광증폭기

Optical amplifier
Operational Amp와 혼동하지 마십시오.
광학 증폭기는 가장 큰 천체 [1]망원경에서 거울의 모양을 동적으로 조정하는 적응형 광학 제어 시스템에 피드백을 제공하는 레이저 가이드 별을 만드는 데 사용됩니다.

광증폭기는 광신호를 먼저 전기신호로 변환할 필요 없이 직접 증폭하는 장치입니다.광증폭기는 광캐비티가 없는 레이저 또는 캐비티로부터의 피드백이 억제된 레이저로 생각할 수 있다.광증폭기는 광통신과 레이저 물리학에서 중요하다.세계 대부분의 통신 링크를 전송하는 장거리 광섬유 케이블에서 광 리피터로 사용됩니다.

광신호를 증폭하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 다른 물리적 메커니즘이 있으며, 이는 광증폭기의 주요 유형에 해당합니다.도프된 광섬유 증폭기 및 벌크 레이저에서는 증폭기의 이득 매체의 자극 방출이 들어오는 빛의 증폭을 일으킵니다.반도체 광증폭기(SOA)에서는 전자공 재조합이 일어난다.라만 증폭기에서 라만 입사광과 게인 매체의 격자에 포논이 산란되어 입사광자와 정합성이 있는 광자를 생성한다.파라메트릭 증폭기는 파라메트릭 증폭기를 사용합니다.

역사

광증폭의 원리는 [2]1957년 11월 13일 고든 굴드에 의해 발명되었다.그는 1959년 4월 6일 '충돌을 이용한 인구역전 [3]발생 광증폭기'(이후 일부 수정, 1988년 5월 4일 최종 제474만6201A호)라는 제목의 특허 제804,539호를 출원했다.특허는 "기체,[4] 액체 또는 고체 상태의 이온, 원자 또는 분자에서 광자가 자극적으로 방출됨으로써 빛을 증폭시키는 것"을 다루었다.굴드는 총 48건의 [6]광증폭기[5] 관련 특허를 취득해 출시 당시 시판 중인 레이저의 80%를 커버했다.

Gould는 광통신 장비 회사인 Optelecom Inc.를 공동 설립하여 그의 전 라이트 옵틱스 리서치 책임자인 David Huber와 함께 Ciena Corp.를 창업하는 데 도움을 주었습니다.Ciena의 Huber와 Steve Alexander는 최초의 DWDM(고밀도파분할다중화) 시스템의 핵심인 2단 광증폭기[7](미국 특허 5,159,601)를 발명해 [3]광네트워크의 시작을 알렸다.그것의 중요성은 시간에 광학 권위가 인정 받았다고 쇼이치 수도와 기술 분석가 조지 길더 씨 1997년 수도 시각 증폭기와 길더 씨 그 집적 회로의 중요성, 그것은 만들 것으로 보고 광증 폭기를 비교했다“전 세계적인 혁명을 선도할 정보 시대라고 불렀다”[4]을 쓰다.e가능한 [8]정보 시대입니다.오늘날의 광증폭 WDM 시스템은 모든 로컬, 메트로, 국가, 대륙간 및 해저 통신[9] 네트워크의 공통 기반이며 인터넷의 광섬유 백본에 대한 선택 기술(예를 들어 광섬유 케이블은 현대 컴퓨터 네트워킹의 기초를 형성합니다)입니다.

레이저 증폭기

거의 모든 레이저 활성 게인 매체를 펌핑하여 그 게인 매체와 동일한 재료로 이루어진 레이저의 파장에서 빛에 대한 게인을 발생시킬 수 있다.이러한 증폭기는 일반적으로 고출력 레이저 시스템을 생산하기 위해 사용됩니다.초단펄스를 증폭하기 위해 회생증폭기 및 채프펄스증폭기와 같은 특수한 타입이 사용된다.

솔리드 스테이트 앰프

솔리드 스테이트 앰프는 광범위한 도프된 솔리드 스테이트 재료를 사용하는 광학 앰프입니다(Nd: Yb:YAG, Ti:Sa) 및 다른 형상(디스크, 슬래브, 로드)으로 광신호를 증폭합니다.재료의 다양성으로 인해 다양한 파장을 증폭할 수 있으며 매체의 모양은 평균 [10]전력 스케일링의 에너지에 더 적합한지를 구별할 수 있습니다.중력파[11] 검출부터 국립 점화 시설에서의 고에너지 물리학에 이르기까지 기초적인 연구에 사용되는 것 외에도, 그것들은 오늘날 많은 초단펄스 [citation needed]레이저에서도 발견될 수 있다.

도프 파이버 앰프

단순 도프 파이버 앰프 개략도

도프섬유증폭기(DFA)는 도프광섬유를 이득매체로 사용하여 광신호를 [12]증폭하는 광증폭기입니다.그것들은 광섬유 레이저와 관련이 있습니다.증폭되는 신호와 펌프레이저는 도프파이버에 다중화되어 도핑이온과의 상호작용을 통해 증폭된다.

도판트 이온으로부터의 광자의 자극적인 방출에 의해서, 도판트 섬유의 증폭이 실현된다.펌프 레이저는 신호 파장에서 광자의 자극 방출을 통해 붕괴될 수 있는 높은 에너지로 이온을 들뜨게 합니다.들뜬 이온은 또한 자발적으로 붕괴될 수 있고(순간 방출), 또는 유리 매트릭스의 포논과의 상호작용을 포함한 비방사성 과정을 통해서도 붕괴될 수 있습니다.이 마지막 두 붕괴 메커니즘은 빛 증폭의 효율성을 감소시키는 자극 방출과 경쟁합니다.

광증폭기의 증폭창은 증폭기가 사용 가능한 게인을 산출하는 광파장의 범위입니다.증폭창은 도판트 이온의 스펙트럼 특성, 광섬유의 유리 구조, 펌프 레이저의 파장과 전력에 의해 결정됩니다.

절연 이온의 전자 천이는 매우 잘 정의되어 있지만, 이온이 광섬유의 유리에 포함되어 증폭창도 넓어질 때 에너지 레벨의 확대가 일어난다.이 확폭은 균질(모든 이온이 동일한 확폭 스펙트럼을 나타냄)과 비균질(다른 유리 위치의 다른 이온이 다른 스펙트럼을 나타냄) 모두이다.균질 확폭은 유리의 포논과의 상호작용에서 발생하는 반면, 불균질 확폭은 서로 다른 이온이 호스트되는 유리 부위의 차이로 인해 발생합니다.부위마다 이온이 다른 국소 전기장에 노출되어 스타크 효과를 통해 에너지 수준을 변화시킵니다.또한 스타크 효과는 (양자수 J로 지정됨) 동일한 총 각 운동량을 가진 에너지 상태의 퇴화도 제거합니다.따라서 예를 들어 3가 엘비움 이온(Er3+)은 J = 15/2의 지면 상태를 가지며, 전장이 존재할 경우 약간 다른 에너지로 J + 1/2 = 8 서브레벨로 분할된다.첫 번째 들뜸 상태는 J = 13/2이므로 7개의 하위 레벨을 가진 스타크 다지관입니다.J = 13/2 들뜸 상태에서 J = 15/2 접지 상태로 전환하면 1500nm 파장에서 이득이 발생합니다.EDFA의 이득 스펙트럼에는 위의 확대 메커니즘에 의해 얼룩진 몇 가지 피크가 있다.최종 결과는 매우 넓은 스펙트럼(일반적으로 실리카 30 nm)이다.광섬유 증폭기의 넓은 게인 대역폭은 단일 증폭기를 사용하여 광섬유에 전달되고 파장이 게인 윈도우 내에 있는 모든 신호를 증폭할 수 있기 때문에 파장 분할 다중 통신 시스템에서 특히 유용합니다.

엘비움 도파관 증폭기(EDWA)는 도파관을 사용하여 광신호를 증폭하는 광증폭기입니다.

EDFA의 기본 원칙

비교적 고출력 광빔은 파장선택결합기(WSC)를 이용해 입력신호와 혼합된다.입력 신호와 여기광은 파장이 크게 달라야 합니다.혼합된 빛은 코어에 엘비움 이온이 포함된 섬유 섹션으로 유도됩니다.이 고출력 광선은 엘비움 이온을 더 높은 에너지 상태로 들뜨게 합니다.펌프 빛과는 다른 파장의 신호에 속하는 광자가 들뜬 엘비움 이온과 만나면 엘비움 이온은 에너지 일부를 신호에 포기하고 낮은 에너지 상태로 돌아갑니다.

중요한 점은 엘비움이 증폭되는 신호와 정확히 같은 위상 및 방향에 있는 추가 광자의 형태로 에너지를 포기한다는 것입니다.따라서 신호는 이동 방향만을 따라 증폭됩니다.이는 드문 일이 아닙니다. 원자가 "소멸"하면 들어오는 빛과 같은 방향과 위상으로 에너지를 방출합니다.따라서 추가 신호 전력은 모두 착신 신호와 동일한 파이버모드로 유도됩니다.광아이솔레이터는 보통 부착된 파이버에서 돌아오는 반사를 방지하기 위해 출력부에 배치됩니다.이러한 반사로 인해 증폭기 작동이 중단되고 극단적인 경우 증폭기가 레이저가 될 수 있습니다.

엘비움 도프 앰프는 고이득 앰프입니다.

노이즈

DFA의 주요 소음원은 증폭 자발적 방출(ASE)로, 증폭기의 게인 스펙트럼과 거의 동일한 스펙트럼을 가진다.이상적인 DFA의 노이즈 수치는 3dB이지만 실제 앰프는 6~8dB의 노이즈 수치를 가질 수 있습니다.

에너지 레벨 상위의 전자는, 자극 방출에 의해서 붕괴하는 것 외에, 유리 구조와 반전 레벨에 따라서 랜덤하게 발생하는 자발 방출에 의해서도 붕괴할 수 있습니다.광자는 모든 방향으로 자발적으로 방출되지만, 그 중 일부는 파이버의 숫자 구멍 안에 들어가는 방향으로 방출되며, 따라서 파이버에 의해 포착되고 유도됩니다.포획된 광자는 다른 도판트 이온과 상호작용할 수 있으며, 따라서 자극 방출에 의해 증폭됩니다.따라서 초기 자연방출은 신호와 동일한 방식으로 증폭되므로 증폭된 자연방출이라는 용어를 사용할 수 있습니다.ASE는 전방 및 역방향 모두에서 앰프에 의해 방출되지만, 전방 ASE만이 수신기로 신호와 함께 전파되어 시스템 성능이 저하되기 때문에 시스템 성능에 직접적인 문제가 됩니다.그러나 ASE가 반전 레벨을 고갈시켜 앰프의 게인을 감소시키고 원하는 신호 게인에 비해 발생하는 노이즈를 증가시킬 수 있기 때문에 ASE가 증폭기의 성능 저하로 이어질 수 있습니다.

노이즈 수치는 광학 영역과 전기 [13]영역 모두에서 분석할 수 있습니다.광학적 영역에서 ASE, 광신호 게인 및 신호 파장의 측정은 광스펙트럼 분석기를 이용한 노이즈 수치 계산을 가능하게 한다.전기측정방법은 검출된 광전류 노이즈를 저소음 전기스펙트럼 분석기로 평가하여 증폭기 게인 측정과 함께 노이즈 수치 측정을 가능하게 한다.일반적으로 광학 기법은 보다 간단한 방법을 제공하지만 멀티패스 간섭(MPI) 노이즈 생성과 같은 전기 방법에 의해 포착된 과도한 노이즈 효과는 포함하지 않습니다.두 방법 모두 입력 신호에 따른 자발적 방출 등의 효과에 대한 주의는 노이즈 수치를 정확하게 측정하는데 매우 중요하다.

게인 포화

도판트 이온의 집단 반전에 의해 DFA에서 게인이 달성된다.DFA의 반전 레벨은 주로 펌프 파장의 파워와 증폭 파장의 파워에 의해 설정됩니다.신호 출력이 증가하거나 펌프 출력이 감소하면 반전 레벨이 감소하여 증폭기의 이득이 감소합니다.이 효과를 이득 포화라고 합니다. 신호 레벨이 높아지면 증폭기가 포화되어 더 이상의 출력 전력을 생산할 수 없으므로 이득이 감소합니다.포화도는 일반적으로 게인 압축이라고도 합니다.

최적의 소음 성능을 달성하기 위해 DFA는 상당한 양의 이득 압축(일반적으로 10dB) 하에서 작동한다. 이는 자발적 방출 속도를 감소시켜 ASE를 감소시키기 때문이다.게인 포화 영역에서 DFA를 작동시키는 또 다른 장점은 출력 증폭 신호에서 입력 신호 전력의 작은 변동이 감소한다는 것입니다. 즉, 입력 신호 전력이 작을수록 게인이 더 크고(포화되지 않음) 입력 전력이 클수록 게인이 더 적습니다.

이득 매체의 포화 에너지에 도달할 때까지 펄스의 선행 에지가 증폭됩니다.어떤 상태에서는 펄스의 폭(FWHM)이 [14]작아진다.

불균일한 확대 효과

도판트 이온의 선폭 확대가 불균일하기 때문에 게인 스펙트럼은 불균일 성분을 가지며, 게인 포화도는 약간 불균일하게 발생한다.이 효과는 한 파장의 고출력 신호가 불균일하게 확대된 이온의 포화 상태에 의해 해당 신호에 가까운 파장의 이득에 있는 구멍을 연소시킬 수 있기 때문에 스펙트럼 홀 연소라고 알려져 있습니다.스펙트럼 홀의 폭은 문제의 광섬유의 특성과 연소 신호의 세기에 따라 다르지만 일반적으로 C 대역의 단파장 끝에서는 1nm 미만, C 대역의 장파장 끝에서는 몇 nm 미만입니다.하지만 구멍의 깊이가 매우 작아서 실제로 관찰하기가 어렵습니다.

편광 효과

DFA는 기본적으로 편광의존증폭기이지만 도판트 이온의 작은 부분이 특정 편광과 우선적으로 상호작용하며 입력 신호의 편광에 대한 작은 의존성이 발생할 수 있습니다(일반적으로 0.5dB 미만).이것은, 편광 의존 게인(PDG)이라고 불립니다.이온의 흡수 및 방출 단면은 서로 다른 유리 부위에서 장축이 임의의 방향으로 정렬된 타원체로 모델링할 수 있습니다.유리 내 타원체 방향의 무작위 분포는 거시적으로 등방성 매체를 생성하지만, 강한 펌프 레이저는 펌프의 광학장 벡터에 보다 정렬된 이온을 선택적으로 들뜨게 함으로써 이방성 분포를 유도한다.또, 신호장에 정렬된 들뜸 이온은, 보다 자극적인 방출을 낳는다.따라서 이득의 변화는 펌프와 신호 레이저의 편광 정렬, 즉 두 레이저가 동일한 도판트 이온 서브셋과 상호작용하는지 여부에 따라 달라집니다.복굴절이 없는 이상적인 도프 파이버에서는 PDG가 불편하게 커집니다.다행히 광섬유에서는 항상 소량의 복굴절이 존재하며, 나아가 고속축과 저속축이 섬유 길이에 따라 랜덤하게 변화한다.일반적인 DFA에는 복굴절 축의 랜덤성을 이미 나타낼 수 있을 정도로 긴 수십 미터가 있습니다.이러한 2개의 조합된 효과(전송 파이버에서는 편광 모드 분산을 발생)에 의해 신호의 상대편광의 오정렬이 발생하고 파이버를 따라 레이저를 펌핑하여 PDG를 평균화하는 경향이 있습니다.그 결과 PDG는 단일 앰프에서 관찰하기가 매우 어렵습니다(단, 여러 개의 계단식 증폭기가 있는 링크에서 두드러집니다).

엘비움 도프 광섬유 증폭기

Erbium-Doped Fiber Amplifier(EDFA)는 실리카 기반 광섬유의 세 번째 전송창과 일치하기 때문에 가장 많이 배치된 광섬유 앰프입니다.실리카 섬유의 코어에는 3가 엘비움 이온(Er)이3+ 도핑되어 980nm 및 1480nm의 파장 부근에서 레이저로 효율적으로 펌핑할 수 있으며 1550nm 영역에서 게인이 나타난다.EDFA 증폭 영역은 용도에 따라 다르며, 몇 nm에서 최대 80 nm까지 다양할 수 있습니다.전기통신에서 EDFA를 사용하는 일반적인 방법에서는 일반 또는 C밴드앰프(~1525nm ~1565nm) 또는 롱 또는 L밴드앰프(~1565nm ~1610nm)가 필요합니다.이러한 대역은 모두 EDFA에 의해 증폭될 수 있지만, 각 대역에 최적화된 두 개의 다른 증폭기를 사용하는 것이 일반적입니다.

C밴드 앰프와 L밴드앰프의 주된 차이점은 L밴드앰프에 긴 길이의 도프 파이버가 사용된다는 것입니다.파이버의 길이가 길면 더 낮은 반전 레벨을 사용할 수 있으므로 (실리카의 Erbium의 밴드 구조로 인해) 더 긴 파장에서 방출되는 동시에 유용한 [citation needed]양의 이득을 제공합니다.

EDFA에는 980nm와 1480nm라는 두 가지 일반적으로 사용되는 펌핑 대역이 있습니다.980 nm 대역은 흡수 단면이 높으며 일반적으로 저소음 성능이 필요한 경우에 사용됩니다.흡수 대역은 비교적 좁기 때문에 일반적으로 파장 안정화 레이저 소스가 필요합니다.1480 nm 대역은 흡수 단면이 낮지만 폭이 넓으며 일반적으로 고출력 증폭기에 사용됩니다.앰프에는 일반적으로 980nm 및 1480nm 펌핑의 조합이 사용됩니다.

Erbium 도프 섬유의 게인과 레이싱은 1986-87년에 David N. Payne, R. Mears, I를 포함한 두 그룹에 의해 처음 입증되었습니다.M Jauncey와 L.Southampton[15][16] 대학의 Reeekie와 AT&T Bell Laboratories의 E.디저바이어, P. 베커, J. 심슨.[17]DWDM(Dense Wave Division Multiplexing)을 가능하게 한 2단 광증폭기는 Stephen B에 의해 발명되었습니다.씨에나사의 알렉산더입니다.[18][19]

다른 파장 범위에 대한 도핑된 파이버 앰프

S밴드(1450~1490nm)와 1300nm 영역의 프라세오디뮴 도프 앰프에 툴륨 도프 파이버 앰프가 사용되고 있습니다.그러나 이들 지역은 지금까지 상업적으로 큰 용도가 없었기 때문에 EDFA만큼 발전의 대상이 되지 않았다.그러나 1마이크로미터 파장 부근에서 작동하는 이터비움 도프섬유 레이저와 증폭기는 매우 높은 출력전력(kW)으로 제작할 수 있어 산업용 재료 가공에 많이 활용되고 있다.

반도체 광증폭기

반도체광증폭기(SOA)는 반도체를 이용하여 이득매체를 [20]제공하는 증폭기이다.이 증폭기는 Fabry-Péro 레이저 다이오드와 구조가 유사하지만 단면에 반사 방지 설계 요소가 있습니다.최근 설계에는 반사 방지 코팅, 단면 반사를 0.001% 미만으로 줄일 수 있는 기울어진 도파관 및 창 영역이 포함됩니다.이로 인해 캐비티에서 게인보다 큰 전력 손실이 발생하므로 증폭기가 레이저 역할을 하지 못하게 됩니다.또 다른 유형의 SOA는 두 개의 영역으로 구성됩니다.한쪽은 Fabry-Péro 레이저 다이오드의 구조를 가지며 다른 한쪽은 출력 패싯의 전력 밀도를 낮추기 위해 테이퍼 형상을 가진다.

반도체 광증폭기는 일반적으로 GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP 및 InP/InAlGaAs와 같은 III-V족 화합물 반도체로 제조되지만 II-VI와 같은 직접 밴드 갭 반도체를 사용할 수 있습니다.이러한 증폭기는 850nm에서 1600nm 사이의 신호 파장에서 작동하며 최대 30dB의 이득을 발생시키는 광섬유 꼬리의 컴포넌트 형태로 통신 시스템에서 자주 사용됩니다.

반도체 광증폭기는 크기가 작고 전기 펌프로 작동됩니다.잠재적으로 EDFA보다 저렴할 수 있으며 반도체 레이저, 변조기 등과 통합할 수 있습니다.그러나 성능은 여전히 EDFA와 비교할 수 없습니다.SOA는 빠른 과도 시간으로 높은 노이즈, 낮은 이득, 중간 편파 의존성 및 높은 비선형성을 가집니다.SOA의 주요 장점은 네 가지 유형의 비선형 작업(교차 이득 변조, 교차 위상 변조, 파장 변환 및 4가지 파형 혼합)을 모두 수행할 수 있다는 것입니다.또한 SOA는 저전력 [21]레이저로 실행할 수 있습니다.이는 짧은 나노초 이하의 상위 상태 수명으로부터 발생하므로 게인이 펌프 또는 신호 전력의 변화에 빠르게 반응하고 게인의 변화도 위상 변화를 일으켜 신호를 왜곡시킬 수 있습니다.이 비선형성은 광통신 애플리케이션에 가장 심각한 문제를 일으킵니다.단, EDFA에서 다른 파장 영역에서 이득을 얻을 수 있습니다.게인 클램핑 기술을 이용한 '선형 광증폭기'가 개발됐다.

높은 광학 비선형성으로 인해 반도체 증폭기는 전광 스위칭 및 파장 변환과 같은 모든 광신호 처리에 매력적입니다.반도체 광증폭기는 광신호 처리, 파장 변환, 클럭 리커버리, 신호 디멀티플렉싱, 패턴 인식 등의 소자로 많은 연구가 이루어지고 있다.

수직 캐비티 SOA

최근 SOA 제품군에 추가된 것은 수직 공동 SOA(VCSOA)입니다.이러한 디바이스는, 수직 캐비티 서페이스 발광 레이저(VCSEL)와 구조가 비슷하고, 많은 기능을 공유하고 있습니다.VCSOA와 VCSEL을 비교할 때 가장 큰 차이는 앰프 캐비티에서 사용되는 미러 반사율의 감소입니다.VCOA에서는 디바이스가 레이싱 임계값에 도달하지 않도록 하기 위해 피드백을 줄일 필요가 있습니다.캐비티 길이가 매우 짧고 이에 대응하는 얇은 게인 매체로 인해 이러한 디바이스는 매우 낮은 싱글 패스 게인(일반적으로 몇 % 정도)과 매우 큰 자유 스펙트럼 범위(FSR)를 나타냅니다.작은 싱글패스 게인에서는 총 신호 게인을 증가시키기 위해 상대적으로 높은 미러 반사율이 필요합니다.총 신호 게인을 증가시킬 뿐만 아니라 공진 캐비티 구조를 사용하면 게인 대역폭이 매우 좁아집니다.광 캐비티의 큰 FSR과 결합하면 VCOA의 동작이 단일 채널 증폭으로 효과적으로 제한됩니다.따라서 VCOA는 증폭 필터로 볼 수 있습니다.

수직 캐비티 지오메트리를 고려할 때, VCOA는 웨이퍼 표면에 정상적으로 입출력 신호를 입출력하는 공명 공동 광증폭기입니다.VCSOA의 표면 정상 동작은 작은 크기뿐만 아니라 저전력 소비, 저노이즈 수치, 편광 무감각 게인, 고충진율 2차원 어레이를 단일 반도체 칩으로 제작할 수 있는 기능 등 많은 이점을 가져옵니다.이 장치들은 유망한 사전 증폭기 결과가 입증되었지만 아직 연구의 초기 단계에 있다.VCSOA 테크놀로지에 대한 추가 확장으로는 파장 조정 가능한 디바이스의 시연입니다.이러한 MEMS 조정 가능한 수직 캐비티 SOA는 [22]증폭기의 피크 게인 파장의 광범위하고 연속적인 조정을 위해 MEMS(마이크로 일렉트로메트릭 시스템) 기반 튜닝 메커니즘을 사용합니다.SOA는 1 ~ 100ps의 빠른 이득 응답을 제공합니다.

테이퍼 앰프

고출력 전력 및 넓은 파장 범위를 위해 테이퍼형 증폭기가 사용됩니다.이러한 증폭기는 측면 싱글 모드 섹션과 레이저광이 증폭되는 테이퍼 구조의 섹션으로 구성됩니다.테이퍼 구조는 출력 패싯의 전력 밀도를 감소시킵니다.

일반적인 파라미터:[23]

  • 파장 범위: 633 ~1480 nm
  • 입력 전력: 10 ~50 mW
  • 출력 전력: 최대 3 W

라만 증폭기

주요 기사: 라만 증폭

라만 증폭기에서 신호는 라만 증폭에 의해 증폭된다.EDFA 및 SOA와 달리 증폭 효과는 광섬유 내에서 신호와 펌프 레이저 간의 비선형 상호 작용에 의해 달성됩니다.Raman 앰프에는 분산형 및 일괄형 두 가지 유형이 있습니다.분산형 라만 앰프는 펌프 파장과 신호 파장을 다중화함으로써 전송 파이버를 이득 매체로 이용하는 한편, 응집형 라만 앰프는 전용의 짧은 길이의 파이버를 이용해 증폭을 제공하는 앰프이다.응집 라만 증폭기의 경우 코어가 작은 고비선형 섬유를 이용해 신호와 펌프 파장의 상호작용을 증가시켜 필요한 파이버의 길이를 줄인다.

펌프 빛은 신호와 같은 방향(동방향 펌핑), 반대 방향(반방향 펌핑) 또는 둘 다로 변속기 파이버에 결합될 수 있습니다.반대 방향 펌핑은 펌프에서 신호로 노이즈의 전달이 감소하기 때문에 더 일반적입니다.

Raman 증폭에 필요한 펌프 출력은 EDFA가 요구하는 것보다 높으며, 분산형 앰프에서 유용한 수준의 게인을 달성하려면 500mW 이상이 필요합니다.높은 광파워의 안전상의 영향을 피하기 위해 펌프 빛을 안전하게 차단할 수 있는 응결 증폭기는 1W 이상의 광파워를 사용할 수 있습니다.

라만 증폭의 주요 장점은 전송 섬유 내에서 분산 증폭을 제공하여 증폭 부위와 재생 부위 사이의 스팬 길이를 늘리는 것입니다.라만 증폭기의 증폭 대역폭은 사용되는 펌프 파장에 의해 정의되므로 증폭 '창'을 정의하기 위해 도판트 및 장치 설계에 의존하는 다른 증폭기 유형보다 더 넓고 다른 영역에 걸쳐 증폭을 제공할 수 있습니다.

라만 앰프에는 몇 가지 기본적인 이점이 있습니다.우선, 모든 파이버에 라만 게인이 존재하기 때문에 터미널 엔드에서 비용 효율이 높은 업그레이드를 할 수 있습니다.둘째, 게인은 공진하지 않습니다.즉, 게인은 약 0.3~2µm 범위의 섬유 투명 영역 전체에 걸쳐 사용할 수 있습니다.라만 증폭기의 세 번째 장점은 펌프 파장을 조정하여 게인 스펙트럼을 맞춤화할 수 있다는 것입니다.예를 들어 광대역폭을 증가시키기 위해 복수의 펌프 라인을 사용할 수 있으며, 펌프 분포에 따라 게인 평탄도가 결정된다.Raman 증폭의 또 다른 장점은 대역폭이 5THz 이상인 비교적 광대역 증폭기로 넓은 파장 [24]범위에서 이득이 상당히 평평하다는 것입니다.

그러나 라만 앰프에 대한 여러 가지 문제가 있어 초기 채택을 방해했습니다.첫째, EDFA에 비해 Raman 앰프는 낮은 신호 전력에서 상대적으로 펌핑 효율이 떨어집니다.단점이기는 하지만 펌프 효율의 결여로 인해 Raman 앰프에서 게인 클램핑이 더 쉬워집니다.둘째, 라만 앰프는 더 긴 게인 파이버를 필요로 합니다.단, 이 단점은 게인과 분산보상을 1개의 파이버로 조합함으로써 경감할 수 있습니다.Raman 앰프의 세 번째 단점은 아래에서 자세히 설명하듯이 새로운 노이즈 소스를 발생시키는 응답 시간이 빠르다는 것입니다.마지막으로, WDM [24]신호 채널의 증폭기에 비선형 패널티가 발생할 우려가 있습니다.

주의: 이 문서의 이전 버전은 퍼블릭 도메인 Federal Standard 1037C에서 인용한 것입니다.

광파라미터 앰프

광파라미터 앰프는 비대칭 비선형 매체(예를 들어 BBO) 또는 표준융접 실리카 광섬유와 같은 비선형 매체에서 Ker 효과를 통해 약한 신호 임펄스를 증폭할 수 있다.앞서 언급한 증폭기(주로 통신 환경에서 사용됨)와 달리, 이 유형은 초고속 고체 레이저(예: Ti:sappire)의 주파수 조정성을 확장하는 데 주로 사용됩니다.비공선상호작용을 사용함으로써 광파라메트릭 증폭기는 매우 넓은 증폭 대역폭을 제공할 수 있다.

최근의 성과

고출력 파이버 레이저의 산업용 재료 처리 도구로서의 도입은 수년간 지속되어 왔으며, 현재는 의료 및 과학 시장을 포함한 다른 시장으로 확대되고 있습니다.과학 시장으로의 보급을 가능하게 하는 주요 기능 중 하나는 고밀도 파이버 앰프의 개선으로, 현재는 단일 주파수 라인폭(<5kHz)을 뛰어난 빔 품질과 안정된 선형 편광 출력을 동시에 제공할 수 있게 되었습니다.이러한 사양을 충족하는 시스템은 지난 몇 년 동안 몇 와트의 출력 전력에서 처음에는 수십 와트로, 이제는 수백 와트의 전력 수준으로 꾸준히 발전해 왔습니다.이 동력인 섬유 기술의 입양과 같은 발전과 성취한 것을 촉발하여, 전체적인 증폭기 설계에서 큰 모드 지역 포함(나 좀 가만 놔 둬)개선과 함께 섬유 안에(SBS)suppression/mitigation 기술 산란brillouinlow-aperture core,[25]micro-structuredrod-type 섬유와 섬유.[26][27]h엘리컬 [28]코어 또는 키랄 결합 코어 [29]파이버 및 테이퍼형 이중 클래드 파이버(T-DCF)[30]입니다.최신 세대의 고밀도, 고출력 및 펄스 파이버 앰프는 현재 상용 솔리드 스테이트 단일 주파수 소스에서 사용 가능한 전력 수준을 상회하는 전력 수준을 제공하며, 보다 높은 전력 레벨과 안정적인 최적화된 [31]성능으로 인해 새로운 과학적 응용 분야를 개척하고 있습니다.

실장

광증폭기 설계에 사용할 수 있는 시뮬레이션 도구가 몇 가지 있습니다.Optiwave Systems와 VPI Systems에 의해 널리 사용되는 상용 툴이 개발되었습니다.

참고 항목

레퍼런스

  1. ^ "A Guiding Star". Eso.org. European Southern Observatory. Retrieved 29 October 2014.
  2. ^ Taylor, Nick (2007). Laser: The Inventor, the Nobel Laureate, and the Thirty-Year Patent War. backinprint.com. p. 69.
  3. ^ a b 4704583, Gould, Gordon, "미국 특허: 4704583 - 인구 반전을 일으키기 위해 충돌을 사용하는 광증폭기", 1987년 11월 3일 발행
  4. ^ a b "POLARIZINGAPPARATUS EMPLOYING AN OPTICAL ELEMENT INCLNED AT BREWSTERS ANGLE" (PDF). May 24, 1988.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)
  5. ^ Jones, Stacy V. (1987-11-07). "Patents; Inventor Adds to His Laser Total". The New York Times. ISSN 0362-4331. Retrieved 2021-11-03.
  6. ^ Taylor, Nick (2007). Laser: The Inventor, the Nobel Laureate, and the Thirty-Year Patent War. Backprint.com. p. 283.
  7. ^ USPTO.report. "Method for producing a tunable erbium fiber laser". USPTO.report. Retrieved 2021-11-03.
  8. ^ "Fiber Keeps Its Promise - George Gilder Essay". www.panix.com. Retrieved 2021-11-03.
  9. ^ Grobe, Klaus; Eiselt, Michael (2013). Wavelength Division Multiplexing: A Practical Engineering Guide. Wiley. p. 2.
  10. ^ Frede, Maik (2015). "Catch the Peak". Laser Technik Journal. wiley. 12: 30–33. doi:10.1002/latj.201500001.
  11. ^ Frede, Maik (2007). "Fundamental mode, single-frequency laser amplifier for gravitational wave detectors". Optics Express. OSA. 15 (2): 459–65. Bibcode:2007OExpr..15..459F. doi:10.1364/OE.15.000459. hdl:11858/00-001M-0000-0012-BAD8-1. PMID 19532263.
  12. ^ Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials, 2nd edition. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5.
  13. ^ Baney, Douglas, M., Gallion, Philippe, Tucker, Rodney S., "광증폭기의 노이즈 수치를 위한 이론과 측정 기법", 광섬유 기술 6, 122 페이지 122-154 (2000)
  14. ^ Paschotta, Rüdiger. "Tutorial on Fiber Amplifiers". RP Photonics. Retrieved 10 October 2013.
  15. ^ Mears, R.J. 및 Reeekie, L. 및 Pool, S.B. 및 Payne, D.N.: "1.55µm로 동작하는 저임계 조정 가능 CW 및 Q 스위치드 파이버 레이저"(전자).Let., 1986, 22, 159-160페이지
  16. ^ R.J. 미어스, L. 리키, I.M. 잰시, D.N. Payne: "1.54µm의 저소음 Erbium 도프 파이버 앰프", 전자.Lett., 1987, 23, 페이지 1026–1028
  17. ^ E. Desurvire, J. Simpson 및 P.C.베커, 고이득 엘비움 도프 이동파 광섬유 증폭기,"광학 서신, 제12권, No. 11, 1987, 페이지 888–890
  18. ^ 미국 특허청 #5696615; "균일한 게인 광증폭기를 사용하는 파장분할다중광통신시스템"
  19. ^ "Subject: Into the Fibersphere" (TXT). Massis.lcs.mit.edu. Retrieved 2017-08-10.
  20. ^ M. J. 코놀리, 반도체 광증폭기.보스턴, 매사추세츠: 스프링거-벨락, 2002.ISBN 978-0-7923-7657-6
  21. ^ Ghosh, B.; Mukhopadhyay, S. (2011). "All-Optical Wavelength encoded NAND and NOR Operations exploiting Semiconductor Optical Amplifier based Mach-Zehnder Interferometer Wavelength Converter and Phase Conjugation System". Optics and Photonics Letters. 4 (2): 1–9. doi:10.1142/S1793528811000172.
  22. ^ "MEMS-Tunable Vertical-cavity SOA". Engineering.ucsb.edu. Retrieved 10 August 2017.
  23. ^ "Tapered amplifiers – available wavelengths and output powers". Hanel Photonics. Retrieved Sep 26, 2014.
  24. ^ a b Team, FiberStore. "Optical Amplifier Tutorial - FS.COM". Fiberstore.com. Retrieved 10 August 2017.
  25. ^ Koplow, Jeffrey P.; Kliner, Dahv A. V.; Goldberg, Lew (2000-04-01). "Single-mode operation of a coiled multimode fiber amplifier". Optics Letters. 25 (7): 442–444. Bibcode:2000OptL...25..442K. doi:10.1364/OL.25.000442. ISSN 1539-4794. PMID 18064073.
  26. ^ Müller, Michael; Kienel, Marco; Klenke, Arno; Gottschall, Thomas; Shestaev, Evgeny; Plötner, Marco; Limpert, Jens; Tünnermann, Andreas (2016-08-01). "1 kW 1 mJ eight-channel ultrafast fiber laser". Optics Letters. 41 (15): 3439–3442. arXiv:2101.08498. Bibcode:2016OptL...41.3439M. doi:10.1364/OL.41.003439. ISSN 1539-4794. PMID 27472588. S2CID 11678581.
  27. ^ Limpert, J.; Deguil-Robin, N.; Manek-Hönninger, I.; Salin, F.; Röser, F.; Liem, A.; Schreiber, T.; Nolte, S.; Zellmer, H.; Tünnermann, A.; Broeng, J. (2005-02-21). "High-power rod-type photonic crystal fiber laser". Optics Express. 13 (4): 1055–1058. Bibcode:2005OExpr..13.1055L. doi:10.1364/OPEX.13.001055. ISSN 1094-4087. PMID 19494970.
  28. ^ Wang, P.; Cooper, L. J.; Sahu, J. K.; Clarkson, W. A. (2006-01-15). "Efficient single-mode operation of a cladding-pumped ytterbium-doped helical-core fiber laser". Optics Letters. 31 (2): 226–228. Bibcode:2006OptL...31..226W. doi:10.1364/OL.31.000226. ISSN 1539-4794. PMID 16441038.
  29. ^ Lefrancois, Simon; Sosnowski, Thomas S.; Liu, Chi-Hung; Galvanauskas, Almantas; Wise, Frank W. (2011-02-14). "Energy scaling of mode-locked fiber lasers with chirally-coupled core fiber". Optics Express. 19 (4): 3464–3470. Bibcode:2011OExpr..19.3464L. doi:10.1364/OE.19.003464. ISSN 1094-4087. PMC 3135632. PMID 21369169.
  30. ^ Filippov, V.; Chamorovskii, Yu; Kerttula, J.; Golant, K.; Pessa, M.; Okhotnikov, O. G. (2008-02-04). "Double clad tapered fiber for high power applications". Optics Express. 16 (3): 1929–1944. Bibcode:2008OExpr..16.1929F. doi:10.1364/OE.16.001929. ISSN 1094-4087. PMID 18542272.
  31. ^ "Nufern > Library> Article". Nufern.com. Retrieved 10 August 2017.

외부 링크