光ファイバ増幅器

光ファイバ増幅器は、利得媒体として光ファイバを使用する光増幅器の一種です。通常、利得媒体は、エルビウム (EDFA、エルビウムドープファイバー増幅器)、ネオジム、イッテルビウム (YDFA)、プラセオジム、ツリウムなどの希土類イオンがドープされたファイバーです。これらの活性ドーパントは、ファイバー結合ダイオード レーザーなどのレーザーからの光によってポンピング (エネルギーが供給) されます。ほとんどの場合、ポンプ光と増幅された信号光はファイバ コア内を同時に進みます。典型的なファイバー レーザーはラマン増幅器です (下図を参照)。

図 1: の概略図シンプルなエルビウムドープファイバー増幅器。 2 つのレーザー ダイオード (LD) がエルビウム ドープ ファイバーにポンプ エネルギーを提供し、1550 nm 付近の波長の光を増幅できます。 2 つのポニーテール スタイルのファラデー アイソレータが後方反射光を分離し、デバイスへの影響を排除します。
当初、ファイバ増幅器は、信号光を周期的に増幅する必要がある長距離光ファイバ通信に主に使用されていました。典型的な状況ではエルビウムドープファイバーレーザーが使用され、1500nm スペクトル領域の信号光のパワーは中程度です。その後、ファイバー増幅器は他の重要な分野でも使用されるようになりました。高出力ファイバー増幅器はレーザー材料加工に使用されます。この増幅器は通常イッテルビウム添加ダブルクラッドファイバを使用しており、信号光のスペクトル領域は1030～1100nmです。出力光パワーは数キロワットに達することがあります。
小さなモード面積と長いファイバ長により、中パワーの励起光の作用下で数十dBの高い利得が得られます。つまり、高い利得効率（特に低パワーの場合）が得られます。 。デバイス）。最大ゲインは通常、ASE によって制限されます。このファイバは大きな表面積対体積比と安定したシングルモード伝送を備えているため、良好な出力パワーを達成でき、特にダブルクラッドファイバを使用する場合、出力光は回折限界ビームになります。ただし、高出力ファイバ増幅器は通常、電力効率の要因もあり、最終段での利得はあまり高くありません。その場合、プリアンプがゲインの大部分を提供し、最終段が高出力を提供できるように、アンプチェーンが必要になります。
ファイバー増幅器の利得飽和は、半導体光増幅器 (SOA) の利得飽和とはまったく異なります。遷移断面積が小さく飽和エネルギーが高いため、エルビウムドープ通信ファイバ増幅器では通常数十mJに達し、大きなモード領域を持つイッテルビウムドープ増幅器では数百mJに達することがあります。したがって、多量のエネルギー (場合によっては数 mJ) をファイバー増幅器に蓄積し、短いパルスによって抽出することができます。飽和によるパルス歪みが深刻になるのは、出力パルスエネルギーが飽和エネルギーより大きい場合のみである。モードロック レーザーによって生成されたレーザーを増幅する場合、飽和利得は同じパワーで CW レーザーを増幅する場合と同じになります。
半導体光増幅器で発生するシンボル間クロストークが回避されるため、これらの飽和特性は光ファイバー通信にとって非常に重要です。
ファイバー増幅器は通常、強い飽和領域で動作します。これにより、最大の出力が得られ、励起光のわずかな変化による信号出力光パワーへの影響が低減されます。
最大利得は通常、ポンプ光パワーではなく、増幅された自然放出に依存します。ゲインが 40dB を超えるとそれが現れます。高利得アンプは、寄生レーザー発振を発生させたり、ファイバーに損傷を与えたりする可能性がある寄生反射を除去する必要もあるため、通常は入力と出力に光アイソレータが追加されます。
ASE は、アンプのノイズ性能に基本的な制限を提供します。低損失の 4 レベル アンプでは、過剰ノイズが理論上の限界に達する可能性があります。つまり、高ゲインでのノイズ指数は 3dB であり、これは通常の損失の多い疑似 3 レベル ゲイン媒体のノイズよりも大きくなります。 ASE と過剰ノイズは一般に、後方励起レーザーの方が大きくなります。
ポンプ光源によってもノイズが発生します。これらのノイズはゲインと信号出力パワーに直接影響しますが、ノイズ周波数が上位エネルギー状態の寿命の逆数よりはるかに大きい場合は影響を及ぼしません。 (レーザー活性イオンはエネルギー貯蔵に似ており、高周波電力変動の影響を軽減します。)ポンプ電力の変化も温度変化を引き起こし、それが位相誤差に変換されます。
ASE 自体は、光コヒーレント イメージングに必要な、時間的コヒーレンスの低い超放射光源として使用できます。超放射光源は、高利得ファイバー レーザーに似ています。