מגבר אופטי – הבדלי גרסאות

{{פיזיוויקי}}

'''מגבר אופטי''' הוא התקן להגברת [[אות (סיגנל)|אות]] אופטי קבוע או [[אפנון|מאופנן]], ומשמש בעיקר ב[[תקשורת אופטית]] המבוססת על [[סיבים אופטיים]]. המגבר האופטי מבוסס בעיקרו על העיקרון [[מכניקת הקוונטים|הקוונטי]] של [[פליטה מאולצת|הפליטה המאולצת]]. קיימות שיטות שונות לבניית מגבר אופטי (פירוט בהמשך) אך כולן עושות שימוש בתווך מגביר, תווך בו אנרגית המערכת גבוהה מרמת היסוד ו[[אלקטרון|אלקטרונים]] נמצאים ב[[רמת אנרגיה]] גבוהה. העלאת האלקטרונים לרמה הגבוהה נעשית על ידי "שאיבה אופטית" או "שאיבה חשמלית". האות האופטי עצמו העובר בתווך זה ומתאים להפרש רמות האנרגיה של המערכת מאלץ את המערכת לרדת לרמת האנרגיה הנמוכה תוך כדי פליטת [[פוטון|פוטונים]] נוספים ב[[אורך גל|אורך הגל]] של האות, העוקבים אחר האות עצמו.

היתרון העיקרי של המגבר האופטי הוא שאין צורך להפוך את האות לחשמלי, וההגבר נעשה על האות האופטי עצמו. מגברים אופטים הם חלק מהותי במערכות [[תקשורת אופטית]] ובמערכות [[לייזר|לייזרים]].

 

מגבר מסוג ('''EDFA''' ('''Erbium Doped Fiber Amplifier''' הינו מגבר המבוסס על סיב אופטי [[זיהום (חשמל)|מאולח]] ב[[יון|יוני]] [[ארביום]] Er⁺³. בחומר זה, ניתן להעלות אלקטרונים לרמה אנרגטית גבוהה על ידי שאיבה אופטית באורך גל של 980 ננו-מטר או שאיבה באורך גל של 1480 ננו-מטר. זמן החיים ברמה העליונה הוא כ-7 מיקרו-שניות, ולאחריו האלקטרונים יורדים במעבר לא קרינתי לרמת אנרגיה נמוכה יותר, שהמרחק ממנה לרמת היסוד מתאים לאורכי גל סביב 1550 ננו-מטר, המשמשים בתקשורת אופטית.

מכיוון שכל פוטון מהגל השואב יכול לגרום לפליטה של פוטון בודד באורך הגל של האות, ומכיוון שהאנרגיה של פוטון תלויה ביחס הפוך לאורך הגל שלו, [[נצילות אנרגיה|נצילות האנרגיה]] תהיה גבוהה יותר אם השאיבה תתבצע באורך גל של 1480 ננומטר:<div style="text-align: center;">

כאשר <math>{\textstyle}\lambda_p, \lambda_s</math> הם אורכי הגל של האות ושל השאיבה בהתאמה.

בתחילה השתמשו באורך גל של 1480 ננומטר על-מנת לקבל נצילות גבוהה יותר, אולם כיום עיקר השימוש הוא דווקא ב-980 ננומטר מכיוון שבאורך גל זה ניתן לייצר לייזרים עוצמתיים בעלות זולה. (כמובן שנצילות זו היא תאורטית בלבד, בפועל לא כל פוטון מהגל השואב יגרום ליצירת פוטון של אות. בפועל מקבלים נצילות של כ-60% עבור שאיבה ב-1480 ננומטר וכ-50% עבור שאיבה ב-980 ננומטר).

על-מנת שלא ייווצר [[מהוד אופטי|מהוד]] בתוך המגבר (דבר שעלול ליצור הגברה לפוטונים שמקורם ב[[פליטה ספונטנית]] ולא לאות אותו אנו רוצים להגביר), מחברים בכניסת וביציאת המגבר '''איזולטור אופטי'''‏‏<ref>‏רכיב המאפשר מעבר אור בצורה חד-כיוונית, בדומה ל[[דיודה]] עבור [[זרם חשמלי]].‏</ref>. את הלייזר השואב ואת האות מחברים לתוך המגבר בעזרת '''[[מצמד סיבים אופטיים]]''' מסוג '''[[WDM]]'''. את הלייזר השואב ניתן לחבר בכניסת המגבר ('''שאיבה קדמית''') או ביציאת המגבר ('''שאיבה אחורית''').

נסמן ב-s את הפרמטרים הקשורים לאות, וב-p את הפרמטרים השייכים לשאיבה. <math>{\textstyle}\Phi</math> מייצג את [[שטף]] הפוטונים, <math>{\textstyle}\sigma</math> את [[חתך פעולה|חתך הפעולה]], <math>{\textstyle}N_i</math> את מספר האלקטרונים ברמה <math>{\textstyle}i</math>, והפרמטר <math>{\textstyle}A_{ij}</math> את קצב המעבר מרמה <math>{\textstyle}i</math> לרמה <math>{\textstyle}j</math> (יחס הפוך לזמן החיים ברמה), ונקבל את ה[[משוואה דיפרנציאלית|משוואות הדיפרנציאליות]]:<br />

 

|<div style="direction: ltr;"><math>\frac{dN_3}{dt}=-A_{32}N_3-(N_3-N_1)\sigma_p\Phi_p</math></div>

|}

 

כדי למצוא את היפוך האוכלוסין, <math>{\textstyle}\Delta=N_2-N_1</math>, נציב את התנאי למצב יציב: <math>\frac{dN_i}{dt}=0</math>, ונזניח את <math>{\textstyle}N_3</math> (זמן החיים ברמה 3 הוא קצר מאוד). מספר האלקטרונים הכולל יהיה: <math>{\textstyle}N=N_1+N_2</math>, ובסופו של דבר נקבל:<br /> <div style="text-align: center;">

|}

 

נכתוב מחדש את המשוואה הראשונה:<br />

<math>\frac{P_{out}}{P_{in}}=G=G_0\cdot\exp\left[-\frac{G-1}{G}\cdot\frac{P_{out}}{P_{sat}}\right]=G_0\cdot\exp\left[(1-G)\cdot\frac{P_{in}}{P_{sat}}\right]</math>

</div><br />

בדומה למגבר סיב מאולח ארביום, ישנם מגברים המבוססים על סיבים מאולחים בחומרים שונים. משוואות הקצב וההגבר עבור מגברים אלו זהים למשוואות עבור מגבר EDFA, וההבדלים הם בפרמטרים התלויים בחומר, כגון אורך הגל השואב/הנפלט וזמני החיים ברמות השונות. נסקור בקצרה מספר מגברים:

* '''מגבר סיב מאולח [[תוליום]]:''' מתאים לאורכי גל של 1450-1490 ננומטר ([[תקשורת אופטית#תחומי אורכי הגל|S-band]]).

:בשני סוגים אלו כמעט ואין היום שימוש.

* '''מגבר סיב מאולח [[איטרביום]]:''' מתאים לאורך גל של כ-1 מיקרון ויכול להגיע לעוצמות של עשרות [[קילוואט|קילוואטים]], משמש רבות בתעשיית חומרים.

'''מגבר ראמאן''' מבוסס על אפקט [[פיזור ראמאן]] מאולץ, ויתרונו הגדול הוא שניתן להשתמש בסיבים קיימים על-מנת להגביר את האות. פיזור ראמאן הוא פיזור לא אלסטי של אור מ[[חומר]], כך של[[פוטון|פוטונים]] המפוזרים יש אורך גל שונה מהפוטונים הפוגעים. הסיכוי לפיזור ראמאן בצורה ספונטנית הוא קטן מאוד, פוטון אחד מפוזר על כל 10 מיליון פוטונים פוגעים, אולם כאשר יש הרבה פוטונים באורך הגל המפוזר, ובאותו [[קיטוב]], הסיכוי גדל בצורה משמעותית ונקבל '''פיזור ראמאן מאולץ''' (עבור קיטוב שונה האפקט קטן פי 10-20). בנוסף, עבור [[סיליקה]] (החומר ממנו בנויים רוב הסיבים האופטיים) האפקט גדול יותר כאשר החומר מזוהם ב[[גרמניום]], דבר הקיים בכל מקרה בליבת הסיבים האופטיים על מנת להגדיל את [[מקדם שבירה|מקדם השבירה]]. <br />

הפרש התדרים בין הפוטונים הפוגעים לפוטונים המפוזרים הוא קבוע, ועבור סיליקה הוא: <math>\textstyle\Delta\nu=13.2THz</math>, אולם ההפרש בין אורכי הגל אינו קבוע, ונתון על ידי הנוסחא:<br /> <div style="text-align: center;">

כאשר <math>\textstyle c</math> היא מהירות האור, <math>\textstyle\nu</math> הוא התדר ו-<math>\textstyle\lambda</math> הוא אורך הגל.<br />

כדי להשתמש בפיזור ראמאן מאולץ לצורך הגברה, בדומה למגבר EDFA, צריך לבצע "שאיבה אופטית". אורך הגל של השאיבה צריך להיות כזה שפיזור ראמאן ממנו יתאים לאורך הגל של האות, וכך נקבל פיזור מאולץ שעוקב אחר אות הכניסה. לדוגמה, עבור אורך גל של <math>\textstyle\lambda_s=1.5\mu m</math>, המשמש ב[[תקשורת אופטית]], נקבל <math>\textstyle\Delta\lambda\simeq100nm</math>, כלומר השאיבה צריכה להתבצע באורך גל של <math>\textstyle\lambda_p=1.4\mu m</math>.

כפי שהוזכר, הסיב בו מתבצע ההגבר הוא סיב רגיל ואורכו יכול להיות עשרות קילומטרים ואפילו יותר. גם כאן, בדומה למגבר EDFA, צריך להכניס את האות ואת הלייזר השואב לתוך הסיב בעזרת מצמד מסוג WDM, כאשר השאיבה יכולה להיות קדמית או אחורית. בשונה ממגבר EDFA, אין צורך לשים איזולוטרים בכניסה ובמוצא, מכיוון שההגבר מתרחש על-פני מספר קילומטרים ולכן אין סיכוי להגברה של פליטה ספונטנית. מכיוון שאפקט ההגברה קטן מאוד אם קיטוב האות שונה מקיטוב הגל השואב, השאיבה צריכה להתבצע באור לא מקוטב ולכן צריך להרוס את הקיטוב של הלייזר (האור הנפלט מדיודת לייזר הוא מקוטב). ישנם מספר דרכים להרוס קיטוב, אבל הדרך היעילה ביותר מתבססת על שני לייזרים עם קיטובים ניצבים. בנוסף, בשביל להגביר את כל הספקטרום המשמש לתקשורת אופטית, יש צורך לשאוב בספקטרום רחב, ולכן צריך להשתמש במספר לייזרים עם אורכי גל שונים, ועובר כל אורך גל צריך שני לייזרים כדי להרוס את הקיטוב (בדרך-כלל דרושים 6 לייזרים לצורך מגבר ראמאן המשמש לתקשורת אופטית).

=== משוואות קצב ונוסחאות הגבר===

בתחום ה[[תקשורת אופטית|תקשורת האופטית]] מקבלים בדרך-כלל: <math>\ g_R\approx 1[W^{-1}km^{-1}] </math>.

 

מגבר מסוג '''Semiconductor Optical Amplifier''') '''SOA''') הוא מגבר אופטי הבנוי על שבב [[מוליך למחצה]] (בדרך כלל [[סיליקון]]) אשר יוצרים עליו [[גלבו|מוליך גל]] בעזרת [[פוטוליתוגרפיה|ליתוגרפיה אופטית]], בדומה ל[[דיודת לייזר]]. בניגוד לדיודת לייזר, כדי ליצור מגבר אנו רוצים להימנע מיצירת [[מהוד אופטי|מהוד]] ולכן ההחזרים צריכים להיות קטנים כך ש-R<1.7*10^-4. כדי להקטין את ההחזרות מצפים את קצה השבב ב[[ציפוי אנטי מחזיר]] ([http://en.wikipedia.org/wiki/AR_coating אנ']) ובנוסף יוצרים את מוליך הגל בצורה אלכסונית על שבב הסיליקון, כך ש[[משוואות פרנל|החזרת פרנל]] מהקצוות תהיה קטנה. דרך אפשרית נוספת היא להשאיר מרחק קטן בין מוליך הגל לבין קצה השבב. בצורה כזאת, ביציאה ממוליך הגל אלומת האור תתרחב, וכאשר האור יוחזר מקצה השבב רובו לא יכנס בחזרה אל תוך מוליך הגל. <br />היתרון במגברים מסוג זה הוא העובדה שהם מיוצרים בצורה דומה מאוד ליצירת דיודות לייזר, ולכן ניתן לייצר מגבר המתאים לכל אורך גל הנפלט מדיודת לייזר. בנוסף, המגבר הוא [[רוחב סרט|רחב סרט]] יחסית בדומה ל[[דיודה פולטת אור]] (LED) (בלייזר רוחב הסרט צר יותר בגלל המהוד).<br />

החיסרון במגבר זה הוא העובדה שהוא פועל רק בכיוון [[קיטוב]] אחד, ולכן צריך לדאוג שהאור הנכנס לתוך המגבר הוא מקוטב.

השאיבה במקרה זה היא שאיבה חשמלית ולא אופטית, וההגברה נקבעת לפי ה[[זרם חשמלי|זרם]] המוזרם למגבר.

 

{| class=wikitable

|-

|}

 

* [[מגבר]]

* [[ספרת רעש]]

* מקור רעש [[ASE]]

 

<references/>