Co to jest wzmacniacz optyczny?
Wzmacniacze optyczne to technologia stosowana do wzmacniania sygnałów świetlnych, zwanych także sygnałami optycznymi. Wzmacniacz optyczny wzmacnia sygnał optyczny bezpośrednio, bez konwersji go na inną formę pośrednią. To odróżnia go od innego rodzaju urządzenia, zwanego regeneratorem lub repeaterem, który wzmacnia przychodzący sygnał optyczny, przekształcając go w elektryczność, a następnie generując nowy sygnał optyczny. Technologia wzmacniacza optycznego wzmacnia sygnały optyczne w urządzeniach takich jak lasery i kable światłowodowe i jest ważna w zastosowaniach takich jak telekomunikacja.
Najczęstszą metodą amplifikacji, która wykorzystuje to samo zjawisko, co w laserach pompowanych optycznie, jest stymulacja emisji. Każdy wzmacniacz optyczny wykorzystujący tę metodę zawiera medium fizyczne, które może wzmacniać przychodzące światło, zwane medium wzmacniającym. Kiedy ośrodek wzmocnienia otrzymuje przychodzącą energię optyczną, proces nazywany pompowaniem ośrodka wzmocnienia, nadchodzące fotony światła są tymczasowo absorbowane i pobudzają niektóre elektrony medium do wyższych poziomów energii. Te elektrony szybko wracają do swojego pierwotnego poziomu. Kiedy to robią, tracą energię uwalnianą w postaci fotonów, wzmacniając pierwotny sygnał. Jeśli potrzebne jest bardzo duże wzmocnienie, można połączyć ze sobą wiele wzmacniaczy, aby sygnał optyczny mógł przechodzić kolejno przez każdy z nich.
Jako wzmacniacz optyczny można zastosować wiele różnych substancji w zależności od mocy optycznej, długości fali i innych właściwości pożądanych dla konkretnego urządzenia. Najpopularniejszym medium wzmacniającym dla wzmacniaczy optycznych jest dwutlenek krzemu domieszkowany niewielkimi ilościami pierwiastków ziem rzadkich, takich jak erb i iterb. Można również stosować inne środki wzmacniające, takie jak półprzewodniki lub kryształy granatu itru i aluminium.
Rodzaj wzmacniacza zwanego wzmacniaczem Ramana wzmacnia sygnały optyczne poprzez wykorzystanie zjawiska zwanego rozpraszaniem Ramana. Gdy wchodzące światło styka się z materią, nie wchłonięte fotony są rozpraszane w różnych kierunkach. Zdecydowana większość z nich zachowuje taką samą długość fali i częstotliwość jak poprzednio. Bardzo niewielki procent z nich, który zamienił energię z cząsteczkami materii z powodu energii wibracyjnej tych cząstek, nie robi tego.
Wykorzystanie tego do wzmocnienia optycznego wymaga dwóch źródeł światła, lasera o wysokiej częstotliwości i źródła światła o niższej częstotliwości i większej długości fali z światłowodu, który faktycznie przenosi sygnał. Medium wzmocnienia we wzmacniaczu ramanowskim jest pompowane światłem o wysokiej częstotliwości z lasera pompowego, pobudzając cząstki medium i zwiększając ich energię wibracji, aby stymulować rozpraszanie Ramana. Gdy fotony o większej długości fali sygnału optycznego przechodzą przez ośrodek, sygnał zyskuje energię kosztem wiązki pompy i jest wzmacniany. Metodę tę stosuje się przede wszystkim w technologii telekomunikacyjnej w celu wzmocnienia sygnałów na duże odległości przesyłanych kablami światłowodowymi.