Amplificador de Fibra Óptica

Amplificador de fibra óptica é um tipo de amplificador óptico que usa fibra óptica como meio de ganho. Normalmente, o meio de ganho é dopado com fibra com íons de terras raras, como érbio (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodímio, itérbio (YDFA), praseodímio e túlio. Esses dopantes ativos são bombeados (fornecidos com energia) pela luz de um laser, como um laser de diodo acoplado a fibra; na maioria dos casos, a luz da bomba e a luz do sinal amplificado viajam simultaneamente no núcleo da fibra. Um laser de fibra típico é um amplificador Raman (veja a figura abaixo).

Figura 1: Diagrama esquemático de umamplificador simples de fibra dopada com érbio. Dois diodos de laser (LDs) fornecem energia de bombeamento para a fibra dopada com érbio, que pode amplificar a luz em comprimentos de onda em torno de 1550 nm. Dois isoladores de Faraday estilo rabo de cavalo isolam a luz refletida, eliminando assim seu efeito no dispositivo.
Inicialmente, os amplificadores de fibra foram usados ​​principalmente para comunicação de fibra óptica de longa distância, na qual a luz do sinal precisa ser amplificada periodicamente. Uma situação típica é usar um laser de fibra dopado com érbio, e a potência do sinal de luz na região espectral de 1500 nm é moderada. Posteriormente, amplificadores de fibra foram usados ​​em outros campos importantes. Amplificadores de fibra de alta potência são usados ​​para processamento de material a laser. Este amplificador geralmente usa fibra dupla revestida dopada com itérbio, e a região espectral da luz do sinal é 1030-1100nm. A potência óptica de saída pode atingir vários quilowatts.
Devido à pequena área de modo e ao longo comprimento da fibra, pode-se obter um alto ganho de dezenas de dB sob a ação da bomba de luz de média potência, ou seja, uma alta eficiência de ganho (especialmente para baixa potência) pode ser obtida . dispositivo). O ganho máximo geralmente é limitado pelo ASE. A fibra tem uma grande relação superfície-volume e transmissão estável de modo único, de modo que uma boa potência de saída pode ser alcançada, e a luz de saída é um feixe limitado por difração, especialmente ao usar fibras duplas. No entanto, amplificadores de fibra de alta potência normalmente não têm ganho muito alto no último estágio, em parte devido a fatores de eficiência de energia; uma cadeia de amplificadores é necessária para que o pré-amplificador forneça a maior parte do ganho e o último estágio forneça alta potência de saída.
A saturação de ganho dos amplificadores de fibra é bem diferente daquela dos amplificadores ópticos de semicondutores (SOAs). Devido à pequena seção transversal de transição e alta energia de saturação, geralmente pode atingir várias dezenas de mJ em amplificadores de fibra de comunicação dopados com érbio e centenas de mJ em amplificadores dopados com itérbio com grandes áreas de modo. Portanto, muita energia (às vezes vários mJ) pode ser armazenada no amplificador de fibra e depois extraída por um pulso curto. Somente quando a energia do pulso de saída é maior que a energia de saturação, a distorção do pulso causada pela saturação é séria. Se você amplificar o laser produzido por um laser de modo bloqueado, o ganho de saturação é o mesmo que amplificar um laser CW com a mesma potência.
Essas características de saturação são muito importantes para comunicações de fibra óptica porque qualquer diafonia intersimbólica, que ocorre em amplificadores ópticos semicondutores, é evitada.
Amplificadores de fibra geralmente trabalham na região de saturação forte. Desta forma, a saída máxima pode ser obtida e o efeito de pequenas mudanças na luz da bomba na potência óptica de saída do sinal será reduzido.
O ganho máximo geralmente depende da emissão espontânea amplificada, não da potência óptica da bomba. Manifesta-se quando o ganho ultrapassa 40dB. Amplificadores de alto ganho também precisam eliminar reflexões parasitas, que podem gerar oscilações parasitas do laser e até mesmo danificar a fibra, por isso geralmente são adicionados isoladores ópticos na entrada e na saída.
ASE fornece um limite fundamental no desempenho do ruído do amplificador. Em amplificadores de quatro níveis de baixa perda, o excesso de ruído pode atingir o limite teórico, ou seja, a figura de ruído é de 3dB em alto ganho, que é maior que o ruído no meio de ganho usual de quase três níveis com perdas. ASE e excesso de ruído são geralmente maiores em lasers bombeados para trás.
A fonte de luz da bomba também apresenta algum ruído. Esses ruídos afetam diretamente o ganho e a potência de saída do sinal, mas não têm efeito quando a frequência do ruído é muito maior que o inverso do tempo de vida do estado de energia superior. (Os íons ativos a laser são semelhantes ao armazenamento de energia, reduzindo os efeitos das flutuações de energia de alta frequência.) Mudanças na potência da bomba também causam mudanças de temperatura, que então se traduzem em erros de fase.
O próprio ASE pode ser usado como uma fonte de luz superradiante com baixa coerência temporal, o que é necessário em imagens ópticas coerentes. Uma fonte de luz superradiante é semelhante a um laser de fibra de alto ganho.