AMPLIFICATORI E LASER
A FIBRA
Introduzione
I recenti sviluppi delle comunicazioni mediante fibre ottiche hanno incentivato la ricerca di
dispositivi che possano supportare efficacemente la trasmissione dei dati a lunga distanza.
In questa direzione si sono sviluppati gli amplificatori e i laser a fibra ottica, le cui principali
applicazioni sono:
amplificazione del segnale, che subisce altrimenti un'inevitabile decadimento qualitativo nelle
trasmissioni a lunga distanza
innalzamento dei livelli di potenza ottica a monte del ricevitore
innalzamento della potenza di base da pochi mWatt alle decine di mWatt
utilizzo di laboratorio per la generazione di impulsi ultra brevi (nell'ordine delle decine di fs).
Concetti basilari
Da un punto di vista logico i laser a fibra si possono vedere come una miniaturizzazione dei laser
allo stato solido. Strutturalmente gli amplificatori a fibra sono costituiti da un materiale per laser
allo stato solido (tipicamente vetro), posto in una fibra il cui nucleo è stato drogato con ioni di una
terra rara (solitamente erbio, ma anche neodimio, tullio, ecc. ecc.) che emette, nel proprio
decadimento laser, fotoni ad una lunghezza d'onda l1.
La fibra è "pompata" da un forte raggio con una lunghezza d'onda molto corta l2 che porta lo ione al
suo livello più alto di eccitazione laser.
Il tipico pompaggio è effettuato attraverso un accoppiatore che combina la luce di pompaggio con il
segnale di ingresso. Quando un segnale debole di lunghezza l1 entra nella fibra esso stimola
l'emissione a l1 degli ioni che sono stati eccitati al livello più alto; a questo livello si verifica
l'amplificazione del debole segnale in ingresso e si ottiene così in uscita un segnale che potrà venire
isolato mediante opportuni filtri ed isolatori ottici dalla luce di pompaggio rimanente.
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Fig. 1
Si può evidenziare che gli amplificatori a fibra possono essere usati per realizzare laser se essi sono
posti in una cavità ottica risonante: infatti l'elevato guadagno caratteristico di tali dispositivi
permette di tollerare notevoli perdite nella cavità.
DESCRIZIONE STRUTTURALE
I laser a fibra e gli amplificatori a fibra sono accomunati strutturalmente alle altre fibre ottiche dal
fatto che hanno un alto indice di rifrazione del nucleo ed un mantello con indice di rifrazione
minore.
Fig. 2
La totale riflessione interna assicura il confinamento della luce. Il diametro del nucleo deve essere
piccolo in maniera tale da garantire la unimodalità del dispositivo (approssimativamente 9
micrometri per la luce a 1300 nm). Il drogante fotoemittente è normalmente una terra rara confinata
nel nucleo della fibra, ad una concentrazione che varia a seconda dell'utilizzo del dispositivo: ad
esempio drogaggi elevati permettono di ottenere fibre amplificatrici molto corte, mentre drogaggi
molto bassi vengono utilizzati per ottenere guadagni appena sufficienti a contrastare le perdite sulla
linea alla lunghezza d'onda del segnale, ottenendo così una linea a perdita zero.
I vetri che vengono utilizzate sono principalmente quelli alla silice, al flouride e al fosfato; la scelta
dei materiali con cui vengono costruite le fibre è un fattore critico in quanto essi possono alterare la
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lunghezza d'onda, il grado di assorbimento degli stati eccitati e altre importanti proprietà delle fibre
e quindi l'amplificazione globale dei laser a fibra e degli amplificatori a fibra.
La topologia dei laser a fibra può essere sia lineare che, più spesso, ad anello o a forma di 8 (fig. 3):
queste ultime disposizioni infatti sono le più usate in laboratorio per la generazione di impulsi ultrabrevi.
Fig. 3
FIBRE LASER DROGATE CON ERBIO
Il più comune drogante per le fibre è l'erbio, il quale nel vetro forma un sistema laser a tre livelli.
Fig. 4
Sebbene la fibra richieda una elevata intensità del raggio pompante per ottenere l'inversione di
popolazione, la concetrazione di luce iniettata nel sottile nucleo di una fibra con un solo modo,
raggiunge livelli sufficienti anche con laser di ragionevole potenza. Come si vede dalla fig. 4 sia
raggi da 980 nm che da 1480 nm possono essere usati per il pompaggio ottico.
Un approccio alternativo consiste nel codrogaggio della fibra col itterbio che ha una larga banda di
assorbimento tra i 900 e i 1100 nm; ciò permette il pompaggio con laser Nd:YAG a 1064nm o con
Nd:YLF a 1047nm.
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I laser al neodimio pompati con diodi,usati come raggi di pompaggio, possono generare potenze
considerevolmente più alte che singoli diodi di pompaggio a 980/1480nm; quindi questo approccio
può generare potenze di uscita più elevate a 1550 nm sebbene si abbia il costo di uno stadio extra di
pompaggio e un'efficienza globale minore.
Per ottenere amplificatori con erbio ad elevato guadagno, si usano concentrazioni di circa 1000
ppm, mentre per ottenere le succitate fibre laser a guadagno zero, si usano concentrazioni di circa
1:10 ppm.
AMPLIFICATORI A FIBRA DROGATI CON ERBIO
Le prestazioni degli amplificatori in fibra drogati con erbio, sono tipicamente valutati in due modi:
il guadagno per piccoli segnali e potenza massima di uscita(solitamente il guadagno di picco e la
potenza massima non possono venir raggiunti contemporaneamente).
Guadagni tipici per modelli commerciali sono da 20 a 40dB, mentre le potenze massime ottenibili
sono di circa 100 mW.
Si é sperimentato anche il neodimio come drogante ma si sono presentati numerosi problemi, fra cui
il principale è l'assorbimento degli stati eccitati, che hanno allontanato l'interesse dei ricercatori dal
neodimio per l'amplificazione.
AMPLIFICATORI A FIBRA DROGATI CON PRASEODIMIO
Il drogaggio con praseodimio può sembrare la migliore soluzione per un amplificatore a fibra sulla
linea dei 1300 nm; purtroppo tale elemento presenta alcuni lati negativi:
ha una bassa efficienza di pompaggio rispetto all'erbio (sebbene ciò non precluda un guadagno
ragionevole e notevoli livelli di potenza)
necessita di nuove sorgenti di pompaggio a 1007 nm.
Queste e altre motivazioni portano alla considerazione che probabilmente gli amplificatori drogati
con praseodimio non sono così efficienti come quelli drogati con erbio sulla linea dei 1550 nm.
LASER A FIBRA
Sebbene le fibre drogate con terre rare siano, per così dire, una versione più piccola dei voluminosi
materiali usati per i laser allo stato solido, esse differiscono significativamente per il sistema di
contenimento della luce: lo stretto confinamento, caratteristico delle fibre, conduce a guadagni
molto elevati (più di 10.000), permettendo così ai laser a fibra di tollerare alte perdite nella cavità:
in qualche laser il 4% della riflessione dallo specchio aderente alla fibra consente adeguati
retroazioni ed accoppiamenti in uscita. Quindi i laser a fibra supportano dispositivi con elevate
perdite come gli accoppiatori di fibre ottiche, gli isolatori ottici e i modulatori, all'interno della loro
cavità. Il succitato confinamento della luce può portare anche ad effetti non lineari che possono
comprimere la durata degli impulsi e generare quindi solitoni. Queste caratteristiche peculiari dei
laser a fibra, la loro compattezza e potenziale basso costo, rendono tali dispositivi competitivi
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nell'utilizzo di laboratorio per la generazione di impulsi ultrabrevi (fino a 38 fs) rispetto ai laser a
coloranti a modi bloccati.
SVILUPPI FUTURI
I laser a fibra e gli amplificatori a fibra hanno avuto un rapido sviluppo negli ultimi anni ed è
presumibile che numerose saranno le applicazioni future. In primo luogo gli amplificatori a fibra
consentiranno l'aumento della velocità e della distanza di trasmissione dei dati nelle fibre ottiche(le
quali hanno l'aspettativa di essere uno delle principali mezzi di comunicazione del domani): infatti
la deposizione del primo cavo sottomarino con amplificatori a fibra è previsto per quest'anno (1993)
mentre i cavi trans-atlantici e trans-pacifici sono attesi per il 1996.
Lo sviluppo dei laser a fibra vede come impiego più promettente quello di laboratorio per la
generazione di impulsi ultra-brevi di utilizzo generale, che siano più economici e compatti dei
suddetti laser a coloranti a modi bloccati e Ti:Zaffiro.
Promettenti risultati si stanno ottenendo nelle fibre di fluoride codrogate con tullio e olmio che
forniscono potenze di 70 mW con rendimento del 30% nella linea dei 2024 nm.
Si può quindi concludere osservando come l'utilizzo sempre crescente della fibra ottica nelle
telecomunicazioni stia fortemente incentivando lo sviluppo degli amplificatori a fibra e dei laser a
fibra, un settore della opto-elettronica ancora molto aperto ed in pieno fervore.
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