Was ist ein optischer Raman-Verstärker?

Der optische Raman-Verstärker ist ein wichtiger Bestandteil eines Kommunikationssystems mit dichtem Wellenlängenmultiplex. In vielen nichtlinearen optischen Medien führt die Streuung von Pumplicht mit kürzerer Wellenlänge dazu, dass ein kleiner Teil der einfallenden Leistung auf einen anderen Strahl übertragen wird, dessen Frequenz nach unten verschoben wird. Das Ausmaß der Frequenzverschiebung nach unten wird durch den Schwingungsmodus des Mediums bestimmt. Dieser Vorgang wird als Pulling-Mann-Effekt bezeichnet.

Hier ist die Inhaltsliste:
Wer ist Raman?
Was ist der Raman-Effekt?
Die Anwendung des Raman-Effekts im Leben.

Wer ist Raman?
Raman (1888–1970), ein indischer Physiker. Die Studie entdeckte den Raman-Effekt im Lichtstreuungsbereich und gewann 1930 den Nobelpreis für Physik. Er starb 1970 im Alter von 82 Jahren. Er erhielt 1930 den Nobelpreis für Physik in Anerkennung seiner Forschungen und Entdeckung des Gesetzes aus Licht, nach ihm benannt.

Am Nachmittag des 28. Februar 1928 machte Raman ein sehr schönes und entscheidendes Experiment mit monochromatischem Licht als Lichtquelle. Schauen Sie sich sein Streulicht an. Der vom Strahlteiler mit bloßem Auge sichtbare Bereich besteht aus blauem und grünem Licht, zwei oder mehr scharfen hellen Linien. Jede Linie weist eine entsprechende variable einfallende Streustrahlung auf. Im Allgemeinen wird die Frequenz niedriger als die der Streustrahlen, und gelegentlich ist die Frequenz der Streustrahlen höher als die der einfallenden Strahlen, aber die Intensität ist noch schwächer. Die Nachricht von Ramans Entdeckung der abnormalen Streuung verbreitete sich auf der ganzen Welt und löste heftige Reaktionen aus. Viele Labore haben seine Ergebnisse wiederholt, bestätigt und weiterentwickelt.

Aufgrund der Entdeckung des Raman-Effekts haben sich immer mehr Wissenschaftler der Erforschung des Raman-Effekts angeschlossen und schließlich einen optischen Raman-Verstärker entwickelt, der auf dem Prinzip des Raman-Effekts basiert.

Was ist der Raman-Effekt?
Das Phänomen der Lichtstreuung hat einen besonderen Effekt, ähnlich dem Compton-Effekt der Röntgenstreuung. Die Frequenz des Lichts ändert sich nach der Streuung. „Raman-Streuung“ bezieht sich auf eine bestimmte Frequenz der Laserstrahlung auf die Probenoberfläche, Moleküle und Photonen übertragen Energiesubstanzen und erzeugen Schwingungszustände (z. B. Verzerrungen von Atomen und Schwingungen, Schwingungen und Schwingungen auf chemischem Weg), die sich von der Art und Weise unterscheiden Ausmaß auftreten. Verändert und streut dann Licht unterschiedlicher Frequenz. Die Frequenzänderung wird durch die Eigenschaften des Streumaterials bestimmt. Verschiedene Arten von Atomgruppen schwingen auf einzigartige Weise, sodass sie Streulicht mit einem bestimmten Frequenzunterschied zum einfallenden Licht erzeugen können. Dieses Spektrum wird „Fingerprint-Spektrum“ genannt und kann verfolgt werden. Dieses Prinzip bestimmt die Art der Moleküle, aus denen eine Substanz besteht. Dies wurde 1928 von Raman entdeckt, als er den Streuprozess von Licht untersuchte. Die Raman-Spektroskopie ist das Ergebnis der Überlagerung der Schwingungsenergie bzw. Rotationsenergie des Moleküls und der Photonenenergie, wenn das einfallende Photon mit dem Molekül kollidiert. Daher ist die Raman-Spektroskopie als Ergänzung zur Infrarotspektroskopie eine leistungsstarke Waffe zur Untersuchung der Molekülstruktur.

Die Anwendung des Raman-Effekts im Leben
Die Entdeckung des Raman-Effekts hat die Entwicklung unseres Lebens in gewissem Maße gefördert und hat vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im wirklichen Leben. Ein typischer Vertreter ist beispielsweise der auf dem Raman-Effekt basierende optische Raman-Verstärker.

Der optische Raman-Verstärker ist ein optischer Verstärker, der auf dem Raman-Effekt basiert. Das aktive Raman-Medium ist normalerweise eine optische Faser, kann aber auch ein Kristall, eine Wellenleiterstruktur in einem photonischen integrierten Schaltkreis, ein Gas oder ein flüssiges Medium sein. Das Signallicht, das in die gleiche Richtung oder entgegengesetzt zum Pumplicht gerichtet ist, wird verstärkt und seine Wellenlänge ist normalerweise mehrere zehn Nanometer kleiner als die des Pumplichts. Bei der Quarzfaser wird die Spitzenverstärkung erzielt, wenn die Frequenz des Pumplichts und des Signallichts um 1–15 THz verstimmt wird. Der optische Raman-Verstärker hängt von der Zusammensetzung des Faserkerns ab.

Beim Einsatz in Kommunikationssystemen können optische Raman-Verstärker mit Erbium-dotierten Faserverstärkern verglichen werden. Im Vergleich zu letzteren umfassen sie folgende Merkmale:

Optische Raman-Verstärker können in verschiedenen Wellenlängenbereichen arbeiten, sofern eine geeignete Pumplichtquelle vorhanden ist. Optische Raman-Verstärker erfordern eine hohe Pumpleistung (um die Sicherheit des Lasers zu verbessern) und eine hohe Pumphelligkeit und können auch eine hohe Ausgangsleistung erzeugen. Die Rauschzahl des optischen Raman-Verstärkers ist sehr klein. Mit anderen Worten: Sie übertragen Pumprauschen direkter auf Signallicht als Laserverstärker. Wenn das Pumplicht polarisiert ist, hängt die Raman-Verstärkung auch vom Polarisationszustand ab. Dieser Effekt ist im Allgemeinen unerwünscht, kann jedoch durch den Einsatz von zwei polarisationsgekoppelten Pumpdioden oder Pumpdepolarisatoren unterdrückt werden.

Der optische Raman-Verstärker wird durch kontinuierliches Licht in einem Diodenlaser gepumpt. Werden gleichsinnige Pumppulse verwendet, können auch ultrakurze Pulse wirkungsvoll verstärkt werden. Allerdings kann die Nichtübereinstimmung der Gruppengeschwindigkeit die effektive Wechselwirkungslänge stark einschränken, insbesondere wenn die Impulslänge weniger als 1 ps beträgt.

Die Faser im optischen Raman-Verstärker muss nicht mit Seltenerdionen dotiert werden. Theoretisch erfüllen gewöhnliche Singlemode-Fasern die Bedingungen, in der Praxis eignen sich jedoch optische Raman-Verstärker besser für Übertragungsfasern (siehe verteilte Verstärker). Einige spezielle Fasern können jedoch die Raman-Verstärkung erhöhen, weil bestimmte Dotierungen (z. B. Germanium) den Raman-Querschnitt erhöhen können oder weil die effektive Modenfläche einfach klein ist. Diese Fasern eignen sich für optische Raman-Verstärker, bei denen es sich nur um einen kleinen Faserabschnitt handelt, der im Verstärkungsprozess verwendet wird.

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