Işık yükseltici

Işık yükseltici, ışık sinyallerini doğrudan yükselten, ilk önce elektrik sinyaline dönüştürmeye ihtiyaç duymayan bir alettir. Işık yükseltici lazer olarak da düşünülebilir fakat ışık boşluğu olmadan bu genelleme yapılmalıdır. Işık yükselticileri optik iletişiminde ve lazer fiziğinde önemli bir yere sahiptirler.
Birçok fiziksel mekanizma ışık sinyalini yükseltmek için kullanılmaktadır ve bunlar ışık yükselticilerinin en büyük türleridir. Katkılı fiber yükselticilerde ve lazerlerde, canlandırılan emisyon yükselticinin kazandığı ışıkların yükseltiminde kullanılmaktadır. Yarı iletken ışık yükselticilerinde, elektron boşluk kombinasyonları oluştuğu gözlemlenmektedir. Raman yükselticilerinde, Raman saçılmasının gelen ışığının fononlarla, foton üretimini sağlamaktadır. Bunlar gelen fononlarla uyumlu bir haldedirler. Parametric yükselticiler de parametrik yükseltmede kullanılmaktadır.
Lazer yükselticiler
Neredeyse bütün lazerler ışık için kazanması gereken dalga boyundaki malzemeleri aynı kendisinin kazandığı gibi pompalamaktadır. Bu yükselticiler genel olarak yüksek güçlü lazer sistemlerini kullanmaktadır. Özel tipleri, örnek olarak tekrar yenilenebilen yükselticiler ve atımlı yükselticiler çok kısa atımları yükseltmek için kullanılmaktadır.
Katkılı fiber yükseltici
Katkılı fiber yükselticiler (DFA) ışık yükselticilerdir ve fiber optiklere katkı sağlamak için tıpkı optik sinyallerine ortam sağlandığı gibi kullanılmaktadır. Bunlar fiber lazerlerle daha da yakındır. Sinyalleri yükseltilebilir ve pompa lazerleri katkılı fiberlerein içinde çoğaltılabilirler. Ayrıca sinyalleri katkı sağlayan iyonlarla etkileşim haline geçerek yükselebilirler. En yaygın örneklerinden birisi Erbiyum katkılı fiber yükselticidir ve silika fiber erbiyum iyonlarıyla katkılaştırılmıştır. Buradaki ama. berim olarak lazerlerle birlikte 980 ila 1480 nm dalga boylarında pompalamak ve 1550 nm bölgede kazandığını göstermektir.
Erbiyum katkılı frekans yönlendirici (EDWA) optik yükseltici olarak optik sinyallerinin frekanslarını hızlandırmaktadır.
Yükselme, fotonların emisyonunu canlandırarak katkı maddesi olan iyonlarla katkılı fiberde gerçekleştirilir. Pompa lazerleri iyonları uyararak yüksek enerjiye zayıf oldukları yer neresi ise oradan canlandırılarak emisyon sayesinde düşük enerji seviyesindeki dalgaboylarına indirilmiştir. Uyarılmış iyonlar kendiliğinden azalmaktadır veya radyaktif olmayan süreçlerde fononlarla ışık matriksinin içerdiği bölgelerde bulunmaktadır. Bu son iki düşüş mekanizması canlandırılmış emisyonla beraber rekabet içindedirler ve ışık yükseltiminin verimini düşürmektedirler.
Işık yükselticinin yükseltme penceresi, optik dalga boylarının menzilindedir ve bu menzil yükselticinin kullanılabilir bir kazancı için üretilmiştir. Yükseltme penceresi katkı sağlayan iyonların spektroskobik özellikleri tarafından belirlenmişlerdir ve fiber optiğin cam yapısı, pompa lazerinin dalgaboyu ve gücüdür.
İzole iyonların elektronik geçişleri çok iyi bir şekilde tanımlanmış olsa da, enerji seviyelerinin genişliği iyonların fiber optik camlarının içinde birleşmiş olduklarında ortaya çıkarlar ve böylece yükseltme penceresi de genişletilmiş olur. Bu genişleme hem homojen olarak (tüm iyonlar aynı genişlik spektrumunda yer alır.) hem de heterojen (farklı iyonlar farklı camlarda farklı spektrum özellikleri gösterirler.) olarak gerçekleşirler.
Homojen genişleme camdaki fononların birbirleri arasında etkileşimleri ile oluşmaktadır ve bu sırada heterojen genişleme ise camdaki farklı iyonlar arasındaki farklılıklardan oluşmaktadır. Farklı bölgeler iyonlara farklı bölgesel elektrik alanlara yerleştirirler ve bu da enerji seviyelerini Stark efekti sayesinde değiştirmelerine yardımcı olur. Buna ek olarak, Stark efekti aynı zamanda dejenere enerji seviyelerini değiştirmektedir ve bunların açısal momentumları aynı kalmaktadır. (kuantum sayısı J ile özelleştirilmiştir.) Böylece, örnek olarak, erbiyum iyonu (Er+3) başlangıç seviyesi olarak 15/2=J'ye sahiptir ve elektrik alanın varlığında J sayısı 8 alt seviyeye ayrılmaktadır ve bunların enerjileri birbirinden çok küçük farklılıklara sahiptirler. İlk uyarılan seviye J=13/2'dir ve bu yüzden Stark kopyaları 7 farklı alt katmana sahiptirler.
J=13/2'den olan transferler uyarılma seviyeleri olan J=15/2'ye kadar 1.5 mikrometre dalga boyunda sorumludurlar. EDFA'nın kazandığı spektrum farklı zirve noktalarına sahiptir ve yukarıdaki belirtilen genişleme mekanizması ile nasıl bozulduğu gösterilmiştir. Net sonuç ise çok geniş olarak ölçülmüştür. (30 nm silakada). Geniş bant kalınlığı fiber yükselticilerde kullanılabilir bir dalga boyu ayrımı çoğaltılmasını iletişim sistemlerinde tek bir yükseltici olarak tüm taşınan sinyalleri yükseltmek için fiberlerde kullanır ve bunların dalgaboyları pencerede düşmüştür.
Temel prensipler
Yüksek güce sahip ışın demeti giriş sinyaliyle dalgaboyu seçici kullanarak karışmıştır (WSC). Giriş sinyali ve uyarma ışığı önemli derecede farklı dalga boylarına sahiptirler. Karışan ışık farklı fiber bölümlerine erbiyum katkılı iyonları çekirdeğinde taşıyarak karışmıştır. Bu yüksek güçlü ışın demeti erbiyum iyonlarını yüksek enerji seviyelerine uyarırlar. Sinyale ait fotonlar farklı dalga boylarında pompa ışığından ışıkla birleşerek erbiyum atomalarını uyarırlar, erbiyum atomları enerjilerinin bir kısmını sinyale verirler ve düşük enerji seviyelerine geri dönerler. Buradaki önemli noktaerbiyum enerjisini ek fotonlara aynı fazda ve yönde sinyal yükselticisi olarak verirler. Bu şekilde sinyal yükselitilir ve sadece onun hareket ettiği yönde yolculuk eder. Bu alışılmış bir durumdur- atomlar " lazer ışığı kullanarak" enerjilerini aynı yönde ve fazda gelen ışık gibi bırakırlar. Böylece tüm ek sinyal güçleri aynı fiber modunda gelen sinyal gibi rehberlik edilirler. Sık sık karşılaşılan bir durum ise çıkış kısmına eklenen fiberden gelen yansımaları önlemek amacıyla isolatördür. Bu yansımalar yükseltici operasyonunu bozarak ve bazı ekstrem koşullarda yükselticiyi lazer haline getirmeyi sağlar. Erbiyum katkılı yükseltici ise yüksek kazançlı bir yükselticidir.
Gürültü
DFA'larda gürültünün temel kaynağı Amplified Spontaneous Emission (ASE) olarak tanımlandırılan, yükselticiyle neredeyse aynı spektrum kazancına sahip olan bir tür spektrumdur. Gürültü figürü ideal DFA'da 3 desibeldir ve buna karşın pratik yükselticilerde gürültü figürü 6 ila 8 desibel arasındadır.
Canlandırılan emisyon sayesinde olan azalma ile, elektronlar yüksek enerji seviyelerine aynı zamanda kendiliğinden gerçekleşen emisyonla düşedebilirler ve bu durum tamamen kendiliğinden oluşur. Ayrıca bağlı olduğu şeyler ise camın yapısı ve döndüğü seviyedir. Fotonlar kendiliğinden tüm yönlerde dışarı yayılırlar fakat bunların oranları birçok sayısız fiber aralıklarıyla aynı yönde dışarı verilmişlerdir. Bu fotonlar diğer katkı sağlayan iyonlarla etkileşim kurmaları amacıyla yakalanmaktadır ve canlandırılan emisyon yükseltilmektedir. İlk kendiliğinden gerçekleşen emisyon bu şekilde aynı sinyallerde görüldüğü gibi eş yönlü olarak yükseltilmiştir ve bu yüzden Amplified Spontaneous Emission adı verilmiştir. ASE yükseltici tarafından hem ileri hem de geri yönlerde dışarıya verilmiştir. Fakat, sadece ileri yönde olan ASE sistem performansı açısından ileri yönlüdür ve bu sistem performansını tekrar derecelendiren alıcıyla birlikte gürültüye sahiptir. Karşı yayılım ASE'nin yapabildiği fakat derecesini düşürdüğü yükselticinin performansı ASE azaltıldığından beri ters yönde hareket etmektedir ve bu yüzden yükselticinin kazancı azalmaktadır.
Soğurma kazancı
DFA'daki kazanç katkı sağlayan iyonların çokluğundan dolayı sağlanmaktadır. DFA'nın ters seviyesi, öncelikli olarak, pompa dalga boyundan ve yükseltici dalga boyundan aldığı güç ile sağlanmaktadır. Sinyal gücü arttıkça veya pompalama gücü azaldıkça, ters seviye gittikçe azalacak ve bu yüzden yükselticinin sahip olduğu kazanç da azalacaktır. Bu etki soğurma kazancı olarak bilinmektedir- sinyal seviyesi arttıkça, yükseltici soğurması da artacak ve daha fazla çıkış gücü üretemeyecek hale gelecektir. Bu yüzden de kazancı azalacaktır. Soğurma aynı zamanda basınç olarak da bilinmektedir.
Optimum gürültüyü performansını DFA'larda sağlamak amacıyla önemli bir miktarda basınç kazanımı sağlanmaktadır (ortalama 10 dB), bu kendiliğinden emisyon hızını düşürdüğünden beri aynı zamanda ASE'yi de düşürmektedir. DFA sistemini yürütmenin bir diğer avantajı ise soğurma kazancı sağlarken o bölgelerde küçük dalgalanmaların gelen sinyal gücüne bağlı olarak çıkış yükseltme sinyalini arttırmasıdır. Gelen sinyal gücü daha büyük bir kazanç sağlarken geniş gelen güç daha az bir kazanç sağlamaktadır.
Atımın yönlendiren kenarı yükseldiğinde, maddenin doyma enerjisine ulaşana kadar bu işlemi gerçekleştirecektir. Bazı durumlarda, atımın genişliği de düşürülmektedir.
Heterojen genişletme etkisi
Çizgi kalınlığının heterojen miktarından dolayı katkı sağlayan iyonların genişlemesi, kazanılan spektrumun heterojen bileşenlerle ve kazanılan doymanın gerçekleşmesi, küçük bir içerikte, heterojen olarak gerçekleşmektedir. Bu etki aynı zamanda hayali deli yakımı gibi adlandırılır çünkü yüksek güç sinyali bir dalga boyundan sinyale yakın olan ve heterojen olarak doyurulan genişletilmiş iyonlarca sağlanmaktadır. Hayali boşluklar genişliğe bağlı olarak çeşitlenmektedirler ve aynı zamanda fiber optiğin karakteristik özelliklerine de bağlıdır. Fakat, gene olarak 1 nanometreden daha az kısa dalga boylarında ve C bandlarının sonunda, birkaç nanometre uzunluğundaki dalgaboyları C bandının sonunda sonlanmaktadır. Deliklerin derinlğği çok küçük olmasına rağmen, bazı pratik yollarda gözlemlemesi oldukça zordur.
Kutuplaştırma etkisi
DFA'nın kutuplaştırması gerekli olarak yükselticiden bağımsız olmasına rağmen, küçük bir miktardaki katkı sağlayan iyonlar isteklerine göre uygun kutuplaşma koşullarında birbirleriyle etkileşim halindedirler ve gelen sinyalin bağlı olduğu kutuplaşmaya bağlıdır(genellikle 0.5 dB'den küçüktür). Bu durum Polarization Dependent Gain (PDG) olarak adlandırılmaktadır. İyonların soğurma ve emme bölgeleri elips şeklinde modellenerekten büyük bir eksen etrafında sıralanarak sıradan olarak tüm yönlerde farklı cam bölgelerinde gerçekleştirilmektedirler. Yerleşmenin rastgele olarak dağıtılması elipslerde ve camlarda makroskopik olarak izotropik maddeler oluşturmaktadır fakat güçlü pompa lazerleri anizotropic dağılımı yüklemektedir ve bu olay seçici uyarma sayesinde iyonları daha sıralı bir optik alan vektörüne pompalar. Ayrıca, bu uyarılmış iyonlar sinyal alanlarıyla birlikte uyarılarak daha fazla canlandırılmış emisyon üretmektedirler. Kazançtaki değişim bu şekilde kutuplaşmanın sıralanması ile ilgili olarak pompaya ve lazere bağlıdır. Örnek olarak, iki lazer aynı katkı sağlayan iyonların alt kümesinde bulunsun ya da bulunmasın gerçekleşmesidir. İdeal katkılı fiber çift kırılmaya uğramadan, PDG'yi uygunsuz bir şekilde genişletmektedir. Neyse ki, fiber optiklerde çift kırılımın az bir miktarı her zaman bulunmaktadır ve ayrıca, hızlı ve yavaş eksenler rastgele fiber boylarında değişkenlik göstereceklerdir. Genel DFA onlarca metre uzunluğunda değişkenlik göstermektedir ve her zaman tekdüzeliğini korumak için çift kırılım eksenini göstermektedir. Bu iki birleşmiş etkiler (transfer fiberlerine kutuplaştırma modu için dağıtım verenler) benzer sinyal kutuplaşmasında düzensizlik göstermektedirler ve fiberdeki pompa lazerleri boyunca göstermektedir. Böylece, PDG'nin ortalamasından dışarıya çıkmaya eğimlidirler. Sonuç ise PDG'nin tek bir yükselticide zorlukla gözlenmesidir. (fakat art arda bağlanmış yükselticilerin bağlı olması gözle görülür bir etkidir.)
Erbiyum katkılı fiber optik yükselticiler
Erbiyum katkılı fiber yükseltici (EDFA) en çok yaygın olarak kullanılan fiber yükselticidir ve yükseltme penceresi, silika katkılı fiber optiğin üçüncü transfer penceresiyle çakışmaktadır.
İki bantta üçüncü transfer penceresinde geliştirilmiştir-the Conventional veya C bandı. 1525 ila 1565 nm'den veya L bandında ortalama 1570 ila 1610 nm dalga boyları arasında yer almaktadır. Bu bantların her ikisi de EFDA tarafından yükseltilmektedirler fakat farklı iki yükseltici kullanmak normal bir durumdur, her biri farklı birer bantta özelleştirilmişlerdir.
C ve L bantları arasındaki temel farklılık L bandında uzun ömürlü katkılı fiber yükseltici kullanılmasıdır. Uzun boylu fiber düşük seviyeli dönüşümü kullanır ve bu yüzden uzun dalga boylarını sonuç olarak vermektedir ve bu sırada kullanılabilir bir miktarda kazanç da sağlamaktadır. (Erbiyumun silikadaki band yapısından dolayı)
EDFA'lar genel olarak iki pompalama bandı kullanırlar ve bunlar 980 nm ve 1480 nm'dir. 980 nm bandı yüksek soğurma alanına sahiptir ve genel olarak düşük gürültülü performans gerektirmektedir. Soğurma bandı diğerine oranla daha dardır ve bu yüzden dalgaboyunu sabitleyici lazer kaynakları genel olarak ihtiyaç sebebidir. 1480 nm band düşüktür fakat daha geniştir, soğurma alanı büyüktür ve genel olarak yüksek güç yükseltiminde kullanılmaktadır. 980 nm ve 1480 nm kombinasyonunda pompalama genellikle yükselticiler tarafından kolaylaştırılmaktadır.
Fiber optik yükselticiler H. J. Shaw ve Michel Digonnet tarafından Stanford Üniversitesinde, Kaliforniya'da 1980'li yılların başında icat edilmişlerdir. EDFA ilk olarak birkaç yıl sonra David N. Payne, R. Mears, I. M Jauncey and L. Reekie'in de aralarında bulunduğu bir grup tarafından Southampton Üniversitesinde AT&T Bell Laboratuvarlarında ortaklaşa bir çalışma sonucu E. Desurvire, P. Becker, ve J. Simpson ve Italian Company Pirelli katılımlarıyla gerçekleştirilmiştir. Çift yollu ışık yükseltici Dense Wave Division Multiplexing (DWDM) sisteminin kullanımını sağlamaktadır ve bu sistem Stephan B. Alexandar tarafından Cienna Corporation'da icat edilmiştir.
Diğer dalga boyları için katkılı fiber yükselticiler
Tulyum katkılı fiber yükselticiler S bandında (1450-1490 nm) kullanılmışlardır ve Praseodymium katkılı fiber yükselticiler 1300 nm bölgesinde kullanılmışlardır. Buna rağmen, birçok bölgede herhangi bir önemli reklamsal kullanım bu zamana kadar gözlemlenmemiştir ve bu yükselticilerin birçoğu herhangi bir yeniliğin içerisinde yer almamışlardır aynı EDFA'da da görüldüğü gibi. Buna rağmen, Öterbiyum katkılı fiber lazerler ve yükselticiler 1 mikrometre civarındaki dalga boyunda çalışmaktadır ve birçok uygulamaları malzemelerin endüstriyel sürecinde bulunmaktadır aynı bu cihazların ekstrem koşullardaki yüksek çıkış güçlerinde olduğu gibi (onlarca kilowatt).
Fotovoltaik güç üretimi yenilenemeyen yakıtların tüketimini azaltmaktadır. Hibrit sistemler en çok adalarda bulunmaktadır. Almanyadaki Pellworm adası ve Yunanistandaki Kythnos adasın bunun önemli örneklerindendir ( ikisi de rüzgar enerjisi ile bilinmektedirler.). Kythnos dizel tüketimini %11.2 oranına indirmiştir. 2015 yılında, yedi ülkenin katılımıyla gerçekleşen ve küçük şebekelerle ve izole şebekelerle hibritleşme tarafından üretim maliyeti düşürülecektir. Buna rağmen, hibritler için finansal rakamlar çok önemlidirler ve geniş alanda güç üretilen yerin mülkiyet yapısına bağlıdır. Devlete ait yapılar için maliyet azatlımı önemliyken, bunun yanı sıra halka açık olmayanlar için ekonomik faydaları da önemli bir ölçüde araştırılmaktadır. Bağımsız güç üreticileri buna örnektir. Fotovoltaik etki limitinin son zamanlardaki araştırmalara göre PV+CHP gibrit sistemine sahip ağda Amerikada yayılması görülmektedir. Güneş akışının geçici dağılımında, elektriksel ve ısısal gereksinimlerin yalnızca Amerika için analiz edilip fotovoltaiklerle beraber ek olarak fotovoltaik yayılımını geleneksel elektrik sistemiyle nasıl mümkün olabileceğini göstermişlerdir. Bu teori birçok simulasyonlarla her saniyeye göre güneş akış verisinin gerekli batarya yedeklemesi için ve hibrit sistemlerin ucuz batarya sistemlerine oranla mümkün olabileceğini göstermektedir.
Değişik türde yenilenebilir enerji kaynakları sayesinde, depolama güç üretimini ne zaman uygun olursa üretmesine yetki vermiştir ve tüketiminin de ne zaman olursa tüketilmesi gerektiğini söylemektedir. Şebeke operatöründe iki değişken elektriği gerekli olduğu zamanlar için depo etmektedir veya nerede ihtiyaç varsa oraya transfer etmektedir. Bu durumların ikisi de sonuç verememektedir, 30kWp üstünde otomatik olarak kendilerini kapatmaktadır ve bunun yanı sıra tüm redresörlerin gerilim düzenlemeleri koruma halindedir. Ayrıca, yük yeterli miktarda değil ise güç sağlamasını durdurmaktadır. Şebeke operatörleri, sistemlerden fazla üretilenleri kısma opsiyonuna sahiptirler ve bunun yanı sıra rüzgar enerjisi, güneş enerjisinden daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Sonuç olarak önemli bir miktarda gelir kaybı yaşanmaktadır. Üç fazlı redresörler iş esnasında kullanılmak üzere üretilen reaktif gücü tedarik etmede eşsiz bir imkana sahiptirler. Fotovoltaik sistemler arızaları tespit edip görüntülemektedirler ve operasyonlarını uygun hale getirmektedirler. Donanımların verimine ve donanımların doğasına dayanaraktan birçok fotovoltaik görüntüleme stratejileri bulunmaktadır. Görüntüleme iş alanında veya uzaktan gerçekteştirilebilmektedir. Bu sadece üretimi ölçebilir ve tüm verileri redresörlerden geri alabilir. Ayrıca yine tüm verileri iletişim ekipmanlarından da geri alma imkanına sahiptir. Görüntüleme cihazları, kendilerini denetime bağlamaktadır veya ekstradan özellikleri de sunmaktadır. Bireysel redresörler ve batarya şarj kontrolleri görüntülemeyi, üreticinin özel yazılımı ve tutanaklarını kullanarak gerçekleştirmektedirler. Redresörün enerji ölçümü denge bakımından kısıtlanabilir ve ölçme amaçlarından sağlanan gelire pek uygun olmayabilir. Üçüncü nesil veri kazanın sistemi çoklu redresörleri görüntüleyebilir ve bu esnada üreticinin tutanakları sayesinde redresör kullanır. Ayrıca buna ek olarak, havayla alakalı sistemlerden bilgi de sağlamaktadır. Bağımsız akıllı ölçüm cihazları fotovoltaik tertibat sisteminden üretilen toplam enerjiyi ölçmektedirler.
Alt bileşenleri
Takip cihazları fiyat ve savunma eklemektedir, bu yüzden fotovoltaik tertibat için eğimli ve güneş ışınları için ortalama Kuzey yarım kürenin güneyinden dolayı veya Güney yarım kürenin kuzeyinden dolayı çok bilindik özelliğe sahiptir. Eğim açısı, dikey olarak, her mevsim değişmektedir fakat eğer sabit olsaydı, elektriksel talebin en üst seviyesinde uygun bir verim tek başına idare edilen bu sisteme sağlanabilirdi. Uygun modül eğim açısı tanımlamak amacıyla maksimum yıllık enerji verimi için gerekli bir koşul değildir. Fotovoltaik sistemin uygun hale getirilmesi için özel çevre koşulları güneşin akması, kirlenmesi, kar kaybı için karmaşık bir hale gelebilir ve bunlar birer etken olarak göz önüne alınabilir. Verimli modül ömrü gene olarak 25 yıl veya daha fazladır. Fotovoltaik güneş yeniliklerinde gerçekleşen gelişmeler için yapılan geri ödeme periyotu büyük ölçüde çeşitlilik göstermektedir ve genel olarak yatırma geri dönüşün hesaplanmasından daha az kullanışlıdır. Bu genel olarak hesaplandığı sırada 10 ila 20 yıl arasında, finansal olarak geri ödeme periyodu teşvik tedbirleri ile birlikte daha kısa olacaktır. Bireysel güneş pilinin düşük geriliminden dolayı (genellikle 0.5V), birkaç piller seri olarak baplanmışlardır. Tabaka hali koruyucu hava koşullarına karşı dayanıklı kılıfla kaplanmış bir haldedir, böylece fotovoltaik modül veya güneş paneli oluşturmaktadır. Modüller daha sonra bir arada fotovoltaik tertibatı sağlamak için dizilmektedirler.