V špičkových{0}}technológiách, ako sú optická komunikácia, optické snímanie a spektroskopia, hrá špeciálny typ svetelného zdroja kľúčovú úlohu ako neospevovaný hrdina. Nie je známy svojou jedinou frekvenciou a vysokou koherenciou ako laser, ani nie je taký jednoduchý a bežný ako LED. Je to ASE
Širokopásmový svetelný zdroj (Amplified Spontaneous Emission Broadband Light Source), výkonný nástroj, ktorý generuje svetlo jedinečným spôsobom.
I. Definícia a hlavný princíp zdroja ASE
Jadro svetelného zdroja ASE spočíva v „zosilnenej spontánnej emisii“. Aby sme to pochopili, musíme najprv pochopiť dva pojmy:
1. Spontánne vyžarovanie: Takto vyžaruje svetlo LED. Keď elektróny v polovodiči prechádzajú z vyššej energetickej hladiny na nižšiu, náhodne a nezávisle emitujú fotón. Tieto fotóny majú rôzne fázy, smery a vlnové dĺžky, výsledkom čoho je ne-koherentné svetlo so širokým spektrom.
2. Stimulovaná emisia: Takto laser vyžaruje svetlo. Prichádzajúci fotón „stimuluje“ elektrón na vyššej energetickej úrovni, čím ho núti prejsť a uvoľniť fotón, ktorý je identický s prichádzajúcim (rovnaká fáza, smer a vlnová dĺžka). Tento proces zosilňuje svetlo a vytvára vysoko koherentné svetlo.
Proces zosilneného zdroja spontánnej emisie je šikovne umiestnený medzi týmito dvoma. Vyskytuje sa v zosilňovacom médiu (typicky erbium-dopované vlákno EDFA, ytterbium-dopované vlákno atď.).
Krok 1:Spontánna emisia. Keď je médium zosilnenia excitované čerpacím zdrojom (zvyčajne čerpadlovým laserom), elektróny v ňom sú zvýšené na vyššiu energetickú úroveň. Bez akéhokoľvek vonkajšieho stimulu tieto elektróny spontánne prechádzajú späť na nižšie úrovne, čím vytvárajú spontánne fotóny žiarenia rôznych smerov a vlnových dĺžok.
Krok 2:Proces zosilnenia. Kľúčom je, že toto médium zosilnenia je navrhnuté tak, aby malo vysoký zisk. Tieto náhodne generované spontánne fotóny nevychádzajú priamo, ako by to bolo v bežnej LED. Namiesto toho, keď cestujú cez médium, fungujú ako „semená“, ktoré spúšťajú stimulovanú emisiu z iných excitovaných elektrónov, čím vytvárajú veľké množstvo fotónov identických so sebou samými-, svetlo sa zosilňuje.
Konečný výsledok:Keďže samotné počiatočné „zárodkové“ fotóny pokrývajú široký rozsah vlnových dĺžok, zosilnené svetlo pokrýva aj široké pásmo. Medzitým, pretože proces zosilnenia zahŕňa stimulovanú emisiu, jej výstupný výkon je oveľa vyšší ako obyčajná spontánna emisia (napr. z LED). Avšak kvôli náhodnosti počiatočných fotónov je jeho koherencia oveľa nižšia ako u lasera. Konečným výstupom je lúč s vysokým-výkonom, širokým-spektrom a nízkou{7}}koherenciou svetla-toto je širokopásmový svetelný zdroj ASE.
II. Najvýraznejšie vlastnosti zdrojov ASE
1. Široké spektrum: Toto je jeho najvýznamnejšia vlastnosť. Typický erbiom-dopovaný zdroj ASE môže mať šírku výstupného spektra 30-80nm (v strede okolo 1550nm), čo ďaleko presahuje šírku čiary lasera. To mu umožňuje pokryť celé C-pásmo alebo L-pásmo, čo z neho robí ideálny viackanálový zdroj.
2. Vysoký výstupný výkon: Vďaka procesu zosilnenia môže výstupný výkon zdroja ASE dosiahnuť desiatky miliwattov alebo dokonca wattov, čo je o niekoľko rádov vyššie ako výkon LED.
3. Nízka koherencia: Keďže svetlo je zosilnená zmes mnohých rôznych vlnových dĺžok, jeho časová koherencia je veľmi nízka. Táto vlastnosť je obrovskou výhodou v mnohých aplikáciách.
4. Dobrá nezávislosť od polarizácie: Výstupné svetlo zdroja ASE je zvyčajne nepolarizované alebo má veľmi nízku polarizáciu, čo zjednodušuje jeho použitie v optických systémoch.
III. Základné aplikácie zdrojov ASE
Vďaka svojim jedinečným vlastnostiam sú nenahraditeľné v nasledujúcich oblastiach:
1. Testovanie komunikačného systému s optickými vláknami: Ide o perfektný nástroj na testovanie spektrálnej odozvy optických komponentov (ako sú izolátory, cirkulátory, multiplexory WDM s vlnovou dĺžkou, optické prepínače atď.). Osvetlením zariadenia široko-spektrálnym svetlom a priamou analýzou výstupného spektra je možné rýchlo a presne vyhodnotiť vložný útlm zariadenia, šírku pásma a ďalšie metriky výkonu v celom pásme.
2. Systémy snímania optických vlákien: Systémy snímania založené na interferometrii s nízkou{1}}koherenciou (ako sú gyroskopy s optickými vláknami a optická koherentná tomografia OCT) sa vo veľkej miere spoliehajú na zdroje ASE. Ich nízka koherencia umožňuje presné meranie veľmi krátkych rozdielov v optických dráhach, ktoré sa používajú na detekciu tlaku, teploty, deformácií atď., a sú kľúčové pri medicínskom zobrazovaní a priemyselnom monitorovaní.
3.Ako pomocný zdroj EDFA: V erbiových-dopovaných vláknových zosilňovačoch (EDFA) je šum ASE niečo, čo treba potlačiť. Naopak, malý zdroj ASE možno použiť ako „zárodočné svetlo“ na vyrovnanie spektra zisku EDFA alebo potlačenie iných šumov.
4. Spektroskopia: Môže sa použiť ako širokopásmový zdroj pre prístroje, ako sú infračervené spektrometre s Fourierovou transformáciou (FTIR) na analýzu zloženia materiálu.
Záver
Širokopásmový svetelný zdroj ASE nie je náhradou laserov alebo LED, ale vysoko špecializovaným zdrojom. Šikovne kombinuje široko-spektrálnu povahu „spontánnej“ emisie so zosilňujúcou silou „stimulovanej“ emisie, pričom nachádza dokonalú rovnováhu medzi vysokým výkonom, širokým spektrom a nízkou koherenciou. Je to práve táto rovnováha, ktorá z neho robí nepostrádateľné kľúčové zariadenie v moderných optoelektronických testovacích, snímacích a meracích poliach, ktoré neustále poháňajú vývoj špičkových-technológií.