Amplificatore in fibra ottica

L'amplificatore ottico in fibra è una sorta di amplificatore ottico che utilizza la fibra ottica come mezzo di guadagno. Tipicamente, il mezzo di guadagno è fibra drogata con ioni di terre rare, come erbio (EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier), neodimio, itterbio (YDFA), praseodimio e tulio. Questi droganti attivi vengono pompati (forniti di energia) dalla luce di un laser, come un laser a diodi accoppiati in fibra; nella maggior parte dei casi, la luce della pompa e la luce del segnale amplificato viaggiano simultaneamente nel nucleo della fibra. Un tipico laser a fibra è un amplificatore Raman (vedi figura sotto).

Figura 1: Diagramma schematico di asemplice amplificatore in fibra drogata con erbio. Due diodi laser (LD) forniscono energia di pompaggio alla fibra drogata con erbio, che può amplificare la luce a lunghezze d'onda intorno a 1550 nm. Due isolatori Faraday in stile coda di cavallo isolano la luce riflessa all'indietro, eliminando così il suo effetto sul dispositivo.
Inizialmente, gli amplificatori in fibra sono stati utilizzati principalmente per la comunicazione in fibra ottica a lunga distanza, in cui la luce del segnale deve essere periodicamente amplificata. Una situazione tipica consiste nell'utilizzare un laser a fibra drogata con erbio e la potenza della luce del segnale nella regione spettrale di 1500 nm è moderata. Successivamente, gli amplificatori in fibra sono stati utilizzati in altri importanti campi. Per la lavorazione laser dei materiali vengono utilizzati amplificatori in fibra ad alta potenza. Questo amplificatore utilizza solitamente fibra a doppio rivestimento drogata con itterbio e la regione spettrale della luce del segnale è 1030-1100 nm. La potenza ottica in uscita può raggiungere diversi kilowatt.
A causa della piccola area modale e della lunga lunghezza della fibra, è possibile ottenere un elevato guadagno di decine di dB sotto l'azione della luce della pompa di media potenza, vale a dire, è possibile ottenere un'elevata efficienza di guadagno (soprattutto per bassa potenza) . dispositivo). Il guadagno massimo è solitamente limitato da ASE. La fibra ha un ampio rapporto superficie-volume e una trasmissione monomodale stabile, quindi è possibile ottenere una buona potenza di uscita e la luce in uscita è un raggio limitato dalla diffrazione, specialmente quando si utilizzano fibre a doppio rivestimento. Tuttavia, gli amplificatori in fibra ad alta potenza in genere non hanno un guadagno molto elevato nell'ultimo stadio, in parte a causa di fattori di efficienza energetica; è quindi necessaria una catena di amplificatori in modo che il preamplificatore fornisca la maggior parte del guadagno e l'ultimo stadio fornisca un'uscita di potenza elevata.
La saturazione del guadagno degli amplificatori in fibra è molto diversa da quella degli amplificatori ottici a semiconduttore (SOA). A causa della piccola sezione trasversale di transizione e dell'elevata energia di saturazione, di solito può raggiungere diverse decine di mJ negli amplificatori in fibra di comunicazione drogati con erbio e centinaia di mJ negli amplificatori drogati con itterbio con ampie aree di modo. Pertanto, molta energia (a volte diversi mJ) può essere immagazzinata nell'amplificatore in fibra e quindi estratta da un breve impulso. Solo quando l'energia dell'impulso in uscita è superiore all'energia di saturazione, la distorsione dell'impulso causata dalla saturazione è grave. Se si amplifica il laser prodotto da un laser a modalità bloccata, il guadagno di saturazione è lo stesso dell'amplificazione di un laser CW alla stessa potenza.
Queste caratteristiche di saturazione sono molto importanti per le comunicazioni in fibra ottica perché viene evitata qualsiasi diafonia intersimbolica, che si verifica negli amplificatori ottici a semiconduttore.
Gli amplificatori in fibra di solito funzionano nella regione di forte saturazione. In questo modo si può ottenere la massima potenza e si riduce l'effetto di lievi variazioni della luce della pompa sulla potenza ottica di uscita del segnale.
Il guadagno massimo di solito dipende dall'emissione spontanea amplificata, non dalla potenza ottica della pompa. Si manifesta quando il guadagno supera i 40dB. Gli amplificatori ad alto guadagno devono anche eliminare i riflessi parassiti, che possono generare oscillazioni laser parassite e persino danneggiare la fibra, quindi gli isolatori ottici vengono solitamente aggiunti all'ingresso e all'uscita.
ASE fornisce un limite fondamentale alle prestazioni del rumore dell'amplificatore. Negli amplificatori a quattro livelli a bassa perdita, il rumore in eccesso può raggiungere il limite teorico, ovvero la cifra di rumore è di 3 dB ad alto guadagno, che è maggiore del rumore nel normale mezzo di guadagno quasi a tre livelli con perdita. L'ASE e il rumore in eccesso sono generalmente maggiori nei laser pompati all'indietro.
Anche la sorgente luminosa della pompa introduce del rumore. Questi rumori influiscono direttamente sul guadagno e sulla potenza di uscita del segnale, ma non hanno alcun effetto quando la frequenza del rumore è molto maggiore dell'inverso della durata dello stato energetico superiore. (Gli ioni laser attivi sono simili all'accumulo di energia, riducendo gli effetti delle fluttuazioni di potenza ad alta frequenza.) I cambiamenti nella potenza della pompa causano anche cambiamenti di temperatura, che poi si traducono in errori di fase.
Lo stesso ASE può essere utilizzato come sorgente di luce superradiante con bassa coerenza temporale, necessaria per l'imaging ottico coerente. Una sorgente di luce superradiante è simile a un laser a fibra ad alto guadagno.