Gli amplificatori ottici sono una tecnologia utilizzata per amplificare i segnali luminosi, chiamati anche segnali ottici. Un amplificatore ottico amplifica direttamente un segnale ottico, senza convertirlo in qualche altra forma intermedia. Questo lo distingue da un altro tipo di dispositivo, chiamato rigeneratore o ripetitore, che amplifica un segnale ottico in ingresso convertendolo in elettricità e quindi generando un nuovo segnale ottico. La tecnologia dell’amplificatore ottico potenzia i segnali ottici in dispositivi come laser e cavi in fibra ottica ed è importante per applicazioni come le telecomunicazioni.
Il metodo di amplificazione più comune, che sfrutta lo stesso fenomeno utilizzato nei laser pompati otticamente, è l’emissione stimolata. Ogni amplificatore ottico che utilizza questo metodo contiene un mezzo fisico in grado di amplificare la luce in ingresso, chiamato mezzo di guadagno. Quando il mezzo di guadagno riceve energia ottica in ingresso, un processo denominato pompaggio del mezzo di guadagno, i fotoni di luce in ingresso vengono assorbiti temporaneamente ed eccitano alcuni degli elettroni del mezzo a livelli di energia più elevati. Questi elettroni poi tornano rapidamente al loro livello originale. Quando lo fanno, l’energia che perdono viene rilasciata sotto forma di fotoni, amplificando il segnale originale. Se è necessaria un’amplificazione molto elevata, più amplificatori possono essere concatenati insieme in modo che il segnale ottico possa passare attraverso ciascuno di essi in sequenza.
Molte sostanze diverse possono essere utilizzate come mezzo di guadagno in un amplificatore ottico, a seconda della potenza ottica, della lunghezza d’onda e di altre caratteristiche desiderate per un particolare dispositivo. Il mezzo di guadagno più comune per gli amplificatori ottici è il biossido di silicio drogato con piccole quantità di elementi di terre rare come erbio e itterbio. Possono essere utilizzati anche altri mezzi di guadagno, come semiconduttori o cristalli di granato di ittrio e alluminio.
Un tipo di amplificatore chiamato amplificatore Raman potenzia i segnali ottici sfruttando un fenomeno chiamato diffusione Raman. Quando la luce entra in contatto con la materia, i fotoni che non vengono assorbiti vengono dispersi in direzioni diverse. La grande maggioranza di essi conserva la stessa lunghezza d’onda e frequenza di prima. Una piccolissima percentuale di loro, che ha scambiato energia con le particelle di materia a causa dell’energia vibrazionale di quelle particelle, non lo fa.
Lo sfruttamento di questo per l’amplificazione ottica coinvolge due sorgenti luminose, un laser a pompa ad alta frequenza e una sorgente luminosa a bassa frequenza e lunghezza d’onda maggiore da una fibra ottica che trasporta effettivamente il segnale. Il mezzo di guadagno in un amplificatore Raman viene pompato con luce ad alta frequenza da un laser a pompa, eccitando le particelle del mezzo e aumentando la loro energia vibrazionale per stimolare la diffusione Raman. Quando i fotoni di lunghezza d’onda più elevata del segnale ottico passano attraverso il mezzo, il segnale guadagna energia a spese del raggio della pompa e viene amplificato. Questo metodo viene utilizzato principalmente nella tecnologia delle telecomunicazioni per potenziare i segnali a lunga distanza inviati tramite cavi in fibra ottica.