تقویت کننده فیبری

تعریف: تقویت‌کننده‌های‌ نوری با فیبرهای آلاییده به عنوان محیط بهره
تقویت‌کننده‌های فیبری، تقویت‌کننده‌های‌ نوری هستند که برپایه فیبرهای نوری به عنوان محیط بهره[۱] بنا شده‌اند. در اغلب موارد، محیط بهره، یک فیبر شیشه‌ای آلاییده با یون‌های خاکی کمیاب مانند اربیوم[۲]، نئودمیوم[۳]، ‌ایتربیوم[۴] (YDFA)، پراسیودیمیوم[۵]، یا تولیوم[۶] است. ‌این آلاینده‌های فعال با نور یک لیزر، مانند یک لیزر دیودی تزویج شده به فیبر دمش می‌شوند‌‌‌ (انرژی مصرف می‌‌‌شود)؛ تقریبا در تمام موارد، نور دمش همراه با سیگنال تقویت شده در سراسر مغزی فیبر منتشر می‌‌‌شوند. نوع خاصی از تقویت‌کننده‌ها، تقویت‌کننده‌های‌ رامان هستند (در پایین نشان داده شده است).
 

 

شکل ۱: چیدمان شماتیک یک تقویت‌کننده فیبری آلاییده با اربیوم را نشان می‌دهد. دو لیزر دیودی (LDs) توان دمش را برای فیبر آلاییده با اربیوم فراهم می‌‌‌سازد و نور را تا طول موج nm ۱۵۵۰ تقویت می‌‌‌کند. دو ‌ایزولاتور فارادی با انتهای فیبری، حساسیت چیدمان به نور برگشتی را به شدت کاهش می‌‌‌دهند.

از آغاز، بیشترین استفاده از تقویت‌کننده‌های‌ فیبری در مخابرات فیبر نوری مسافت بالا بود، جایی که سیگنال باید متناوباً تقویت شود. نوعاً، از تقویت‌کننده‌های‌ فیبری آلاییده با اربیوم با سیگنالی از توان اپتیکی نسبتاً کم در ناحیه طیفی μm ۵/۱ استفاده می‌‌‌شود. دیگر حوزه‌های کاربردی مهم تقویت‌کننده‌های‌ فیبری اخیراً توسعه یافته‌اند. مثلاً در حال حاضر از تقویت‌کننده‌های‌ پر‌توان، در فراوری لیزری مواد استفاده می‌‌‌شود. نوعاً‌ اینها بر پایه فیبرهای دو غلافی آلاییده با ‌ایتربیوم[۷] برای سیگنال‌های در ناحیه طیفی μm ۱/۱-۰۳/۱ساخته می‌‌‌شوند. توان‌های خروجی می‌‌‌تواند چند کیلو وات باشد.

بهره و توان خروجی
به یمن ناحیه مدی کوچک و طول بلند فیبر نوری، می‌‌‌توان به یک بهره بالای چند ده دسی بل با یک توان دمش نه چندان بزرگ دست یافت، یعنی بازده بهره[۸] می‌‌‌تواند بسیار بزرگ باشد (مخصوصاً برای سیستم‌های کم توان). میزان بهره اغلب با ASE (در ادامه آمده است) محدود می‌‌‌شود. نسبت سطح به حجم بالا و خاصیت موج‌بری تک-مدی[۹] قوی فیبر، قابلیت دست‌یابی به توان‌های خروجی خیلی بالا با کیفیت باریکه محدود به حد پراش[۱۰] را فراهم می‌‌‌سازد، خصوصاً زمانی که از فیبرهای دو غلافی استفاده ‌‌‌شود. با‌ این وجود، تقویت‌کننده‌های‌ فیبری توان بالا در آخرین مرحله معمولاً بهره متوسطی دارند که تا حدودی به خاطر ملاحظات مربوط به بازده توان می‌‌‌باشد؛ لذا می‌‌‌توان از زنجیره‌هایی از تقویت‌کننده‌ها استفاده کرد طوری که تقویت‌کننده اول قسمت عمده‌ای از بهره و مرحله آخر توان خروجی بالا را تولید می‌کند.

ویژگی‌های اشباع
در مبحث اشباع بهره، تقویت‌کننده‌های‌ فیبری بسیار متفاوت از تقویت‌کننده‌های‌ اپتیکی نیمه رسانا (SOAs) هستند. به خاطر سطح مقطع عبور کوچک، انرژی اشباع نسبتاً بزرگ است، مثلاً این مقدارچند ده میکرو ژول برای فیبر مخابراتی آلاییده با اربیوم، یا چند صد میکرو ژول برای یک تقویت‌کننده آلاییده با ‌ایتربیوم با مساحت مدی بزرگ است. در نتیجه مقدار معینی انرژی (بعضی وقت‌ها چند میلی ژول) می‌‌‌تواند در یک تقویت‌کننده فیبری انباشته شود و سر انجام مثلاً با یک تک پالس کوتاه خارج شود. فقط برای انرژی پالس‌هایی بزرگ‌تر از انرژی اشباع، تغییر شکل پالس ناشی از اشباع مهم می‌‌‌شود. برای تقویت خروجی یک لیزر قفل مدی، اشباع بهره معمولاً معادل مقدار آن برای یک لیزر پیوسته با همان توان متوسط است.‌ این ویژگی‌های اشباع همچنین برای مخابرات فیبر نوری مهم است، چراکه از هر تداخل درون نمادی[۱۱] که در تقویت‌کننده‌های‌ اپتیکی نیمه‌رسانا می‌‌‌تواند اتفاق بیافتد پیش‌گیری می‌‌‌کند. تقویت‌کننده‌های‌ فیبری اغلب در رژیم اشباع قوی، عمل می‌‌‌کنند. ‌این منجر به بالاترین توان خروجی شده و تأثیر نوسانات کم‌توان دمش روی توان خروجی سیگنال ضرورتاً کاهش می‌‌‌یابد.

پدیده ASE و نوفه
میزان بهره قابل دست‌یابی اغلب محدود به مقدار دمش موجود نیست بلکه توسط گسیل خود به خودی تقویت شده[۱۲] (ASE) تعیین می‌‌‌گردد. ‌این مربوط به بهره‌هایی می‌‌‌شود که تقریباً از dB40 بیشتر است. همچنین نیاز است تقویت‌کننده‌های بهره بالا در برابر انعکاس‌های مزاحم محافظت شوند، چراکه‌ این انعکاس‌ها می‌‌‌توانند به نوسانات لیزری نوفه‌ای[۱۳] یا حتی تخریب فیبر منجر شوند، لذا ‌این تقویت‌کننده‌ها مجهز به ‌ایزولاتور‌های اپتیکی در خروجی و حتی‌الامکان در ورودی تقویت‌کننده‌ها هستند. پدیده ASE همچنین محدودیت‌های اساسی درخواص نوفه تقویت‌کننده‌ها ایجاد می‌کند‌‌‌. در حالیکه نوفه اضافی در یک تقویت‌کننده چهار-ترازی بدون اتلاف می‌‌‌تواند به حد نظری برسد، مطابق با مثلاً شکل نوفه dB3 در مورد بهره‌ی بالا، نوفه اضافی می‌‌‌تواند برای محیط بهره شبه-سه-ترازی معمول و درحضور اتلاف‌های بالا قوی‌تر باشد. توجه داشته باشید که ASE و نوفه اضافی اغلب در تقویت‌کننده‌های‌ دمش به عقب[۱۴] قوی‌تر است. نوفه‌ ایجاد شده توسط چشمه دمش نیز می‌‌‌تواند مهم باشد.‌ این حالت می‌‌‌تواند مستقیماً بر بهره و لذا بر توان خروجی سیگنال تأثیر بگذارد اما بر فرکانس‌های نوفه‌ای که الزاماً بزرگ‌تر از عکس طول عمر حالت بالاتر هستند تأثیری ندارند. (یون‌های فعال لیزر منابع انرژیی هستند که که به طور مؤثر می‌‌‌توانند تاثیر نوسانات سریع توان را کاهش دهند.) یک توان دمش متغییر همچنین می‌‌‌تواند به یگ گرمایش وابسته به دما که باعث نوفه فازی می‌شود منجر شود. خود ASE می‌‌‌تواند به عنوان منبع سوپر لومینسنت با همدوسی زمانی کم استفاده شود، آنچنانکه مثلاً برای پرتو نگاری همدوس اپتیکی احتیاج است. یک منبع سوپر لومینسنت مجبور است المان‌هایی کمی ‌‌‌بیشتر از یک تقویت‌کننده فیبری با بهره بالا را در بر داشته باشد.

مدل‌سازی تقویت‌کننده
‌این امکان وجود دارد که جنبه‌هایی ضروری از عملکرد تقویت‌کننده‌های‌ فیبری را به روش‌های مختلف، معمولاً با استفاده از نرم افزار شبیه‌ساز فیبری مدل‌سازی کنیم (مدل‌سازی لیزر). قسمتی از ‌این مدل نوعاً مجموعه‌ای از معادلات نرخ[۱۵] است، که با آن چگالی‌های جمعیت برای یک سیگنال و شدت‌های دمش معین می‌‌‌تواند محاسبه شود. چنین مدلی از معادلات نرخ می‌‌‌تواند در یک مدل جامع تر ترکیب شود و آنگاه توان‌های اپتیکی را در طول فیبر محاسبه ‌کند‌‌‌. کاربردهای مدل‌های تقویت‌کننده بسیار متنوع هستند. به عنوان مثال، ‌این امکان وجود دارد که اثرات تخریبی مختلف در عملکرد تقویت‌کننده را بتوان به طور کمی ‌‌‌محاسبه کرد و ‌این نتایج را برای بهینه‌سازی پارامترهای فیبر یا دیگر جنبه‌های طراحی تقویت‌کننده به کار برد. همچنین خواص اساسی تقویت‌کننده فیبری می‌‌‌تواند به طور تحلیلی محاسبه شود، به طوریکه یک دریافت کمی کامل معمولاً فقط با شبیه‌سازی‌های عددی به‌دست می‌‌‌آید. ‌این می‌‌‌تواند جزئیات مختلفی مانند رفتار شبه سه ترازی[۱۶]، اشباع بهره‌ی بالا (با توان‌های اپتیکی که اغلب بالاتر از توان‌های اشباع هستند)، گسیل خود به خودی تقویت شده (ASE) به خاطر بهره اپتیکی بالا و فرایند انتقال انرژی ممکن برای موارد پیچیده‌تر مثلاً، با فیبرهای آلاییده با اربیوم-ایتربیوم را در بر گیرد.

 

تصویر ۲: یک تقویت‌کننده فیبری آلاییده با ‌ایتربیوم با یک موج دمش ورودی. ASE در جهت جلو رونده و عقب رونده برانگیختگی ایتربیوم را در دو انتها در حد پایین‌تری نگه می‌‌‌دارد. بنا بر‌این، جذب دمش ضرورتاً تغییر می‌کند‌‌‌.‌

حتی در موارد ساده‌تر، رفتار نسبتاً پیچیده‌ای می‌‌‌تواند حاصل شود. تصویر ۲، مثالی را نشان می‌‌‌دهد که در آن یک تقویت‌کننده فیبری آلایییده با ‌ایتربیوم در nm940 دمش شده است. اتلاف توان دمش در سیستم در آغاز کاملاً سریع است، سپس آرامتر می‌‌‌شود، و سپس دوباره سرعت می‌‌‌گیرد.‌ این از اشباع بهره توسط ASE ناشی می‌‌‌شود. ASE جلو رونده [۱۷] قبل از‌اینکه دوباره به انتهای راست برسد به طور جزئی باز جذب می‌‌‌شود. تصویر ۳ یک طیف ASE برای جهت جلو رونده و عقب رونده را نشان می‌‌‌دهد. از‌این شکل می‌‌‌توان دریافت که ASE در ناحیه nm1030 در دو جهت کاملاً مشابه است، در حالیکه ASEی ۹۷۵ نانومتری قوی فقط در جهت عقب رونده تشکیل می‌‌‌شود. ‌این عدم تقارن بیان شده مربوط به ‌این حقیقت است که انتهای راست فیبر که بسیار ضعیف دمش می‌‌‌شود یک چشمه برای ASE عقب رونده از طریق گسیل خود به خودی ‌ایجاد می‌کند، حتی اگر بهره در nm975 اساساً در آنجا منفی باشد.

 

شکل ۳: طیف پیش‌رونده و پس‌رونده ASE. در تقویت‌کننده فیبری فوق.

اگر ما یک سیگنال ورودی mW ۱ در nm1030 وارد کنیم، اشباع بهره ASE را در یک سطح پایین‌تر نگه می‌‌‌دارد، و اکثر توان می‌‌‌تواند با سیگنال استخراج شود (تصویر ۴ را نگاه کنید)

 

شکل ۴: با یک سیگنال ورودی mW ۱،ASE  پایین نگه داشته شده است.

حتی ‌این مثال ساده نیز جزئیات پیچیده مختلف را نشان می‌‌‌دهد که بدون شبیه‌سازی به سختی قابل درک است. حتی برای مواردی با تبادل انرژی اربیوم-‌‌ایتربیوم، فیبرهای دو غلافی، تقویت‌کنندگی پالسی و …، ‌این از اهمیت بالاتری برخوردار است.

 
تقویت‌کننده‌های‌ فیبری نئودمیوم و ‌ایتربیوم
تقویت‌کننده‌های‌ فیبری بر پایه فیبرهای دو غلافی آلاییده با‌ ایتربیوم یا نئودمیوم می‌‌‌توانند برای تقویت چشمه‌های لیزری μm ۱ تا حدود چند کیلو وات استفاده ‌‌‌شود (لیزر‌ها و تقویت‌کننده‌های‌ فیبری پرتوان[۱۸] برای تقویت پالس‌های بسیار کوتاه مناسب است (تقویت‌کننده‌های‌ فوق سریع)؛ در‌این موارد محدودیت‌هایی ناشی از عوامل غیرخطی مانند اثر Kerr و اثر Raman (در ادامه می‌‌‌بینید) وجود دارند. همچنین سیگنال‌های تک فرکانس می‌‌‌توانند تا توان‌های بالایی تقویت شوند؛ در‌این مورد پراش برانگیخته بریلوئن[۱۹] معمولاً عامل محدود کننده است. تقویت‌کننده‌های‌ نئودمیومی ‌‌‌همچنین می‌‌‌توانند با عملکردی با مطلوبیت کمتر در ناحیه طیفی
μm ۳/۱ استفاده شوند.

تقویت‌کننده‌های‌ فیبری اربیوم
تقویت‌کننده‌های‌ فیبری بر پایه فیبر تک-مد آلاییده با اربیوم (EDFAs) استفاده گسترده‌ای در سیستم‌های مخابرات فیبر نوری مسافت بالا برای جبران اتلاف در فیبرهای بلند دارند.

تقویت‌کننده‌های‌ فیبری تولیوم
فیبرهای فلوراید آلاییده با تولیوم[۲۰] که تقریباً تحت دمش با طول موج‌های ۱۰۴۷ یا ۱۴۰۰ نانومتر می‌‌‌توانند در تقویت باند S مخابراتی حدود nm1530-1460 یا حتی در حدود μm65/1 استفاده شوند. لذا تقویت‌کننده‌های‌ مرکب اربیوم-تولیوم می‌‌‌توانند تقویت اپتیکی در ناحیه وسیعی از طول‌موج را فراهم سازند. همچنین تقویت‌کننده‌های‌ آلاییده با تولیوم برای پنجره مخابراتی اول[۲۱] در طول‌موج‌های nm850-800 وجود دارد.

تقویت‌کننده‌های‌ فیبری پراسیودیمیوم
تقویت‌کننده‌های‌ فیبری همچنین برای پنجره مخابراتی دوم[۲۲] حدود μm1.3 موجود می‌‌‌باشند [۷،۹]، اما در مقایسه با تقویت‌کننده‌های‌ آلاییده با اربیوم خروجی کمتری دارند. آنها بر پایه فیبرهای فلوراید آلاییده با پراسیودیوم[۲۳]، که حول و حوش nm1020 دمش می‌‌‌شوند (یک طول‌موج دمش نسبتاً نامطلوب) یا در nm1047 (با یک لیزر YLF) ساخته می‌شوند.

برخی موارد مربوط به طراحی
تقویت‌کننده‌های‌ فیبری می‌‌‌توانند در جهت جلو (یعنی با یک موج دمش[۲۴] که در جهت موج سیگنال منتشر می‌‌‌شود)، در جهت عقب، یا از دو طرف دمش شوند. جهت موج دمش تأثیری در بهره سیگنال کوچک[۲۵] ندارد بلکه بر بازده توان تقویت‌کننده اشباع شده و نیز ویژگی‌های نوفه تأثیر دارد. دمش از دو طرف می‌‌‌تواند راهی نه فقط برای اعمال دمش بالا، بلکه راهی برای رسیدن به یک نوفه کمتر و یک بازده زیاد توان در همان حال باشد. اکثر تقویت‌کننده‌های‌ فیبری (یعنی آنهایی که بر پایه اربیوم و ‌ایتربیوم هستند) بر اساس گذارهای شبه سه ترازی (تقویت‌کننده‌های‌ آلاییده با نئودمیوم یک استثنای قابل توجه هستند) عمل می‌‌‌کنند. این بدین معنی است که چنین تقویت‌کننده‌هایی در غیاب دمش، مقداری اتلاف‌توسط یون‌های فعال‌ از خود نشان می‌‌‌دهند؛  و فقط زمانی که از یک تراز بر انگیخته خاص تجاوز شود تقویت‌ واقعی اتفاق می‌‌‌افتد. ماهیت شبه سه ترازی همچنین دلالت بر نوفه تقویت‌کننده[۲۶] دارد، مخصوصاً یک نمودار نوفه[۲۷] افزایش یافته که گرچه می‌‌‌تواند با یک بهینه‌سازی طراحی کم شود. اثرات غیرخطی اپتیکی مانند اثر Kerr در تقویت‌کننده‌های‌ فیبری، خصوصاً آنهایی که پالس‌های فوق‌کوتاه را تقویت می‌‌‌کنند (تقویت‌کنند‌های فوق سریع) می‌‌‌تواند تعیین‌کننده باشد.‌ این می‌‌‌تواند به خود مدولاسیون فازی[۲۸] و البته به بهره رامان اضافی و لذا یک موج استوکس مرتبه اول قوی با یک طول‌موج ده‌ها برابر بزرگ‌تر از طول‌موج سیگنال تقویت‌شده تبدیل شود. برای کاربرد‌های تک فرکانس، پراش بریلوئن القایی مهم‌ترین اثر غیرخطی است. اثر غیرخطی می‌‌‌تواند با افزایش مساحت مدی فیبر (اما در قبال بازده بهره کمتر و کیفیت پرتو بد‌تر) یا با کاهش طول فیبر کاهش یابد. کمیت آخری هنگامی ‌‌‌اتفاق می‌‌‌افتد که از یک فیبر با غلظت آلاییدگی بیشتر استفاده شود، اما‌ این منجر به فرو افت غلظت[۲۹] می‌‌‌شود. یک تکنیک برای کاهش ضربتی[۳۰] آثار غیرخطی، تقویت پالس چیرپ‌شده[۳۱] است، که پالس‌ها قبل از ورود به تقویت‌کننده قویاً پهن می‌‌‌شوند و متعاقباً دوباره فشرده می‌‌‌شوند. چیدمان‌های تمام فیبری با استفاده از آن تکنیک (با یک توری براگ فیبری به عنوان فشرده ساز) می‌‌‌توانند پالس‌های فمتو ثانیه فقط با انرژی‌هایی کمتر از یک میکرو ژول که به توان‌های بیشینه در حوزه کیلو وات تبدیل می‌‌‌شوند تولید کنند. ضرورتاً توان‌های بیشینه بالاتر از MW100 زمانی که علاوه بر تقویت‌کننده فیبری با فیبرهای با مساحت مدی بزرگ از المان‌های اپتیکی حجمی[۳۲] استفاده شود ممکن می‌‌‌شوند اما برخی مزیت‌های برجسته سیستم‌های اپتیک فیبری در ‌این روش از بین می‌‌‌رود. در مقایسته با سیستم‌های کاملاً حجمی صنعتی استفاده از تقویت توسط فیبرها این مزیت را دارد بهره کافی تک عبور را امکان‌پذیر کرده و در نتیجه نیاز به استفاده از اصول تقویت‌کننده‌های‌ باز تولیدی[۳۳] را از بین می‌برد.
در برخی موارد نیاز به زنجیره‌ای از تقویت‌ها جهت تحقق تقویت‌کننده‌ها چند مرحله‌ای است. ‌این کار امکان مهار ASE توسط فیلتر‌ها یا مدولاتورهایی بین مراحل، بازده توان و شکل نوفه‌ای بهینه شده، و رهیافت مدولاتوری که انعطاف بیشتری به کاربردهای تقویت‌کننده می‌‌‌دهد را فراهم می‌کند.
اکثر تقویت‌کننده‌های‌ فیبری با فیبرهای نگه دارنده قطبش ساخته نمی‌‌‌شوند، لذا آنها حالت قطبش ورودی را حفظ نمی‌‌‌کنند. از طرفی دیگر، خود فرایند تقویت، به طور نرمال وابسته به قطبش نیست؛‌ این یک مزیت نسبت به تقویت‌کننده‌های‌ اپتیکی نیمه‌هادی برای استفاده در مخابرات است. در بعضی موارد، با ‌این وجود، سوزکنی قطبشی[۳۴] می‌‌‌تواند مشکلاتی ‌ایجاد کند.

ماژول‌های تقویت فیبری
بعضی از کمپانی‌ها ماژول‌های تقویت فیبری که برای ‌اینتگراتورهای سیستم OEM می‌‌‌تواند سازگار باشد ارائه می‌‌‌دهند. لذا ورودی و خروجی آنها با کانکتورهای فیبری رایج متصل می‌‌‌شوند. یک ماژول جمع و جور نه تنها یک تقویت‌کننده(های) فیبری واقعی، بلکه الکترونیک‌های کنترل برای دیودهای دمش، و ملحقاتی مانند یک نمایشگر توان ورودی و/یا خروجی، پایدارکننده توان، اخطاردهنده‌ها، فیلترهای هموارساز بهره[۳۵] و غیره را در بر می‌‌‌گیرد. چنین ماژول‌های تقویت‌کننده بر پایه فیبرهای آلاییده با اربیوم، فیبرهای آلاییده با‌ ایتربیوم، و دیگر فیبرهای فعال، و برای توان‌های مختلف موجود هستند.

تقویت‌کننده‌های‌ فیبری رامان
تقویت‌کننده‌های‌ رامان نه براساس فرایند تقویت لیزری بلکه بر پایه پراش رامان[۳۶] در یک فیبر ساخته می‌‌‌شوند. آنها در زمینه‌های مختلف با تقویت‌کننده‌های‌ آلاییده با عناصر خاکی کمیاب فرق دارند.
 

---