Optische Verstärker sind eine Technologie zur Verstärkung von Lichtsignalen, auch optische Signale genannt. Ein optischer Verstärker verstärkt ein optisches Signal direkt, ohne es in eine andere Zwischenform umzuwandeln. Dies unterscheidet es von einem anderen Gerätetyp, der als Regenerator oder Repeater bezeichnet wird und ein eingehendes optisches Signal verstärkt, indem es in Strom umgewandelt und dann ein neues optisches Signal erzeugt wird. Die optische Verstärkertechnologie verstärkt optische Signale in Geräten wie Lasern und Glasfaserkabeln und ist für Anwendungen wie die Telekommunikation wichtig.
Die gebräuchlichste Verstärkungsmethode, die das gleiche Phänomen wie bei optisch gepumpten Lasern ausnutzt, ist die stimulierte Emission. Jeder optische Verstärker, der dieses Verfahren verwendet, enthält ein physikalisches Medium, das einfallendes Licht verstärken kann, ein sogenanntes Verstärkungsmedium. Wenn das Verstärkungsmedium ankommende optische Energie empfängt, ein Vorgang, der als Pumpen des Verstärkungsmediums bezeichnet wird, werden die einfallenden Lichtphotonen vorübergehend absorbiert und regen einige der Elektronen des Mediums zu höheren Energieniveaus an. Diese Elektronen fallen dann schnell auf ihr ursprüngliches Niveau zurück. Dabei wird die verlorene Energie in Form von Photonen freigesetzt, die das ursprüngliche Signal verstärken. Wenn eine sehr hohe Verstärkung benötigt wird, können mehrere Verstärker miteinander verkettet werden, sodass das optische Signal nacheinander durch jeden von ihnen geleitet werden kann.
Als Verstärkungsmedien in einem optischen Verstärker können viele verschiedene Substanzen verwendet werden, abhängig von der optischen Leistung, Wellenlänge und anderen gewünschten Eigenschaften für eine bestimmte Vorrichtung. Das gebräuchlichste Verstärkungsmedium für optische Verstärker ist Siliziumdioxid, das mit geringen Mengen an Seltenerdelementen wie Erbium und Ytterbium dotiert ist. Andere Verstärkungsmedien wie Halbleiter oder Yttrium-Aluminium-Granat-Kristalle können ebenfalls verwendet werden.
Ein als Raman-Verstärker bezeichneter Verstärkertyp verstärkt optische Signale, indem er ein Phänomen ausnutzt, das als Raman-Streuung bezeichnet wird. Wenn einfallendes Licht mit Materie in Kontakt kommt, werden nicht absorbierte Photonen in verschiedene Richtungen gestreut. Die große Mehrheit von ihnen behält die gleiche Wellenlänge und Frequenz wie zuvor. Ein sehr kleiner Prozentsatz von ihnen, die aufgrund der Schwingungsenergie dieser Teilchen Energie mit den Materieteilchen ausgetauscht haben, tut dies nicht.
Um dies zur optischen Verstärkung zu nutzen, werden zwei Lichtquellen verwendet, ein Hochfrequenz-Pumplaser und eine niederfrequente Lichtquelle mit höherer Wellenlänge aus einer optischen Faser, die das Signal tatsächlich trägt. Das Verstärkungsmedium in einem Raman-Verstärker wird mit Hochfrequenzlicht von einem Pumplaser gepumpt, wodurch die Partikel des Mediums angeregt und ihre Schwingungsenergie erhöht wird, um die Raman-Streuung zu stimulieren. Wenn die Photonen höherer Wellenlänge des optischen Signals das Medium passieren, gewinnt das Signal Energie auf Kosten des Pumpstrahls und wird verstärkt. Dieses Verfahren wird vor allem in der Telekommunikationstechnik verwendet, um über Glasfaserkabel gesendete Langstreckensignale zu verstärken.