Что такое оптический усилитель?

Оптические усилители - это технология, используемая для усиления световых сигналов, также называемая оптическими сигналами. Оптический усилитель усиливает оптический сигнал напрямую, не преобразуя его в какую-то другую промежуточную форму. Это отличает его от другого типа устройства, называемого регенератором или повторителем, который усиливает входящий оптический сигнал, преобразовывая его в электричество и затем генерируя новый оптический сигнал. Технология оптического усилителя усиливает оптические сигналы в таких устройствах, как лазеры и оптоволоконные кабели, и важна для таких приложений, как телекоммуникации.

Наиболее распространенным методом усиления, использующим то же явление, что и в лазерах с оптической накачкой, является стимулированное излучение. Каждый оптический усилитель, использующий этот метод, содержит физическую среду, которая может усиливать входящий свет, называемую средой усиления. Когда усиливающая среда получает входящую оптическую энергию, процесс, называемый накачкой усиливающей среды, поступающие фотоны света временно поглощаются и возбуждают некоторые электроны среды до более высоких энергетических уровней. Эти электроны затем быстро возвращаются к своему первоначальному уровню. Когда они это делают, энергия, которую они теряют, выделяется в виде фотонов, усиливая исходный сигнал. Если требуется очень высокое усиление, несколько усилителей могут быть соединены вместе, чтобы оптический сигнал мог проходить через каждый из них последовательно.

Многие различные вещества могут быть использованы в качестве усиления в оптическом усилителе в зависимости от оптической мощности, длины волны и других характеристик, требуемых для конкретного устройства. Наиболее распространенной средой усиления для оптических усилителей является диоксид кремния, легированный небольшим количеством редкоземельных элементов, таких как эрбий и иттербий. Также могут быть использованы другие усиливающие среды, такие как полупроводники или кристаллы иттрий-алюминиевого граната.

Тип усилителя, называемый рамановским усилителем, увеличивает оптические сигналы, используя явление, называемое комбинационным рассеянием. Когда входящий свет вступает в контакт с веществом, фотоны, которые не поглощаются, рассеиваются в разных направлениях. Подавляющее большинство из них сохраняют ту же длину волны и частоту, что и раньше. Очень маленький процент из них, которые обмениваются энергией с частицами материи из-за вибрационной энергии этих частиц, этого не делают.

Использование этого для оптического усиления включает в себя два источника света: высокочастотный лазер накачки и низкочастотный источник света с большей длиной волны из оптического волокна, которое фактически несет сигнал. Усиливающая среда в рамановском усилителе накачивается высокочастотным светом от лазера накачки, возбуждая частицы среды и увеличивая их колебательную энергию, чтобы стимулировать комбинационное рассеяние. Когда фотоны с большей длиной волны оптического сигнала проходят через среду, сигнал получает энергию за счет пучка накачки и усиливается. Этот метод используется в основном в телекоммуникационных технологиях для усиления дальних сигналов, передаваемых по оптоволоконным кабелям.