Khuếch đại quang

Khuếch đại quang học hay khuếch đại tín hiệu quang học là thiết bị trực tiếp khuếch đại tín hiệu quang học mà không cần phải chuyển đổi nó thành tín hiệu điện. Một bộ khuếch đại quang học có thể được coi là một laser mà không có một hốc quang học (optical cavity), hoặc trong đó phản hồi từ khoang đó bị triệt tiêu. Bộ khuếch đại quang học có vai trò quan trọng trong truyền thông sợi quang và vật lý laser ^[1]^[2].

Khái quát

Có những cơ chế vật lý khác nhau có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu ánh sáng, tương ứng với các loại khuếch đại quang chính.^[1]

Trong bộ khuếch đại laser dùng sợi quang có pha tạp và laser rời, phát xạ kích thích trong môi trường khuếch đại (gain medium) gây ra khuếch đại của ánh sáng đến ^[3]^[4].
Trong bộ khuếch đại quang bán dẫn (SOA, Semiconductor optical amplifier), sự tái tổ hợp các electron - lỗ trống xảy ra ^[5].
Trong bộ khuếch đại Raman, tán xạ Raman của ánh sáng tới với các phonon trong mạng tinh thể thu được tạo ra các photon cố kết với các photon tới ^[6].
Bộ khuếch đại tham số sử dụng khuếch đại tham số.

Khuếch đại laser

Khuếch đại laser sử dụng bơm (pump) laser cùng loại với môi trường khuếch đại laser tích cực. Môi trường khuếch đại laser là sợi quang pha tạp chất (doped) cùng loại với bơm laser, ví dụ erbi trong "bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbi" (EDFA, erbium-doped fiber amplifier), tạo ra khuếch đại xung cực ngắn. EDFA có chiều dài sợi quang từ một đến khoảng 100 mét, được bơm quang học bằng laser bán dẫn.

Khuếch đại sợi pha tạp

Khuếch đại sợi pha tạp (DFAs) là khuếch đại quang học sử dụng sợi quang được pha tạp làm môi trường khuếch để khuếch đại tín hiệu quang. Chúng có liên quan đến laser sợi quang. Tín hiệu cần được khuếch đại và laser bơm được ghép vào sợi pha tạp và tín hiệu được khuếch đại thông qua tương tác với các ion doping.

Ví dụ phổ biến nhất là khuếch đại sợi pha tạp Erbi (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier), trong đó lõi của sợi quang silica được pha tạp với các ion erbi hóa trị ba và có thể được bơm bằng laser ở bước sóng 980 nm hoặc 1.480 nm một cách hiệu quả lên vùng 1.550 nm.

Khuếch đại quang bán dẫn

Khuếch đại quang bán dẫn sử dụng nhiều loại vật liệu bán dẫn pha tạp (Nd:YAG, Yb:YAG, Ti:Sa) với các tạo hình khác nhau (đĩa, tấm, thanh) để khuếch đại tín hiệu quang.

Sự đa dạng của vật liệu cho phép khuếch đại các bước sóng khác nhau trong khi hình dạng của môi trường khuếch làm phù hợp hơn với năng lượng của quy mô công suất trung bình ^[7]. Bên cạnh việc sử dụng chúng trong nghiên cứu cơ bản từ phát hiện sóng hấp dẫn ^[8] đến vật lý năng lượng cao tại NIF (National Ignition Facility, tạm dịch: Cơ sở Đánh lửa Quốc gia), và trong nhiều thiết bị laser xung cực ngắn ngày nay.

Tham khảo

^ ^a ^b Paschotta, Rüdiger. “Tutorial on Fiber Amplifiers”. Tutorial on Fiber Amplifiers. RP Photonics. Truy cập ngày 18 tháng 4 năm 2017.
^ Optical Amplifier Tutorial Lưu trữ 2015-03-10 tại Wayback Machine. Truy cập 28/04/2017.
^ Mears, R.J. and Reekie, L. and Poole, S.B. and Payne, D.N.: "Low-threshold tunable CW and Q-switched fiber laser operating at 1.55μm", Electron. Lett., 1986, 22, pp.159-160
^ Operation of Erbium-Doped Fiber Amplifiers and Lasers Pumped with Frequency-Doubled Nd:YAG Lasers Lưu trữ 2016-03-04 tại Wayback Machine, 1989. Truy cập 28/04/2017.
^ M. J. Connolly, Semiconductor Optical Amplifiers. Boston, MA: Springer-Verlag, 2002. ISBN 978-0-7923-7657-6
^ Mohammed N. Islam. Raman amplifiers for telecommunications, IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, Band 8, Nr.3, 2002.
^ Frede, Maik. “Catch the Peak”. wiley. doi:10.1002/latj.201500001/abstract (không hoạt động ngày 27 tháng 8 năm 2018). Chú thích journal cần |journal= (trợ giúp)Quản lý CS1: DOI không hoạt động tính đến 2018 (liên kết)
^ Frede, Maik. “Fundamental mode, single-frequency laser amplifier for gravitational wave detectors”. OSA. Truy cập ngày 22 tháng 1 năm 2007.