Beschreibung:
The work provides an overview of different integrated optical amplifiers. Semiconductor optical amplifiers and fiber amplifiers are described, as well as devices that utilize non-linear effects, nanocrystalline materials, or photonic crystals.
Dielectric materials that are doped with rare-earth ions are considered more thoroughly. After a review of the principles of their optical activity the general mechanisms of excitation and emission are described. Materials aspects regarding the spectral range, their fabrication and the solubility of the dopants follow.
An erbium-doped alumina waveguide amplifier, reported earlier in the literature, is chosen as an example to demonstrate the feasibility of such components. A theoretical model of the population densities of the energy levels is derived for the simulation. By numerical methods the non-linear system of the rate equations is solved and the stability of the steady state is shown. The simulation of the amplifier demonstrates the dependence of the gain of both the excitation energy and the z-coordinate. Moreover, the superiority of an excitation wavelength of 980 nm compared to 1530 nm is shown. With the model the literature data could be reproduced. _ Die Arbeit gibt einen Überblick über verschiedene Möglichkeiten der Realisierung integriert-optischer Wellenleiterverstärker. Ausgehend von optischen Halbleiter- und Faserverstärkern werden einführend ebenso Anordnungen beschrieben, die nichtlineare Effekte sowie nanokristalline Materialien und photonische Kristalle nutzen.
Besondere Bedeutung kommt dielektrischen Materialien zu, die mit optisch aktiven Dotanden, bevorzugt Seltenerdionen, versehen sind. Hierbei werden die Ursachen für die optische Aktivität der Lanthanide sowie die generellen Mechanismen der Anregungs- und Emissionsprozesse beschrieben. Aspekte der Materialauswahl, vor allem hinsichtlich des verwendeten Spektralbereiches sowie bezüglich ihrer Herstellung und der Löslichkeit der Dotanden schließen sich an.
Anhand eines Literaturbeispiels wird die Realisierbarkeit eines erbiumdotierten Aluminiumoxid-Wellenleiterverstärkers demonstriert. Hierfür wird ein Modell zur Simulation der Besetzungsdichten der angeregten Energieniveaus abgeleitet und mittels numerischer Methoden das sich ergebende, nichtlineare System der Ratengleichungen gelöst, wobei besonders die Stabilität des stationären Besetzungszustandes herausgearbeitet wird. Die Simulation der Verstärkeranordnung zeigt zum einen die Abhängigkeit der Verstärkung von der z-Koordinate sowie der Pumpleistung; zum anderen wird deutlich, dass die Anregung bei 980 nm der Variante bei 1530 nm überlegen ist. Mit dem verwendeten Modell konnten die Literaturdaten reproduziert werden.