Was ist ein optischer Verstärker?
Optische Verstärker sind eine Technologie zur Verstärkung von Lichtsignalen, auch optische Signale genannt. Ein optischer Verstärker verstärkt ein optisches Signal direkt, ohne es in eine andere Zwischenform umzuwandeln. Dies unterscheidet ihn von einem anderen Gerätetyp, der als Regenerator oder Repeater bezeichnet wird und der ein eingehendes optisches Signal verstärkt, indem er es in Elektrizität umwandelt und dann ein neues optisches Signal erzeugt. Die optische Verstärkertechnologie verstärkt optische Signale in Geräten wie Lasern und Glasfaserkabeln und ist wichtig für Anwendungen wie die Telekommunikation.
Die gebräuchlichste Verstärkungsmethode, bei der das gleiche Phänomen wie bei optisch gepumpten Lasern ausgenutzt wird, ist die stimulierte Emission. Jeder optische Verstärker, der dieses Verfahren verwendet, enthält ein physikalisches Medium, das einfallendes Licht verstärken kann, das als Verstärkungsmedium bezeichnet wird. Wenn das Verstärkungsmedium ankommende optische Energie empfängt, ein Prozess, der als Pumpen des Verstärkungsmediums bezeichnet wird, werden die ankommenden Lichtphotonen vorübergehend absorbiert und regen einige der Elektronen des Mediums zu höheren Energieniveaus an. Diese Elektronen fallen dann schnell auf ihr ursprüngliches Niveau zurück. Wenn sie dies tun, wird die Energie, die sie verlieren, in Form von Photonen freigesetzt, wodurch das ursprüngliche Signal verstärkt wird. Wenn eine sehr hohe Verstärkung benötigt wird, können mehrere Verstärker miteinander verkettet werden, so dass das optische Signal nacheinander durch jeden von ihnen laufen kann.
Abhängig von der optischen Leistung, der Wellenlänge und anderen Eigenschaften, die für ein bestimmtes Gerät gewünscht werden, können viele verschiedene Substanzen als Verstärkungsmedien in einem optischen Verstärker verwendet werden. Das gebräuchlichste Verstärkungsmedium für optische Verstärker ist Siliziumdioxid, das mit geringen Mengen von Seltenerdelementen wie Erbium und Ytterbium dotiert ist. Andere Verstärkungsmedien wie Halbleiter oder Yttriumaluminiumgranatkristalle können ebenfalls verwendet werden.
Ein Verstärkertyp, der als Raman-Verstärker bezeichnet wird, verstärkt optische Signale durch Ausnutzung eines Phänomens, das als Raman-Streuung bezeichnet wird. Wenn einfallendes Licht mit Materie in Kontakt kommt, werden Photonen, die nicht absorbiert werden, in verschiedene Richtungen gestreut. Die große Mehrheit von ihnen behält die gleiche Wellenlänge und Frequenz wie zuvor. Ein sehr geringer Prozentsatz von ihnen hat aufgrund der Schwingungsenergie dieser Teilchen Energie mit den Materieteilchen ausgetauscht.
Um dies für die optische Verstärkung auszunutzen, sind zwei Lichtquellen erforderlich, ein Hochfrequenz-Pumplaser und eine Lichtquelle mit niedrigerer Frequenz und höherer Wellenlänge von einer optischen Faser, die das Signal tatsächlich überträgt. Das Verstärkungsmedium in einem Raman-Verstärker wird mit hochfrequentem Licht eines Pumplasers gepumpt, wodurch die Partikel des Mediums angeregt und ihre Schwingungsenergie erhöht werden, um die Raman-Streuung zu stimulieren. Wenn die Photonen mit der höheren Wellenlänge des optischen Signals durch das Medium laufen, gewinnt das Signal auf Kosten des Pumpstrahls Energie und wird verstärkt. Dieses Verfahren wird hauptsächlich in der Telekommunikationstechnik zur Verstärkung von Fernsignalen eingesetzt, die über Glasfaserkabel gesendet werden.