प्रकाश प्रवर्धक

एक ऑप्टिकल एम्पलीफायर एक ऐसा उपकरण है जो सीधे एक ऑप्टिकल सिग्नल (सूचना सिद्धांत) को बढ़ाता है, बिना इसे पहले एक विद्युत संकेत में बदलने की आवश्यकता के बिना।एक ऑप्टिकल एम्पलीफायर को एक ऑप्टिकल गुहा के बिना लेजर के रूप में माना जा सकता है, या एक जिसमें गुहा से प्रतिक्रिया को दबा दिया जाता है।ऑप्टिकल संचार और लेजर भौतिकी में ऑप्टिकल एम्पलीफायरों महत्वपूर्ण हैं।उन्हें लंबी दूरी के फाइबर ऑप्टिक केबल में ऑप्टिकल रिपीटर्स के रूप में उपयोग किया जाता है जो दुनिया के अधिकांश दूरसंचार लिंक को ले जाते हैं।

कई अलग -अलग भौतिक तंत्र हैं जिनका उपयोग एक प्रकाश संकेत को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है, जो प्रमुख प्रकार के ऑप्टिकल एम्पलीफायरों के अनुरूप हैं।डोपेड फाइबर एम्पलीफायरों और थोक लेज़रों में, एम्पलीफायर के लाभ मध्यम में उत्सर्जन उत्तेजित उत्सर्जन में आने वाले प्रकाश के प्रवर्धन का कारण बनता है।सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायरों (एसओए) में, इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन होल वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन होता है।रमन एम्पलीफायरों में, रमन मध्यम प्राप्त करना के जाली में फोनन के साथ आने वाली रोशनी के बिखरे हुए फोटोन्स में आने वाले फ़ोनन के साथ सुसंगत फोटॉन का उत्पादन करते हैं।पैरामीट्रिक प्रवर्धकों पैरामीट्रिक प्रवर्धन का उपयोग करते हैं।

इतिहास
ऑप्टिकल प्रवर्धन के सिद्धांत का आविष्कार 13 नवंबर, 1957 को गॉर्डन गोल्ड द्वारा किया गया था। उन्होंने 6 अप्रैल, 1959 को पेटेंट नंबर 804,539 दायर किया, जिसका शीर्षक लाइट एम्पलीफायरों ने जनसंख्या का उत्पादन करने के लिए टकरावों को रोजगार दिया (बाद में भाग में एक निरंतरता के रूप में संशोधित किया गया और अंत में 4 मई, 1988 को नंबर 4,746,201A के रूप में जारी किया गया)।पेटेंट ने "गैसीय, तरल या ठोस स्थिति में आयनों, परमाणुओं या अणुओं से फोटॉन के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश के प्रवर्धन को कवर किया।" कुल मिलाकर, गोल्ड ने ऑप्टिकल एम्पलीफायर से संबंधित 48 पेटेंट प्राप्त किए जारी करने के समय बाजार पर 80% लेजर को कवर किया। गोल्ड ने एक ऑप्टिकल दूरसंचार उपकरण फर्म, ऑप्टेलेकॉम इंक की सह-स्थापना की, जिसने अपने पूर्व प्रमुख लाइट ऑप्टिक्स रिसर्च, डेविड ह्यूबर और केविन किम्बर्लिन के साथ सिएना कॉर्प को शुरू करने में मदद की।सिएना के ह्यूबर और स्टीव अलेक्जेंडर ने दोहरे चरण के ऑप्टिकल एम्पलीफायर का आविष्कार किया (यूएस पेटेंट 5,159,601) यह पहली घनी लहर डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (DWDM) प्रणाली की कुंजी थी, जिसे उन्होंने जून 1996 में जारी किया था। इसने ऑप्टिकल नेटवर्किंग की शुरुआत को चिह्नित किया। इसके महत्व को उस समय ऑप्टिकल अथॉरिटी, शोची सूडो और टेक्नोलॉजी एनालिस्ट, जॉर्ज गिल्डर ने 1997 में मान्यता दी थी, जब सुडो ने लिखा था कि ऑप्टिकल एम्पलीफायरों ने "दुनिया भर में एक क्रांति की शुरुआत की थी, जिसे सूचना युग कहा जाता है" और गिल्डर ने ऑप्टिकल एम्पलीफायर की तुलना महत्व में एकीकृत सर्किट से की, यह भविष्यवाणी करते हुए कि यह सूचना की उम्र को संभव बना देगा। आज ऑप्टिकल प्रवर्धन WDM सिस्टम सभी स्थानीय, मेट्रो, नेशनल, इंटरकांटिनेंटल और सब्सिएम दूरसंचार नेटवर्क का सामान्य आधार है और इंटरनेट के फाइबर ऑप्टिक बैकबोन के लिए पसंद की तकनीक (जैसे फाइबर-ऑप्टिक संचार | फाइबर-ऑप्टिक केबल आधुनिक दिन कंप्यूटर नेटवर्क का आधार बनाती है)।

लेजर एम्पलीफायरों
लगभग कोई भी लेजर सक्रिय लाभ माध्यम लेजर पंपिंग हो सकता है ताकि एक लेजर के तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश के लिए लाभ (लेजर) का उत्पादन किया जा सके।इस तरह के एम्पलीफायरों का उपयोग आमतौर पर उच्च शक्ति लेजर सिस्टम का उत्पादन करने के लिए किया जाता है।विशेष प्रकार जैसे पुनर्योजी एम्पलीफायरों और chirped-pulse प्रवर्धन | chirped-pulse एम्पलीफायरों का उपयोग अल्ट्रैशोर्ट पल्स को बढ़ाने के लिए किया जाता है।

ठोस-राज्य एम्पलीफायरों
सॉलिड-स्टेट एम्पलीफायरों ऑप्टिकल एम्पलीफायरों हैं जो डोपेड ठोस-राज्य लेजर की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करते हैं।ऑप्टिकल संकेतों को बढ़ाने के लिए स्लैब, रॉड)।सामग्री की विविधता विभिन्न तरंग दैर्ध्य के प्रवर्धन की अनुमति देती है जबकि माध्यम का आकार औसत पावर स्केलिंग की ऊर्जा के लिए अधिक उपयुक्त के बीच अंतर कर सकता है। गुरुत्वाकर्षण तरंग का पता लगाने से मौलिक अनुसंधान में उनके उपयोग के अलावा राष्ट्रीय इग्निशन सुविधा में उच्च ऊर्जा भौतिकी के लिए वे आज के कई अल्ट्रैशोर्ट पल्स लेजर में भी पाए जा सकते हैं।

डोपेड फाइबर एम्पलीफायरों
डोपेड फाइबर एम्पलीफायरों (डीएफए) ऑप्टिकल एम्पलीफायरों हैं जो एक ऑप्टिकल सिग्नल को बढ़ाने के लिए एक लाभ माध्यम के रूप में एक डोपेंट प्रकाशित तंतु का उपयोग करते हैं। वे फाइबर लेजर से संबंधित हैं।सिग्नल को प्रवर्धित किया जाना और एक पंप लेजर डोपेड फाइबर में बहुसंकेतन कर रहे हैं, और सिग्नल को डोपिंग आयनों के साथ बातचीत के माध्यम से प्रवर्धित किया जाता है।

डोपेड फाइबर में डोपेंट आयनों से फोटॉनों के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रवर्धन प्राप्त किया जाता है।पंप लेजर आयनों को एक उच्च ऊर्जा में उत्तेजित करता है, जहां से वे सिग्नल वेवलेंथ पर एक फोटॉन के उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से कम ऊर्जा स्तर पर वापस आ सकते हैं।उत्साहित आयन भी अनायास (सहज उत्सर्जन) या यहां तक कि गैर -पार्श्विक प्रक्रियाओं के माध्यम से कांच मैट्रिक्स के फोनन के साथ बातचीत से जुड़े हो सकते हैं।ये अंतिम दो क्षय तंत्र प्रकाश प्रवर्धन की दक्षता को कम करने वाले उत्तेजित उत्सर्जन के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं।

एक ऑप्टिकल एम्पलीफायर की प्रवर्धन विंडो ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य की सीमा है जिसके लिए एम्पलीफायर एक उपयोगी लाभ प्राप्त करता है।प्रवर्धन खिड़की डोपेंट आयनों के स्पेक्ट्रोस्कोपिक गुणों, ऑप्टिकल फाइबर की कांच संरचना और पंप लेजर की तरंग दैर्ध्य और शक्ति द्वारा निर्धारित की जाती है।

यद्यपि एक पृथक आयन के इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण को बहुत अच्छी तरह से परिभाषित किया जाता है, ऊर्जा के स्तर का व्यापक होना तब होता है जब आयनों को ऑप्टिकल फाइबर के ग्लास में शामिल किया जाता है और इस प्रकार प्रवर्धन खिड़की को भी व्यापक किया जाता है।यह चौड़ीकरण दोनों सजातीय चौड़ीकरण है (सभी आयन एक ही व्यापक स्पेक्ट्रम प्रदर्शित करते हैं) और अमानवीय चौड़ीकरण (विभिन्न ग्लास स्थानों में अलग -अलग आयन अलग -अलग स्पेक्ट्रा प्रदर्शित करते हैं)।सजातीय चौड़ीकरण कांच के फोनन के साथ बातचीत से उत्पन्न होता है, जबकि अमानवीय चौड़ीकरण कांच की साइटों में अंतर के कारण होता है जहां विभिन्न आयनों की मेजबानी की जाती है।विभिन्न साइटें विभिन्न स्थानीय विद्युत क्षेत्रों में आयनों को उजागर करती हैं, जो ऊर्जा के स्तर को स्टार्क प्रभाव के माध्यम से स्थानांतरित करती हैं।इसके अलावा, स्टार्क प्रभाव भी ऊर्जा राज्यों की अध: पतन को हटा देता है, जिसमें समान कोणीय गति (क्वांटम नंबर जे द्वारा निर्दिष्ट) होती है।इस प्रकार, उदाहरण के लिए, ट्रिटेंट एर्बियम आयन (एर)3 +) में j = 15/2 के साथ एक जमीनी स्थिति होती है, और एक विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में j + 1/2 = 8 sublevels में थोड़ी अलग ऊर्जाओं के साथ विभाजित होता है।पहले उत्साहित राज्य में j = 13/2 है और इसलिए 7 sublevels के साथ एक स्टार्क कई गुना होता है।J = 13/2 उत्साहित राज्य से J = 15/2 ग्राउंड स्टेट से संक्रमण 1500 & nbsp; NM तरंग दैर्ध्य पर लाभ के लिए जिम्मेदार हैं।EDFA के लाभ स्पेक्ट्रम में कई चोटियाँ हैं जो उपरोक्त चौड़ी तंत्रों द्वारा धब्बा लगाई जाती हैं।शुद्ध परिणाम एक बहुत व्यापक स्पेक्ट्रम है (30 & nbsp; सिलिका में एनएम, आमतौर पर)।फाइबर एम्पलीफायरों के व्यापक लाभ-बैंडविड्थ उन्हें तरंग वेवलेंथ डिविज़न मल्टिप्लेक्सिंग में विशेष रूप से उपयोगी बनाते हैं। तरंग दैर्ध्य-डिवीजन मल्टीप्लेक्स कम्युनिकेशंस सिस्टम एक एकल एम्पलीफायर के रूप में उपयोग किया जा सकता है, जो एक फाइबर पर किए जा रहे सभी संकेतों को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है और जिनकी तरंग दैर्ध्य लाभ की खिड़की के भीतर गिरती हैं।

एक एर्बियम-डोपेड वेवगाइड एम्पलीफायर (EDWA) एक ऑप्टिकल एम्पलीफायर है जो एक ऑप्टिकल सिग्नल को बढ़ावा देने के लिए एक वेवगाइड का उपयोग करता है।

EDFA का मूल सिद्धांत
प्रकाश के एक अपेक्षाकृत उच्च शक्ति वाले बीम को एक तरंग दैर्ध्य चयनात्मक युग्मक (WSC) का उपयोग करके इनपुट सिग्नल के साथ मिलाया जाता है।इनपुट सिग्नल और उत्तेजना प्रकाश काफी अलग -अलग तरंग दैर्ध्य पर होना चाहिए।मिश्रित प्रकाश को कोर में शामिल एर्बियम आयनों के साथ फाइबर के एक खंड में निर्देशित किया जाता है।यह उच्च शक्ति वाली लाइट बीम एर्बियम आयनों को उनके उच्च-ऊर्जा राज्य में उत्साहित करती है।जब पंप लाइट से एक अलग तरंग दैर्ध्य पर सिग्नल से संबंधित फोटॉन उत्साहित एर्बियम आयनों से मिलते हैं, तो एरबियम आयन अपनी ऊर्जा को सिग्नल में छोड़ देते हैं और अपनी कम-ऊर्जा राज्य में लौटते हैं।

एक महत्वपूर्ण बिंदु यह है कि एर्बियम अतिरिक्त फोटॉनों के रूप में अपनी ऊर्जा छोड़ देता है जो बिल्कुल उसी चरण और दिशा में होते हैं जैसे सिग्नल को प्रवर्धित किया जा रहा है।इसलिए संकेत केवल यात्रा की दिशा में प्रवर्धित है।यह असामान्य नहीं है - जब एक परमाणु ले जाता है तो यह हमेशा एक ही दिशा में अपनी ऊर्जा को छोड़ देता है और आने वाली रोशनी के रूप में चरण।इस प्रकार सभी अतिरिक्त सिग्नल पावर को इनकमिंग सिग्नल के समान फाइबर मोड में निर्देशित किया जाता है।एक ऑप्टिकल अलगावक को आमतौर पर संलग्न फाइबर से लौटने वाले प्रतिबिंबों को रोकने के लिए आउटपुट पर रखा जाता है।इस तरह के प्रतिबिंब एम्पलीफायर ऑपरेशन को बाधित करते हैं और चरम मामले में एम्पलीफायर को लेजर बनने का कारण बन सकता है।

एर्बियम डोपेड एम्पलीफायर एक उच्च लाभ एम्पलीफायर है।

शोर
DFAs में शोर का प्रमुख स्रोत सहज सहज उत्सर्जन (ASE) को बढ़ाता है, जिसमें एम्पलीफायर के लाभ स्पेक्ट्रम के समान एक स्पेक्ट्रम होता है।एक आदर्श DFA में शोर का आंकड़ा 3 & nbsp; db है, जबकि व्यावहारिक एम्पलीफायरों में शोर आंकड़ा 6-8 & nbsp; db के रूप में बड़ा हो सकता है।

उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से क्षय के साथ -साथ, ऊपरी ऊर्जा स्तर में इलेक्ट्रॉन भी सहज उत्सर्जन द्वारा क्षय कर सकते हैं, जो कि कांच की संरचना और उलटा स्तर के आधार पर यादृच्छिक रूप से होता है।फोटॉन को सभी दिशाओं में अनायास उत्सर्जित किया जाता है, लेकिन उन लोगों के अनुपात को एक दिशा में उत्सर्जित किया जाएगा जो फाइबर के संख्यात्मक एपर्चर के भीतर आता है और इस प्रकार फाइबर द्वारा कब्जा कर लिया जाता है और निर्देशित किया जाता है।कैप्चर किए गए उन फोटॉन तब अन्य डोपेंट आयनों के साथ बातचीत कर सकते हैं, और इस प्रकार उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रवर्धित होते हैं।प्रारंभिक सहज उत्सर्जन इसलिए संकेतों के समान तरीके से प्रवर्धित होता है, इसलिए यह शब्द सहज रूप से सहज उत्सर्जन को बढ़ाता है।ASE को आगे और रिवर्स दिशाओं दोनों में एम्पलीफायर द्वारा उत्सर्जित किया जाता है, लेकिन केवल आगे ASE सिस्टम के प्रदर्शन के लिए एक सीधी चिंता है क्योंकि शोर रिसीवर के संकेत के साथ सह-प्रवर्तित करेगा जहां यह सिस्टम प्रदर्शन को कम करता है।काउंटर-प्रोपिंगिंग एएसई, हालांकि, एम्पलीफायर के प्रदर्शन में गिरावट का कारण बन सकता है क्योंकि एएसई उलटा स्तर को कम कर सकता है और इस तरह एम्पलीफायर के लाभ को कम कर सकता है और वांछित सिग्नल लाभ के सापेक्ष उत्पादित शोर को बढ़ा सकता है। शोर आकृति का विश्लेषण ऑप्टिकल डोमेन और विद्युत डोमेन दोनों में किया जा सकता है। ऑप्टिकल डोमेन में, एएसई की माप, ऑप्टिकल सिग्नल लाभ, और एक ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करके सिग्नल तरंग दैर्ध्य शोर आकृति की गणना की अनुमति देता है।विद्युत माप विधि के लिए, पता लगाया गया फोटोक्यूरेंट शोर का मूल्यांकन कम-शोर वाले विद्युत स्पेक्ट्रम विश्लेषक के साथ किया जाता है, जो एम्पलीफायर लाभ के माप के साथ एक शोर आकृति माप की अनुमति देता है।आम तौर पर, ऑप्टिकल तकनीक एक अधिक सरल विधि प्रदान करती है, हालांकि यह विद्युत विधि जैसे बहु-पथ हस्तक्षेप (एमपीआई) शोर उत्पादन द्वारा कैप्चर किए गए अतिरिक्त शोर प्रभावों को शामिल नहीं करता है।दोनों तरीकों में, इनपुट सिग्नल के साथ सहज उत्सर्जन जैसे प्रभावों पर ध्यान देना शोर आकृति के सटीक माप के लिए महत्वपूर्ण है।

प्राप्त संतृप्ति
डोपेंट आयनों के जनसंख्या उलटा होने के कारण डीएफए में लाभ प्राप्त किया जाता है।एक DFA का उलटा स्तर सेट किया जाता है, मुख्य रूप से, पंप तरंग दैर्ध्य की शक्ति और प्रवर्धित तरंग दैर्ध्य पर शक्ति द्वारा।जैसे -जैसे सिग्नल पावर बढ़ता है, या पंप पावर कम हो जाता है, उलटा स्तर कम हो जाएगा और इस तरह एम्पलीफायर का लाभ कम हो जाएगा।इस प्रभाव को लाभ संतृप्ति के रूप में जाना जाता है - जैसे -जैसे सिग्नल स्तर बढ़ता है, एम्पलीफायर संतृप्त होता है और किसी भी अधिक आउटपुट पावर का उत्पादन नहीं कर सकता है, और इसलिए लाभ कम हो जाता है।संतृप्ति को आमतौर पर लाभ संपीड़न के रूप में भी जाना जाता है।

इष्टतम शोर प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए DFAs को एक महत्वपूर्ण मात्रा में लाभ संपीड़न (10 & nbsp; DB) के तहत संचालित किया जाता है, क्योंकि यह सहज उत्सर्जन की दर को कम करता है, जिससे ASE कम हो जाता है।लाभ संतृप्ति क्षेत्र में डीएफए के संचालन का एक और लाभ यह है कि इनपुट सिग्नल पावर में छोटे उतार -चढ़ाव आउटपुट में कम हो जाते हैं, सिग्नल को कम किया जाता है: छोटे इनपुट सिग्नल पॉवर्स बड़े (कम संतृप्त) लाभ का अनुभव करते हैं, जबकि बड़े इनपुट शक्तियां कम लाभ देखते हैं।

पल्स के प्रमुख किनारे को प्रवर्धित किया जाता है, जब तक कि लाभ माध्यम की संतृप्ति ऊर्जा नहीं पहुंच जाती।कुछ हालत में, पल्स की चौड़ाई (fwhm) कम हो जाती है।

अमानवीय चौड़ी प्रभाव
डोपेंट आयनों के लाइनविड्थ चौड़ीकरण के अमानवीय हिस्से के कारण, लाभ स्पेक्ट्रम में एक अमानवीय घटक होता है और लाभ संतृप्ति होती है, कुछ हद तक, एक अमानवीय तरीके से।इस प्रभाव को स्पेक्ट्रल होल बर्निंग के रूप में जाना जाता है क्योंकि एक तरंग दैर्ध्य पर एक उच्च शक्ति संकेत अमानवीय रूप से व्यापक आयनों की संतृप्ति द्वारा उस संकेत के करीब तरंग दैर्ध्य के लिए लाभ में एक छेद को 'जल' कर सकता है।स्पेक्ट्रल होल चौड़ाई में ऑप्टिकल फाइबर की विशेषताओं और जलते सिग्नल की शक्ति के आधार पर भिन्न होते हैं, लेकिन आमतौर पर सी-बैंड के छोटे तरंग दैर्ध्य अंत में 1 & nbsp से कम होते हैं, और लंबी तरंग दैर्ध्य पर कुछ एनएम होते हैं।सी-बैंड का अंत।छेद की गहराई बहुत छोटी है, हालांकि, व्यवहार में निरीक्षण करना मुश्किल हो जाता है।

ध्रुवीकरण प्रभाव
यद्यपि DFA अनिवार्य रूप से एक ध्रुवीकरण स्वतंत्र एम्पलीफायर है, डोपेंट आयनों का एक छोटा अनुपात कुछ ध्रुवीकरण के साथ अधिमानतः बातचीत करता है और इनपुट सिग्नल के ध्रुवीकरण पर एक छोटी निर्भरता हो सकती है (आमतौर पर <0.5 & nbsp; DB)।इसे ध्रुवीकरण आश्रित लाभ (पीडीजी) कहा जाता है। आयनों के अवशोषण और उत्सर्जन क्रॉस सेक्शन को अलग -अलग कांच की साइटों में सभी दिशाओं में यादृच्छिक रूप से गठबंधन किए गए प्रमुख कुल्हाड़ियों के साथ दीर्घवृत्त के रूप में मॉडल किया जा सकता है।एक गिलास में दीर्घवृत्त के उन्मुखीकरण का यादृच्छिक वितरण एक मैक्रोस्कोपिक रूप से आइसोट्रोपिक माध्यम का उत्पादन करता है, लेकिन एक मजबूत पंप लेजर उन आयनों को चुनिंदा रूप से रोमांचक द्वारा एक अनिसोट्रोपिक वितरण को प्रेरित करता है जो पंप के ऑप्टिकल फील्ड वेक्टर के साथ अधिक संरेखित होते हैं।इसके अलावा, सिग्नल क्षेत्र के साथ गठबंधन किए गए उन उत्साहित आयनों ने अधिक उत्तेजित उत्सर्जन का उत्पादन किया।लाभ में परिवर्तन इस प्रकार पंप और सिग्नल लेज़रों के ध्रुवीकरण के संरेखण पर निर्भर है-यानी दो लेजर डोपेंट आयनों के एक ही उप-सेट के साथ बातचीत कर रहे हैं या नहीं। एक आदर्श डोपेड फाइबर में बिना बर्डिफ़्रिंग के, पीडीजी असुविधाजनक रूप से बड़ा होगा।सौभाग्य से, ऑप्टिकल फाइबर में छोटी मात्रा में बायरफ्रिंग हमेशा मौजूद होते हैं और इसके अलावा, फाइबर की लंबाई के साथ तेज और धीमी कुल्हाड़ी बेतरतीब ढंग से भिन्न होती हैं।एक विशिष्ट DFA में कई दसियों मीटर होते हैं, जो पहले से ही birefringence कुल्हाड़ियों की इस यादृच्छिकता को दिखाने के लिए पर्याप्त है।ये दो संयुक्त प्रभाव (जो ट्रांसमिशन फाइबर में ध्रुवीकरण मोड फैलाव को जन्म देते हैं) सिग्नल के सापेक्ष ध्रुवीकरण और फाइबर के साथ पंप लेज़रों के एक मिसलिग्न्मेंट का उत्पादन करते हैं, इस प्रकार पीडीजी को औसत करने के लिए प्रवृत्त होते हैं।इसका परिणाम यह है कि पीडीजी एक एकल एम्पलीफायर में निरीक्षण करना बहुत मुश्किल है (लेकिन कई कैस्केड एम्पलीफायरों के साथ लिंक में ध्यान देने योग्य है)।

एर्बियम-डोपेड ऑप्टिकल फाइबर एम्पलीफायरों
एर्बियम-डॉप्ड फाइबर एम्पलीफायर (EDFA) सबसे तैनात फाइबर एम्पलीफायर है क्योंकि इसकी प्रवर्धन विंडो सिलिका-आधारित ऑप्टिकल फाइबर की तीसरी ट्रांसमिशन विंडो के साथ मेल खाती है।एक सिलिका फाइबर के कोर को ट्राइवलेंट एर्बियम आयनों (एर) के साथ डोप किया जाता है3+) और कुशलता से 980 & nbsp; नैनोमीटर और 1480 & nbsp; nm के तरंग दैर्ध्य पर या उसके पास लेजर के साथ पंप किया जा सकता है, और लाभ 1550 & nbsp; nm क्षेत्र में प्रदर्शित किया गया है।EDFA प्रवर्धन क्षेत्र आवेदन से आवेदन तक भिन्न होता है और कुछ NM से ~ 80nm तक कहीं भी हो सकता है।पारंपरिक, या सी-बैंड एम्पलीफायरों (~ 1525 एनएम से ~ 1565 एनएम) या लंबे, या एल-बैंड एम्पलीफायरों (~ 1565 एनएम से ~ 1610 एनएम तक) के लिए दूरसंचार कॉल में EDFA का विशिष्ट उपयोग।इन दोनों बैंडों को EDFAS द्वारा प्रवर्धित किया जा सकता है, लेकिन दो अलग -अलग एम्पलीफायरों का उपयोग करना सामान्य है, प्रत्येक बैंड के लिए अनुकूलित है।

C- और L-Band एम्पलीफायरों के बीच प्रमुख अंतर यह है कि L-Band एम्पलीफायरों में डोपेड फाइबर की लंबी लंबाई का उपयोग किया जाता है।फाइबर की लंबी लंबाई एक कम उलटा स्तर का उपयोग करने की अनुमति देती है, जिससे लंबे समय तक तरंग दैर्ध्य (सिलिका में एर्बियम के बैंड-संरचना के कारण) पर उत्सर्जन होता है, जबकि अभी भी एक उपयोगी मात्रा प्रदान करता है। EDFAS में दो आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले पंपिंग बैंड हैं - 980 & nbsp; NM और 1480 & nbsp; nm।980 & nbsp; NM बैंड में एक उच्च अवशोषण क्रॉस-सेक्शन होता है और आम तौर पर उपयोग किया जाता है जहां कम-शोर प्रदर्शन की आवश्यकता होती है।अवशोषण बैंड अपेक्षाकृत संकीर्ण है और इसलिए तरंग दैर्ध्य स्थिर लेजर स्रोतों की आवश्यकता होती है।1480 & nbsp; NM बैंड में कम, लेकिन व्यापक, अवशोषण क्रॉस-सेक्शन होता है और आमतौर पर उच्च शक्ति वाले एम्पलीफायरों के लिए उपयोग किया जाता है।980 & nbsp; NM और 1480 & nbsp; NM पंपिंग का एक संयोजन आम तौर पर एम्पलीफायरों में उपयोग किया जाता है।

एरबियम-डोप किए गए फाइबर में लाभ और लेसिंग को पहली बार 1986-87 में दो समूहों द्वारा प्रदर्शित किया गया था;डेविड एन। पायने, रॉबर्ट जे। मियर्स सहित एक।Mears, I.M Jauncey और L. Reekie, साउथेम्प्टन विश्वविद्यालय से और एटी एंड टी बेल लेबोरेटरीज से, जिसमें ई। डेसुरवायर, पी। बेकर और जे। सिम्पसन शामिल हैं। ड्यूल-स्टेज ऑप्टिकल एम्पलीफायर जिसने डेंस वेव डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (DWDM) को सक्षम किया, इसका आविष्कार स्टीफन बी। अलेक्जेंडर ने Ciena Corporation में किया था।

अन्य तरंग दैर्ध्य सीमाओं के लिए डोपेड फाइबर एम्पलीफायरों
देहाती डोपेड फाइबर एम्पलीफायरों का उपयोग एस बैंड (1450-1490 & nbsp; nm) और Praseodymium डोपेड एम्पलीफायरों में 1300 & nbsp; NM क्षेत्र में किया गया है।हालांकि, उन क्षेत्रों ने अब तक कोई महत्वपूर्ण व्यावसायिक उपयोग नहीं देखा है और इसलिए उन एम्पलीफायरों ने ईडीएफए के रूप में अधिक विकास का विषय नहीं किया है।हालांकि, Ytterbium डोपेड फाइबर लेजर और एम्पलीफायरों, 1 माइक्रोमीटर तरंग दैर्ध्य के पास काम कर रहे हैं, सामग्री के औद्योगिक प्रसंस्करण में कई अनुप्रयोग हैं, क्योंकि इन उपकरणों को अत्यधिक उच्च आउटपुट पावर (दसियों किलोवाट) के साथ बनाया जा सकता है।

सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायर
सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायरों (एसओए) एम्पलीफायरों हैं जो लाभ माध्यम प्रदान करने के लिए एक अर्धचालक का उपयोग करते हैं। इन एम्पलीफायरों में फैब्री-पेरोट लेजर डायोड के लिए एक समान संरचना होती है, लेकिन अंत चेहरों पर एंटी-रिफ्लेक्शन डिज़ाइन तत्वों के साथ।हाल के डिजाइनों में एंटी-रिफ्लेक्टिव कोटिंग्स और टिल्टेड तरंग मार्गदर्शिका और विंडो क्षेत्र शामिल हैं जो अंत चेहरे के प्रतिबिंब को 0.001%से कम कर सकते हैं।चूंकि यह गुहा से शक्ति का नुकसान पैदा करता है जो कि लाभ से अधिक है, यह एम्पलीफायर को लेजर के रूप में कार्य करने से रोकता है।एक अन्य प्रकार के SOA में दो क्षेत्र होते हैं।एक भाग में एक फैब्री-पेरोट लेजर डायोड की संरचना होती है और दूसरे में आउटपुट पहलू पर बिजली घनत्व को कम करने के लिए एक पतला ज्यामिति होती है।

सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायरों को आमतौर पर समूह III-V यौगिक अर्धचालक जैसे GAAS/ALGAAS, INDIUM PHOSPHIDE/INGAAS, INDIUM PHOSPHIDE/INGAASP और INDIUM PHOSPHIDE/INALGAAS से बनाया जाता है, हालांकि II-VI जैसे किसी भी प्रत्यक्ष बैंड गैप अर्धचालक का उपयोग किया जा सकता है।इस तरह के एम्पलीफायरों का उपयोग अक्सर फाइबर-पिगेटेड घटकों के रूप में दूरसंचार प्रणालियों में किया जाता है, जो 850 & nbsp; NM और 1600 & nbsp; NM के बीच सिग्नल वेवलेंथ पर काम कर रहा है और 30 & nbsp; DB तक का लाभ उत्पन्न करता है।

अर्धचालक ऑप्टिकल एम्पलीफायर छोटे आकार और विद्युत रूप से पंप किया जाता है।यह EDFA की तुलना में संभावित रूप से कम महंगा हो सकता है और इसे अर्धचालक लेजर, मॉड्यूलेटर आदि के साथ एकीकृत किया जा सकता है, हालांकि, प्रदर्शन अभी भी EDFA के साथ तुलनीय नहीं है।एसओए में उच्च शोर, कम लाभ, मध्यम ध्रुवीकरण निर्भरता और तेजी से क्षणिक समय के साथ उच्च नॉनलाइनर ऑप्टिक्सिटी है।SOA का मुख्य लाभ यह है कि सभी चार प्रकार के nonlinear संचालन (क्रॉस गेन मॉड्यूलेशन, क्रॉस चरण मॉड्यूलेशन, तरंग दैर्ध्य रूपांतरण और चार तरंग मिश्रण) आयोजित किए जा सकते हैं।इसके अलावा, SOA को कम पावर लेजर के साथ चलाया जा सकता है। यह लघु नैनोसेकंड या कम ऊपरी राज्य जीवनकाल से उत्पन्न होता है, ताकि लाभ पंप या सिग्नल पावर के परिवर्तन के लिए तेजी से प्रतिक्रिया करता है और लाभ के परिवर्तन भी चरण परिवर्तन का कारण बनते हैं जो संकेतों को विकृत कर सकते हैं। यह nonlinearity ऑप्टिकल संचार अनुप्रयोगों के लिए सबसे गंभीर समस्या प्रस्तुत करता है।हालांकि यह EDFA से विभिन्न तरंग दैर्ध्य क्षेत्रों में लाभ की संभावना प्रदान करता है।लाभ-क्लैंपिंग तकनीकों का उपयोग करके रैखिक ऑप्टिकल एम्पलीफायरों को विकसित किया गया है।

उच्च ऑप्टिकल nonlinearity ऑल-ऑप्टिकल स्विचिंग और तरंग दैर्ध्य रूपांतरण जैसे सभी ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग के लिए अर्धचालक एम्पलीफायरों को आकर्षक बनाता है।सेमीकंडक्टर ऑप्टिकल एम्पलीफायरों पर ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग, तरंग दैर्ध्य रूपांतरण, घड़ी वसूली, सिग्नल डेमल्टिप्लेक्सिंग और पैटर्न मान्यता के लिए तत्वों के रूप में बहुत शोध किया गया है।

ऊर्ध्वाधर-गुहा SOA
SOA परिवार के लिए एक हालिया जोड़ ऊर्ध्वाधर-गुहा SOA (VCSOA) है।ये डिवाइस संरचना में समान हैं, और कई विशेषताओं के साथ, ऊर्ध्वाधर-कैविटी सतह-उत्सर्जक लेज़रों (vcsels) के साथ साझा करते हैं।VCSOAs और VCSELs की तुलना करते समय प्रमुख अंतर एम्पलीफायर गुहा में उपयोग किए जाने वाले कम दर्पण परावर्तकता है।VCSOAs के साथ, डिवाइस को लासिंग दहलीज तक पहुंचने से रोकने के लिए कम प्रतिक्रिया आवश्यक है।बेहद कम गुहा की लंबाई, और इसी तरह के पतले लाभ के माध्यम से, ये उपकरण बहुत कम एकल-पास लाभ (आमतौर पर कुछ प्रतिशत के क्रम पर) और एक बहुत बड़ी मुक्त वर्णक्रमीय सीमा (एफएसआर) का प्रदर्शन करते हैं।छोटे एकल-पास लाभ को कुल सिग्नल लाभ को बढ़ावा देने के लिए अपेक्षाकृत उच्च दर्पण परावर्तन की आवश्यकता होती है।कुल सिग्नल लाभ को बढ़ावा देने के अलावा, गुंजयमान गुहा संरचना के उपयोग के परिणामस्वरूप एक बहुत ही संकीर्ण लाभ बैंडविड्थ होता है;ऑप्टिकल गुहा के बड़े एफएसआर के साथ युग्मित, यह प्रभावी रूप से वीसीएसओए के संचालन को एकल-चैनल प्रवर्धन तक सीमित करता है।इस प्रकार, VCSOA को एम्पलीफाइंग फिल्टर के रूप में देखा जा सकता है।

उनके ऊर्ध्वाधर-कैविटी ज्यामिति को देखते हुए, VCSOAs गुंजयमान गुहा ऑप्टिकल एम्पलीफायरों हैं जो इनपुट/आउटपुट सिग्नल के साथ काम करते हैं जो वेफर सतह पर सामान्य रूप से प्रवेश करते हैं/बाहर निकलते हैं।उनके छोटे आकार के अलावा, वीसीएसओएएस की सतह के सामान्य संचालन से कई फायदे होते हैं, जिनमें कम बिजली की खपत, कम शोर आकृति, ध्रुवीकरण असंवेदनशील लाभ, और एक एकल अर्धचालक चिप पर उच्च भरण कारक दो-आयामी सरणियों को गढ़ने की क्षमता शामिल है।।ये उपकरण अभी भी अनुसंधान के शुरुआती चरणों में हैं, हालांकि आशाजनक प्रस्तावनाकर्ता परिणामों का प्रदर्शन किया गया है।VCSOA प्रौद्योगिकी के लिए और विस्तार वेवलेंथ ट्यून करने योग्य उपकरणों का प्रदर्शन है।ये MEMS-TUNABLE वर्टिकल-कैविटी SOAs एम्पलीफायर के पीक गेन वेवलेंथ के व्यापक और निरंतर ट्यूनिंग के लिए एक माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिक सिस्टम (माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम) आधारित ट्यूनिंग तंत्र का उपयोग करते हैं। SOAs में अधिक तेजी से लाभ प्रतिक्रिया होती है, जो 1 से 100 PS के क्रम में है।

टेप किए गए एम्पलीफायरों
उच्च आउटपुट पावर और व्यापक तरंग दैर्ध्य रेंज के लिए, टेप किए गए एम्पलीफायरों का उपयोग किया जाता है।इन एम्पलीफायरों में एक पार्श्व एकल-मोड अनुभाग और एक पतला संरचना के साथ एक खंड होता है, जहां लेजर प्रकाश को प्रवर्धित किया जाता है।पतला संरचना आउटपुट पहलू पर बिजली घनत्व में कमी की ओर ले जाती है।

विशिष्ट पैरामीटर:
 * तरंग दैर्ध्य रेंज: 633 से 1480 & nbsp; एनएम
 * इनपुट पावर: 10 से 50 & nbsp; MW
 * आउटपुट पावर: 3 डब्ल्यू तक

रमन एम्पलीफायर
एक रमन एम्पलीफायर में, संकेत रमन प्रवर्धन द्वारा तीव्र होता है।EDFA और SOA के विपरीत प्रवर्धन प्रभाव सिग्नल और एक ऑप्टिकल फाइबर के भीतर एक पंप लेजर के बीच एक नॉनलाइनियर इंटरैक्शन द्वारा प्राप्त किया जाता है।रमन एम्पलीफायर के दो प्रकार हैं: वितरित और गांठ।एक वितरित रमन एम्पलीफायर वह है जिसमें ट्रांसमिशन फाइबर का उपयोग सिग्नल तरंग दैर्ध्य के साथ पंप तरंग दैर्ध्य को गुणा करके लाभ के माध्यम के रूप में किया जाता है, जबकि एक गांठ वाला रमन एम्पलीफायर प्रवर्धन प्रदान करने के लिए फाइबर की एक समर्पित, छोटी लंबाई का उपयोग करता है।एक गांठ वाले रमन एम्पलीफायर के मामले में, एक छोटे कोर के साथ एक अत्यधिक नॉनलाइनियर फाइबर का उपयोग सिग्नल और पंप तरंग दैर्ध्य के बीच बातचीत को बढ़ाने के लिए किया जाता है, और इस तरह आवश्यक फाइबर की लंबाई कम हो जाता है।

पंप लाइट को उसी दिशा में ट्रांसमिशन फाइबर में जोड़ा जा सकता है, जैसा कि संकेत (सह-दिशात्मक पंपिंग), विपरीत दिशा (कंट्रा-दिशात्मक पंपिंग) या दोनों में।कॉन्ट्रा-दिशात्मक पंपिंग अधिक सामान्य है क्योंकि पंप से सिग्नल में शोर का हस्तांतरण कम हो जाता है।

रमन प्रवर्धन के लिए आवश्यक पंप शक्ति EDFA द्वारा आवश्यक से अधिक है, जिसमें 500 & nbsp से अधिक है; एक वितरित एम्पलीफायर में लाभ के उपयोगी स्तर प्राप्त करने के लिए MW की आवश्यकता होती है।गांठ वाले एम्पलीफायरों, जहां उच्च ऑप्टिकल शक्तियों के सुरक्षा निहितार्थ से बचने के लिए पंप लाइट को सुरक्षित रूप से समाहित किया जा सकता है, ऑप्टिकल पावर के 1 डब्ल्यू से अधिक का उपयोग कर सकते हैं।

रमन प्रवर्धन का प्रमुख लाभ ट्रांसमिशन फाइबर के भीतर वितरित प्रवर्धन प्रदान करने की क्षमता है, जिससे एम्पलीफायर और सिग्नल पुनर्जनन साइटों के बीच स्पैन की लंबाई बढ़ जाती है।रमन एम्पलीफायरों के प्रवर्धन बैंडविड्थ को उपयोग किए गए पंप तरंग दैर्ध्य द्वारा परिभाषित किया गया है और इसलिए प्रवर्धन को व्यापक रूप से प्रदान किया जा सकता है, और अलग -अलग, अन्य एम्पलीफायर प्रकारों के साथ संभव हो सकते हैं जो कि प्रवर्धन 'विंडो' को परिभाषित करने के लिए डोपेंट और डिवाइस डिजाइन पर भरोसा करते हैं।

रमन एम्पलीफायरों के कुछ मौलिक लाभ हैं।सबसे पहले, रमन गेन हर फाइबर में मौजूद है, जो टर्मिनल छोरों से अपग्रेड करने का एक लागत प्रभावी साधन प्रदान करता है।दूसरा, लाभ नॉनसोनेंट है, जिसका अर्थ है कि लाभ फाइबर के पूरे पारदर्शिता क्षेत्र में लगभग 0.3 से 2 माइक्रोन तक उपलब्ध है।रमन एम्पलीफायरों का एक तीसरा लाभ यह है कि लाभ स्पेक्ट्रम को पंप तरंग दैर्ध्य को समायोजित करके सिलवाया जा सकता है।उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल बैंडविड्थ को बढ़ाने के लिए कई पंप लाइनों का उपयोग किया जा सकता है, और पंप वितरण लाभ फ्लैटनेस को निर्धारित करता है।रमन प्रवर्धन का एक और फायदा यह है कि यह एक बैंडविड्थ> 5 टीएचजेड के साथ एक अपेक्षाकृत व्यापक-बैंड एम्पलीफायर है, और लाभ एक विस्तृत तरंग दैर्ध्य रेंज पर यथोचित सपाट है। हालांकि, रमन एम्पलीफायरों के लिए कई चुनौतियों ने उनके पहले गोद लेने को रोका।सबसे पहले, ईडीएफए की तुलना में, रमन एम्पलीफायरों में कम सिग्नल शक्तियों में अपेक्षाकृत खराब पंपिंग दक्षता होती है।हालांकि एक नुकसान, पंप दक्षता की यह कमी भी रमन एम्पलीफायरों में क्लैम्पिंग को आसान बनाती है।दूसरा, रमन एम्पलीफायरों को लंबे समय तक फाइबर की आवश्यकता होती है।हालांकि, इस नुकसान को एक ही फाइबर में लाभ और फैलाव मुआवजे के संयोजन से कम किया जा सकता है।रमन एम्पलीफायरों का एक तीसरा नुकसान एक तेज़ प्रतिक्रिया समय है, जो शोर के नए स्रोतों को जन्म देता है, जैसा कि नीचे चर्चा की गई है।अंत में, WDM सिग्नल चैनलों के लिए एम्पलीफायर में नॉनलाइनर पेनल्टी की चिंताएं हैं।

नोट: इस लेख के पहले संस्करण का पाठ सार्वजनिक डोमेन संघीय मानक 1037C से लिया गया था।

ऑप्टिकल पैरामीट्रिक प्रवर्धक
एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायर एक nonlinear माध्यम में एक कमजोर सिग्नल-इम्पल्स के प्रवर्धन की अनुमति देता है जैसे कि एक केन्द्राप्रक्षता नॉनलाइनियर माध्यम (जैसे बीटा बेरियम बोरेट (बीबीओ)) या यहां तक कि केर प्रभाव के माध्यम से एक मानक फ्यूज्ड सिलिका ऑप्टिकल फाइबर।पहले से उल्लिखित एम्पलीफायरों के विपरीत, जो ज्यादातर दूरसंचार वातावरण में उपयोग किए जाते हैं, इस प्रकार ने अल्ट्राफास्ट सॉलिड-स्टेट लेज़रों (जैसे टीआई-सैफायर लेजर | टीआई: नीलम) की आवृत्ति ट्यूनबिलिटी का विस्तार करने में अपना मुख्य अनुप्रयोग पाया।एक समरेख इंटरैक्शन ज्यामिति ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्पलीफायरों का उपयोग करके बेहद व्यापक प्रवर्धन बैंडविड्थ्स में सक्षम हैं।

हाल की उपलब्धियां
एक औद्योगिक सामग्री प्रसंस्करण उपकरण के रूप में उच्च शक्ति फाइबर लेजर को अपनाना कई वर्षों से जारी है और अब चिकित्सा और वैज्ञानिक बाजारों सहित अन्य बाजारों में विस्तार हो रहा है।वैज्ञानिक बाजार में प्रवेश को सक्षम करने वाली एक प्रमुख वृद्धि उच्च चालाकी फाइबर एम्पलीफायरों में सुधार रही है, जो अब उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता और स्थिर रैखिक ध्रुवीकृत आउटपुट के साथ एकल आवृत्ति लाइनविड्स (<5 & nbsp; kHz) देने में सक्षम हैं।इन विनिर्देशों को पूरा करने वाले सिस्टम पिछले कुछ वर्षों में आउटपुट पावर के कुछ वाट से लगातार आगे बढ़े हैं, शुरू में वाट्स के दसियों और अब सैकड़ों वाट्स पावर लेवल में।यह पावर स्केलिंग फाइबर तकनीक में विकास के साथ प्राप्त की गई है, जैसे कि फाइबर के भीतर उत्तेजित ब्रिलौइन बिखरना (एसबीएस) दमन/शमन तकनीक को अपनाना, साथ ही साथ बड़े मोड क्षेत्र (एलएमए) फाइबर सहित समग्र एम्पलीफायर डिजाइन में सुधारकम एपर्चर कोर, सूक्ष्म संरचित रॉड-प्रकार फाइबर पेचदार कोर, या chirally-युग्मित कोर फाइबर, और टैप किए गए डबल-क्लैड फाइबर (टी-डीसीएफ)। उच्च चालाकी, उच्च शक्ति और स्पंदित लेजर फाइबर एम्पलीफायरों की नवीनतम पीढ़ी अब वाणिज्यिक ठोस-राज्य एकल आवृत्ति स्रोतों से उपलब्ध होने वाले बिजली का स्तर प्रदान करती है और उच्च शक्ति के स्तर और स्थिर अनुकूलित प्रदर्शन के परिणामस्वरूप नए वैज्ञानिक अनुप्रयोगों को खोल रही है।

कार्यान्वयन
कई सिमुलेशन उपकरण हैं जिनका उपयोग ऑप्टिकल एम्पलीफायरों को डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है।लोकप्रिय वाणिज्यिक उपकरण OptiWave सिस्टम और VPI सिस्टम द्वारा विकसित किए गए हैं।

यह भी देखें

 * पुनर्योजी प्रवर्धन
 * सेमीकंडक्टर लेज़रों का नॉनलाइनियर थ्योरी

बाहरी कड़ियाँ

 * Overview of commercially available semiconductor tapered amplifiers
 * Overview of commercially available solid-state amplifiers
 * Encyclopedia of laser physics and technology on fiber amplifiers and Raman amplifiers
 * Current Trends in Unrepeatered Systems including ROPA Remote Optically-Pumped Amplifier