Tutorial: Faserverstärker

Dies ist Teil 10 eines Tutorials über Faserverstärker von Dr. Paschotta.

Teil 10: Mehrstufige Faserverstärker

In früheren Teilen dieses Tutorials wurde bereits erwähnt, etwa bei den Verstärkern für Nanosekunden-Pulse und für ultrakurze Pulse, dass man mehrstufige Verstärker einsetzen kann, also Verstärkeraufbauten mit mehreren aktiven Fasern.

Im Wesentlichen gibt es zwei verschiedene Arten von Gründen für mehrstufige Verstärker:

• Man möchte in einem Aufbau verschiedene Arten aktiver Fasern verwenden – etwa eine mit kleiner effektiver Modenfläche für einen Vorverstärker und eine Doppelmantelfaser mit großer Modenfläche für die letzte Verstärkerstufe.
• In vielen Fällen muss man zwischen zwei Stufen optische Komponenten einfügen – etwa Pumpkoppler, optische Filter und Schalter.

Im Folgenden betrachten wir verschiedene wichtige Aspekte mehrstufiger Verstärker genauer.

Notwendigkeit unterschiedlicher Modenflächen

Faserverstärkersysteme liefern oft eine sehr hohe Verstärkung von mehreren zehn Dezibel. Das bedeutet, dass verschiedene Teile der aktiven Faser(n) sehr unterschiedliche optische Leistungen oder Pulsenergien sehen.

Es gibt dann mehrere Gründe, weshalb für die letzte Stufe (eine Leistungsverstärkerstufe) eine große Modenfläche nötig ist:

• Nichtlineare Effekte wären bei zu kleinen Modenflächen übermäßig stark.
• Verwendet man für hohe mittlere Leistungen eine Doppelmantelfaser, so verringert eine große Modenfläche das Flächenverhältnis von Mantel zu Kern und verbessert damit die Pumpabsorption, sodass eine kürzere Faserlänge verwendet werden kann; das verringert die nichtlinearen Effekte weiter.
• Ferner vermeidet oder verringert man Probleme mit übermäßiger Verstärkungssättigung (und den daraus folgenden Pulsformverzerrungen) durch energiereiche Pulse. Schließlich vermeidet man auch Probleme durch übermäßige Verstärkung (etwa starke verstärkte Spontanemission, siehe Teil 4), wenn eine hohe Energie in der Faser gespeichert werden muss.

Andererseits bleibt für einen Vorverstärker geringer Leistung eine kleinere Modenfläche vorzuziehen:

• Wir hätten gern eine hohe Verstärkungseffizienz, um mit geringer Pumpleistung eine hohe Verstärkung zu erhalten.
• Die Leistungskonversionseffizienz ist im Bereich geringer mittlerer Leistung höher.
• Wir können strikt einmodige Fasern mit robuster Führung verwenden, was ein enges Aufwickeln für einen kompakten Aufbau erlaubt und dabei die Strahlform stabil hält.
• Die oben genannten Gründe für größere Modenflächen gelten für einen Vorverstärker geringer Leistung nicht: Es gibt keine (oder zumindest geringere) Probleme mit Nichtlinearitäten, Verstärkungssättigung oder ASE.

Typischerweise hat die Leistungsverstärkerstufe eine erheblich geringere Verstärkung, liefert aber den größten Teil der Ausgangsleistung.

Notwendigkeit unterschiedlicher Pumpmöglichkeiten

Verwendet man wie oben erklärt zwei verschiedene Fasern, so möchte man vielleicht die Pumpleistung für den Vorverstärker minimieren, indem man diese Faser direkt in den Kern pumpt. Bei geringer Leistung ist das leicht möglich, etwa mit einem fasergekoppelten Diodenlaser und einem dichroitischen Faserkoppler. Diese Möglichkeit eignet sich jedoch möglicherweise nicht für die am Ende benötigten hohen Leistungen; dort möchte man Mantelpumpen einsetzen, also Pumplicht in den Pumpmantel einer Doppelmantelfaser einkoppeln (siehe Teil 6). Offensichtlich ist das zumindest einfacher, wenn man zwei verschiedene Verstärkerstufen mit entsprechend unterschiedlichen Fasern verwendet.

Einkopplung zusätzlichen Pumplichts

Eine einzelne Faser bietet nur zwei Enden zum Einkoppeln von Pumplicht. Mehrere Faserstufen liefern zusätzliche Faserenden. In einem zweistufigen Verstärker etwa haben wir bereits vier Faserenden, in die wir Pumpleistung einkoppeln können. Das ist willkommen, wenn wir etwa mit nur zwei Pumpdioden nicht genug Pumpleistung einkoppeln könnten.

Unterdrückung von ASE

Um Probleme mit übermäßiger verstärkter Spontanemission (ASE, siehe Teil 4) zu vermeiden, besteht ein erster Schritt darin, die Verstärkung nicht höher auszulegen als nötig. Insbesondere sollte die Verstärkungseffizienz nicht höher gemacht werden als nötig. Manchmal brauchen wir jedoch einfach eine sehr hohe Verstärkung von etwa 60 dB. Das würde in einer einzelnen Verstärkerstufe zu übermäßiger ASE führen; genauer gesagt würden wir, noch bevor diese Verstärkung erreicht ist, einen großen Teil der Pumpleistung in ASE-Leistung umsetzen.

Mehrstufige Verstärker erlauben es, dieses Problem durch Beseitigung der ASE zwischen den Stufen zu lösen. Im Wesentlichen schwächt man die ASE dort stark ab, sodass sie sich in der nächsten Stufe “von Grund auf” neu aufbauen muss. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• Müssen nur schmalbandige Signale oder Pulse verstärkt werden, so kann man einfach einen schmalbandigen optischen Bandpassfilter verwenden, der die nützliche Strahlung (Signale oder Pulse) durchlässt und den größten Teil der ASE zurückweist. Kann man etwa ein Interferenzfilter mit 1 nm Filterbandbreite einsetzen, so verringert das die unerwünschten ASE-Leistungen bereits um rund eine Größenordnung. Für Femtosekunden-Pulse, die von Natur aus breitbandig sind, ist das jedoch eine weniger wirksame Methode, da eine größere Filterbandbreite nötig ist.
• Ein Faraday-Isolator erlaubt es, die ASE in Rückwärtsrichtung stark zu unterdrücken. Das ist besonders wichtig, da ein Vorverstärker gegenüber ASE meist empfindlicher ist als eine Leistungsverstärkerstufe.
• Für den gepulsten Betrieb kann man auch eine zeitliche Torschaltung mit einem optischen Schalter zwischen den Stufen verwenden, der nur für ein kurzes Zeitintervall um jeden zu verstärkenden Puls geöffnet wird. (Verwenden lässt sich etwa ein akustooptischer Modulator oder ein elektrooptischer Modulator.) Diese Methode vermeidet mögliche Probleme mit ASE unmittelbar um die Pulse herum nicht, was manche Anwendungen stören kann, aber sie verringert die im System an ASE verlorene Leistung.
• Sind die Signale im gesamten Bauelement gut polarisiert, so kann man zwischen den Stufen auch Polarisatoren einsetzen, um die ASE in der ungenutzten Polarisationsrichtung zu unterdrücken. Diese Maßnahme ist allerdings weniger verbreitet, da sie weniger bewirkt als die anderen und die Signale oft unpolarisiert sind.

In manchen Fällen muss man zwei oder mehr dieser Möglichkeiten kombinieren, um eine ausreichende Unterdrückung der ASE zu erreichen.

Minimierung des Verstärkerrauschens

Eine niedrige Rauschzahl eines Verstärkers (siehe Teil 9) kann mit einem Doppelmantel-Faserverstärker hoher Leistung schwer zu erreichen sein. Der Grund ist, dass solche Bauelemente am Eingangsende meist mit einer recht geringen Anregungsdichte arbeiten, besonders beim Rückwärtspumpen. Kombiniert man einen solchen Leistungsverstärker jedoch mit einem kerngepumpten Vorverstärker, so kann das Gesamtgerät eine sehr gute Rauschzahl haben.

Schutz und Überwachung

Ein Faraday-Zirkulator (also ein Faraday-Isolator mit einem zusätzlichen Ausgang) erlaubt es, jegliches vom Leistungsverstärker zurückkommende Signallicht auszukoppeln, etwa infolge einer Rückreflexion aus der Anwendung. So lässt sich eine Beschädigung des Vorverstärkers oder der Seed-Quelle vermeiden. Beachten Sie, dass zurückreflektiertes Licht dort weiter verstärkt würde. Und ein Faraday-Isolator am Ausgang funktioniert womöglich nicht, da er hohen optischen Leistungen standhalten müsste. (Wird die Rückkopplung stark genug, kann sie natürlich auch einen Zirkulator zwischen den Stufen zerstören.)

Außerdem kann man die Leistungen zwischen den Verstärkerstufen überwachen, etwa um das Gerät abzuschalten, wenn schlechte Betriebsbedingungen wie eine zu starke optische Rückkopplung erkannt werden.

Verstärkungsglättung

Für manche Anwendungen wie die optische Nachrichtentechnik mit Wellenlängenmultiplex braucht man Verstärker mit “flacher” Verstärkung, also mit geringen Schwankungen der Verstärkung innerhalb eines Spektralfensters. Das erreicht man oft durch ein Filter zur Verstärkungsglättung, das in Wellenlängenbereichen, in denen die Verstärkung zu hoch wäre, höhere optische Verluste erzeugt.

Aber wo soll man ein solches Filter einbauen? Setzen wir es vor den Verstärker, so verdirbt es die Rauschzahl (siehe Teil 9). Setzen wir es dahinter, so verschlechtert es die Leistungskonversionseffizienz. Beide Probleme lassen sich vermeiden, indem man das Filter zwischen zwei Verstärkerstufen setzt, wo Rauschfragen und Leistungsverluste weniger kritisch sind.

Die Verstärkungsglättung lässt sich auch dadurch erleichtern, dass man zwei Fasern mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung des Faserkerns kombiniert, was zu unterschiedlichen Verstärkungsspektren und einem insgesamt breiteren Verstärkungsspektrum führt.