроизвольно (спонтанное излучение) или даже в результате безызлучательных процессов, связанных с взаимодействием с фононы стеклянной матрицы. Эти последние два механизма распада конкурируют со стимулированным излучением, снижая эффективность усиления света.

В окно усиления оптического усилителя - это диапазон длин оптических волн, для которых усилитель дает полезный коэффициент усиления. Окно усиления определяется спектроскопическими свойствами ионов легирующей примеси, стеклянной структурой оптического волокна, а также длиной волны и мощностью лазера накачки.

Хотя электронные переходы изолированного иона очень хорошо определены, уширение уровней энергии происходит, когда ионы встраиваются в стекло оптического волокна, и, таким образом, окно усиления также расширяется. Это расширение одновременно однородный (все ионы имеют одинаковый уширенный спектр) и неоднородный (разные ионы в разных местах стекла демонстрируют разные спектры). Однородное уширение возникает из-за взаимодействия с фононы стекла, в то время как неоднородное уширение вызвано различиями в участках стекла, в которых размещаются разные ионы. Разные участки подвергают ионы воздействию различных локальных электрических полей, которые сдвигают уровни энергии через Эффект Старка. Кроме того, эффект Штарка также снимает вырождение энергетических состояний, имеющих одинаковый полный угловой момент (определяемый квантовым числом J). Так, например, трехвалентный ион эрбия (Er3+) имеет основное состояние с J = 15/2, а в присутствии электрического поля расщепляется на J + 1/2 = 8 подуровней с немного разными энергиями. Первое возбужденное состояние имеет J = 13/2 и, следовательно, штарковское многообразие 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, которые размыты указанными выше механизмами уширения. Конечный результат - очень широкий спектр (обычно 30 нм в диоксиде кремния). Широкая полоса пропускания волоконных усилителей делает их особенно полезными в мультиплексированный с разделением по длине волны Системы связи в качестве единственного усилителя могут использоваться для усиления всех сигналов, передаваемых по оптоволокну и чьи длины волн попадают в окно усиления.

An волноводный усилитель, легированный эрбием (EDWA) - оптический усилитель, использующий волновод для усиления оптического сигнала.

Основной принцип волоконного усилителя, легированного эрбием (EDFA)

Относительно мощный луч света смешивается с входным сигналом с помощью селективного элемента связи (WSC). Входной сигнал и возбуждающий свет должны иметь разные длины волн. Смешанный свет направляется в участок волокна с ионами эрбия, включенными в сердцевину. Этот мощный световой луч возбуждает ионы эрбия в их более высокоэнергетическое состояние. фотоны, принадлежащие сигналу с длиной волны, отличной от длины волны излучения накачки, встречаются с возбужденными ионами эрбия, ионы эрбия отдают часть своей энергии сигналу и возвращаются в свое более низкоэнергетическое состояние. Существенным моментом является то, что эрбий отдает его энергия в виде дополнительных фотонов, которые находятся точно в той же фазе и направлении, что и усиливаемый сигнал. Таким образом, сигнал усиливается только в направлении его движения. В этом нет ничего необычного - когда атом "генерирует", он всегда отдает свою энергию в том же направлении и фазе, что и падающий свет. Таким образом, вся дополнительная мощность сигнала направляется в том же волоконном режиме, что и входящий сигнал. Обычно на выходе размещается изолятор, чтобы предотвратить возврат отражений от присоединенного волокна. Такие отражения нарушают работу усилителя и в крайнем случае могут превратить усилитель в лазер. Усилитель, легированный эрбием, представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления.

Шум

Основным источником шума в DFA является Усиленное спонтанное излучение (ASE), который имеет спектр примерно такой же, как спектр усиления усилителя. Коэффициент шума в идеальном DFA составляет 3 дБ, в то время как практические усилители могут иметь коэффициент шума до 6–8 дБ.

Электроны на верхнем энергетическом уровне могут распадаться не только из-за вынужденного излучения, но и из-за спонтанного излучения, которое происходит случайно, в зависимости от структуры стекла и уровня инверсии. Фотоны излучаются спонтанно во всех направлениях, но часть из них будет излучаться в направлении, которое попадает в пределы числовая апертура волокна и, таким образом, захватываются и направляются волокном. Эти захваченные фотоны могут затем взаимодействовать с другими ионами легирующей примеси и, таким образом, усиливаться за счет вынужденного излучения. Поэтому первоначальное спонтанное излучение усиливается так же, как и сигналы, отсюда и термин Усиленное спонтанное излучение. Усилитель излучает ASE как в прямом, так и в обратном направлениях, но только прямой ASE имеет прямое отношение к производительности системы, поскольку этот шум будет распространяться вместе с сигналом на приемник, где он ухудшает производительность системы. Однако ASE с встречным распространением может привести к ухудшению характеристик усилителя, поскольку ASE может снизить уровень инверсии и, таким образом, снизить коэффициент усиления усилителя и увеличить производимый шум по сравнению с желаемым коэффициентом усиления сигнала.

Коэффициент шума можно анализировать как в оптической, так и в электрической области.[4] В оптической области измерение ASE, усиления оптического сигнала и длины волны сигнала с помощью анализатора оптического спектра позволяет рассчитать коэффициент шума. Для метода электрических измерений обнаруженный шум фототока оценивается малошумящим анализатором электрического спектра, который наряду с измерением усиления усилителя позволяет измерять коэффициент шума. Как правило, оптический метод обеспечивает более простой метод, хотя он не включает эффекты избыточного шума, улавливаемые электрическим методом, такие как генерация шума многолучевых помех (MPI). В обоих методах внимание к таким эффектам, как спонтанное излучение, сопровождающее входной сигнал, имеет решающее значение для точного измерения коэффициента шума.

Получить насыщенность

Прирост достигается в DFA за счет инверсия населения ионов легирующей примеси. Уровень инверсии DFA задается, в первую очередь, мощностью длины волны накачки и мощностью на усиленных длинах волн. По мере увеличения мощности сигнала или уменьшения мощности накачки уровень инверсии будет уменьшаться, и, таким образом, коэффициент усиления усилителя будет уменьшаться. Этот эффект известен как насыщение усиления - по мере увеличения уровня сигнала усилитель насыщается и больше не может производить выходную мощность, поэтому коэффициент усиления уменьшается. Насыщенность также широко известна как компрессия усиления.

Для достижения оптимальных шумовых характеристик DFA работают со значительной степенью сжатия усиления (обычно 10 дБ), так как это снижает скорость спонтанного излучения, тем самым уменьшая ASE. Еще одно преимущество работы DFA в области насыщения усиления состоит в том, 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, пока не будет достигнута энергия насыщения усиливающей среды. В некоторых условиях ширина (FWHM ) пульса снижается.[5]

Эффекты неоднородного уширения

Из-за неоднородной части уширения ширины линии ионов легирующей примеси спектр усиления имеет неоднородную составляющую, и насыщение усиления происходит, в небольшой степени, неоднородным образом. Этот эффект известен как горение спектральной дыры потому что сигнал высокой мощности на одной длине волны может «прожечь» 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 горящего сигнала, но обычно составляют менее 1 нм на коротковолновом конце C-диапазона и несколько нм на длинноволновом конце. С-диапазона. Однако глубина отверстий очень мала, что затрудняет наблюдение на практике.

Эффекты поляризации

Хотя DFA по существу является поляризационно-независимым усилителем, небольшая часть ионов допанта 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). Сечения поглощения и испускания ионов могут быть смоделированы как эллипсоиды с большими осями, выровненными случайным образом во всех направлениях в разных местах стекла. Случайное распределение ориентации эллипсоидов в стекле создает макроскопически изотропную среду, но мощный лазер накачки вызывает анизотропное распределение, избирательно возбуждая те ионы, которые в большей степени совпадают с вектором оптического поля накачки. Кроме того, возбужденные ионы, выровненные по сигнальному полю, производят более стимулированное излучение. Таким образом, изменение коэффициента усиления зависит от совмещения поляризаций лазеров накачки и сигналов, т. Е. От того, взаимодействуют ли два лазера с одним и тем же подмножеством ионов легирующей примеси. В идеальном легированном волокне без двулучепреломление, PDG был бы неудобно большим. К счастью, в оптических волокнах всегда присутствует небольшое количество двойного лучепреломления, и, кроме того, быстрая и медленная оси случайным образом меняются по длине волокна. Типичный DFA имеет несколько десятков метров, достаточной длины, чтобы уже показать эту хаотичность осей двулучепреломления. Эти два комбинированных эффекта (которые в передающих волокнах вызывают поляризационная модовая дисперсия ) вызывают рассогласование относительных поляризаций сигнального лазера и лазера накачки вдоль волокна, что приводит к усреднению PDG. В результате PDG очень трудно наблюдать в одном усилителе (но это заметно в соединениях с несколькими каскадными усилителями).

Волоконно-оптические усилители, легированные эрбием

Волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA), является наиболее распространенным волоконным усилителем, поскольку его окно усиления совпадает с третьим окном пропускания оптического волокна на основе диоксида кремния. Сердцевина волокна из диоксида кремния легирована трехвалентным эрбий ионы (Er3+) и может эффективно накачиваться лазером на длинах волн 980нм и 1480 нм, а усиление проявляется в области 1550 нм. Область амплификации EDFA варьируется от приложения к приложению и может составлять от нескольких нм до ~ 80 нм. Типичное использование EDFA в телекоммуникациях требует Общепринятый, или усилители C-диапазона (от ~ 1525 нм до ~ 1565 нм) или Длинный, или усилители L-диапазона (от ~ 1565 нм до ~ 1610 нм). Обе эти полосы можно усилить с помощью EDFA, но нормально использовать два разных усилителя, каждый из которых оптимизирован для одной из полос.

Принципиальное различие между усилителями C- и L-диапазонов состоит в том, что в усилителях L-диапазона используется более длинное легированное волокно. Более длинная длина волокна позволяет использовать более низкий уровень инверсии, тем самым давая излучение на более длинных волнах (из-за зонной структуры эрбия в кремнеземе), при этом обеспечивая полезный коэффициент усиления.[нужна 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 низкий уровень 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 генерация в световодах, легированных эрбием, были впервые продемонстрированы в 1986–87 годах двумя группами; один в том числе Дэвид Н. Пейн, Р. Мирс, I.M Jauncey и L. Reekie, из Саутгемптонский университет[6][7] и один от AT&T Bell Laboratories, состоящий из Э. Десурвира, П. Беккера и Дж. Симпсона.[8] Двухкаскадный оптический усилитель, обеспечивающий мультиплексирование с плотным волновым разделением (DWDM), был изобретен Стивеном Б. Александром из Ciena Corporation.[9][10]

Усилители из легированного волокна для других диапазонов длин волн

Тулий усилители на легированном волокне использовались в S-диапазон (1450–1490 нм) и Празеодим легированные усилители в области 1300 нм. Однако до сих пор в этих регионах не было значительного коммерческого использования, и поэтому эти усилители не подвергались такому развитию, как EDFA. Тем не мение, Иттербий Лазеры и усилители на легированных волокнах, работающие с длиной волны около 1 микрометра, находят множество применений в промышленной обработке материалов, поскольку эти устройства могут быть изготовлены с чрезвычайно высокой выходной мощностью (десятки киловатт).

Полупроводниковый оптический усилитель

Полупроводниковые оптические усилители (ПОУ) - это усилители, в которых в качестве усиливающей среды используется полупроводник.[11] Эти усилители имеют аналогичную структуру Фабри-Перо лазерные диоды но с антибликовыми элементами дизайна на торцах. Последние разработки включают антибликовое покрытие и наклонные волновод и оконные области, которые могут уменьшить отражение от торца до менее 0,001%. Поскольку это приводит к потере мощности в резонаторе, превышающей коэффициент усиления, усилитель не работает как лазер. Другой тип SOA состоит из двух регионов. Одна часть имеет структуру лазерного диода Фабри-Перо, а другая имеет коническую геометрию, чтобы уменьшить плотность мощности на выходной грани.

Полупроводниковые оптические усилители обычно изготавливаются из полупроводниковых соединений III-V групп, таких как GaAs / AlGaAs, InP /InGaAs, InP / InGaAsP и InP / InAlGaAs, хотя можно предположить, что можно использовать любые полупроводники с прямой запрещенной зоной, такие как II-VI. Такие усилители часто используются в телекоммуникационных системах в виде компонентов с оптоволоконной разводкой, работающих на длинах волн сигнала от 850 до 1600 нм и генерирующих усиление до 30 дБ.

Полупроводниковый оптический усилитель имеет небольшие размеры и имеет электрическую накачку. 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, меньшее усиление, умеренную поляризационную зависимость и высокую нелинейность с быстрым переходным временем. Основное преимущество SOA состоит в том, что все четыре типа нелинейных операций (перекрестная модуляция усиления, перекрестная фазовая модуляция, преобразование длины волны и четырехволновое смешение ) можно провести. Кроме того, SOA может работать с маломощным лазером.[12]Это происходит из-за короткого времени жизни верхнего состояния в наносекунде или меньше, 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 оптической связи. Приложения. Однако он 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 любой обработки оптических сигналов, такой как полностью оптическое переключение и преобразование длины волны. Было проведено много исследований полупроводниковых оптических усилителей как элементов для обработки оптических сигналов, преобразования длины волны, восстановления тактовой частоты, демультиплексирования сигналов и распознавания образов.

SOA с вертикальным резонатором

Недавнее дополнение к семейству SOA - это SOA с вертикальным резонатором (VCSOA). Эти устройства похожи по структуре на лазеры с поверхностным излучением с вертикальным резонатором и имеют много общих черт с ними (VCSEL ). Основное различие при сравнении VCSOA и VCSEL заключается в пониженной отражательной способности зеркал, используемых в резонаторе усилителя. При использовании VCSOA необходимо уменьшить обратную связь, чтобы устройство не достигло порога генерации. Из-за чрезвычайно короткой длины резонатора и, соответственно, тонкой среды усиления эти устройства демонстрируют очень низкое однопроходное усиление (обычно порядка нескольких процентов), а также очень большое свободный спектральный диапазон (FSR). Небольшое однопроходное усиление требует относительно высокого коэффициента отражения зеркала для увеличения общего усиления сигнала. Помимо увеличения общего усиления сигнала, использование резонансная полость структура 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 усилительные фильтры.

Учитывая их вертикальную геометрию резонатора, VCSOA представляют собой оптические усилители с резонансным резонатором, которые работают с входным / выходным сигналом, входящим / выходящим перпендикулярно поверхности пластины. В дополнение к их небольшому размеру нормальная работа VCSOA дает ряд преимуществ, включая низкое энергопотребление, низкий коэффициент шума, нечувствительность к поляризации и возможность изготовления двумерных массивов с высоким коэффициентом заполнения на одном полупроводниковом кристалле. . Эти устройства все еще находятся на ранней стадии исследований, хотя были продемонстрированы многообещающие результаты с предусилителями. Дальнейшее расширение технологии VCSOA - демонстрация устройств с перестраиваемой длиной волны. В этих ПОУ с вертикальным резонатором, настраиваемых с помощью МЭМС, используются микроэлектромеханические системы (МЭМС ) на основе механизма настройки для широкой и непрерывной настройки длины волны пикового усиления усилителя.[13] SOA имеют более быстрый отклик усиления, который составляет от 1 до 100 пс.

Конические усилители

Для получения высокой 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 лазерный свет усиливается. Коническая структура приводит к снижению плотности мощности на выходной грани.

Типичные параметры:[14]

  • диапазон длин волн: от 633 до 1480 нм
  • входная мощность: от 10 до 50 мВт
  • выходная мощность: до 3 Вт

Рамановский усилитель

Основная статья: Рамановское усиление

В рамановском усилителе сигнал усиливается на Рамановское усиление. В отличие от EDFA и SOA эффект усиления достигается за счет нелинейного взаимодействия между сигналом и лазером накачки в оптическом волокне. Рамановские усилители бывают двух типов: распределенные и сосредоточенные. В распределенном рамановском усилителе в качестве усиливающей среды используется передающее волокно путем мультиплексирования длины волны накачки с длиной волны сигнала, тогда как в рамановском усилителе с сосредоточенными параметрами используется выделенное волокно меньшей длины для обеспечения усиления. В случае рамановского усилителя с сосредоточенными параметрами используется высоконелинейное волокно с небольшой сердцевиной для увеличения взаимодействия между длинами волн сигнала и накачки и, таким образом, уменьшения необходимой длины волокна.

Свет накачки может быть введен 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 уменьшается передача шума от насоса к сигналу.

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 сосредоточенными параметрами, в которых свет накачки может быть надежно ограничен, чтобы избежать последствий для безопасности из-за высоких оптических мощностей, могут использовать оптическую мощность более 1 Вт.

Основным преимуществом рамановского усиления является его способность обеспечивать распределенное усиление в передающем волокне, тем самым увеличивая длину промежутков между усилителем и регенерация места. Ширина полосы усиления рамановских усилителей определяется используемыми длинами волн накачки, поэтому усиление может быть обеспечено в более широких и различных областях, чем это возможно с другими типами усилителей, которые зависят от примесей и конструкции устройства для определения `` окна '' усиления.

Рамановские усилители имеют несколько фундаментальных преимуществ. Во-первых, рамановское усиление присутствует в каждом волокне, что обеспечивает рентабельные средства модернизации с оконечных концов. Во-вторых, усиление является нерезонансным, что означает, что усиление доступно во всей области прозрачности волокна в диапазоне приблизительно от 0,3 до 2 мкм. Третье преимущество рамановских усилителей заключается в том, что спектр усиления может быть адаптирован путем настройки длин волн накачки. Например, можно использовать несколько линий накачки для увеличения оптической полосы пропускания, а распределение накачки определяет равномерность усиления. Еще одно преимущество рамановского усиления заключается в том, что это относительно широкополосный усилитель с полосой пропускания> 5 ТГц, а коэффициент усиления достаточно плоский в широком диапазоне длин волн.[15]

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. Этот недостаток эффективности накачки, хотя и является недостатком, также облегчает ограничение усиления в рамановских усилителях. Во-вторых, для рамановских усилителей требуется волокно с более длинным усилением. Однако этот недостаток можно уменьшить, комбинируя усиление и компенсацию дисперсии в одном волокне. Третий недостаток рамановских усилителей - это малое время отклика, что приводит к появлению новых источников шума, как это обсуждается ниже. Наконец, существуют проблемы с нелинейным искажением в усилителе для каналов сигнала WDM.[15]

Примечание: текст более ранней версии этой статьи был взят из общественного достояния. Федеральный стандарт 1037C.

Оптический параметрический усилитель

An оптический параметрический усилитель позволяет усиление слабого сигнала-импульса в нецентросимметричный нелинейная среда (например, Бета борат бария (BBO)). В отличие от ранее упомянутых усилителей, которые в основном используются в телекоммуникационных средах, этот тип находит свое основное применение в расширении частотной перестройки сверхбыстрого твердотельные лазеры (например. Ti: сапфир ). Используя неколлинеарен Геометрия взаимодействия Оптические параметрические усилители способны обеспечивать чрезвычайно широкую полосу усиления.

Последние достижения

Принятие высокой мощности волоконные лазеры в качестве промышленного инструмента для обработки материалов существует уже несколько лет и в настоящее время расширяется на другие рынки, включая медицинские и научные рынки. Одним из ключевых улучшений, позволивших проникнуть на научный рынок, стали усовершенствования в волоконных усилителях с высокой четкостью, которые теперь способны обеспечивать одночастотную ширину линии (<5 кГц) вместе с превосходным качеством луча и стабильным линейно поляризованным выходом. Системы, соответствующие этим спецификациям, за последние несколько лет неуклонно развивались с нескольких ватт выходной мощности, сначала до десятков ватт, а теперь и до уровня мощности в сотни ватт. Такое масштабирование мощности было достигнуто благодаря развитию волоконной технологии, например, внедрению стимулированной рассеяние бриллюэнов (SBS) методы подавления / уменьшения помех в оптоволокне, наряду с улучшениями в общей конструкции усилителя, включая волокна с большой площадью моды (LMA) с сердцевиной с низкой апертурой,[16] микроструктурированное стержневое волокно [17][18] спиральный сердечник,[19] или хирально связанные волокна сердцевины,[20] и конические волокна с двойной оболочкой (Т-DCF).[21] Последнее поколение высокой точности, высокой мощности и пульсирующий Волоконные усилители теперь обеспечивают уровни мощности, превышающие уровень, доступный от коммерческих твердотельных одночастотных источников, и открывают новые научные приложения в результате более высоких уровней мощности и стабильно оптимизированных характеристик.[22]

Реализации

Есть несколько инструментов моделирования, которые можно использовать для проектирования оптических усилителей. Популярные коммерческие инструменты были разработаны Optiwave Systems и VPI Systems.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Путеводная звезда". Eso.org. Европейская южная обсерватория. Получено 29 октября 2014.
  2. ^ Фреде, Майк (2015). "Поймай пик". Журнал Laser Technik. хитрый. 12: 30–33. Дои:10.1002 / latj.201500001.
  3. ^ Фреде, Майк (2007). «Фундаментальный одночастотный лазерный усилитель для детекторов гравитационных волн». Оптика Экспресс. OSA. 15 (2): 459–65. Bibcode:2007OExpr..15..459F. Дои:10.1364 / OE.15.000459. HDL:11858 / 00-001M-0000-0012-BAD8-1. PMID  19532263.
  4. ^ Бэйни, Дуглас, М., Галлион, Филипп, Такер, Родни С., «Теория и методы измерения коэффициента шума оптических усилителей», Технология оптического волокна 6, 122 стр. 122-154 (2000)
  5. ^ Пашотта, Рюдигер. «Учебное пособие по оптоволоконным усилителям». RP Photonics. Получено 10 октября 2013.
  6. ^ Мирс, Р.Дж. и Рики, Л. и Пул, С. и Пейн, Д.Н.: "Низкопороговый перестраиваемый волоконный лазер с непрерывной и модуляцией добротности, работающий на длине волны 1,55 мкм", Электрон. Lett., 1986, 22, с.159–160
  7. ^ Р.Дж. Мирс, Л. Рики, И. М. Джонси и Д. Н. Пейн: «Малошумящий волоконный усилитель, легированный эрбием, на длине волны 1,54 мкм», Электрон. Lett., 1987, 23, с. 1026–1028.
  8. ^ Э. Десурвир, Дж. Симпсон и П.С. Беккер, Волоконный усилитель бегущей волны, легированный эрбием, с высоким коэффициентом усиления, «Письма в оптике», том 12, № 11, 1987, стр. 888–890.
  9. ^ Патентное бюро США № 5696615; «Системы оптической связи с мультиплексированием по длине волны, в которых используются оптические усилители с равномерным усилением».
  10. ^ "Тема: В волокно" (ТЕКСТ). Massis.lcs.mit.edu. Получено 2017-08-10.
  11. ^ Коннолли М. Дж. Полупроводниковые оптические усилители. Бостон, Массачусетс: Springer-Verlag, 2002. ISBN  978-0-7923-7657-6
  12. ^ Ghosh, B .; Мухопадхьяй, С. (2011). «Операции NAND и NOR с полностью оптическим кодированием по длине волны с использованием полупроводникового оптического усилителя на базе преобразователя длины волны Маха-Цендера и системы фазового сопряжения». Письма об оптике и фотонике. 4 (2): 1–9. Дои:10.1142 / S1793528811000172.
  13. ^ "MEMS-настраиваемая SOA с вертикальным резонатором". Engineering.ucsb.edu. Получено 10 августа 2017.
  14. ^ «Конические усилители - доступные длины волн и выходная мощность». Hanel Photonics. Получено 26 сен, 2014.
  15. ^ а б Команда, FiberStore. "Учебное пособие по оптическому усилителю - FS.COM". Fiberstore.com. Получено 10 августа 2017.
  16. ^ Коплоу, Джеффри П .; Kliner, Dahv A. V .; Гольдберг, Лью (2000-04-01). "Одномодовый режим многомодового волоконно-оптического усилителя". Письма об оптике. 25 (7): 442–444. Дои:10.1364 / OL.25.000442. ISSN  1539-4794.
  17. ^ Мюллер, Михаэль; Кинель, Марко; Кленке, Арно; Готтшалл, Томас; Шестаев, Евгений; Плётнер, Марко; Лимперт, Йенс; Тюннерманн, Андреас (2016-08-01). «Восьмиканальный сверхбыстрый волоконный лазер мощностью 1 кВт 1 мДж». Письма об оптике. 41 (15): 3439–3442. Дои:10.1364 / OL.41.003439. ISSN  1539-4794.
  18. ^ Limpert, J .; Deguil-Robin, N .; Manek-Hönninger, I .; Салин, Ф .; Röser, F .; Liem, A .; Schreiber, T .; Nolte, S .; Zellmer, H .; Tünnermann, A .; Броенг, Дж. (21 февраля 2005 г.). «Мощный стержневой волоконный фотонно-кристаллический лазер». Оптика Экспресс. 13 (4): 1055–1058. Дои:10.1364 / OPEX.13.001055. ISSN  1094-4087.
  19. ^ Wang, P .; Купер, Л. Дж .; Sahu, J. K .; Кларксон, В. А. (15 января 2006 г.). «Эффективная одномодовая работа иттербиевого волоконного лазера с накачкой в ​​оболочку». Письма об оптике. 31 (2): 226–228. Дои:10.1364 / OL.31.000226. ISSN  1539-4794.
  20. ^ Лефрансуа, Симон; Сосновский, Томас С .; Лю, Чи-Хун; Галванаускас, Альмантас; Мудрый, Фрэнк В. (14 февраля 2011 г.). «Масштабирование энергии волоконных лазеров с синхронизацией мод и волоконной сердцевиной с хиральной связью». Оптика Экспресс. 19 (4): 3464–3470. Дои:10.1364 / OE.19.003464. ISSN  1094-4087. ЧВК  3135632.
  21. ^ Филиппов, В .; Чаморовский Ю. Kerttula, J .; Golant, K .; Песса, М .; Охотников, О.Г. (04.02.2008). «Коническое волокно с двойной оболочкой для приложений большой мощности». Оптика Экспресс. 16 (3): 1929–1944. Дои:10.1364 / OE.16.001929. ISSN  1094-4087.
  22. ^ "Nufern> Библиотека> Статья". Nufern.com. Получено 10 августа 2017.

внешняя ссылка