प्रकाश प्रवर्धक

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Not to be confused with ऑपरेशनल एंप्लीफायर.
ऑप्टिकल प्रवर्धकों का उपयोग लेजर गाइड स्टार को बनाने के लिए किया जाता है जो अनुकूली ऑप्टिक्स नियंत्रण प्रणालियों को प्रतिक्रिया प्रदान करते हैं जो सबसे बड़े खगोलीय दूरबीनों में दर्पण के आकार को गतिशील रूप से समायोजित करते हैं।[1]

ऑप्टिकल प्रवर्धक ऐसा उपकरण है जो ऑप्टिकल संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करके इसकी आवश्यकता को बढ़ाता है। ऑप्टिकल प्रवर्धक को ऑप्टिकल केबल के लेजर के रूप में जाना जाता है, तथा इसकी केबल से होने वाली प्रतिक्रिया के द्वारा दबा दिया जाता है। ऑप्टिकल संचार और लेजर भौतिकी में ऑप्टिकल प्रवर्धकों महत्वपूर्ण हैं। उन्हें लंबी दूरी के फाइबर ऑप्टिक केबल में ऑप्टिकल रिपीटर के रूप में उपयोग किया जाता है जो दुनिया के अधिकांश दूरसंचार लिंक को ले जाते हैं।

इसमें कई अलग -अलग भौतिक तंत्र होते हैं जिनका उपयोग प्रकाश संकेत को बढ़ाने के लिए किया जाता है, जो प्रमुख प्रकार के ऑप्टिकल प्रवर्धकों के अनुरूप हैं। डोपेड फाइबर प्रवर्धकों और थोक लेज़र में, प्रवर्धक के लाभ मध्यम में उत्सर्जन उत्तेजित उत्सर्जन में आने वाले प्रकाश के प्रवर्धन का कारण बनता है। अर्धचालक ऑप्टिकल प्रवर्धकों (एसओए) में, इलेक्ट्रॉन-इलेक्ट्रॉन होल वाहक पीढ़ी और पुनर्संयोजन करता है। रमन प्रवर्धक में, रमन मध्यम प्राप्त करने के लिए फोनन के साथ आने वाली प्रकाश के फोटोन्स से आने वाले फ़ोनन के साथ सुसंगत फोटॉन का उत्पादन करते हैं। पैरामीट्रिक प्रवर्धक पैरामीट्रिक प्रवर्धन का उपयोग करते हैं।

इतिहास

ऑप्टिकल प्रवर्धन के सिद्धांत का आविष्कार 13 नवंबर, 1957 को गॉर्डन गोल्ड द्वारा किया गया था।[2] उन्होंने 6 अप्रैल, 1959 को पेटेंट नंबर 804,539 संयुक्त किया था, जिसका शीर्षक प्रकाश प्रवर्धकों की जनसंख्या का उत्पादन करने के लिए टकरावों को उत्पन्न करना था।[3] तत्पश्चात इसके भागों को निरंतर संशोधित किया जाता हैं और अंत में 4 मई, 1988 को नंबर 4,746,201A के रूप में जारी किया गया था। पेटेंट में "गैसीय, तरल या ठोस स्थिति में आयनों, परमाणुओं या अणुओं से फोटॉन के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रकाश के प्रवर्धन को संदर्भित किया गया था।"[4] इस प्रकार गोल्ड ने ऑप्टिकल प्रवर्धक से संबंधित 48 पेटेंट प्राप्त[5] करने के समय के साथ बाजार पर 80% लेजर को संदर्भित किया जाता हैं।[6]

गोल्ड ने ऑप्टिकल दूरसंचार उपकरण फर्म, ऑप्टेलेकॉम इंक की सह-स्थापना की, जिसने अपने पूर्व प्रमुख प्रकाश ऑप्टिक्स रिसर्च, डेविड ह्यूबर और केविन किम्बर्लिन के साथ सिएना कॉर्प को प्रारंभ करने में सहायता की गयी थी। सिएना के ह्यूबर और स्टीव अलेक्जेंडर ने दोहरे चरण के ऑप्टिकल प्रवर्धक का आविष्कार किया[7] (यूएस पेटेंट 5,159,601) यह पहली घनी लहर डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (डीडब्ल्यूडीएम) प्रणाली की कुंजी थी, जिसे उन्होंने जून 1996 में जारी किया था। इसने ऑप्टिकल नेटवर्किंग की प्रारंभ को चिह्नित किया।[3] इसके महत्व को उस समय ऑप्टिकल अथॉरिटी, शोची सूडो और टेक्नोलॉजी एनालिस्ट, जॉर्ज गिल्डर ने 1997 में मान्यता दी थी, जब सुडो ने लिखा था कि ऑप्टिकल प्रवर्धकों ने "दुनिया भर में क्रांति की प्रारंभ की थी, जिसे सूचना युग कहा जाता है"[4]और गिल्डर ने ऑप्टिकल प्रवर्धक की तुलना महत्व में एकीकृत परिपथ से की थी, यह भविष्यवाणी करते हुए कि यह सूचना की उम्र को संभव बना देगा।[8] इस कारण आज ऑप्टिकल प्रवर्धन डब्ल्यूडीएम (WDM) प्रणाली सभी स्थानीय, मेट्रो, राष्ट्रीय, इंटरकांटिनेंटल और सब्सिएम दूरसंचार नेटवर्क का सामान्य आधार है[9] और इंटरनेट के फाइबर ऑप्टिक बैकबोन के लिए इस विधि का प्रयोग करते हैं जैसे फाइबर-ऑप्टिक संचार या फाइबर-ऑप्टिक केबल जो आधुनिक समय में कंप्यूटर नेटवर्क का आधार बनाती है।

लेजर प्रवर्धकों

लगभग कोई भी लेजर सक्रिय लाभ माध्यम लेजर पंपिंग होता है जिससे कि लेजर के तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश के लिए लाभ (लेजर) का उत्पादन किया जा सके। इस प्रकार के प्रवर्धकों का उपयोग सामान्यतः उच्च शक्ति लेजर प्रणाली का उत्पादन करने के लिए किया जाता है। विशेष प्रकार जैसे पुनर्योजी प्रवर्धकों और चिरपेड पल्स प्रवर्धन या चिरपेड पल्स प्रवर्धकों का उपयोग अल्ट्रैध्वनि्ट पल्स को बढ़ाने के लिए किया जाता है।

ठोस-स्थिति के प्रवर्धक

ठोस स्थिति के प्रवर्धक ऐसे ऑप्टिकल प्रवर्धक हैं जो डोपेड ठोस लेजर स्थिति की विस्तृत श्रृंखला का उपयोग करते हैं। ऑप्टिकल संकेतों को बढ़ाने के लिए स्लैब, रॉड का उपयोग करते हैं। सामग्री की विविधता विभिन्न तरंग दैर्ध्य के प्रवर्धन की अनुमति देती है जबकि माध्यम का आकार औसत शक्ति स्केलिंग की ऊर्जा के लिए अधिक उपयुक्त के बीच अंतर करता हैं है।[10] गुरुत्वाकर्षण तरंग का पता लगाने से मौलिक अनुसंधान में उनके उपयोग के अतिरिक्त[11] राष्ट्रीय प्रज्वलन सुविधा में उच्च ऊर्जा भौतिकी के लिए वे आज के कई अल्ट्रैध्वनि्ट पल्स लेजर में भी पाए जा सकते हैं।[citation needed]

डोपेड फाइबर प्रवर्धकों

एक साधारण डोपेड फाइबर प्रवर्धक का योजनाबद्ध आरेख

डोपेड फाइबर प्रवर्धकों (डीएफए) ऑप्टिकल प्रवर्धकों हैं जो ऑप्टिकल संकेत को बढ़ाने के लिए लाभ माध्यम के रूप में डोपेंट प्रकाशित तंतु का उपयोग करते हैं।[12] वे फाइबर लेजर से संबंधित हैं। संकेत को प्रवर्धित किया जाना और पंप लेजर डोपेड फाइबर में बहुसंकेतन कर रहे हैं, और संकेत को डोपिंग आयनों के साथ संबंधों के माध्यम से प्रवर्धित किया जाता है।

डोपेड फाइबर में डोपेंट आयनों से फोटॉनों के उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रवर्धन प्राप्त किया जाता है। पंप लेजर आयनों को उच्च ऊर्जा में उत्तेजित करता है, जहां से वे संकेत वेवलेंथ पर फोटॉन के उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से कम ऊर्जा स्तर पर वापस आ सकते हैं। उत्साहित आयन भी सहज उत्सर्जन करने या गैर -पार्श्विक प्रक्रियाओं के माध्यम से कांच मैट्रिक्स के फोनन के साथ संबंधों से जुड़े होते हैं। इसमें अंतिम के दो क्षय तंत्र में प्रकाश प्रवर्धन की दक्षता को कम करने वाले उत्तेजित उत्सर्जन के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं।

ऑप्टिकल प्रवर्धक की प्रवर्धन आयाम में ऑप्टिकल तरंग दैर्ध्य की सीमा होती है जिसके लिए प्रवर्धक उपयोगी लाभ प्राप्त करता है। प्रवर्धन आयाम के डोपेंट आयनों के स्पेक्ट्रोस्कोपिक गुणों, ऑप्टिकल फाइबर की कांच संरचना और पंप लेजर की तरंग दैर्ध्य और शक्ति द्वारा निर्धारित की जाती है।

यद्यपि पृथक आयन के इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण को बहुत अच्छी प्रकार से परिभाषित किया जाता है, ऊर्जा के स्तर का व्यापक होना तब होता है जब आयनों को ऑप्टिकल फाइबर के ग्लास में सम्मलित किया जाता है और इस प्रकार प्रवर्धन आयाम को भी व्यापक किया जाता है। यह द्वि-सजातीय विडेनिंग है जो सभी आयनों में व्यापक स्पेक्ट्रम प्रदर्शित करते हैं और इस विडेनिंग को विभिन्न ग्लास स्थानों में अलग -अलग आयन अलग -अलग स्पेक्ट्रा द्वारा प्रदर्शित करते हैं। सजातीय विडेनिंग कांच के फोनन के साथ संचारण से उत्पन्न होता है, जबकि विषम विडेनिंग कांच की साइटों में अंतर के कारण होता है जहां विभिन्न आयनों की प्रस्तुतीकरण करता है। विभिन्न साइटें विभिन्न स्थानीय विद्युत क्षेत्रों में आयनों को उत्पन्न करती हैं, जो ऊर्जा के स्तर को स्टार्क प्रभाव के माध्यम से स्थानांतरित करती हैं। इसके अतिरिक्त, स्टार्क प्रभाव भी ऊर्जा स्थितिों की अध: पतन को हटा देता है, जिसमें समान कोणीय गति क्वांटम नंबर J द्वारा निर्दिष्ट होती है। इस प्रकार, उदाहरण के लिए, ट्रिटेंट एर्बियम आयन (Er)3 + ) I j = 15/2 के साथ जमीनी स्थिति होती है, और विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में J + 1/2 = 8 उपपरतों में थोड़ी अलग ऊर्जाओं के साथ विभाजित होता है। पहले उत्साहित स्थिति में J = 13/2 है और इसलिए 7 उप-परत के साथ स्टार्क कई गुना होता है। J = 13/2 उत्साहित स्थिति से J = 15/2 ग्राउंड स्टेट से संक्रमण 1500 नैनोमीटर तरंग दैर्ध्य पर लाभ के लिए उत्तरदायी हैं। ईडीएफए के लाभ स्पेक्ट्रम में कई चोटियाँ हैं जो उपरोक्त विडेनिंग तंत्रों द्वारा स्टैम्प लगाती हैं। शुद्ध परिणाम बहुत व्यापक स्पेक्ट्रम है। फाइबर प्रवर्धकों के व्यापक लाभ-बैंडविड्थ उन्हें तरंग वेवलेंथ डिविज़न मल्टिप्लेक्सिंग में विशेष रूप से उपयोगी बनाते हैं। तरंग दैर्ध्य-डिवीजन मल्टीप्लेक्स संचार प्रणाली एकल प्रवर्धक के रूप में उपयोग किया जाता है, जो फाइबर पर किए जा रहे सभी संकेतों को बढ़ाने के लिए किया जाता है और जिनकी तरंग दैर्ध्य लाभ की आयाम के भीतर गिरती हैं।

एर्बियम-डोपेड वेवगाइड प्रवर्धक (EDWA) ऑप्टिकल प्रवर्धक है जो ऑप्टिकल संकेत को बढ़ावा देने के लिए वेवगाइड का उपयोग करता है।

ईडीएफए का मूल सिद्धांत

प्रकाश के अपेक्षाकृत उच्च शक्ति वाले बीम को तरंग दैर्ध्य चयनात्मक युग्मक (WSC) का उपयोग करके इनपुट संकेत के साथ मिलाया जाता है। इनपुट संकेत और उत्तेजना प्रकाश अधिक अलग -अलग तरंग दैर्ध्य पर होना चाहिए। मिश्रित प्रकाश को कोर में सम्मलित एर्बियम आयनों के साथ फाइबर के खंड में निर्देशित किया जाता है। यह उच्च शक्ति वाली प्रकाश बीम एर्बियम आयनों को उनके उच्च-ऊर्जा स्थिति में उत्साहित करती है। जब पंप प्रकाश से अलग तरंग दैर्ध्य पर संकेत से संबंधित फोटॉन उत्साहित एर्बियम आयनों से मिलते हैं, तो एरबियम आयन अपनी ऊर्जा को संकेत में छोड़ देते हैं और अपनी कम-ऊर्जा स्थिति में लौटते हैं।

इसका महत्वपूर्ण बिंदु यह है कि एर्बियम अतिरिक्त फोटॉनों के रूप में अपनी ऊर्जा छोड़ देता है जो बिल्कुल उसी चरण और दिशा में होते हैं जैसे संकेत को प्रवर्धित किया जा रहा है। इसलिए संकेत केवल यात्रा की दिशा में प्रवर्धित है। यह असामान्य नहीं है - जब परमाणु ले जाता है तो यह सदैव ही दिशा में और आने वाली प्रकाश के रूप में चरण में अपनी ऊर्जा को छोड़ देता है। इस प्रकार सभी अतिरिक्त संकेत शक्ति को आने वाले संकेत के समान फाइबर मोड में निर्देशित किया जाता है। ऑप्टिकल अलगावक को सामान्यतः संलग्न फाइबर से लौटने वाले प्रतिबिंबों को रोकने के लिए आउटपुट पर रखा जाता है। इस प्रकार के प्रतिबिंब प्रवर्धक ऑपरेशन को बाधित करते हैं और उच्च स्थिति में प्रवर्धक को लेजर बनने का कारण बन सकता है।

एर्बियम डोपेड प्रवर्धक उच्च लाभ प्रवर्धक है।

ध्वनि

डीएफए में ध्वनि का प्रमुख स्रोत सहज उत्सर्जन (एएसई) को बढ़ाता है, जिसमें प्रवर्धक के लाभ स्पेक्ट्रम के समान स्पेक्ट्रम होता है। आदर्श डीएफए में ध्वनि का आंकड़ा 3 db है, जबकि व्यावहारिक प्रवर्धकों में ध्वनि आंकड़ा 6-8 db के रूप में बड़ा होता है।

उत्तेजित उत्सर्जन के माध्यम से क्षय के साथ -साथ, ऊपरी ऊर्जा स्तर में इलेक्ट्रॉन भी सहज उत्सर्जन द्वारा क्षय कर सकते हैं, जो कि कांच की संरचना और व्युत्क्रम स्तर के आधार पर यादृच्छिक रूप से होता है। फोटॉन को सभी दिशाओं में अनुउपयोगी उत्सर्जित किया जाता है, किन्तु उन लोगों के अनुपात को दिशा में उत्सर्जित किया जाएगा जो फाइबर के संख्यात्मक एपर्चर के भीतर आता है और इस प्रकार फाइबर द्वारा अधिकृत कर लिया जाता है और निर्देशित किया जाता है। इस प्रकार इंगित किए गए उन फोटॉन तब अन्य डोपेंट आयनों के साथ संबंध स्थापित कर सकते हैं, और इस प्रकार उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा प्रवर्धित होते हैं। प्रारंभिक सहज उत्सर्जन इसलिए संकेतों के समान तरीके से प्रवर्धित होता है, इसलिए यह शब्द सहज रूप से सहज उत्सर्जन को बढ़ाता है। एएसई को आगे और व्युत्क्रम दिशाओं को दोनों में प्रवर्धक द्वारा उत्सर्जित किया जाता है, किन्तु केवल आगे एएसई प्रणाली के प्रदर्शन के लिए सीधी चिंता है क्योंकि ध्वनि रिसीवर के संकेत के साथ सह-प्रवर्तित करेगा जहां यह प्रणाली प्रदर्शन को कम करता है। काउंटर-प्रोपिंगिंग एएसई, चूंकि, प्रवर्धक के प्रदर्शन में गिरावट का कारण बन सकता है क्योंकि एएसई व्युत्क्रम स्तर को कम करता है और इस प्रकार प्रवर्धक के लाभ को कम करता हैं है और वांछित संकेत लाभ के सापेक्ष उत्पादित ध्वनि को बढ़ा सकता है।

ध्वनि आकृति का विश्लेषण ऑप्टिकल डोमेन और विद्युत डोमेन दोनों में किया जाता है।[13] ऑप्टिकल डोमेन में, एएसई की माप, ऑप्टिकल संकेत लाभ, और ऑप्टिकल स्पेक्ट्रम विश्लेषक का उपयोग करके संकेत तरंग दैर्ध्य ध्वनि आकृति की गणना की अनुमति देता है। विद्युत माप विधि के लिए, पता लगाया गया फोटोक्यूरेंट ध्वनि का मूल्यांकन कम-ध्वनि वाले विद्युत स्पेक्ट्रम विश्लेषक के साथ किया जाता है, जो प्रवर्धक लाभ के माप के साथ ध्वनि आकृति माप की अनुमति देता है। सामान्यतः, ऑप्टिकल विधि अधिक सरल विधि प्रदान करती है, चूंकि यह विद्युत विधि जैसे बहु-पथ हस्तक्षेप (एमपीआई) ध्वनि उत्पादन द्वारा इंगित किए गए अतिरिक्त ध्वनि प्रभावों को सम्मलित नहीं करता है। इस प्रकार दोनों विधियों में, इनपुट संकेत के साथ सहज उत्सर्जन जैसे प्रभावों पर ध्यान देना ध्वनि आकृति की सही माप के लिए महत्वपूर्ण है।

प्राप्त संतृप्ति

डोपेंट आयनों के जनसंख्या व्युत्क्रम होने के कारण डीएफए में लाभ प्राप्त किया जाता है। एक डीएफए का व्युत्क्रम स्तर निर्धारित किया जाता है, मुख्य रूप से, पंप तरंग दैर्ध्य की शक्ति और प्रवर्धित तरंग दैर्ध्य पर शक्ति द्वारा किया जाता हैं। जैसे -जैसे संकेत शक्ति बढ़ता है, या पंप शक्ति कम हो जाता है, व्युत्क्रम स्तर कम हो जाएगा और इस प्रकार प्रवर्धक का लाभ कम हो जाएगा। इस प्रभाव को लाभ संतृप्ति के रूप में जाना जाता है - जैसे -जैसे संकेत स्तर बढ़ता है, प्रवर्धक संतृप्त होता है और किसी भी अधिक आउटपुट शक्ति का उत्पादन नहीं करता हैं, और इसलिए लाभ कम हो जाता है। संतृप्ति को सामान्यतः लाभ संपीड़न के रूप में भी जाना जाता है।

इष्टतम ध्वनि प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए डीएफए को महत्वपूर्ण मात्रा में लाभ संपीड़न (10 DB) के अनुसार संचालित किया जाता है, क्योंकि यह सहज उत्सर्जन की दर को कम करता है, जिससे एएसई कम हो जाता है।लाभ संतृप्ति क्षेत्र में डीएफए के संचालन का और लाभ यह है कि इनपुट संकेत शक्ति में छोटे उतार -चढ़ाव आउटपुट में कम हो जाते हैं, संकेत को कम किया जाता है: छोटे इनपुट संकेत पॉवर्स बड़े (कम संतृप्त) लाभ का अनुभव करते हैं, जबकि बड़े इनपुट शक्तियां कम लाभ देखते हैं।

पल्स के प्रमुख किनारे को प्रवर्धित किया जाता है, जब तक कि लाभ माध्यम की संतृप्ति ऊर्जा नहीं पहुंच जाती हैं। कुछ स्थितियों में, पल्स के विस्तार (fwhm) कम हो जाती है।[14]

विषम विस्तार प्रभाव

डोपेंट आयनों के लाइनविड्थ विडेनिंग के विषम हिस्से के कारण, लाभ स्पेक्ट्रम में विषम घटक होता है और कुछ हद तक विषम विधियों से लाभ संतृप्ति होती है। इस प्रभाव को स्पेक्ट्रल होल बर्निंग के रूप में जाना जाता है क्योंकि तरंग दैर्ध्य पर उच्च शक्ति संकेत विषम रूप से व्यापक आयनों की संतृप्ति द्वारा उस संकेत के निकट तरंग दैर्ध्य के लिए लाभ में छेद को फिल्टर करता हैं। स्पेक्ट्रल होल विस्तार में ऑप्टिकल फाइबर की विशेषताओं और उपयोगी संकेत की शक्ति के आधार पर भिन्न होते हैं, किन्तु सामान्यतः सी-बैंड के छोटे तरंग दैर्ध्य अंत में 1 से कम होते हैं, और लंबी तरंग दैर्ध्य पर कुछ एनएम होते हैं। सी-बैंड के आखिरी छेद की गहराई बहुत छोटी है, चूंकि, व्यवहार में इसका निरीक्षण करना कठिन होता है।

ध्रुवीकरण प्रभाव

यद्यपि डीएफए अनिवार्य रूप से ध्रुवीकरण स्वतंत्र प्रवर्धक है, डोपेंट आयनों का छोटा अनुपात कुछ ध्रुवीकरण के साथ अधिमानतः संचारण करता है और इनपुट संकेत के ध्रुवीकरण पर छोटी निर्भरता (सामान्यतः <0.5 DB) हो सकती है। इसे ध्रुवीकरण आश्रित लाभ (पीडीजी) कहा जाता है। आयनों के अवशोषण और उत्सर्जन क्रॉस सेक्शन को अलग -अलग कांच की साइटों में सभी दिशाओं में यादृच्छिक रूप से गठबंधन किए गए प्रमुख अक्षों के साथ दीर्घवृत्त के रूप में मॉडल किया जाता है। गिलास में दीर्घवृत्त के उन्मुखीकरण का यादृच्छिक वितरण मैक्रोस्कोपिक रूप से आइसोट्रोपिक माध्यम का उत्पादन करता है, किन्तु मजबूत पंप लेजर उन आयनों को श्रेष्ठतम रूप से रोमांचक द्वारा अनिसोट्रोपिक वितरण को प्रेरित करता है जो पंप के ऑप्टिकल फील्ड वेक्टर के साथ अधिक संरेखित होते हैं। इसके अतिरिक्त, संकेत क्षेत्र के साथ गठबंधन किए गए उन उत्साहित आयनों ने अधिक उत्तेजित उत्सर्जन का उत्पादन किया। लाभ में परिवर्तन इस प्रकार पंप और संकेत लेज़रों के ध्रुवीकरण के संरेखण पर निर्भर है-अर्थात दो लेजर डोपेंट आयनों के ही उप-सेट के साथ संचारण कर रहे हैं या नहीं। आदर्श डोपेड फाइबर में बिना बर्डिफ़्रिंग के, पीडीजी असुविधाजनक रूप से बड़ा होगा। सौभाग्य से, ऑप्टिकल फाइबर में छोटी मात्रा में बायरफ्रिंग सदैव सम्मलित होते हैं और इसके अतिरिक्त, फाइबर की लंबाई के साथ तेज और धीमी तथा भिन्न-भिन्न प्रकार की होती हैं। एक विशिष्ट डीएफए में कई दसियों मीटर होते हैं, जो पहले से ही बायर फ्रिग्रेंस अक्षों की इस यादृच्छिकता को दिखाने के लिए पर्याप्त है।ये दो संयुक्त प्रभाव (जो फाइबर स्थानांतरण में ध्रुवीकरण मोड फैलाव को जन्म देते हैं) संकेत के सापेक्ष ध्रुवीकरण और फाइबर के साथ पंप लेज़रों के मिसलिग्न्मेंट का उत्पादन करते हैं, इस प्रकार पीडीजी को औसत करने के लिए प्रवृत्त होते हैं। इसका परिणाम यह है कि पीडीजी एकल प्रवर्धक में निरीक्षण करना बहुत कठिनाई होती है किन्तु कई कैस्केड प्रवर्धकों के साथ लिंक में ध्यान देने योग्य है।

एर्बियम-डोपेड ऑप्टिकल फाइबर प्रवर्धकों

एर्बियम-डॉप्ड फाइबर प्रवर्धक (ईडीएफए) सबसे नियत फाइबर प्रवर्धक है क्योंकि इसकी प्रवर्धन विंडो सिलिका-आधारित ऑप्टिकल फाइबर की तीसरी ट्रांसमिशन विंडो के साथ मेल खाती है।एक सिलिका फाइबर के कोर को ट्राइवलेंट एर्बियम आयनों (AR)3+ के साथ डोप किया जाता है) और कुशलता से 980 नैनोमीटर और 1480 नैनोमीटर के तरंग दैर्ध्य पर या उसके पास लेजर के साथ पंप किया जाता है, और लाभ 1550 नैनोमीटर क्षेत्र में प्रदर्शित किया गया है। ईडीएफए प्रवर्धन क्षेत्र आवेदन से आवेदन तक भिन्न होता है और कुछ नैनोमीटर से ~ 80नैनोमीटर तक कहीं भी होता है। पारंपरिक, या सी-बैंड प्रवर्धकों (~ 1525 एनएम से ~ 1565 एनएम) या लंबे, या एल-बैंड प्रवर्धकों (~ 1565 एनएम से ~ 1610 एनएम तक) के लिए दूरसंचार कॉल में ईडीएफए का विशिष्ट उपयोग हैं। इन दोनों बैंडों को ईडीएफए द्वारा प्रवर्धित किया जाता है, किन्तु दो अलग -अलग प्रवर्धकों का उपयोग करना सामान्य है, प्रत्येक बैंड के लिए अनुकूलित है।

C- और L-बैंड प्रवर्धकों के बीच प्रमुख अंतर यह है कि L-बैंड प्रवर्धकों में डोपेड फाइबर की लंबी लंबाई का उपयोग किया जाता है। फाइबर की लंबी लंबाई कम व्युत्क्रम स्तर का उपयोग करने की अनुमति देती है, जिससे लंबे समय तक तरंग दैर्ध्य (सिलिका में एर्बियम के बैंड-संरचना के कारण) पर उत्सर्जन होता है, जबकि अभी भी उपयोगी मात्रा प्रदान करता है।[citation needed] ईडीएफए में दो सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले पंपिंग बैंड हैं - 980 नैनोमीटर और 1480 नैनोमीटर या 980 नैनोमीटर बैंड में उच्च अवशोषण क्रॉस-सेक्शन होता है और सामान्यतः उपयोग किया जाता है जहां कम-ध्वनि प्रदर्शन की आवश्यकता होती है। अवशोषण बैंड अपेक्षाकृत संकीर्ण है और इसलिए तरंग दैर्ध्य स्थिर लेजर स्रोतों की आवश्यकता होती है। 1480 नैनोमीटर बैंड में कम, किन्तु व्यापक, अवशोषण क्रॉस-सेक्शन होता है और सामान्यतः उच्च शक्ति वाले प्रवर्धकों के लिए उपयोग किया जाता है। 980 नैनोमीटर और 1480 नैनोमीटर पंपिंग का संयोजन सामान्यतः प्रवर्धकों में उपयोग किया जाता है।

एरबियम-डोप किए गए फाइबर में लाभ और लेसिंग को पहली बार 1986-87 में दो समूहों द्वारा प्रदर्शित किया गया था डेविड एन पायने, रॉबर्ट जे मियर्स सहित ए मियर्स, आई एम जौन्सी और एल रीकी, साउथेम्प्टन विश्वविद्यालय से[15][16] और एटी एंड टी बेल लेबोरेटरीज से, जिसमें ई डेसुरवायर, पी बेकर और जे सिम्पसन सम्मलित हैं।[17] ड्यूल-स्टेज ऑप्टिकल प्रवर्धक जिसने डेंस वेव डिवीजन मल्टीप्लेक्सिंग (डीडब्ल्यूडीएम) को सक्षम किया, इसका आविष्कार स्टीफन बी अलेक्जेंडर ने सीयेना कोर्पोरेशन में किया था।[18][19]

अन्य तरंग दैर्ध्य सीमाओं के लिए डोपेड फाइबर प्रवर्धकों

रूरल डोपेड फाइबर प्रवर्धकों का उपयोग एस बैंड (1450-1490 नैनोमीटर) और प्रासेओडाईमियम डोपेड प्रवर्धकों में 1300 नैनोमीटर क्षेत्र में किया गया है। चूंकि, उन क्षेत्रों ने अब तक कोई महत्वपूर्ण व्यावसायिक उपयोग नहीं देखा है और इसलिए उन प्रवर्धकों ने ईडीएफए के रूप में अधिक विकास का विषय नहीं किया है। चूंकि, यिट्टेरबियम डोपेड फाइबर लेजर और प्रवर्धकों, 1 माइक्रोमीटर तरंग दैर्ध्य के पास काम कर रहे हैं, सामग्री के औद्योगिक प्रसंस्करण में कई अनुप्रयोग हैं, क्योंकि इन उपकरणों को अत्यधिक उच्च आउटपुट शक्ति (दसियों किलोवाट) के साथ बनाया जाता है।

अर्धचालक ऑप्टिकल प्रवर्धक

अर्धचालक ऑप्टिकल प्रवर्धकों (एसओए) प्रवर्धकों हैं जो लाभ माध्यम प्रदान करने के लिए अर्धचालक का उपयोग करते हैं।[20] इन प्रवर्धकों में फैब्री-पेरोट लेजर डायोड के लिए समान संरचना होती है, किन्तु अंत चरणों पर एंटी-रिफ्लेक्शन डिज़ाइन तत्वों के साथ इसकी संरचना भिन्न होती हैं। हाल के डिजाइनों में एंटी-रिफ्लेक्टिव कोटिंग्स और टिल्टेड तरंग मार्गदर्शिका और विंडो क्षेत्र सम्मलित हैं जो अंत चेहरे के प्रतिबिंब को 0.001%से कम कर सकते हैं। चूंकि यह केबल से शक्ति का हानि उत्पन्न करता है जो कि लाभ से अधिक है, यह प्रवर्धक को लेजर के रूप में कार्य करने से रोकता है। एक अन्य प्रकार के SOA में दो क्षेत्र होते हैं। इसके एक भाग में फैब्री-पेरोट लेजर डायोड की संरचना होती है और दूसरे में आउटपुट पहलू पर विद्युत घनत्व को कम करने के लिए पतला ज्यामिति होती है।

अर्धचालक ऑप्टिकल प्रवर्धकों को सामान्यतः समूह III-V यौगिक अर्धचालक जैसे जीएएएस/एलगास, इनीडियम फासफाइड/इनगास, इनीडियम फासफाइड/इनगासपी और इनीडियम फासफाइड/इनएलगास से बनाया जाता है, चूंकि II-VI जैसे किसी भी प्रत्यक्ष बैंड गैप अर्धचालक का उपयोग किया जाता है। इस प्रकार के प्रवर्धकों का उपयोग प्रायः फाइबर-पिगेटेड घटकों के रूप में दूरसंचार प्रणालियों में किया जाता है, जो 850 नैनोमीटर और 1600 नैनोमीटर के बीच संकेत वेवलेंथ पर काम कर रहा है और 30 DB तक का लाभ उत्पन्न करता है।

अर्धचालक ऑप्टिकल प्रवर्धक छोटे आकार और विद्युत रूप से पंप किया जाता है। यह ईडीएफए की तुलना में संभावित रूप से कम महंगा होता है और इसे अर्धचालक लेजर, मॉड्यूलेटर आदि के साथ एकीकृत किया जाता है, चूंकि, प्रदर्शन अभी भी ईडीएफए के साथ तुलनीय नहीं है। एसओए में उच्च ध्वनि, कम लाभ, मध्यम ध्रुवीकरण निर्भरता और तेजी से क्षणिक समय के साथ उच्च नॉनलाइनर ऑप्टिक्सिटी है। SOA का मुख्य लाभ यह है कि सभी चार प्रकार के नानलीनियर संचालन (क्रॉस गेन मॉड्यूलेशन, क्रॉस चरण मॉड्यूलेशन, तरंग दैर्ध्य रूपांतरण और चार तरंग मिश्रण) आयोजित किए जा सकते हैं। इसके अतिरिक्त, SOA को कम शक्ति लेजर के साथ चलाया जाता है।[21] यह लघु नैनोसेकंड या कम ऊपरी स्थिति जीवनकाल से उत्पन्न होता है, जिससे कि लाभ पंप या संकेत शक्ति के परिवर्तन के लिए तेजी से प्रतिक्रिया करता है और लाभ के परिवर्तन भी चरण परिवर्तन का कारण बनते हैं जो संकेतों को विकृत कर सकते हैं। यह नानलीनियरिटी ऑप्टिकल संचार अनुप्रयोगों के लिए सबसे गंभीर समस्या प्रस्तुत करता है। चूंकि यह ईडीएफए से विभिन्न तरंग दैर्ध्य क्षेत्रों में लाभ की संभावना प्रदान करता है। लाभ-क्लैंपिंग विधिों का उपयोग करके रैखिक ऑप्टिकल प्रवर्धकों को विकसित किया गया है।

उच्च ऑप्टिकल नानलीनियरिटी ऑल-ऑप्टिकल स्विचिंग और तरंग दैर्ध्य रूपांतरण जैसे सभी ऑप्टिकल संकेत प्रोसेसिंग के लिए अर्धचालक प्रवर्धकों को आकर्षक बनाता है। अर्धचालक ऑप्टिकल प्रवर्धकों पर ऑप्टिकल संकेत प्रोसेसिंग, तरंग दैर्ध्य रूपांतरण, घड़ी वसूली, संकेत डेमल्टिप्लेक्सिंग और पैटर्न मान्यता के लिए तत्वों के रूप में बहुत शोध किया गया है।

ऊर्ध्वाधर-केबल SOA

SOA परिवार के लिए हालिया जोड़ ऊर्ध्वाधर-केबल SOA (VCSOA) है। ये उपकरण संरचना में समान हैं, और कई विशेषताओं के साथ, ऊर्ध्वाधर-कैविटी सतह-उत्सर्जक लेज़रों (vcsels) के साथ साझा करते हैं। VCSOAs और VCSELs की तुलना करते समय प्रमुख अंतर प्रवर्धक केबल में उपयोग किए जाने वाले कम दर्पण परावर्तकता है। VCSOAs के साथ, उपकरण को लासिंग के प्रारंभ तक पहुंचने से रोकने के लिए कम प्रतिक्रिया आवश्यक है। बहुत कम केबल की लंबाई, और इसी प्रकार के पतले लाभ के माध्यम से, ये उपकरण बहुत कम एकल-पास लाभ (सामान्यतः कुछ प्रतिशत के क्रम पर) और बहुत बड़ी मुक्त वर्णक्रमीय सीमा (एफएसआर) का प्रदर्शन करते हैं। छोटे एकल-पास लाभ को कुल संकेत लाभ को बढ़ावा देने के लिए अपेक्षाकृत उच्च दर्पण परावर्तन की आवश्यकता होती है। कुल संकेत लाभ को बढ़ावा देने के अतिरिक्त, दोलित्र केबल संरचना के उपयोग के परिणामस्वरूप बहुत ही संकीर्ण लाभ बैंडविड्थ होता है,ऑप्टिकल केबल के बड़े एफएसआर के साथ युग्मित, यह प्रभावी रूप से वीसीएसओए के संचालन को एकल-चैनल प्रवर्धन तक सीमित करता है। इस प्रकार, VCSOA को एम्पलीफाइंग फिल्टर के रूप में देखा जाता है।

उनके ऊर्ध्वाधर-कैविटी ज्यामिति को देखते हुए, VCSOAs दोलित्र केबल ऑप्टिकल प्रवर्धकों हैं जो इनपुट/आउटपुट संकेत के साथ काम करते हैं जो वेफर सतह पर सामान्य रूप से प्रवेश करते हैं। उनके छोटे आकार के अतिरिक्त, वीसीएसओएएस की सतह के सामान्य संचालन से कई लाभ होते हैं, जिनमें कम विद्युत की खपत, कम ध्वनि आकृति, ध्रुवीकरण असंवेदनशील लाभ, और एकल अर्धचालक चिप पर उच्च भरण कारक दो-आयामी सरणियों को गढ़ने की क्षमता सम्मलित है। ये उपकरण अभी भी अनुसंधान के प्रारंभिक चरणों में हैं, चूंकि आशाजनक प्रस्तावनाकर्ता परिणामों का प्रदर्शन किया गया है। VCSOA प्रौद्योगिकी के लिए और विस्तार वेवलेंथ ट्यून करने योग्य उपकरणों का प्रदर्शन है। ये MEMS-ट्यूनेबल वर्टिकल-कैविटी SOAs प्रवर्धक के पीक गेन वेवलेंथ के व्यापक और निरंतर ट्यूनिंग के लिए माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिक प्रणाली (माइक्रो विद्युत यांत्रिकी प्रणाली) आधारित ट्यूनिंग तंत्र का उपयोग करते हैं।[22] SOAs में अधिक तेजी से लाभ प्रतिक्रिया होती है, जो 1 से 100 PS के क्रम में है।

टेप किए गए प्रवर्धकों

उच्च आउटपुट शक्ति और व्यापक तरंग दैर्ध्य रेंज के लिए, टेप किए गए प्रवर्धकों का उपयोग किया जाता है। इन प्रवर्धकों में पार्श्व एकल-मोड अनुभाग और पतला संरचना के साथ खंड होता है, जहां लेजर प्रकाश को प्रवर्धित किया जाता है। इस प्रकार की संरचना आउटपुट पहलू के रूप में विद्युत घनत्व में कमी करती है।

विशिष्ट पैरामीटर:[23]

  • तरंग दैर्ध्य रेंज: 633 से 1480 एनएम
  • इनपुट शक्ति: 10 से 50 MW
  • आउटपुट शक्ति: 3 डब्ल्यू तक

रमन प्रवर्धक

Main article: रमन प्रर्वधक

किसी रमन प्रवर्धक में, संकेत रमन प्रवर्धन द्वारा तीव्र होता है। ईडीएफए और SOA के विपरीत प्रवर्धन प्रभाव संकेत और ऑप्टिकल फाइबर के भीतर पंप लेजर के बीच नॉनलाइनियर इंटरैक्शन द्वारा प्राप्त किया जाता है। रमन प्रवर्धक के दो प्रकार हैं: वितरित और प्रर्वधक। वितरित रमन प्रवर्धक वह है जिसमें फाइबर स्थानांतरण का उपयोग संकेत तरंग दैर्ध्य के साथ पंप तरंग दैर्ध्य को गुणा करके लाभ के माध्यम के रूप में किया जाता है, जबकि प्रर्वधक वाला रमन प्रवर्धक प्रवर्धन प्रदान करने के लिए फाइबर की समर्पित, छोटी लंबाई का उपयोग करता है। एक प्रर्वधक वाले रमन प्रवर्धक के स्थिति में, छोटे कोर के साथ अत्यधिक नॉनलाइनियर फाइबर का उपयोग संकेत और पंप तरंग दैर्ध्य के बीच संचारण को बढ़ाने के लिए किया जाता है और इस प्रकार आवश्यक फाइबर की लंबाई कम हो जाता है।

पंप प्रकाश को उसी दिशा में फाइबर स्थानांतरण में जोड़ा जाता है, जैसा कि संकेत (सह-दिशात्मक पंपिंग), विपरीत दिशा (कंट्रा-दिशात्मक पंपिंग) या दोनों में कॉन्ट्रा-दिशात्मक पंपिंग अधिक सामान्य है क्योंकि पंप से संकेत में ध्वनि का हस्तांतरण कम हो जाता है।

रमन प्रवर्धन के लिए आवश्यक पंप शक्ति ईडीएफए द्वारा आवश्यक से अधिक है, जिसमें 500 से अधिक है, वितरित प्रवर्धक में लाभ के उपयोगी स्तर प्राप्त करने के लिए MW की आवश्यकता होती है। प्रर्वधक वाले प्रवर्धकों, जहां उच्च ऑप्टिकल शक्तियों के सुरक्षा निहितार्थ से बचने के लिए पंप प्रकाश को सुरक्षित रूप से समाहित किया जाता है, ऑप्टिकल शक्ति के 1 डब्ल्यू से अधिक का उपयोग कर सकते हैं।

रमन प्रवर्धन का प्रमुख लाभ फाइबर स्थानांतरण के भीतर वितरित प्रवर्धन प्रदान करने की क्षमता है, जिससे प्रवर्धक और संकेत पुनर्जनन साइटों के बीच स्पैन की लंबाई बढ़ जाती है। रमन प्रवर्धकों के प्रवर्धन बैंडविड्थ को उपयोग किए गए पंप तरंग दैर्ध्य द्वारा परिभाषित किया गया है और इसलिए प्रवर्धन को व्यापक रूप से प्रदान किया जाता है, और अलग -अलग, अन्य प्रवर्धक प्रकारों के साथ संभव हो सकते हैं जो कि प्रवर्धन 'विंडो' को परिभाषित करने के लिए डोपेंट और उपकरण डिजाइन पर विश्वास करते हैं।

रमन प्रवर्धकों के कुछ मौलिक लाभ हैं। सबसे पहले, रमन गेन हर फाइबर में सम्मलित है, जो टर्मिनल छोरों से अपग्रेड करने का लागत प्रभावी साधन प्रदान करता है। इसका दूसरा लाभ नॉनसोनेंट है, जिसका अर्थ है कि लाभ फाइबर के पूरे पारदर्शिता क्षेत्र में लगभग 0.3 से 2 माइक्रोन तक उपलब्ध होता है। रमन प्रवर्धकों का तीसरा लाभ यह है कि लाभ स्पेक्ट्रम को पंप तरंग दैर्ध्य को समायोजित करके सिलवाया जाता है। उदाहरण के लिए, ऑप्टिकल बैंडविड्थ को बढ़ाने के लिए कई पंप लाइनों का उपयोग किया जाता है, और पंप वितरण लाभ फ्लैटनेस को निर्धारित करता है। रमन प्रवर्धन का और लाभ यह है कि यह बैंडविड्थ 5 टीएचजेड से अधिक होने के साथ अपेक्षाकृत व्यापक-बैंड प्रवर्धक है और लाभ विस्तृत तरंग दैर्ध्य सीमा पर यथोचित सपाट है।[24] चूंकि, रमन प्रवर्धकों के लिए कई चुनौतियों ने उनके पहले गोद लेने को रोका था। सबसे पहले, ईडीएफए की तुलना में, रमन प्रवर्धकों में कम संकेत शक्तियों में अपेक्षाकृत खराब पंपिंग दक्षता होती है। चूंकि हानि, पंप दक्षता की यह कमी भी रमन प्रवर्धकों में क्लैम्पिंग को आसान बनाती है। दूसरा, रमन प्रवर्धकों को लंबे समय तक फाइबर की आवश्यकता होती है। चूंकि, इस हानि को ही फाइबर में लाभ और फैलाव मुआवजे के संयोजन से कम किया जाता है। रमन प्रवर्धकों का तीसरा हानि तेज़ प्रतिक्रिया समय है, जो ध्वनि के नए स्रोतों को जन्म देता है, जैसा कि नीचे चर्चा की गई है। अंत में, डब्ल्यूडीएम संकेत चैनलों के लिए प्रवर्धक में नॉनलाइनर पेनल्टी की चिंताएं व्यक्त की हैं।[24]

नोट: इस लेख के पहले संस्करण का पाठ सार्वजनिक डोमेन संघीय मानक 1037C से लिया गया था।

ऑप्टिकल पैरामीट्रिक प्रवर्धक

एक ऑप्टिकल पैरामीट्रिक प्रवर्धक नानलीनियर माध्यम में कमजोर संकेत-इम्पल्स के प्रवर्धन की अनुमति देता है जैसे कि केन्द्राप्रक्षता नॉनलाइनियर माध्यम (जैसे बीटा बेरियम बोरेट (बीबीओ)) या यहां तक कि केर प्रभाव के माध्यम से मानक फ्यूज्ड सिलिका ऑप्टिकल फाइबर में पहले से उल्लिखित प्रवर्धकों के विपरीत, जो अधिकतम दूरसंचार वातावरण में उपयोग किए जाते हैं, इस प्रकार ने अल्ट्राफास्ट ठोस स्थिति के लेज़रों (जैसे टीआई-सैफायर लेजर या टीआई) की आवृत्ति ट्यूनबिलिटी का विस्तार करने में अपना मुख्य अनुप्रयोग पाया था। एक समरेख इंटरैक्शन ज्यामिति ऑप्टिकल पैरामीट्रिक प्रवर्धकों का उपयोग करके बहुत व्यापक प्रवर्धन बैंडविड्थ्स में सक्षम हैं।

हाल की उपलब्धियां

एक औद्योगिक सामग्री प्रसंस्करण उपकरण के रूप में उच्च शक्ति फाइबर लेजर को अपनाना कई वर्षों से जारी है और अब चिकित्सा और वैज्ञानिक बाजारों सहित अन्य बाजारों में विस्तार हो रहा है। वैज्ञानिक बाजार में प्रवेश को सक्षम करने वाली प्रमुख वृद्धि उच्च चालाकी फाइबर प्रवर्धकों में सुधार रही है, जो अब उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता और स्थिर रैखिक ध्रुवीकृत आउटपुट के साथ एकल आवृत्ति लाइनविड्स (<5 kHz) देने में सक्षम हैं। इन विनिर्देशों को पूरा करने वाले प्रणाली पिछले कुछ वर्षों में आउटपुट शक्ति के कुछ वाट से निरंतर आगे बढ़े हैं, प्रारंभ में वाट्स के दसियों और अब सैकड़ों वाट्स शक्ति लेवल में करने के लिए उपयोग किये जाते हैं। यह शक्ति स्केलिंग फाइबर विधि में विकास के साथ प्राप्त की गई है, जैसे कि फाइबर के भीतर उत्तेजित ब्रिलौइन बिखरना (एसबीएस) दमन/शमन विधि को अपनाना, साथ ही साथ बड़े मोड क्षेत्र (एलएमए) फाइबर सहित समग्र प्रवर्धक डिजाइन में सुधारकम एपर्चर कोर,[25] सूक्ष्म संरचित रॉड-प्रकार फाइबर [26][27] पेचदार कोर,[28] या चिरैली-युग्मित कोर फाइबर,[29] और टैप किए गए डबल-क्लैड फाइबर (टी-डीसीएफ) इत्यादि।[30] उच्च चालाकी, उच्च शक्ति और स्पंदित लेजर फाइबर प्रवर्धकों की नवीनतम पीढ़ी अब वाणिज्यिक ठोस-स्थिति एकल आवृत्ति स्रोतों से उपलब्ध होने वाले विद्युत का स्तर प्रदान करती है और उच्च शक्ति के स्तर और स्थिर अनुकूलित प्रदर्शन के परिणामस्वरूप नए वैज्ञानिक अनुप्रयोगों को खोल रही है।[31]

कार्यान्वयन

कई सतत उपकरण हैं जिनका उपयोग ऑप्टिकल प्रवर्धकों को डिजाइन करने के लिए किया जाता है। लोकप्रिय वाणिज्यिक उपकरण आप्टीतरंग प्रणाली और VPI प्रणाली द्वारा विकसित किए गए हैं।

यह भी देखें

संदर्भ

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बाहरी कड़ियाँ

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