Tutorial: Faserverstärker
Dies ist Teil 5 eines Tutorials über Faserverstärker von Dr. Paschotta.
2: Verstärkung und Pumpabsorption
3: Selbstkonsistente Lösungen für den stationären Zustand
4: Verstärkte Spontanemission
5: Vorwärts- und Rückwärtspumpen
6: Doppelmantelfasern für hohe Leistungen
7: Faserverstärker für Nanosekunden-Pulse
8: Faserverstärker für ultrakurze Pulse
9: Rauschen von Faserverstärkern
10: Mehrstufige Faserverstärker
Teil 5: Vorwärts- und Rückwärtspumpen
Behandelte Fragen:
Wenn wir ein Signal in einem Faserverstärker verstärken, haben wir verschiedene Möglichkeiten zu pumpen:
- Vorwärtspumpen bedeutet, dass die Pumpwelle in dieselbe Richtung läuft wie die Signalwelle.
- Rückwärtspumpen bedeutet, dass die Pumpwelle in die entgegengesetzte Richtung läuft.
- Man kann auch in beide Richtungen gleichzeitig pumpen; das nennt man bidirektionales Pumpen.
Abbildung 1 zeigt einen bidirektional gepumpten Faserverstärker. Die Strahlung der linken Laserdiode für das Vorwärtspumpen wird über einen dichroitischen Faserkoppler mit dem Eingangssignal zusammengeführt. Nach der aktiven (Erbium-dotierten) Faser gibt es einen zweiten dichroitischen Koppler, um Licht der zweiten Pumpdiode in Rückwärtsrichtung einzukoppeln. Derselbe Koppler verhindert auch, dass restliches Pumplicht zum Signalausgang gelangt.
Zwei Laserdioden (LDs) liefern die Pumpleistung für die Erbium-dotierte Faser und ermöglichen ihr, Licht mit einer Wellenlänge um 1550 nm zu verstärken. Zwei mit Pigtails versehene Faraday-Isolatoren verringern die Empfindlichkeit des Bauelements gegenüber Rückreflexen deutlich.
Im Folgenden betrachten wir verschiedene technische Details, aus denen sich teilweise Vorteile für die eine oder andere Pumprichtung ergeben.
Leistungskonversionseffizienz
In einfachen Fällen, mit vernachlässigbaren parasitären Verlusten der aktiven Faser und vernachlässigbarer ASE (siehe Teil 4), hängt die Leistungskonversionseffizienz des Verstärkers nicht von der Pumprichtung ab:
- Die Gesamtverstärkung hängt nur von der mittleren Anregungsdichte entlang der Faser ab.
- Auch die gesamte Pumpabsorptionseffizienz hängt nur von diesem Mittelwert ab.
- Dasselbe gilt für die durch Fluoreszenz (spontane Emission) verlorene Leistung.
Das gilt auch für Quasi-Drei-Niveau-Laserübergänge und natürlich ebenso für bidirektionales Pumpen.
Hat die Faser erhebliche parasitäre Verluste, so ist Rückwärtspumpen effizienter. Der Grund ist, dass das Signal nahe am Pump-Eingangsende stark ist und die Anregungsdichte in diesem Bereich niedrig hält, sodass das Pumplicht von den Ionen effizient absorbiert wird, bevor die parasitären Verluste es erfassen können. In bestimmten Situationen kann bidirektionales Pumpen sogar noch effizienter sein. Die meisten Verstärker sind allerdings nur wenige Meter lang, und parasitäre Verluste über diese Länge sind nicht sehr bedeutend.
Ein wichtigerer Unterschied für die Leistungskonversionseffizienz kann sich aus der ASE ergeben; das wird als Nächstes besprochen:
Verstärkte Spontanemission
Wir haben in Teil 4 bereits gesehen, dass die ASE ohne Signaleingang in Rückwärtsrichtung weit stärker sein kann. Wenig überraschend verschwindet diese Asymmetrie nicht, wenn wir zusätzlich ein Eingangssignal haben, und die Menge der ASE – die einen Leistungsverlust darstellt – kann erheblich von der relativen Richtung von Signal- und Pumplicht abhängen.
Als Beispiel betrachten wir denselben Ytterbium-dotierten Faserverstärker wie in Teil 3 und 4. Wir haben bereits gesehen, wie sich die Leistungen bei Vorwärtspumpen mit 940 nm und 1 mW Signal-Eingangsleistung bei 1030 nm auf der linken Seite entwickeln:
Nun wechseln wir zum Rückwärtspumpen:
Wir sehen, dass die ASE nun vernachlässigbar schwach ist, und wir erhalten 788 mW Signal-Ausgangsleistung statt nur 581 mW. Das ASE-Spektrum (hier nicht gezeigt) weist nur etwas schwache ASE um 1030 nm auf und weit weniger um 975 nm. Eine positive Nettoverstärkung bei 975 nm tritt nur in einem kurzen Bereich der Faser etwa 2 m von der linken Seite entfernt auf.
Diese Befunde sind recht typisch. Allgemein haben Quasi-Drei-Niveau-Faserverstärker beim Rückwärtspumpen geringere ASE-Verluste und daher in dieser Konfiguration eine höhere Leistungskonversionseffizienz, sofern die ASE-Verluste sonst erheblich wären. Bei höheren Eingangssignalleistungen, die eine stärkere Verstärkungssättigung bewirken, ist der Unterschied zwischen den beiden Richtungen geringer.
Rauschbeitrag zum Signal
Ein weiterer Aspekt ist, dass ASE, die zusammen mit dem Signal läuft, ein breitbandiges Rauschen auf diesem Signal darstellt. Beim Rückwärtspumpen von Quasi-Drei-Niveau-Systemen ist die in derselben Richtung wie das Signal laufende ASE im Allgemeinen stärker – selbst wenn der gesamte Leistungsverlust durch ASE geringer ist! Für rauscharmen Betrieb ist Vorwärtspumpen also besser, trotz der möglicherweise geringeren Effizienz.
Nichtlineare Effekte
Wenn wir kurze Pulse verstärken, sind nichtlineare Effekte oft schädlich. Das wird in Teil 7 besprochen, doch sei hier schon erwähnt, dass Rückwärtspumpen oft weit besser ist. Der Grund ist, dass Pulsenergie und Spitzenleistung beim Rückwärtspumpen zunächst langsamer ansteigen, sodass die räumlich integrierte Spitzenleistung für eine gegebene Ausgangs-Spitzenleistung geringer ausfällt.
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