Tổng hợp tất cả về khuếch đại quang

Bộ khuếch đại quang là một thiết bị được dùng trong hệ thống thông tin quang, dữ liệu quang, bản chất của tín hiệu quang học là tín hiệu truyền đi xa ít có suy hao.

Khuếch đại tín hiệu quang trực tiếp, có nghĩa là tín hiệu quang đầu vào được trực tiếp khuếch đại lên, không cần phải chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Bộ khuếch đại quang học có thể được coi là laser mà không có khoang quang hoặc một trong đó phản hồi từ khoang bị triệt tiêu.

Xem thêm các bộ khuếch đại quang công ty AVA cung cấp

Bộ khuếch đại quang là một phần, là thiết bị rất quan trọng trong mạng lưới, hệ thống giao tiếp quang và vật lý laser.

Chúng được sử dụng làm bộ lặp quang trong các sợi cáp quang đường dài mang nhiều liên kết viễn thông của thế giới, từ đó tín hiệu được truyền tải đi xa bất chấp các điều kiện thời tiết và các điều kiện môi trường.

Có một số cơ chế vật lý khác nhau có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu quang học / ánh sáng, tương ứng với các loại bộ khuếch đại quang chính.

Trong các bộ khuếch đại sợi pha tạp và laser tín hiệu quang phát xạ kích thích trong môi trường khuếch đại của bộ khuếch đại gây ra sự khuếch đại tín hiệu ánh sáng tới.

Optical-laser-amplifier

Trong các bộ khuếch đại Raman, bộ khuếch đại quang Raman tán xạ ánh sáng tới với các phonon

Giải thích Phonon là gì: Trong vật lý, một phonon là một kích thích tập thể trong sự sắp xếp đàn hồi hoặc nguyên tử của các nguyên tử hoặc phân tử trong vật chất ngưng tụ, đặc biệt là trong chất rắn và một số chất lỏng.

Thường được chỉ định là một quasiparticle,  nó đại diện cho trạng thái kích thích trong lượng tử hóa cơ học lượng tử của các chế độ dao động của các cấu trúc đàn hồi của các hạt tương tác.

Phonon đóng vai trò chính trong nhiều tính chất vật lý của vật chất ngưng tụ, chẳng hạn như tính dẫn nhiệt và tính dẫn điện. Nghiên cứu về các phonon là một phần quan trọng của vật lý vật chất ngưng tụ.

Khái niệm về phonon được giới thiệu vào năm 1932 bởi nhà vật lý Liên Xô, Igor Tamm.

Tên phonon xuất phát từ tiếng Hy Lạp φωφω (phonē), nghĩa là âm thanh hoặc giọng nói vì các phonon bước sóng dài tạo ra âm thanh. Tên tương tự như từ photon. trong mạng của môi trường khuếch đại tạo ra các photon kết hợp với các photon tới.

Trong các bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA), sự tái hợp lỗ electron xảy ra.

Semiconductor-Optical-Amplifier-SOA

Bộ khuếch đại tham số sử dụng khuếch đại tham số.

Nội dung về khuếch đại quang:

Bộ khuếch đại laser

• Bộ khuếch đại trạng thái rắn
• Bộ khuếch đại sợi pha tạp
• Nguyên tắc cơ bản của EDFA
• Noise
• Gain saturation
• Hiệu ứng mở rộng không đồng nhất
• Hiệu ứng phân cực
• Bộ khuếch đại sợi quang pha tạp Erbium
• Bộ khuếch đại sợi pha tạp cho các bước sóng khác

Bộ khuếch đại quang bán dẫn

• Khuếch đại quang khoang thẳng SOA
• Bộ khuếch đại giảm dần

Bộ khuếch đại quang Raman

Bộ khuếch đại tham số quang

Bộ khuếch đại laser – Laser Amplifier

Hầu như bất kỳ môi trường khuếch đại hoạt động laser nào cũng có thể được bơm để tạo ra mức tăng cho ánh sáng ở bước sóng của laser được chế tạo bằng vật liệu tương tự như môi trường khuếch đại của nó.

Bộ khuếch đại như vậy thường được sử dụng để sản xuất các hệ thống laser với công suất cao. Các loại đặc biệt như bộ khuếch đại tái tạo và bộ khuếch đại xung chirped được sử dụng để khuếch đại xung siêu ngắn (ultra short.)

Bộ khuếch đại trạng thái rắn

Bộ khuếch đại trạng thái rắn là bộ khuếch đại quang sử dụng nhiều loại vật liệu rắn pha tạp như (Nd: YAG, Yb: YAG, Ti: Sa) và sử dụng các dạng hình học khác nhau (đĩa, tấm, thanh) để khuếch đại tín hiệu quang.

Sự đa dạng của vật liệu cho phép khuếch đại các bước sóng khác với những hình dạng khách nhau của vật chất, của môi trường thường được dung để sản xuất khuếch đại quang với công suất trung bình.

Ứng dụng bên cạnh việc sử dụng chúng trong nghiên cứu cơ bản từ phát hiện sóng hấp dẫn, đến vật lý năng lượng cao tại NIF, chúng cũng có thể được tìm thấy trong nhiều thiết bị khuếch đại quang laser xung cực ngắn ngày nay.

Bộ khuếch đại sợi pha tạp Doped fiber amplifiers (DFAs)

Sơ đồ của bộ khuếch đại sợi pha tạp đơn giản

Bộ khuếch đại sợi pha tạp (DFAs) là bộ khuếch đại quang sử dụng sợi quang pha tạp làm môi trường khuếch đại để khuếch đại tín hiệu quang.

Chúng có liên quan đến laser sợi quang. Tín hiệu được khuếch đại và laser bơm được ghép vào sợi pha tạp và tín hiệu được khuếch đại thông qua tương tác với các ion pha tạp.

Ví dụ phổ biến nhất là Bộ khuếch đại sợi pha tạp Erbium (EDFA), trong đó lõi của sợi silica được pha tạp với các ion erbium hóa trị ba và có thể được bơm một cách hiệu quả bằng laser ở bước sóng 980nm hoặc 1480nm, và thể hiện mức tăng trong Vùng 1550nm.

Bộ khuếch đại ống dẫn pha tạp erbium (EDWA) là bộ khuếch đại quang sử dụng ống dẫn sóng để tăng tín hiệu quang.

Sự khuếch đại đạt được bằng cách phát ra các photon kích thích từ các ion dopant trong sợi pha tạp.

Laser bơm kích thích các ion thành năng lượng cao hơn từ đó chúng có thể phân rã thông qua sự phát xạ kích thích của một photon ở bước sóng tín hiệu trở về mức năng lượng thấp hơn.

Các ion bị kích thích cũng có thể phân rã một cách tự nhiên (phát xạ tự phát) hoặc thậm chí thông qua các quá trình không bức xạ liên quan đến tương tác với các phonon của ma trận thủy tinh. Hai cơ chế phân rã cuối cùng này cạnh tranh với phát xạ kích thích làm giảm hiệu quả của khuếch đại ánh sáng.

Cửa sổ khuếch đại của bộ khuếch đại quang là dải bước sóng quang mà bộ khuếch đại mang lại mức tăng có thể sử dụng được. Cửa sổ khuếch đại được xác định bởi tính chất quang phổ của các ion dopant, cấu trúc thủy tinh của sợi quang và bước sóng và công suất của laser bơm.

Mặc dù sự chuyển đổi điện tử của một ion bị cô lập được xác định rất rõ, việc mở rộng mức năng lượng xảy ra khi các ion được tích hợp vào kính của sợi quang và do đó cửa sổ khuếch đại cũng được mở rộng.

Sự mở rộng này là cả đồng nhất (tất cả các ion thể hiện cùng một phổ mở rộng) và không đồng nhất (các ion khác nhau ở các vị trí thủy tinh khác nhau thể hiện các phổ khác nhau).

Mở rộng đồng nhất phát sinh từ các tương tác với các phonon của thủy tinh, trong khi mở rộng không đồng nhất được gây ra bởi sự khác biệt trong các vị trí thủy tinh nơi các ion khác nhau được lưu trữ.

Các vị trí khác nhau thể hiện/hiển thị các ion cho các vị trí điện trường khác nhau, làm thay đổi mức năng lượng thông qua hiệu ứng Stark.

Ngoài ra, hiệu ứng Stark cũng loại bỏ sự suy biến của các trạng thái năng lượng có cùng động lượng góc (được chỉ định bởi số lượng tử J). Do đó, ví dụ, ion erbium hóa trị ba (Er + 3) có trạng thái cơ bản với J = 15/2 và với sự có mặt của điện trường phân tách thành J + 1/2 = 8 cấp dưới có năng lượng hơi khác nhau. Trạng thái kích thích đầu tiên có J = 13/2 và do đó, một đa tạp Stark có 7 cấp dưới. Sự chuyển đổi từ trạng thái kích thích J = 13/2 sang trạng thái cơ bản J = 15/2 chịu trách nhiệm cho mức tăng ở bước sóng 1500nm.

Phổ khuếch đại của EDFA có một số cực đại được làm mờ/ làm giảm đi bởi các cơ chế mở rộng ở trên. Kết quả cuối cùng là một phổ rất rộng (điển hình là 30nm trong silica).

Băng thông khuếch đại rộng của các bộ khuếch đại sợi làm cho chúng đặc biệt hữu ích trong các hệ thống truyền thông đa kênh phân chia bước sóng vì một bộ khuếch đại có thể được sử dụng để khuếch đại tất cả các tín hiệu được truyền trên sợi quang và có bước sóng nằm trong cửa sổ khuếch đại.

optical-amplifier

Còn nữa:

Phần sau sẽ bàn luận thêm về:

Basic principle of EDFA

Gain saturation

·Inhomogeneous broadening effects

·Polarization effects

·Erbium-doped optical fiber amplifiers

·Doped fiber amplifiers for other wavelength ranges

Semiconductor optical amplifier

·Vertical-cavity SOA

·Tapered amplifiers

Raman amplifier

Optical parametric amplifier