تقویت‌کننده‌های نوری در زمینه ارتباطات فیبر نوری

تقویت‌کننده‌های نوری در زمینه ارتباطات فیبر نوری

An تقویت‌کننده نوریدستگاهی است که سیگنال‌های نوری را تقویت می‌کند. در زمینه ارتباطات فیبر نوری، عمدتاً نقش‌های زیر را ایفا می‌کند: ۱. افزایش و تقویت توان نوری. با قرار دادن تقویت‌کننده نوری در انتهای جلویی فرستنده نوری، می‌توان توان نوری ورودی به فیبر را افزایش داد. ۲. تقویت رله آنلاین، جایگزین تکرارکننده‌های موجود در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری؛ ۳. پیش تقویت: قبل از آشکارساز نوری در انتهای گیرنده، سیگنال نوری ضعیف از قبل تقویت می‌شود تا حساسیت دریافت افزایش یابد.

در حال حاضر، تقویت‌کننده‌های نوری مورد استفاده در ارتباطات فیبر نوری عمدتاً شامل انواع زیر هستند: ۱. تقویت‌کننده نوری نیمه‌هادی (تقویت‌کننده نوری SOA)/تقویت‌کننده لیزر نیمه‌هادی (تقویت‌کننده نوری SLA)؛ ۲. تقویت‌کننده‌های فیبری آلاییده شده با عناصر خاکی کمیاب، مانند تقویت‌کننده‌های فیبری آلاییده شده با طعمه (تقویت‌کننده نوری EDFA) و غیره. ۳. تقویت‌کننده‌های فیبری غیرخطی، مانند تقویت‌کننده‌های رامان فیبری و غیره. در ادامه به ترتیب مقدمه‌ای مختصر ارائه شده است.

۱. تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی: تحت شرایط کاربردی مختلف و با بازتاب‌های مختلف در سطوح انتهایی، لیزرهای نیمه‌هادی می‌توانند انواع مختلفی از تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌هادی تولید کنند. اگر جریان محرک لیزر نیمه‌هادی کمتر از آستانه آن باشد، یعنی هیچ لیزری تولید نشود، در این زمان، یک سیگنال نوری به یک انتها وارد می‌شود. تا زمانی که فرکانس این سیگنال نوری نزدیک به مرکز طیفی لیزر باشد، تقویت شده و از انتهای دیگر خارج می‌شود. این نوعتقویت‌کننده نوری نیمه‌هادیتقویت‌کننده نوری نوع فابری-پروپ (FP-SLA) نامیده می‌شود. اگر لیزر بالاتر از آستانه بایاس شود، سیگنال نوری تک مد ضعیف ورودی از یک انتها، تا زمانی که فرکانس این سیگنال نوری در طیف این لیزر چند مد باشد، سیگنال نوری تقویت شده و در یک مد خاص قفل می‌شود. این نوع تقویت‌کننده نوری، تقویت‌کننده نوع قفل‌شده تزریقی (IL-SLA) نامیده می‌شود. اگر دو انتهای یک لیزر نیمه‌هادی با لایه‌ای از فیلم ضد انعکاس، آینه‌ای یا تبخیر شده باشند، که باعث می‌شود میزان انتشار آن بسیار کوچک باشد و قادر به تشکیل حفره تشدید فابری-پرو نباشد، هنگامی که سیگنال نوری از لایه موجبر فعال عبور می‌کند، در حین حرکت تقویت می‌شود. بنابراین، این نوع تقویت‌کننده نوری، تقویت‌کننده نوری نوع موج رونده (TW-SLA) نامیده می‌شود و ساختار آن در شکل زیر نشان داده شده است. از آنجا که پهنای باند تقویت‌کننده نوری نوع موج رونده سه مرتبه بزرگتر از تقویت‌کننده نوع فابری-پرو است و پهنای باند 3dB آن می‌تواند به 10THz برسد، می‌تواند سیگنال‌های نوری با فرکانس‌های مختلف را تقویت کند و یک تقویت‌کننده نوری بسیار امیدوارکننده است.

۲. تقویت‌کننده فیبر آلاییده با طعمه: از سه بخش تشکیل شده است: بخش اول یک فیبر آلاییده با طولی از چند متر تا ده‌ها متر است. این ناخالصی‌ها عمدتاً یون‌های عناصر خاکی کمیاب هستند که ماده فعال‌سازی لیزر را تشکیل می‌دهند. بخش دوم منبع پمپ لیزر است که انرژی با طول موج‌های مناسب را برای تحریک یون‌های عناصر خاکی کمیاب آلاییده شده فراهم می‌کند تا تقویت نور حاصل شود. بخش سوم کوپلر است که نور پمپ و نور سیگنال را قادر می‌سازد تا به ماده فعال‌کننده فیبر نوری آلاییده شده متصل شوند. اصل کار تقویت‌کننده فیبر بسیار شبیه به لیزر حالت جامد است. این تقویت‌کننده باعث ایجاد یک حالت توزیع تعداد ذرات معکوس در ماده فعال‌شده با لیزر می‌شود و تابش تحریک‌شده تولید می‌کند. برای ایجاد یک حالت توزیع وارونگی تعداد ذرات پایدار، باید بیش از دو سطح انرژی در گذار نوری، معمولاً سیستم‌های سه ترازی و چهار ترازی، با تأمین مداوم انرژی از یک منبع پمپ، درگیر باشند. برای تأمین مؤثر انرژی، طول موج فوتون پمپ باید کوتاه‌تر از فوتون لیزر باشد، یعنی انرژی فوتون پمپ باید بیشتر از فوتون لیزر باشد. علاوه بر این، حفره رزونانس یک بازخورد مثبت تشکیل می‌دهد و بنابراین می‌توان یک تقویت‌کننده لیزر تشکیل داد.

۳. تقویت‌کننده‌های فیبر غیرخطی: هم تقویت‌کننده‌های فیبر غیرخطی و هم تقویت‌کننده‌های فیبر اربیم در دسته تقویت‌کننده‌های فیبر قرار می‌گیرند. با این حال، اولی از اثر غیرخطی فیبرهای کوارتز استفاده می‌کند، در حالی که دومی از فیبرهای کوارتز آلاییده شده با اربیم برای عمل بر روی محیط فعال استفاده می‌کند. فیبرهای نوری کوارتز معمولی تحت تأثیر نور پمپ قوی با طول موج‌های مناسب، مانند پراکندگی رامان تحریک‌شده (SRS)، پراکندگی بریلوئن تحریک‌شده (SBS) و اثرات اختلاط چهار موج، اثرات غیرخطی قوی ایجاد می‌کنند. هنگامی که سیگنال در امتداد فیبر نوری به همراه نور پمپ منتقل می‌شود، نور سیگنال می‌تواند تقویت شود. بنابراین، آنها تقویت‌کننده‌های رامان فیبری (FRA)، تقویت‌کننده‌های بریلوئن (FBA) و تقویت‌کننده‌های پارامتری را تشکیل می‌دهند که همگی تقویت‌کننده‌های فیبر توزیع‌شده هستند.

خلاصه: جهت‌گیری مشترک توسعه همه تقویت‌کننده‌های نوری، بهره بالا، توان خروجی بالا و عدد نویز پایین است.