Amplificadores ópticos

Amplificadores ÓpticosCuando una señal se propaga por la fibra óptica se necesita emplear regeneradores para amplificar la señal debido a los efectos de la atenuación y la dispersión, así como de la longitud máxima permitida para la fibra entre transmisor y receptor, que no alcanza para cubrir todo la distancia del enlace.

Al principio se empleaban repetidores electrónicos, los cuales realizaban conversión de la señal óptica al eléctrica, para amplificarla y resincronizarla, recuperando su forma y realizar la conversión de la señal eléctrica a óptica. Atendiendo al procesado que se efectúa sobre una señal, los regeneradores se clasifican en tres tipos, tal como se muestra:

Amplificadores Ópticos• Estos dispositivos generan una réplica de la señal de

entrada pero con mayor nivel de potencia, operando completamente en el dominio óptico. Además pueden emplearse en otros procesos como la conmutación, la desmultiplexación, o bien en la conversión de longitud de onda, aprovechando su comportamiento no lineal.

Estos amplificadores necesitan de un bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican.

Típicamente, las longitudes de onda de bombeo

son 980 nm o 1480 nm y para obtener los mejores resultados en cuanto a ruido se refiere, debe realizarse en la misma dirección que la señal.

• Ventajas– Funcionamiento independiente del tipo de modulación de la señal.– Tiene un amplio ancho de banda, por lo que amplifica varias longitudes de onda

simultáneamente.– Mayor simplicidad y por tanto menor probabilidad de fallos y menor coste que

los regeneradores.– Permiten emplear reflectómetros ópticos para el testeo y supervisión de las

líneas de fibra óptica.– Pueden ser integrados.

• Desventajas– Introducen un ruido adicional que es amplificado junto con la señal.– Al no regenerar la señal se produce un efecto acumulativo de la dispersión.– Su ancho de banda es finito por lo que limita el número de canales en los

sistemas WDM.– Su ganancia no es uniforme en todo el rango de amplificación, por lo que debe

ser ecualizada.

Ventajas / desventajas

La amplificación se realiza mediante el proceso de emisiónestimulada. Su existencia fue propuesta por Albert Einstein en 1917.

Amplificador óptico

Proceso de estimulación

• En la figura se muestra el principio del proceso de emisión estimulada. En él tenemos la interacción entre un fotón y un átomo que inicialmente se encuentra en su estado excitado. Como resultado de esta interacción el átomo pasa a su estado base emitiendo en el proceso un fotón que tiene las mismas características de dirección y de fase que el fotón inicial.

FUNCIONAMIENTO

El amplificador óptico es un sistema tal que al introducirle un flujo inicial de fotones Si nos proporciona en su salida un flujo final de fotones Sf mayor que el flujo inicial Si.

La condición necesaria para tener amplificación del flujo inicial de fotones Si es que el número de átomos excitados que se encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor que el número de átomos que se encuentra en su estado base. La condición anterior se conoce como condición de inversión de población y el problema central para la realización práctica de un amplificador óptico está en cómo lograr dicha inversión de población.

Para lograr dicha inversión de población es necesario algúndispositivo que proporcione la energía que los átomos de la cavidadamplificadora requieren para pasar de su estado base a un estadoexcitado. Este dispositivo recibe el nombre de "sistema de bombeo“y puede ser de varios tipos, aunque los más usuales son de tipoóptico o de tipo eléctrico.

La amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias quedependen del material, así como su estructura.

Amplificador óptico

TIPOS DE AMPLIFICADORES ÓPTICOS

Tipos de amplificadores ópticos según su aplicación.

Como amplificador de línea en un enlace con fibra monomodo, como el que se muestra en la figura, se emplea para elevar el nivel de potencia de la señal y compensar así las pérdidas sufridas por la propagación de la señal. Frecuentemente se instalan varios amplificadores en cascada a lo largo de la línea.

Como preamplificador front-end en un receptor, como muestra la figura b, su misión es amplificar la señal antes de ser detectada por el fotodetector para mejora así la relación señal ruido.

Como amplificador de potencia situándose a continuación de la fuente láser, se emplea para elevar el nivel de potencia de la señal e incrementar la distancia de transmisión. En la configuración de la figura (c) su objetivo es compensar las pérdidas debidas al modulador externo. En la configuración de la figura (d) busca compensar las pérdidas que sufre una señal al atravesar un divisor.

Tipos de amplificadoresLos dos principales tipos de amplificadores ópticos son:los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers, y los DFAs,Doped-Fiber Amplifiers.

• En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones de elementos semiconductores como el fósforo, el indio, el galio y el arsénico.

• En los DFA es un núcleo de fibra óptica dopada con iones de tierras raras como el Erbio (Er), el Praseodimio (Pr), el Iterbio (Yb) o el Neodimio (Nd).

Comparación entre amplificadores

El amplificador óptico de semiconductor suele ser de pequeño tamaño y el bombeo se implementa de forma eléctrica. Podría ser menos caro que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos (láseres, moduladores...).

Sin embargo, en la actualidad, las prestaciones no son tan buenas como las que presentan los EDFAs. Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son sensibles a la polarización, son muy no lineales cuando se operan a elevadas velocidades

Comparación entre amplificadores

EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier

Características Generales:

Están basados en fibras dopadas con tierras raras: que presenta ganancia en la región de tercera ventana. (EDFA)y (PDFA) con ganancia en 2ª ventana.

Su gran ventaja es que son dispositivos todo-fibra, eliminándose los problemas de los SOA: no hay que alinear fibras, no dependen de la polarización, no existe cruce de canales.

•Ganancia es independiente de la tasa Digital

•Ancho de banda amplio 1525 – 1565 nm

•Alta ganancia y eficiencia cuántica

•Bajo ruido y diafonía

•Alto nivel de potencia de saturación

•Independiente de la polarización

En 3ª y 4ª ventana se usan amplificadores que tienen fibra óptica dopada con erbio (metal usado en algunas aleaciones) llamados EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son 1480nm (mediante un diodo láser de InGaAsP) y 980nm (mediante un diodo láser de InGaAs).

Ganancia de un EDFA en 3ª ventana

Rejilla ITU-T

(nm)

Ganancia (dB)

Perfil de ganancia

EDFA Lambdas individuales

30

El bombeo a 1480nm supone un amplificador más ruidoso pero más inmune a la saturación de ganancia. Mientras que el bombeo a 980nm proporciona un amplificador con prestaciones de ruido excelentes pero es más proclive a la saturación de ganancia. En ambos casos es posible obtener ganancias entre 30 y 50 dB.

Configuraciones de bombeo

Los elementos básicos para implementar un EDFA son:

1.El medio activo donde se produce la inversión de población. Formado por un tramo de fibra óptica de Si0 2 con el núcleo dopado con iones de erbio. 2.La fuente de bombeo óptico a 1480 o 980nm, formada por un láser semiconductor.

Configuraciones de un EDFA

Ganancia de un EDFA : La siguiente figura presenta la ganancia de un EDFA en función de la longitud de onda para diferentes valores de potencia de entrada, con una señal de bombeo a 1480nm.

Principal inconveniente: sólo opera en tercera ventana, aunque existen dispositivos similares dopados con otros elementos que pueden operar en otra ventana. Además su ganancia no es uniforme para todas las longitudes de onda, aunque esto se solventa trabajando cerca de su saturación, pues la curva de ganancia es más plana.

Amplificadores Ópticos de Semiconductor

Características Generales:• Están basados en estructuras de semiconductor

como las de los diodos láser, pero en donde se ha eliminado el resonador.

• Tienen problemas de dependencia de la polarización, de cruce de canales (crosstalk), y de dificultad de encapsulado.

• Pueden funcionar en segunda ventana.

Principio de Funcionamiento

• Están basados en dobles heteroestructuras con los mismos materiales con los que se construyen los diodos láser, y el principio de funcionamiento es el mismo: se inyectan portadores y se potencia la emisión estimulada esperando a que cuando llegue la señal por la fibra de entrada se generen nuevos fotones y por tanto se amplifique.

Características GeneralesSegún como se evite esta oscilación se tienen tres subtipos:•Amplificadores de enganche por inyección: Son los menos empleados y consisten en láseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada. •Amplificador Fabry-Perot (FP).

– Alto rizado de la ganancia por resonancia– Ancho de banda estrecho 5GHz– Sensible a las variaciones de temperatura, corriente y polarización de la

señal– Filtrado de ruido inherente

•Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ) . En el se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando así la realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el paso de la señal un sola vez por el dispositivo.

Estructura del Amplificador Semiconductor

• Su estructura consiste en una unión pn polarizada en directa con los extremos de la zona activa recubiertos con un material antirreflectante, como se muestra en la siguiente figura.

Estructura de un SOA de onda viajera, en la izquierda el medio activo se sitúa de forma no ortognal a las caras de entrada y salida; en la derecha las caras no son paralelas

Ventajas e Inconvenientes

Sus principales ventajas son,• Control por corriente• Tecnología en uso• Compactos e integrables• Buen Ancho de banda.

Sus principales inconvenientes son:• Sensibilidad a la polarización• Diafonía• Pérdidas de acoplo• Factor de ruido relativamente alto• Potencia de saturación pequeña

Amplificadores de Raman Características Generales:• Basado en el efecto Raman (Stimulated Raman Scattering). Esta no

linealidad de las fibras ópticas tiene lugar cuando ésta es atravesada por una radiación monocromática de alta intensidad. Bajo ciertas condiciones, la radiación interactúa con el material dando como resultado la aparición de una nueva longitud de onda, de mayor intensidad que la inicial.

• Similar una emisión estimulada (en el cual se basan amplificadores de fibra dopada), donde el fotón que interactúa con el medio provocando la emisión estimulada de otro fotón sigue presente. En el caso del Raman estimulado, después de la interacción entre el fotón y el medio, se genera un nuevo fotón de menor energía (menor frecuencia) y la diferencia de energía se transfiere al material dando lugar a vibraciones moleculares, desapareciendo el fotón inicial.

• Las frecuencias que se pueden generar dependen las frecuencias características de las moléculas que componen el material. Si al tiempo que pasa por la fibra óptica la señal de bombeo pasa otra señal con una frecuencia característica del material, esta frecuencia será estimulada.

Características Principales

• Gran Ancho de banda aproximadamente (6 THz)• Potencia de bombeo alta• Potencia de saturación alta (orden 1 w)• Figura de ruido próxima a 3 dB• Principal problema: FUENTE DE BOMBEO

– Un amplificador óptico multiplexa luces de la bomba, teniendo diversas longitudes de onda estas se propagarán a través de una trayectoria de transmisión para proporcionar la amplificación de Raman.

Amplificadores Raman

• Comparado con un EDFA, la utilización de este amplificador produce una mejor distribución de potencia a lo largo de la fibra óptica, reduciendo así los efectos no lineales.

Desventaja: requiere mucha potencia para operar (Ppalto).Pp > 5 W para 1 km de fibra (Aeff = 50mm2) =>30 dBTx

Inconvenientes

• Los principales inconvenientes que presentan estos amplificadores es la necesidad de una alta potencia de bombeo, cercana a 1 watt. Por el contrario una de sus ventajas es que cubre un margen de longitudes de onda no cubierto por los EDFA, por lo que pueden emplearse de forma complementaria. Este hecho queda reflejado en la siguiente figura, en la que se representa de forma aproximada las zonas de trabajo de cada uno. Como se ve empleando ambos amplificadores se obtiene en el rango comprendido entre los 1530 y 1600 nm una curva ganancia prácticamente plana.

Obtención una ganancia constante con la longitud de onda, empleando un EDFA junto con un amplificador Raman

Amplificadores comercialesEl siguiente dispositivo se trata de amplificador de fibra dopada de Erbio, EDFA, del fabricante JDS Uniphase que opera en la banda C. Este EDFA proporciona una ganancia plana de 10 a 16 dB y ofrece tres variantes, como pre-amplicador, amplificador de línea y amplificador de potencia

Aplicaciones

• Amplificación de pulsos cortos• Industria del CATV• Amplificadores en cascada a 1.300 nm