מגבר אופטי

מגבר EDFA (מגבר סיב מאולח ארביום)

מגבר מסוג  (EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier הוא מגבר המבוסס על סיב אופטי מאולח ביוני ארביום Er⁺³. בחומר זה, ניתן להעלות אלקטרונים לרמה אנרגטית גבוהה על ידי שאיבה אופטית באורך גל של 980 ננו-מטר  או שאיבה באורך גל של 1480 ננו-מטר. זמן החיים ברמה העליונה הוא כ-7 מיקרו-שניות, ולאחריו האלקטרונים יורדים במעבר לא קורן לרמת אנרגיה נמוכה יותר, שהמרחק ממנה לרמת היסוד מתאים לאורכי גל סביב 1550 ננו-מטר, המשמשים בתקשורת אופטית.

מכיוון שכל פוטון מהגל השואב יכול לגרום לפליטה של פוטון בודד באורך הגל של האות, ומכיוון שהאנרגיה של פוטון תלויה ביחס הפוך לאורך הגל שלו, נצילות האנרגיה תהיה גבוהה יותר אם השאיבה תתבצע באורך גל של 1480 ננומטר:
כאשר  הם אורכי הגל של האות ושל השאיבה בהתאמה. נצילות זו היא תאורטית בלבד, בפועל לא כל פוטון מהגל השואב יגרום ליצירת פוטון של אות. בפועל מקבלים נצילות של כ-60% עבור שאיבה ב-1480 ננומטר וכ-50% עבור שאיבה ב-980 ננומטר).
בתחילה השתמשו באורך גל של 1480 ננומטר על-מנת לקבל נצילות גבוהה יותר, אולם כיום עיקר השימוש הוא דווקא ב-980 ננומטר מכיוון שבאורך גל זה ניתן לייצר לייזרים בעלי עוצמה גדולה בעלות זולה.

מבנה המגבר

על-מנת שלא יווצר מהוד בתוך המגבר (דבר שעלול ליצור הגברה לפוטונים שמקורם בפליטה ספונטנית ולא לאות אותו אנו רוצים להגביר), מחברים בכניסת וביציאת המגבר איזולטור אופטי. את הלייזר השואב ואת האות מחברים לתוך המגבר בעזרת מצמד סיבים אופטיים מסוג WDM. את הלייזר השואב ניתן לחבר בכניסת המגבר (שאיבה קדמית) או ביציאת המגבר (שאיבה אחורית).

מגבר ראמאן

מגבר ראמאן מבוסס על אפקט פיזור ראמאן מאולץ, ויתרונו הגדול הוא שניתן להשתמש בסיבים קיימים על-מנת להגביר את האות. פיזור ראמאן הוא פיזור לא אלסטי של אור מחומר, כך שלפוטונים המפוזרים יש אורך גל שונה מהפוטונים הפוגעים. הסיכוי לפיזור ראמאן בצורה ספונטנית הוא קטן מאוד, פוטון אחד מפוזר על כל 10 מיליון פוטונים פוגעים, אולם כאשר יש הרבה פוטונים באורך הגל המפוזר, ובאותו קיטוב, הסיכוי גדל בצורה משמעותית ונקבל פיזור ראמאן מאולץ (עבור קיטוב שונה האפקט קטן פי 10-20). בנוסף, עבור סיליקה (החומר ממנו בנויים רוב הסיבים האופטיים) האפקט גדול יותר כאשר החומר מזוהם בגרמניום, דבר הקיים בכל מקרה בליבת הסיבים האופטיים על מנת להגדיל את מקדם השבירה. 

הפרש התדרים בין הפוטונים הפוגעים לפוטונים המפוזרים הוא קבוע, ועבור סיליקה הוא: , אולם ההפרש בין אורכי הגל אינו קבוע, ונתון על ידי הנוסחא:
 

כאשר  היא מהירות האור,  הוא התדר ו- הוא אורך הגל.

כדי להשתמש בפיזור ראמאן מאולץ לצורך הגברה, בדומה למגבר EDFA, צריך לבצע "שאיבה אופטית". אורך הגל של השאיבה צריך להיות כזה שפיזור ראמאן ממנו יתאים לאורך הגל של האות, וכך נקבל פיזור מאולץ שעוקב אחר אות הכניסה. לדוגמה, עבור אורך גל של , המשמש בתקשורת אופטית, נקבל , כלומר השאיבה צריכה להתבצע באורך גל של .

מבנה המגבר

כפי שהוזכר, הסיב בו מתבצע ההגבר הוא סיב רגיל ואורכו יכול להיות עשרות קילומטרים ואפילו יותר. גם כאן, בדומה למגבר EDFA, צריך להכניס את האות ואת הלייזר השואב לתוך הסיב בעזרת מצמד מסוג WDM, כאשר השאיבה יכולה להיות קדמית או אחורית. בשונה ממגבר EDFA, אין צורך לשים איזולוטרים בכניסה ובמוצא, מכיוון שההגבר מתרחש על-פני מספר קילומטרים ולכן אין סיכוי להגברה של פליטה ספונטנית. מכיוון שאפקט ההגברה קטן מאוד אם קיטוב האות שונה מקיטוב הגל השואב, השאיבה צריכה להתבצע באור לא מקוטב ולכן צריך להרוס את הקיטוב של הלייזר (האור הנפלט מדיודת לייזר הוא מקוטב). ישנם מספר דרכים להרוס קיטוב, אבל הדרך היעילה ביותר מתבססת על שני לייזרים עם קיטובים ניצבים. בנוסף, בשביל להגביר את כל הספקטרום המשמש לתקשורת אופטית, יש צורך לשאוב בספקטרום רחב, ולכן צריך להשתמש במספר לייזרים עם אורכי גל שונים, ועובר כל אורך גל צריך שני לייזרים כדי להרוס את הקיטוב (בדרך-כלל דרושים 6 לייזרים לצורך מגבר ראמאן המשמש לתקשורת אופטית).

מגבר אופטי מוליך למחצה (SOA)

מגבר מסוג Semiconductor Optical Amplifier) SOA) הוא מגבר אופטי הבנוי על שבב מוליך למחצה (בדרך כלל סיליקון) אשר יוצרים עליו מוליך גל בעזרת ליתוגרפיה אופטית, בדומה לדיודת לייזר. בניגוד לדיודת לייזר, כדי ליצור מגבר אנו רוצים להימנע מיצירת מהוד ולכן ההחזרים צריכים להיות קטנים כך ש-R<1.7*10⁻⁴. כדי להקטין את ההחזרות מצפים את קצה השבב בציפוי אנטי מחזיר (אנ') ובנוסף יוצרים את מוליך הגל בצורה אלכסונית על שבב הסיליקון, כך שהחזרת פרנל מהקצוות תהיה קטנה. דרך אפשרית נוספת היא להשאיר מרחק קטן בין מוליך הגל לבין קצה השבב. בצורה כזאת, ביציאה ממוליך הגל אלומת האור תתרחב, וכאשר האור יוחזר מקצה השבב רובו לא יכנס בחזרה אל תוך מוליך הגל. 
היתרון במגברים מסוג זה הוא העובדה שהם מיוצרים בצורה דומה מאוד ליצירת דיודות לייזר, ולכן ניתן לייצר מגבר המתאים לכל אורך גל הנפלט מדיודת לייזר. בנוסף, המגבר הוא רחב סרט יחסית בדומה לדיודה פולטת אור (LED) (בלייזר רוחב הסרט צר יותר בגלל המהוד).

החיסרון במגבר זה הוא העובדה שהוא פועל רק בכיוון קיטוב אחד, ולכן צריך לדאוג שהאור הנכנס לתוך המגבר הוא מקוטב.
השאיבה במקרה זה היא שאיבה חשמלית ולא אופטית, וההגברה נקבעת לפי הזרם המוזרם למגבר.
לתפוקת חשמל גבוה, מגברים אופטיים עם מבנה מחודד משמשים . טווח אורכי הגל הוא 633 ננומטר ל-1480 ננומטר.

VCSOA

VCSEL ((Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser היא דיודת לייזר שמאירה "למעלה" ולא "לצד", כלומר אנכית לשכבות הצומת ולא אופקית, כמו ד"ל רגילות.
על אותו משקל, הוגדר VCSOA, שהוא מגבר שנמצא כמו SOA רגיל על סף הלזירה, אבל גם הוא מאיר בכיוון אנכי לשכבות החומר.
גם כאן, ההחזרים נמוכים מגבולות המהוד, כדי למנוע הגעה לסף הלזירה כשאין אות. ה-VCSOA מכיל שטח פעיל קטן מאוד, ההגבר בכל מעבר אינו גבוה מכמה אחוזים; הגבר נמוך דורש מעבר רב פעמי בתוך תווך הלייזר, ולכן, ההחזר של המראה התחתונה צריך להיות גבוה, כדי לאפשר מהוד במקרה שעובר אות. במקרה שלא עובר, צריך להיזהר מלזירה, ולכן למראה העליונה החזר נמוך. ככה מנסים ליצור מהוד שיתפקד ככזה רק במצבים שאכן יש אות שעובר.
בגלל המהוד, ל-VCSOA הגבר צר סרט (בתחום גדול, לפי אורך הגל) כך שניתן לראותו כמגבר מסנן.

מגברים בשרשרת

כשרוצים לכסות רוחב פס גבוה מאוד, משתמשים ביותר ממגבר אחד, כל אחד מהם באורך גל אחר. למשל, לסיב של 100 ערוצים נדרשת הגברה אחידה לטווח של מעל 80 ננומטר לפחות, וזה כמעט בלתי אפשרי במגברים רגילים (אם לא רוצים להשתמש ב-12 סוגי שאיבות כמו שראינו בהגבר של ראמאן).
מחלקים את רוחב הפס הנדרש לשניים או יותר מגברים בשרשרת, ומבצעים יישורים קלים באופיין ההגבר של שני הצדדים כדי לקבל הגבר אחיד.
מגברים בשרשרת שימושיים, כמובן, גם להעלאת ההגבר: ההגבר יהיה כפול, מבלי לגרום לבעיות של ASE גדול מדי במגבר אחד. עם זאת, יש לתכנן את עוצמת השאיבה בכל אחד בהתאם. שימוש בשני מגברים מסייע למניעת רוויה בהגבר. נהוג לקרוא לראשון Pre Amplifier, ולשני Power Amplifier. 
לפעמים שמים מבודד או מסנן בין המגברים, כדי להפחית רעשים, החזרים ובעיות נוספות. יתרון נוסף הוא שההגבר מודולרי – כך ניתן להחליף רק חלק ממנו. למשל, לפעמים אחד מהמגברים מאפנן והשני לא. כך ניתן להחליף את המאפנן בלי לאבד את כל העלות של המגבר.
לפעמים משתמשים בשני סוגים שונים של מגברים – אחד מגבר לייזר והשני פרמטרי, ולפעמים זה אותו סוג של מגבר, אבל בקיטובים שונים, כדי למנוע תלות מיותרת בקיטוב.