Un amplificatore ottico è un particolare tipo di amplificatore che amplifica direttamente un segnale ottico senza che sia necessario convertirlo in un segnale elettrico come invece avviene in un classico rigeneratore o ripetitore del segnale.
In linea di massima si può pensare un amplificatore ottico come un laser senza la cavità ottica o il cui feedback ottico sia stato soppresso: l'emissione stimolata nel mezzo attivo dell'amplificatore, generata da un segnale di pompa, causa l'amplificazione della luce che lo attraversa.
Gli amplificatori ottici sono estremamente importanti nelle comunicazioni ottiche, considerati a tutti gli effetti una vera e propria rivoluzione avendo sostituito nella rete di trasporto ottica in fibra ottica, per le funzioni di amplificazione, i rigeneratori ottici molto più costosi e ingombranti, e nella fisica dei laser.
Parametri di un amplificatore ottico I fattori che definiscono le caratteristiche di un amplificatore ottico e spesso anche i suoi fattori di merito sono: Tipo di pompaggio (elettrico o ottico); Guadagno G e suo spettro; Distorsione e suo spettro; Rumore ottico; Costo.
Amplificatori laser Quasi ogni mezzo attivo di un laser può essere pompato al fine di ottenere guadagno per la luce alla lunghezza d'onda di un laser fatto dello stesso materiale del suo mezzo attivo. Tali amplificatori sono comunemente usati per produrre sistemi laser ad alta potenza. Tipi speciali come gli amplificatori rigenerativi o gli amplificatori ad impulsi chirpati sono utilizzati per amplificare impulsi ultra-corti.
Amplificatori in fibra drogata
Gli amplificatori in fibra drogata (DFA) sono amplificatori ottici che usano direttamente un tratto di fibra ottica drogata di lunghezza L come mezzo attivo per l'amplificazione di un segnale ottico. Il segnale utile che si vuole amplificare ed un segnale ottico di pompa vengono multiplati in una fibra drogata ed il segnale ottico utile risulta amplificato per effetto dell'emissione stimolata di fotoni grazie all'interazione del segnale ottico di pompa con gli ioni del drogante.
Il segnale ottico di pompa eccita infatti gli elettroni del drogante e li porta in uno stato a più alta energia (inversione di popolazione) da cui essi possono decadere in uno stato ad energia inferiore mediante l'emissione stimolata di un fotone. Generalmente i livelli di energia coinvolti formano un sistema a tre o quattro livelli e quindi includono transizioni non radiative dal livello a massima a quello a minima energia e viceversa.
La finestra di amplificazione di un amplificatore ottico (o finestra di guadagno) ovvero il range di lunghezze d'onda per cui l'amplificatore mostra un guadagno sfruttabile, dipende dal tipo di ioni di drogante impiegati, dalla struttura vetrosa della fibra ottica e dalla lunghezza d'onda del segnale di pompa impiegato. Il guadagno di un amplificatore ottico dipende anche dalla intensità locale del raggio in ogni punto all'interno dell'amplificatore.
Nonostante le transizioni elettroniche di un singolo ione siano ben definite, quando gli ioni vengono inseriti nel vetro della fibra ottica si verifica un allargamento dei livelli energetici e di conseguenza si allarga anche la finestra di lunghezze d'onda che possono essere amplificate. Questo allargamento ha una componente omogenea ed una eterogenea, il che comporta uno spettro di guadagno non uniforme su tutte le lunghezze d'onda e dunque una possibile fonte di distorsione di ampiezza.
L'ampia larghezza spettrale del guadagno degli amplificatori in fibra li rende particolarmente adatti nei sistemi di comunicazione ottici multiplati in lunghezza d'onda (WDM), poiché un singolo amplificatore è in grado di amplificare tutti i segnali che viaggiano in fibra sulle portanti ottiche differenti.
Rumore ottico La principale fonte di rumore in un DFA, che è un rumore di tipo ottico e non di tipo elettrico ovvero fotoni spuri, è l'emissione spontanea amplificata (ASE) e che presenta uno spettro simile allo spettro di guadagno dell'amplificatore.
Oltre a decadere per emissione stimolata, gli elettroni negli stati a maggiore energia possono infatti decadere anche per emissione spontanea, la cui probabilità è stocastica e dipende dalla struttura della fibra e dal livello di inversione di popolazione. I fotoni sono emessi spontaneamente in tutte le direzioni, ma una parte di questi viene emessa in una direzione che cade all'interno dell'apertura numerica della fibra e quindi viene catturata e guidata lungo la fibra stessa. Questi fotoni catturati possono successivamente interagire con altri ioni di drogante, venendo così amplificati per emissione spontanea. L'iniziale emissione spontanea è quindi amplificata al pari dei segnali utili, da cui deriva il termine di emissione spontanea amplificata.
L'ASE è emesso dall'amplificatore sia nella direzione di copropagante che contropropagante, ma solo l'ASE copropagante è un problema diretto per la resa del sistema, dal momento che propaga insieme al segnale fino al ricevitore degradando le prestazioni. Questi fotoni spuri non hanno infatti la stessa frequenza e la stessa coerenza di fase di quelli del segnale ottico utile e pertanto non contribuiscono alla potenza di segnale utile bensì solo al disturbo in fase di rilevazione dell'intera potenza ottica in fibra tramite fotorilevatore, che è tipicamente un dispositivo optoelettronico a banda larga rispetto al segnale utile, generando appunto un rumore cioè degradazione della qualità del segnale utile o abbassamento del rapporto segnale/rumore. Tuttavia anche l'ASE contropropagante può portare ad un degrado delle prestazioni poiché può portare ad uno svuotamento del livello di inversione di popolazione e quindi indurre una riduzione del guadagno dell'amplificatore.
La cifra di rumore per un DFA ideale è di almeno 3 dB, mentre amplificatori ottici reali possono presentare cifre di rumore anche di circa 6-8 dB.
Saturazione del guadagno Il guadagno in un DFA è ottenuto grazie all'inversione di popolazione degli ioni di drogante. Il livello di inversione di un DFA è determinato principalmente dalla potenza del segnale di pompa e dalla potenza dei segnali amplificati. All'aumentare della potenza dei segnali, o al diminuire la potenza di pompa, il livello di inversione, e quindi il guadagno dell'amplificatore, si riduce. Questo effetto è noto come saturazione o compressione del guadagno. All'aumentare del livello di segnale, l'amplificatore satura e non è più in grado di produrre maggiore potenza di uscita, comportando una riduzione del guadagno.
Per ottenere prestazioni di rumore ottimali, i DFA vengono fatti lavorare in regime di lieve saturazione, poiché questo consente di ridurre il tasso di emissione spontanea e quindi di ridurre l'ASE
Effetti non omogenei A causa della parte non omogenea dell'allargamento spettrale della riga degli ioni di drogante, lo spettro di guadagno ha una componente non omogenea e la saturazione di guadagno avviene, in piccola parte, in maniera non omogenea. Questo effetto è noto come Spectral Hole Burning (scavatura spettrale), poiché un segnale ad alta potenza ad una specifica lunghezza d'onda, può "scavare un buco" nel guadagno a lunghezze d'onda prossime al segnale, saturando gli ioni legati all'allargamento non omogeneo. La scavatura spettrale varia in larghezza in base alle caratteristiche della fibra ottica in questione, ma di norma vale meno di un nanometro per le lunghezze d'onda inferiori della banda C e pochi nanometri per le lunghezze d'onda superiori in banda C.
Effetti di polarizzazione Nonostante i DFA siano amplificatori essenzialmente indipendenti alla polarizzazione, una piccola parte degli ioni di drogante interagisce preferibilmente con alcune polarizzazioni, determinando una lieve dipendenza dalla polarizzazione stessa (tipicamente < 0.5 dB). La variazione del guadagno dipende essenzialmente dall'allineamento delle polarizzazioni del segnale e della pompa, ossia dal fatto che le due lunghezze d'onda interagiscano con lo stesso sottoinsieme di ioni o meno.
Amplificatori in fibra drogata all'erbio
L'amplificatore in fibra drogata all'erbio (EDFA) è l'amplificatore in fibra più utilizzato, dato che la sua finestra di amplificazione coincide con la terza finestra di trasmissione delle fibre ottiche a base di silice.
Nella terza finestra di trasmissione sono state sviluppate due bande, la Convenzionale, o banda C, che si estende approssimativamente da 1525 nm a 1565 nm e la Lunga, o banda L, all'incirca dai 1570 nm ai 1610 nm. Entrambe queste bande possono essere amplificate per mezzo di EDFA, ma è normale l'utilizzo di amplificatori diversi, ciascuno ottimizzato per una banda.
La differenza principale tra gli amplificatori in banda C e banda L è il fatto che per gli amplificatori in banda L la lunghezza della fibra drogata è superiore. La maggiore lunghezza della fibra consente di usare un livello di inversione inferiore, permettendo di estendere la finestra alle frequenze lunghezze d'onda maggiori (grazie alla struttura chimica dell'Erbio ne silicio) e garantendo nel contempo un buon guadagno.
Negli EDFA si usano comunemente due bande per i segnali di pompa, 980 nm e 1480 nm. La banda a 980 nm presenta una cross section di assorbimento maggiore ed è usata generalmente dove sia richiesto un basso rumore. La banda di assorbimento è piuttosto stretta, quindi tipicamente è necessario che la sorgente laser sia stabilizzata in lunghezza d'onda. La banda a 1480 ha una cross-section di assorbimento più bassa ed è usata di solito in amplificatori di potenza. Solitamente negli amplificatori vengono utilizzate le due bande in combinazione mediante l'impiego di due o più pompe.
L'amplificatore ottico in fibra è stato inventato da HJ Shaw e Michel Digonnet presso la Stanford University, in California, nei primi anni 1980 L'EDFA è stato dimostrato diversi anni dopoMears, R.J. and Reekie, L. and Poole, S.B. and Payne, D.N.: "Low-threshold tunable CW and Q-switched fiber laser operating at 1.55 µm", Electron. Lett., 1986, 22, pp.159-160R.J. Mears, L. Reekie, I.M. Jauncey and D. N. Payne: “Low-noise Erbium-doped fiber amplifier at 1.54pm”, Electron. Lett., 1987, 23, pp.1026–1028 da un gruppo formato da David N. Payne, R. Mears e L. Reekie, presso l'Università di Southampton e da un gruppo degli AT & T Bell Laboratories formato da E. Desurvire, P. Becker e J. SimpsonE. Desurvire, J. Simpson, and P.C. Becker, High-gain erbium-doped traveling-wave fiber amplifier," Optics Letters, vol. 12, No. 11, 1987, pp. 888–890.
Amplificatori in fibra drogata per altri intervalli di lunghezza d'onda
Sono stati utilizzati anche amplificatori in fibra drogata al Tulio per la banda S (1450 nm-1490 nm), amplificatori in fibra drogata al Praseodimio nella regione dei 1300 nm, altri ancora in fibra drogata al neodimio. Tuttavia queste due regioni non hanno mai avuto un elevato successo commerciale e tali amplificatori non hanno conosciuto lo stesso sviluppo avuto dagli EDFA.
Amplificatori ottici a semiconduttore (SOA)
Gli amplificatori ottici a semiconduttore utilizzano un semiconduttore come mezzo attivo ottenendo anche qui l'effetto di amplificazione o guadagno per effetto dell'emissione stimolata grazie però ad un segnale di pompa elettrico che crea inversione di popolazione.