Optiline võimendi

Optiline võimendi on seade, mis võimendab optilist signaali otse, ilma seda vahepeal elektrisignaaliks muundamata. Võimendus põhineb stimuleeritud kiirgusel, mille võimendatav signaal käivitab. Optiline võimendi on laser oma kõige elementaarsemal kujul ilma optilise resonaatorita.

Suur ribalaius on teinud selle võimendi eriti oluliseks lainepikkusjaotusega multipleksimisel. Suure töökindluse tõttu kasutatakse optilisi võimendeid kõigis kiudoptilistes kaugühendusvõrkudes (näiteks transatlantilised  kaablid).

Enamik optilisi võimendeid kiirgab ka spontaanselt footoneid, mis seejärel samuti võimenduvad. Selle soovimatu nähtusega tekitatud ebaühtlane ja polariseerimata kiirgus on üks teguritest, mis piirab võimendusastmete arvu suurendamist.

Signaali koguvõimsuse ja müra võimsuse suhet signaali sagedusel väikese ribalaiuse korral (tavaliselt 0,1 nm) nimetatakse optiliseks signaali-müra suhteks (OSNR) ja seda väljendatakse detsibellides ribalaiuse suhtes (nt dB/0,1 nm).

Optiliste võimendite tüüpidest on kõige laiemalt kasutusel erbiumiga dopeeritud  võimendi.

pisi|püsti=1.3|Erbiumiga dopeeritud kiudoptilise võimendi põhimõtteskeem

 Erbiumdopeeritud kiudvõimendi (EDFA) 
Erbiumiga dopeeritud kiudvõimendites (ingl erbium-doped fiber amplifier) dopeeritakse optiline kiud tavaline ühe kuni umbes 100 meetri meetri pikkuses erbiumiga ja seejärel seda kiuosa pumbatakse optiliselt pooljuhtlaserit kasutades.

Kommertslike EDFAde tüüpilised parameetrid:
 optilise andmeside laineribad:
 C-riba (umbes 1530–1560 nm)
 L-riba (umbes 1570–1600 nm)
 S-riba (alla 1480 nm), nõuab teistsugust dopeerimist
 madal müratase: 3–6 dB
 suur võimendus (20–40 dB) ja vähene sõltuvus valgussignaali polarisatsioonist
 maksimaalne optiline väljundvõimsus: 10–35 dBm
 sisemine võimendus: 25–50 dB
 võimenduse hälve: ±0,5 dB
 aktiivse kiu pikkus: 10–60 m C-riba ja 50–300 m L-riba puhul
 pumplaserite arv: 1–6
 pumpamine lainepikkusel: 980 nm või 1480 nm

Erbiumiga dopeeritud kiudoptilise võimendi töötas esmakordselt välja 1987. aastal Southamptoni Ülikooli töörühm, mida juhtis David N. Payne.Payne, R. Mears, L. Reekie, I. M. Jauncey Low-noise Erbium-doped fiber amplifier at 1.54μm, Electron. Lett., Band 23, 1987, S. 1026–1028  ja mida demonstreeriti Belli Laboratoriumides (Emmanuel Desurvire jt).E. Desurvire, P. Becker, J. Simpson High-gain erbium-doped traveling-wave fiber amplifier, Optics Letters, Band 12, 1987, S. 888–890 EDFAde abil saavutati läbimurre optilise signaali edastamisel väga pikkade vahemaade taha.

 Pooljuhtlaservõimendi 
Pooljuhtlaservõimendi on ülesehituselt samasugune kui pooljuhtlaser, kuid selle otspinnal, kust valgus väljub, on peegeldusvastane kate, mis hoia ära soovimatuid resonantse. Tavaliselt toimivad  nad monomoodkiududena.

Pooljuhtlaservõimendid jäävad EDFAdele alla võimenduse, müra ja polarisatsioonisõltuvuse poolest, kuid neil on hea integreeritavuse tõttu hinnaeelis. Häälestatavates laserites ITLA (Integrated Tunable Laser Assembly) on pooljuhtvõimendid integreeritud ühisesse korpusesse, et saavutada suurem väljundvõimsus.

Erinevalt kiudvõimenditest muutub pooljuhtvõimendites ergastus väga kiiresti, nii et mitme signaali samaaegsel võimendamisel ilmneb vastastikune mõju. Mitme signaali korraga võimendamisel võib see põhjustada soovimatut ülekostvust, kuid seda saab ka kiireks optiliseks ümberlülitamiseks või optiliseks sagedusmuundamiseks ära kasutada.

Tüüpilised parameetrid:
 töölainepikkus: peamiselt 1300 ja 1500 nm (aktiivne keskkond: InGaAsP)
 võimendus: kuni 30 dB, kuid võttes arvesse kadusid kontaktpindadel, siis umbes 20 dB
 maksimaalne optiline väljundvõimsus: 5 dBm
 ribalaius: 25 nm

Teadusuuringute valdkondades, nagu laserjahutus, Bose-Einsteini kondensaat ja laserspektroskoopia, kus vajatakse suurt optilist jõudlust, on kasutusel trapetsstruktuuriga pooljuhtlaservõimendi. Trapetsikujuline sektsioon on vajalik võimsustiheduse vähendamiseks väljundpoolel.

Tüüpilised parameetrid:
 töölainepikkus: 633 kuni 1480 nm
 sisendvõimsus: 10 kuni 50 mW
 optiline väljundvõimsus: kuni 3 W

 Ramani võimendi 
Ramani võimendid kasutavad nn Ramani hajumist. Kui optilise pumba suure intensiivsusega laine kiiratakse kvartsklaaskiusse, hakkavad  footonid ränidioksiidi molekulidel hajuma. Osa nende energiast muundub foononiteks ja ülejäänu hajub madalama energiaga footonitena. See protsess toimub esialgu spontaanselt, kuid seda saab stimuleerida võimendatava signaalilaine kaudu. Seda nähtust nimetatakse siis stimuleeritud Ramani hajumiseks.

Eelised EDFA ees on järgmised:
 suur ribalaius: C- ja L-riba samaaegselt
 pumba lainepikkuse kaudu reguleeritav võimendusvahemik
 kogu kiu peale jaotatud võimendus tagab parema signaali-müra suhte

Seda tööpõhimõtet demonstreerisid Erich P. Ippen ja Rogers H. Stolen juba 1973. aastal. Signaali edastamise eelist pikkadel vahemaadel püüti  rakendada 1980. aastatel, kuid EDFA viivitas esialgu selle laiemat kasutuselevõttu; läbimurre toimus alles 1990. aastatel.Mohammed N. Islam Raman amplifiers for telecommunications, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Band 8, Nr. 3, 2002

 Vaata ka 
 Laser
 Ramani hajumine
 Laserindutseeritud plasma spektroskoopia

 Viited 

Kategooria:Optika
Kategooria:Telekommunikatsioon