المضخمات البصرية في مجال اتصالات الألياف الضوئية
An مكبر بصريهو جهاز يُضخّم الإشارات الضوئية. في مجال اتصالات الألياف الضوئية، يؤدي هذا الجهاز الأدوار التالية بشكل رئيسي: 1. تعزيز وتضخيم الطاقة الضوئية. بوضع مُضخّم ضوئي في مقدمة جهاز الإرسال الضوئي، يمكن زيادة الطاقة الضوئية الداخلة إلى الألياف. 2. تضخيم مرحل الإشارة المباشر، ليحل محل المُكررات الموجودة في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. 3. التضخيم المسبق: قبل وضع كاشف الضوء في الطرف المُستقبِل، تُضخّم إشارة الضوء الضعيفة مسبقًا لتعزيز حساسية الاستقبال.
في الوقت الحاضر، تشمل مكبرات الصوت البصرية المعتمدة في اتصالات الألياف البصرية بشكل أساسي الأنواع التالية: 1. مكبر الصوت البصري شبه الموصل (مكبر بصري SOA)/مضخم ليزر أشباه الموصلات (مضخم بصري SLA)؛ 2. مضخمات الألياف المشبعة بالعناصر الأرضية النادرة، مثل مضخمات الألياف المشبعة بالطعم (مكبر بصري EDFA3. مكبرات الألياف غير الخطية، مثل مكبرات الألياف رامان، وما إلى ذلك. وفيما يلي مقدمة موجزة على التوالي.
١. مُضخِّمات بصرية شبه موصلة: في ظل ظروف تطبيقية مختلفة وانعكاسات طرفية مختلفة، يُمكن لليزرات شبه الموصلة إنتاج أنواع مُختلفة من مُضخِّمات بصرية شبه موصلة. إذا كان تيار تشغيل ليزر شبه الموصل أقل من حده الأقصى، أي لا يُولَّد ليزر، تُدخَل إشارة ضوئية إلى أحد الطرفين. طالما كان تردد هذه الإشارة الضوئية قريبًا من المركز الطيفي لليزر، فسيتم تضخيمها وإخراجها من الطرف الآخر. هذا النوع من...مكبر بصري شبه موصليُطلق عليه مُضخّم بصري من نوع فابري-بيرو (FP-SLA). إذا كان الليزر مُتحيزًا فوق العتبة، فإن إشارة ضوئية أحادية الوضع ضعيفة مُدخلة من أحد الطرفين، طالما أن تردد هذه الإشارة الضوئية يقع ضمن طيف الليزر متعدد الأوضاع، فسيتم تضخيم الإشارة الضوئية وتثبيتها على وضع مُعين. يُطلق على هذا النوع من المُضخّم البصري مُضخّم من النوع المُقفل بالحقن (IL-SLA). إذا كان طرفا ليزر أشباه الموصلات مُغطّين بطبقة من غشاء مضاد للانعكاس أو مُبخّرين، مما يجعل انبعاثيته صغيرة جدًا وغير قادر على تكوين تجويف رنيني فابري-بيرو، فعندما تمر الإشارة الضوئية عبر طبقة الدليل الموجي النشط، سيتم تضخيمها أثناء انتقالها. لذلك، يُطلق على هذا النوع من المُضخّم البصري مُضخّم بصري من نوع الموجة المتنقلة (TW-SLA)، ويظهر هيكله في الشكل التالي. نظرًا لأن عرض النطاق الترددي لمضخم الصوت البصري من نوع الموجة المتنقلة أكبر بثلاث مرات من عرض مكبر الصوت من نوع Fabry-Perot، ويمكن أن يصل عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل إلى 10 تيراهرتز، فإنه يمكنه تضخيم الإشارات البصرية لترددات مختلفة وهو مكبر صوت بصري واعد للغاية.
٢. مُضخِّم الألياف المُشبَّع بالطُعم: يتكون من ثلاثة أجزاء: الأول ليف مُشبَّع بطول يتراوح بين عدة أمتار وعشرات الأمتار. تتكون هذه الشوائب بشكل رئيسي من أيونات أرضية نادرة، تُشكِّل مادة تنشيط الليزر؛ والثاني مصدر مضخة الليزر، الذي يُوفِّر طاقة بأطوال موجية مناسبة لإثارة أيونات الأرضية النادرة المُشبَّعة لتحقيق تضخيم الضوء. والثالث هو المُقرِّن، الذي يُمكِّن ضوء المضخة وضوء الإشارة من الاقتران بمادة تنشيط الألياف الضوئية المُشبَّعة. يُشبه مبدأ عمل مُضخِّم الألياف إلى حد كبير مبدأ ليزر الحالة الصلبة، حيث يُحدِث حالة توزيع عكسي لعدد الجسيمات داخل المادة المُنشَّطة بالليزر، ويُولِّد إشعاعًا مُحفَّزًا. ولإنشاء حالة توزيع عكسي مستقر لعدد الجسيمات، يجب أن يكون هناك أكثر من مستويين للطاقة في الانتقال الضوئي، عادةً في أنظمة ثلاثية ورباعية المستويات، مع إمداد مستمر بالطاقة من مصدر مضخة. لتوفير الطاقة بفعالية، يجب أن يكون طول موجة فوتون المضخة أقصر من طول موجة فوتون الليزر، أي أن طاقة فوتون المضخة أكبر من طاقة فوتون الليزر. علاوة على ذلك، يُشكّل تجويف الرنين تغذية راجعة موجبة، وبالتالي يُمكن تكوين مُضخّم ليزر.
٣. مُضخِّمات الألياف غير الخطية: تُصنّف مُضخِّمات الألياف غير الخطية ومُضخِّمات ألياف الإربيوم ضمن فئة مُضخِّمات الألياف. إلا أن الأولى تستخدم التأثير غير الخطي لألياف الكوارتز، بينما تستخدم الثانية ألياف كوارتز مُشبَّعة بالإربيوم للتأثير على الوسائط النشطة. تُولِّد ألياف الكوارتز الضوئية العادية تأثيرات غير خطية قوية تحت تأثير ضوء مضخة قوي ذي أطوال موجية مناسبة، مثل تشتت رامان المُحفَّز (SRS) وتشتت بريلوين المُحفَّز (SBS) وتأثيرات الخلط رباعية الموجات. عند نقل الإشارة عبر الألياف الضوئية مع ضوء المضخة، يُمكن تضخيم ضوء الإشارة. وبالتالي، تُشكِّل هذه المُضخِّمات مُضخِّمات رامان الألياف (FRA) ومُضخِّمات بريلوين (FBA) والمُضخِّمات البارامترية، وجميعها مُضخِّمات ألياف موزعة.
ملخص: الاتجاه المشترك لتطوير جميع مكبرات الصوت البصرية هو المكسب العالي، وقوة الإخراج العالية، ومستوى الضوضاء المنخفض.
وقت النشر: ٨ مايو ٢٠٢٥