Tutorial: Faserverstärker
Autor: Dr. Paschotta
Dieses Tutorial soll sowohl als Einführung in Faserverstärker dienen als auch dazu, Genaueres über sie zu lernen. Wir glauben, dass selbst Leser mit erheblicher Erfahrung mit Faserverstärkern es hilfreich finden werden, um ihr Verständnis zu vertiefen. Der Schwerpunkt liegt auf der zugrundeliegenden Physik und den daraus folgenden technischen Konsequenzen; wir behandeln einen Faserverstärker nicht einfach als “Black Box”, sondern schauen hinein.
Wir gehen nicht auf mathematische Details ein, sondern versuchen, ein intuitives Verständnis der Funktionsprinzipien zu vermitteln – oft, indem wir bestimmte Effekte anhand numerisch simulierter Beispielfälle demonstrieren. Die Simulations- und Designsoftware RP Fiber Power von RP Photonics ist dafür ein hervorragendes Werkzeug und wurde für dieses Tutorial ausgiebig eingesetzt.
Wir betrachten hier aktive Fasern, die einen oder mehrere laseraktive Dotanden enthalten. Zu den Grundlagen der Fasern schauen Sie bitte in unser Tutorial über passive Faseroptik.
Die wohl wichtigste Anwendung von Faserverstärkern liegt in der optischen Nachrichtentechnik, also der Datenübertragung durch optische Fasern. In Systemen für große Entfernungen muss die optische Leistung der Signale periodisch wiederhergestellt werden, etwa alle 50 km. Daneben gibt es Verstärker, mit denen die Ausgangsleistung einer signalerzeugenden Laserdiode geringer Leistung angehoben wird, insbesondere bevor ein Signal auf viele Fasern aufgeteilt wird (z. B. beim Kabelfernsehen = CATV). Manchmal werden Verstärker vor einem Empfänger eingesetzt, um bei der Photodetektion ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Ganz andere Anwendungen finden sich in Hochleistungs-Lasersystemen, wo Faserverstärker Laserstrahlung auf enorme Leistungen bringen – oft für kontinuierlich arbeitende Quellen, aber auch für Quellen kurzer und ultrakurzer Pulse. Dieses Tutorial behandelt die Grundlagen für all diese Anwendungen.
Klicken Sie auf die Überschriften, um zu den folgenden Teilen des Tutorials zu gelangen:
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Teil 1: Seltenerd-Ionen in Fasern
Wie können Erbium- oder Ytterbium-Ionen in einer Faser Licht verstärken? Wie lässt sich das Verhalten solcher Ionen mit ihren komplexen Stark-Multipletts und effektiven Übergangsquerschnitten beschreiben? Warum sind effektive Übergangsquerschnitte temperaturabhängig? Wie funktioniert das In-Band-Pumpen? Warum sind Sättigungseffekte in Fasern oft sehr stark? |
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Teil 2: Verstärkung und Pumpabsorption
Wie berechnet man Verstärkung und Pumpabsorption aus den Anregungsdichten? Warum hängt die Form des Verstärkungs- oder Verlustspektrums oft vom Anregungsgrad ab, etwa bei Erbium- und Ytterbium-dotierten Faserverstärkern? |
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Teil 3: Selbstkonsistente Lösungen für den stationären Zustand
Wie berechnet man eine selbstkonsistente stationäre Lösung für die optischen Leistungen und Anregungsdichten entlang der Faser? In welchen Situationen ist das schwierig? Wo liegen die Grenzen des “Schießverfahrens” und der Relaxationsverfahren? |
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Teil 4: Verstärkte Spontanemission
Was ist verstärkte Spontanemission (ASE)? Welche Faktoren beeinflussen ihre Stärke? Warum können Leistung und spektrale Form der ASE stark von der Ausbreitungsrichtung abhängen? Warum begrenzt ASE oft die erreichbare Verstärkung? |
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Teil 5: Vorwärts- und RückwärtspumpenWas sind die Vorzüge und Probleme des Pumpens in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung? In welchen Fällen beeinflusst das die Leistungskonversionseffizienz oder das Rauschniveau des Verstärkers? |
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Teil 6: Doppelmantelfasern für hohe Leistungen
Wie funktioniert das Mantelpumpen? Warum kann es zu Problemen mit unvollständiger Pumpabsorption führen, und wie lassen sich diese abmildern? Warum kann der Betrieb bei kurzen Wellenlängen mit Doppelmantelfasern schwierig sein? |
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Teil 7: Faserverstärker für Nanosekunden-Pulse
Was sind die Vorzüge und Grenzen von Faserverstärkersystemen als Quellen intensiver Lichtpulse? Wie schneiden sie im Vergleich zu gütegeschalteten Bulk-Lasern ab? Welche Nichtlinearitäten können bei der Verstärkung kurzer Pulse Schwierigkeiten bereiten? Wann führt Verstärkungssättigung zu Pulsverzerrungen? |
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Teil 8: Faserverstärker für ultrakurze Pulse
Welche zusätzlichen Fragen stellen sich bei der Verstärkung ultrakurzer (Pikosekunden- oder Femtosekunden-) Pulse? Wie wirken nichtlineare und dispersive Effekte zusammen? Inwieweit können die Verstärkung parabolischer Pulse oder die Chirped-Pulse-Verstärkung (CPA) solche Probleme abmildern? |
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Teil 9: Rauschen von Faserverstärkern
Was sind die Ursachen des Rauschens von Faserverstärkern? Wie ist die Rauschzahl definiert? Warum haben Quasi-Drei-Niveau-Verstärker höhere Rauschzahlen? Wie kann das Pumpen in Vorwärtsrichtung hier besser sein? Ist der Einfluss des Pumprauschens kritisch? |
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Teil 10: Mehrstufige FaserverstärkerAus welchen Gründen kann es vorteilhaft sein, mehrere Verstärkerstufen einzusetzen? Welche Methoden gibt es zur Unterdrückung von ASE? Wie minimiert man das Verstärkerrauschen? |
Beginnen wir mit Teil 1!
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- weitere Tutorials
- viele nützliche Fallstudien
- zahlreiche Enzyklopädieartikel zur Faseroptik (englischsprachig)
- verschiedene Artikel des Photonics Spotlight (zum Beispiel die vom 12.09.2016, 11.08.2016, 12.05.2016, 11.03.2015, 28.07.2014, 08.07.2013, 10.02.2011 und 28.05.2011)