تقویتکنندههای اپتیکی
تعریف: دستگاه‌هایی برای تقویت توان پرتوهای نوری
تقویت‌کننده اپتیکی دستگاهی است که سیگنال ورودی دریافت و یک سیگنال خروجی با توان اپتیکی بالاتر تولید می‌کند. به‌طور معمول، ورودی‌ها و خروجی‌ها پرتوهای لیزری هستند که یا به‌صورت پرتوهای گاوسی در فضای آزاد یا در فیبر منتشر می‌شوند. تقویت، به‌اصطلاح در یک محیط بهره رخ می‌دهد، که از طریق منبع خارجی پمپ می‌شود. بیشتر تقویتکنندههای اپتیکی به‌صورت اپتیکی یا الکتریکی پمپ می‌شوند.
تقویت‌کننده لیزری
بیشتر تقویتکنندههای اپتیکی، تقویتکنندههای لیزری هستند، که این تقویت بر اساس گسیل القایی به‌دست می‌آید. در اینجا، محیط بهره شامل برخی از اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌ها در یک حالت برانگیخته است که توسط سیگنال نوری برانگیخته شده و نور بیشتری را با همان حالت‌های تابش گسیل می‌کند. این محیط‌های بهره یا عایق‌ها با برخی از یون‌های فعال لیزر یا نیمه‌هادی‌ها آلاییده می‌شوند. عایق‌های آلاییده شده[1] برای تقویت لیزری بلور‌های لیزری[2]، شیشه‌های حجیم یا برخی از انواع موج‌برها مانند فیبرهای نوری استفاده می‌شوند (تقویتکنندههای فیبری را در شکل 1 ببینید). یون‌های فعال لیزر معمولاً یا یون‌های خاکی کمیاب یا به‌ندرت یون‌های فلزی انتقالی هستند. یکی از انواع مهم تقویت‌کننده لیزری، تقویت‌کننده فیبری آلاییده شده با اربیوم[3] است که بیشتر برای ارتباطات نوری استفاده می‌شود. تقویتکنندههای اپتیکی نیمه‌هادی را می‌توان از طریق الکتریکی یا اپتیکی پمپ کرد. در بیشتر موارد، از پمپاژ الکتریکی استفاده می‌شود، که بسیار راحت است و تقویتکنندههای بسیار جمع‌وجور را امکان‌پذیر می‌کند. در حالی‌که تقویتکنندههای اپتیکی نیمه‌هادی معمولی از نظر توان خروجی کاملاً محدود هستند، می‌توان از تقویتکنندههای مخروطی[4]، پالسهایی تا بیش از چندین وات را به‌دست آورد.
شکل 1- چیدمان ساده یک تقویت‌کننده فیبری آلاییده‌شده با اربیوم به‌عنوان نمونه‌ای از تقویت‌کننده اپتیکی. دو دیود لیزر (LDs) توان پمپ‌شده را برای فیبر آلاییده شده با اربیوم تأمین می‌کنند و به آن اجازه می‌دهند تا نور را با طول موج حدود 1550 نانومتر تقویت کند. دو سیم بافته عایق فارادی[5] به‌شدت حساسیت دستگاه را به بازتابش کاهش می‌دهد.
تقویت‌کننده‌ها بر اساس غیرخطی بودن اپتیکی
علاوه‌بر گسیل القایی مکانیسم‌های فیزیکی دیگری نیز برای تقویت اپتیکی وجود دارد که براساس انواع روش‌های اپتیک غیرخطی است. تقویتکنندههای پارامتری اپتیکی معمولاً بر اساس محیطی با غیرخطی بودن کار می‌کنند، اما دستگاه‌های فیبری پارامتری از غیرخطی بودن فیبر استفاده می‌کنند. انواع دیگر تقویتکنندههای غیرخطی تقویتکنندههای رامان[6] و بریلوئن[7] هستند، که با پاسخ غیرخطی تأخیری یک محیط کار می‌کنند. تفاوت مهم بین تقویتکنندههای لیزری و تقویتکنندههای مبتنی بر غیرخطی بودن محیط این است که، تقویتکنندههای لیزری می‌توانند مقداری انرژی ذخیره کنند، در حالی که تقویتکنندههای غیرخطی فقط تا زمانی که نور پمپ‌شده وجود دارد، انرژی به‌دست می‌آورند.
تقویتکنندههای فوق سریع
از تقویتکنندههای مختلف می‌توان برای تقویت پالس‌های فوق کوتاه نیز استفاده کرد. در برخی موارد، قطاری از پالس با نرخ تکرار زیاد تقویت می‌شود که منجر به یک توان میانگین بالا می‌شود در حالی که انرژی پالس متوسط باقی می‌ماند. در موارد دیگر، بهره بسیار بیشتری به پالس‌های با نرخ تکرار کمتر وارد می‌شود که منجر به انرژی پالس بالا و توان پیک بسیار زیاد می‌شود. یک نکته اساسی این است که تقویت‌کننده لیزری توانایی دارد مقداری از انرژی پمپ شده را تا زمانی که پالس تقویت شده انرژی هدایت شود، ذخیره کند.
تنطیمات چندگذر، تقویتکنندههای احیا کننده و زنجیره‌های تقویت‌کننده
تقویت‌کننده لیزری اپتیکی حجیم اغلب فقط مقدار متوسطی از بهره یعنی معمولاً فقط چند دسی بل را تأمین می‌کنند. این امر به‌ویژه در تقویتکنندههای پالس فوق کوتاه کاربرد دارد، زیرا اساس آن‌ها محیط بهره پهن‌باند است که گرایش به سطح مقطع گسیل کمتری دارند. محیط موثر ممکن است با تنظیم کردن تابش چندتایی از همان محیط تقویت‌کننده (تقویت‌کننده چند گذر) یا با استفاده از چندین تقویت‌کننده در یک توالی (زنجیره‌های تقویت‌کننده) افزایش یابد.
شکل 2- چیدمان یک تقویت‌کننده فمتوثانیه چندگذر
عملکرد چندگذر (شکل 2) را می‌توان با ترکیب آینه‌ها (برای چندین گذر با جهت‌های زاویه‌ای کمی متفاوت) یا (بیشتر برای پالس‌های فوق کوتاه) با تقویت‌کننده احیا کننده به‌دست آورد.
برای فاکتورهای تقویت‌کننده بسیار بزرگ، تقویتکنندههای چند مرحله‌ای (زنجیره‌های تقویت‌کننده) مناسب‌تر هستند. به‌عنوان مثال، ممکن است یک پیش‌تقویت‌کننده کم‌توان اما دارای بهره بالا باشد و به‌دنبال آن یک تقویت‌کننده توانی یا تقویت‌کننده ولت‌افزای (بالابرنده) وجود دارد که یک بهره کم اما یک سطح توان خروجی بالا ارائه می‌دهد. بین مراحل تقویت‌کننده، سیگنال اپتیکی ممکن است به‌روش‌های مختلف به‌صورت فضایی یا طیفی فیلتر شود، به‌عنوان مثال برای دستیابی به کیفیت پرتو بالا و یا مدت زمان پالس کوتاه‌تر. دلایل انتخاب یک طرح تقویت‌کننده چند مرحله‌ای ممکن است دقیقاً فرصتی برای فیلتر کردن بین مراحل، یا استفاده از قطعات سازگار برای سطوح مختلف توان باشد. مثلاً یک فیبر تقویت‌کننده با بهره بالا با یک محدوده مدی مؤثر کوچک برای یک تقویت‌کننده و یک فیبر محدوده مدی بزرگ دو غلاف برای تقویت‌کننده توان وجود داشته باشد.
تقویتکنندههای چندمد و تک‌مد
برخی از انواع تقویتکنندههای اپتیکی، دستگاه‌های چندمد هستند. به‌عنوان مثال، یک تقویت‌کننده مبتنی بر کریستال لیزر حجیم می‌تواند پرتوهای چندمد را تقویت کند و همچنین می‌تواند پرتوهای با موقعیت و جهت‌های زاویه‌ای مختلف را در دامنه‌های خاص مدیریت کند، که ساخت یک تقویت‌کننده چندگذر را امکان پذیر می‌کند (شکل 2).
سایر تقویتکنندههای اپتیکی دستگاه‌های تک‌مد هستند. به‌عنوان مثال، بسیاری از تقویتکنندههای فیبری و تقویتکنندههای اپتیکی نیمه‌هادی بر اساس فیبر یا موج‌بر تک‌مد هستند. در چنین مواردی، فقط یک تک‌مد می‌تواند تقویت شود و این باید با حالت تقویت‌کننده مطابقت داشته باشد.
هنگامی که یک تقویت‌کننده لیزری تک حالته در برخی از پهنای باند بهره بالایی به‌دست می‌آورد، ناگزیر سطح قابل توجهی از گسیل خود به‌خودی تقویت شده[8] (ASE) را ایجاد می‌کند. در یک تقویت‌کننده چندمد، این اثر متقابلاً قوی‌تر است. حتی اگر ASE ناچیز باشد (برای افزایش کم)، یک تقویت‌کننده چندمد معمولاً با انتشار خودبه‌خودی توان تلف شده بیشتری از خود نشان می‌دهد (و در نتیجه بازدهی کمتری دارد) زیرا مقدار بیشتری از ماده فعال لیزر باید در حالت برانگیخته نگه‌داشته شود.
اشباع بهره
برای مقادیر زیاد شدت نور ورودی یا شارش زیاد، مولفه تقویت اشباع محیط بهره کاهش می‌یابد. این یک نتیجه طبیعی از این واقعیت است که یک تقویت‌کننده نمی‌تواند انرژی یا توان دلخواه را به یک سیگنال ورودی اضافه کند (به‌سبب اشباع). با این حال، با توجه به اینکه تقویتکنندههای لیزری (به‌ویژه آنهایی که مبتنی بر محیط بهره حالت جامد هستند) مقداری انرژی را در محیط افزایش ذخیره می‌کنند، این انرژی می‌تواند در مدت زمان بسیار کمی استخراج شود. بنابراین، طی برخی از بازه‌های زمانی کوتاه، توان خروجی می‌تواند از توان پمپ‌شده، با چندین مرتبه بزرگی بیشتر شود.
اثرات مخرب بهره زیاد
برای بهره زیاد، بازتاب‌های پارازیتی ضعیف می‌توانند باعث ایجاد پارازیت لیزری شوند، که نوسان بدون سیگنال ورودی یا مؤلفه‌های خروجی اضافی هستند که توسط سیگنال ورودی ایجاد نمی‌شوند. بنابراین این اثر بهره قابل دستیابی را محدود می‌کند. حتی بدون هیچگونه بازتاب پارازیتی، انتشار خودبه‌خودی تقویت شده می‌تواند توان قابل توجهی را از یک تقویت‌کننده استخراج کند.
نویز تقویت‌کننده
به‌طور کلی، تقویت‌کننده‌ها نه تنها هر شدت یا نویز فازی ورودی را تقویت می‌کنند، بلکه مقداری نویز اضافه می‌کنند. این امر نه تنها در مورد تقویتکنندههای لیزری، جایی که نویز اضافی تا حدی می‌تواند به‌عنوان اثر گسیل خودبه‌خودی توضیح داده شود، بلکه در مورد تقویتکنندههای غیرخطی نیز صدق می‌کند. مثلاً شکل نویز یک تقویت‌کننده فیبری، اندازه‌ای است از مقدار نویز اضافی. اپتیک‌های کوانتومی برای تقویتکنندههای غیر فازی حداقل مقدار شدت اضافی و حساسیت فاز را تعیین می‌کنند.
پارامترهای مهم تقویت‌کننده اپتیکی
پارامترهای مهم تقویت‌کننده اپتیکی عبارتند از:
- حداکثر بهره، مشخص شده به‌عنوان یک عامل تقویت یا در دسی بل (dB).
- توان اشباع، که مربوط به بازده محیط بهره است.
- توان خروجی اشباع شده (برای یک توان پمپ مشخص)
- بازده توان و توان پمپ‌شده مورد نیاز
- انرژی اشباع[9]
- زمان ذخیره انرژی
- پهنای باند بهره (و احتمال هموار بودن طیف بهره)
- شکل نویز و جزئیات بیشتر مشخصات فنی نویز
- حساسیت به بازتابش برگشتی
- تعداد مدهایی که می‌تواند تقویت کند (تقویتکنندههای چندمد و تک‌مد)
انواع مختلف تقویت‌کننده‌ها از نظر خواص اشباع تفاوت زیادی با یکدیگر دارند. به‌عنوان مثال، محیط بهره آلاییده با ماده خاکی کمیاب می‌توانند مقدار قابل توجهی انرژی را ذخیره کند، در حالی که تقویتکنندههای پارامتری اپتیکی فقط تا زمانی که پرتو پمپ وجود دارد، تقویت را فراهم می‌کنند. به‌عنوان مثالی دیگر، تقویتکنندههای اپتیکی نیمه‌هادی انرژی بسیار کمتری نسبت به تقویتکنندههای فیبری ذخیره می‌کنند و این پیامدهای مهمی برای ارتباطات فیبر نوری دارد.
کاربردهای تقویتکنندههای اپتیکی
کاربردهای معمول تقویتکنندههای اپتیکی عبارتند از:
یک تقویت‌کننده می‌تواند توان (متوسط) خروجی لیزر را به‌سطوح بالاتر برساند (تقویت‌کننده توان نوسانگر اصلی[10]).
اگر انرژی ذخیره‌شده در مدت زمان کمی استخراج شود، به‌ویژه در پالس‌های فوق کوتاه می‌تواند توان قله (پیک) بسیار بالایی ایجاد کند.
این می‌تواند سیگنال‌های ضعیف را قبل از آشکارسازی اپتیکی[11] تقویت کند و در نتیجه آشکارسازی نویز را کاهش دهد، مگر اینکه نویز تقویت‌کننده اضافه شده بزرگ باشد.
در پیوندهای طولانی فیبر نوری برای ارتباطات فیبری، قبل از اینکه اطلاعات در نویز از بین برود سطح توان اپتیکی باید بین بخش‌های طولانی فیبری افزایش یابد.
[3] Erbium-Doped Fiber Amplifier
[8] Amplified Spontaneous Emission