المضخمات الضوئية في مجال اتصالات الألياف الضوئية
An مضخم بصريهو جهاز يُضخّم الإشارات الضوئية. في مجال اتصالات الألياف الضوئية، يؤدي الأدوار الرئيسية التالية: 1. تعزيز وتضخيم القدرة الضوئية: بوضع مُضخّم الإشارة الضوئية في الطرف الأمامي لجهاز الإرسال الضوئي، يُمكن زيادة القدرة الضوئية الداخلة إلى الألياف. 2. تضخيم الإشارة عبر المرحل، ليحل محل المُكرِّرات الموجودة في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية. 3. التضخيم الأولي: قبل وصول الإشارة الضوئية الضعيفة إلى الكاشف الضوئي في الطرف المُستقبِل، يتم تضخيمها مُسبقًا لتعزيز حساسية الاستقبال.
تتضمن مضخمات الإشارة الضوئية المستخدمة حاليًا في اتصالات الألياف الضوئية بشكل أساسي الأنواع التالية: 1. مضخم الإشارة الضوئية شبه الموصل (مضخم بصري SOA1. مضخم ليزر أشباه الموصلات (مضخم بصري SLA)؛ 2. مضخمات الألياف المشوبة بالعناصر الأرضية النادرة، مثل مضخمات الألياف المشوبة بالطعم (مضخم بصري EDFA)، إلخ. 3. مضخمات الألياف غير الخطية، مثل مضخمات رامان للألياف، إلخ. فيما يلي مقدمة موجزة لكل منها.
1. مضخمات ضوئية شبه موصلة: في ظل ظروف تطبيق مختلفة ومع انعكاسات مختلفة للسطح النهائي، يمكن لأشعة الليزر شبه الموصلة إنتاج أنواع مختلفة من المضخمات الضوئية شبه الموصلة. إذا كان تيار تشغيل الليزر شبه الموصل أقل من عتبته، أي لا يتم توليد الليزر، في هذه الحالة، يتم إدخال إشارة ضوئية إلى أحد طرفي الليزر. طالما أن تردد هذه الإشارة الضوئية قريب من المركز الطيفي لليزر، فسيتم تضخيمها وإخراجها من الطرف الآخر. هذا النوع منمضخم بصري شبه موصليُطلق على هذا النوع اسم مُضخِّم ضوئي من نوع فابري-بيرو (FP-SLA). عند تحيز الليزر فوق العتبة، يتم إدخال إشارة ضوئية ضعيفة أحادية النمط من أحد طرفيه. طالما كان تردد هذه الإشارة الضوئية ضمن طيف الليزر متعدد الأنماط، فسيتم تضخيمها وتثبيتها على نمط معين. يُطلق على هذا النوع من المُضخِّمات الضوئية اسم مُضخِّم مُثبَّت بالحقن (IL-SLA). إذا تم طلاء طرفي ليزر أشباه الموصلات بطبقة عاكسة أو تبخيرها بطبقة من غشاء مضاد للانعكاس، مما يجعل انبعاثيته منخفضة جدًا وغير قادرة على تكوين تجويف رنين فابري-بيرو، فعند مرور الإشارة الضوئية عبر طبقة الدليل الموجي النشط، سيتم تضخيمها أثناء انتقالها. لذلك، يُطلق على هذا النوع من المُضخِّمات الضوئية اسم مُضخِّم ضوئي من نوع الموجة المتنقلة (TW-SLA)، ويظهر تركيبه في الشكل التالي. نظراً لأن عرض النطاق الترددي لمضخم الإشارة الضوئية من نوع الموجة المتنقلة أكبر بثلاث مراتب من عرض النطاق الترددي لمضخم الإشارة من نوع فابري بيرو، ويمكن أن يصل عرض النطاق الترددي 3 ديسيبل الخاص به إلى 10 تيراهيرتز، فإنه يستطيع تضخيم الإشارات الضوئية ذات الترددات المختلفة، وهو مضخم إشارة ضوئية واعد للغاية.
2. مُضخِّم الألياف المُطعَّمة: يتكون من ثلاثة أجزاء: أولها ألياف مُطعَّمة يتراوح طولها من عدة أمتار إلى عشرات الأمتار. تتكون هذه الشوائب بشكل أساسي من أيونات العناصر الأرضية النادرة، والتي تُشكِّل مادة تنشيط الليزر. ثانيها مصدر ضخ الليزر، الذي يُزوِّد أيونات العناصر الأرضية النادرة المُطعَّمة بالطاقة اللازمة لتضخيم الضوء. ثالثها المُقرِّن، الذي يسمح بربط ضوء الضخ وضوء الإشارة بمادة تنشيط الألياف الضوئية المُطعَّمة. مبدأ عمل مُضخِّم الألياف مشابه جدًا لمبدأ عمل ليزر الحالة الصلبة. فهو يُحدث حالة توزيع معكوسة لعدد الجسيمات داخل المادة المُنشَّطة بالليزر، ويُولِّد إشعاعًا مُحفَّزًا. ولإنشاء حالة توزيع معكوسة مستقرة لعدد الجسيمات، يجب أن تشارك أكثر من مستويين من الطاقة في الانتقال البصري، وعادةً ما تكون أنظمة ثلاثية أو رباعية المستويات، مع إمداد مستمر للطاقة من مصدر الضخ. لضمان توفير الطاقة بكفاءة، يجب أن يكون طول موجة فوتون الضخ أقصر من طول موجة فوتون الليزر، أي أن طاقة فوتون الضخ يجب أن تكون أكبر من طاقة فوتون الليزر. علاوة على ذلك، يشكل تجويف الرنين تغذية راجعة موجبة، وبالتالي يمكن تكوين مضخم ليزر.
3. مضخمات الألياف غير الخطية: تندرج كل من مضخمات الألياف غير الخطية ومضخمات ألياف الإربيوم ضمن فئة مضخمات الألياف. إلا أن الأولى تستغل التأثير غير الخطي لألياف الكوارتز، بينما تستخدم الثانية ألياف كوارتز مطعمة بالإربيوم للتأثير على الوسط الفعال. تُولّد ألياف الكوارتز البصرية العادية تأثيرات غير خطية قوية تحت تأثير ضوء ضخ قوي بأطوال موجية مناسبة، مثل تشتت رامان المحفز (SRS) وتشتت بريلوين المحفز (SBS) وتأثيرات المزج الرباعي الموجات. عند انتقال الإشارة عبر الألياف البصرية مع ضوء الضخ، يمكن تضخيمها. وبذلك، تُشكّل هذه الألياف مضخمات رامان (FRA) ومضخمات بريلوين (FBA) ومضخمات بارامترية، وجميعها مضخمات ألياف موزعة.
ملخص: يتمثل اتجاه التطوير المشترك لجميع المضخمات البصرية في الكسب العالي، وطاقة الخرج العالية، ومعامل الضوضاء المنخفض.
تاريخ النشر: 8 مايو 2025