تقویت ‌کننده یا آمپلی فایر فیبر نوری (Fiber Optic Sensing Amplifier) چیست ؟

آمپلی فایر فیبر نوری , Fiber optic amplifier

تقویت‌کننده نوری (Optical amplifier) در واقع وسیله‌ای است که سیگنال نوری را بدون نیاز به تبدیل آن به سیگنال الکتریکی تقویت می‌کند. تقویت‌کنندهای نوری در مخابرات نوری و فیزیک لیزر کاربرد فراوانی دارند.

به منظور تقویت سیگنال‌های نوری در مسافت‌های طولانی استفاده می گردد. نور حین عبور از فیبر ضعیف می‌شود. (مخصوصا در فواصل طولانی بیش از نیم مایل یا حدود یک کیلومتر مثلا در کابل‌های زیر دریا) بنابرین یک یا بیش از یک تقویت کننده نوری در طول کابل بسته می‌شوند تا نور ضعیف شده را تقویت کنند.

یک تقویت کننده نوری دارای فیبرهای نوری با پوشش ویژه ای است. نور ضعیف شده پس از ورود به این تقویت کننده تحت تاثیر این پوشش خاص و نیز نور لیزری که به این پوشش تابیده می‌شود تقویت می‌شود. مولکول‌های موجود در این پوشش ویژه با تابش لیزر به آنها، سیگنال نوری جدید و قوی تولید می‌کنند که مشخصات آن مشابه نور ورودی به تقویت کننده است. درواقع تقویت کننده نوری یک آمپلی فایر لیزری برای نور ورودی به آن است.

برای جلوگیری از تضعیف و از بین رفتن سیگنال‌های نوری از یک یا چند ”تقویت کننده نوری“ استفاده می گردد. تقویت کننده نوری از فیبرهای نوری متعدد به همراه یک روکش خاص (doping) تشکیل می گردند. بخش دوپینگ با استفاده از یک لیزر پمپ می گردد. زمانی که سیگنال تضعیف شده به روکش دوپینگی می رسد، انرژی حاصل از لیزر باعث می گردد که مولکول‌های دوپینگ شده، به لیزر تبدیل گردند. مولکول‌های دوپینگ شده در ادامه باعث انعکاس یک سیگنال نوری جدید و قویتر با همان خصایص سیگنال ورودی تضعیف شده، خواهند بود.

نحوه ی عملکرد آمپلی فایر فیبر نوری , Fiber optic amplifier :

انواع تقویت ‌کننده یا آمپلی فایر فیبر نوری :

 
1- تقویت‌ کننده نوری لیزری : 

به‌طور کلی هر ماده فعال که دارای ناحیه بهره باشد و بتواند نور لیزری ایجاد کند را می‌توان به گونه‌ای پمپ کرد که یک سیگنال نوری در همان طول موج لیزر را تقویت کند. چنین تقویت‌کننده‌های نوری به‌ طور گسترده‌ای برای ساخت سامانه‌های لیزری توان بالا استفاده می‌شوند.

2- تقویت‌ کننده نوری نیمه‌ رسانایی (SOA) :

تقویت‌ کننده‌ های نوری نیمه ‌رسانایی گونه‌ای از تقویت‌کننده‌ های نوری هستند که برای تولید بهره از مواد نیمه رسانا استفاده می‌کنند. این تقویت‌ کننده‌های نوری ساختاری شبیه به دیودهای لیزری فابری-پرو دارند با این تفاوت که در لبه‌های ناحیه بهره از طراحی ضد-بازتاب استفاده می‌شود تا ساختار به جای لیزر، تقویت ‌کننده بشود. در طراحی‌های نوین با استفاده از پوشش‌های ضد بازتاب و موجبر‌ کج می‌توان بازتابش نور از دو سطح انتهایی را به کمتر از ۰.۰۰۱% کاهش داد. این کار باعث هدر رفتن توان نور از درون حفره می‌شود، و از آن جا که اندازه این تلفات بیشتر از میزان تقویت سیگنال درون حفره است، این طراحی مانع از ایجاد نوسان درون حفره و کار کرد این ساختار به صورت لیزر می‌شود.

این قطعات که بر اساس باز ترکیب الکترون-حفره در مواد نیمه رسانا کار می‌کنند وظیفه اصلی تقویت مستقیم سیگنال نوری را بر عهده دارند. این تقویت‌کننده‌ها که اغلب به صورت الکتریکی یا با لیزر توان پایین پمپ می‌شوند همانند لیزرهای حفره عمودی نشرکننده از سطح (VCSEL)ها دارای ابعاد کوچکی هستند. ویژگی اصلی این قطعه این است که در آن ترکیب هر چهار پدیده اپتیک غیر خطی به کار گرفته می‌شود که همین امر نیمه رساناها را به عنوان اجزای اصلی برای فرایندهای سیگنال نوری تبدیل میکند.

برای توان خروجی بالا، تقویت‌کننده‌های نوری با ساختار مخروطی استفاده می‌شود. در محدوده طول موج 633 نانومتر به 1480 نانومتر است.

3- تقویت‌ کننده نوری رامان (Raman) :

تقویت کننده رامان یک تقویت کننده نوری براساس بهره رامان است که نتیجه ای از پراکندگی رامان القایی است. یک محیط رامان فعال اغلب یک فیبر اپتیکی است، اگرچه یک توده کریستالی، یک موجبر در یک مدار مجتمع فوتونیکی یا یک سلول با یک گاز یا مایع نیز می تواند محیط رامان باشد. سیگنال ورودی در حال انتشار در جهت و یا در خلاف جهت پرتو دمش می تواند تقویت شود، طول موج سیگنال تقویت شده معمولا ده ها نانومتر کوتاه تر است. برای فیبر سیلیکا بسته به ترکیب هسته فیبر، بیشینه افزایش برای یک فرکانس افست ≈ 10-15 تراهرتز بین دمش و سیگنال است.

برای استفاده درسیستم های مخابراتی، تقویت کننده های فیبری رامان با تقویت کننده های فیبری اربیم دوپ شده، در حال رقابت هستند. درمقایسه با آنها، نمونه‌هایی از ویژگی های تقویت کننده‌های رامان عبارتند از :

تقویت کننده رامان میتواند در مناطق بسیار متفاوت طول موج کار کند،به شرطی که یک منبع دمش مناسب در دسترس باشد.

طیف بهره مناسب را میتوان با استفاده همزمان طول موج های دمش مختلف به دست آورد.

تقویت کننده رامان نیاز به دمش با توان بالا (احتمالا مسائل ایمنی لیزر مطرح خواهد شد) وروشنایی دمش بالا دارد، اما همچنین می تواند توان خروجی بالایی را نیز تولید کند.

طول بیشتری از فیبر مورد نیاز است. اگر چه، فیبر انتقالی دریک سیستم مخابراتی استفاده می شود، به طوری که هیچ فیبر اضافی نیاز نیست.

تقویت کننده فیبری رامان می تواند شکل نویز کمتری داشته باشد. ازسوی دیگر، آنها بیشتر از تقویت کننده های لیزری، به طورمستقیم نویز دمش را به سیگنال کوپل می کنند.

آنها همچنین به تغییرات توان دمش واکنش سریع نشان می دهند، به ویژه برای انتشار در جهت دمش، و ویژگی های اشباع بسیار متفاوتی دارند.

اگر طول موج دمش قطبی است، بهره رامان وابسته به قطبش است. این اثر که اغلب ناخواسته است، اما می تواند متوقف شود به عنوان مثال با استفاده از ادغام دو دیود دمش قطبی یا یک غیر قطبی کننده دمش.

یک تقویت کننده رامان مخابراتی با منبع پیوسته نور ناشی از یک دیود لیزر دمش می شود. تقویت موثر پالس های مافوق کوتاه بااستفاده از پالس دمش در جهت انتشار نیز ممکن است. با این حال، پدیده عدم تطابق سرعت گروه، شدیداً طول برهم کنش مفید را به ویژه برای مدت زمان پالس زیر 1 پیکوثانیه ، محدود می سازد.

فیبرهای مورد استفاده برای تقویت کننده رامان دارای آلایش یون های خاکی کمیاب هستند. از لحاظ علمی،هر فیبر نوری تک مدی میتواند مورد استفاده قرار بگیرد، واز لحاظ عملی خود فیبر انتقالی مناسب است (تقویت کننده توزیعی). با این حال، فیبرهای مخصوصی با بهره رامان افزایش یافته که ناشی از افزودن آلایش‌های معین(مانند Germania) برای افزایش سطح مقطع رامان ویا به سادگی ناشی از یک منطناحیة مد مؤثر کوچک وجود دارد. برخی فیبرها برای تقویت کننده رامان فشرده استفاده می شود،که در آن فقط به تقویت قطعه کوتاهتری از فیبر پرداخته می شود.

 
4- تقویت ‌کننده نوری پارامتری (OPO) : 

OPO اساساً از یک تشدید کننده نوری و یک کریستال نوری غیرخطی تشکیل شده است. تشدید کننده نوری برای طنین انداز حداقل یکی از امواج سیگنال و سکون کار می کند. در کریستال نوری غیرخطی ، پمپ ، سیگنال و امواج غیرفعال با هم همپوشانی دارند. تعامل بین این سه موج منجر به افزایش دامنه برای امواج سیگنال و سکون (تقویت پارامتری) و یک تغییر شکل مربوط به موج پمپ می شود.

ورود به دسته بندی محصول آمپلی فایر سنسور فیبر نوری , Fiber optic sensor amplifier