Departamento de Tecnología Fotónica
E.T.S.I.Telecomunicación-UPM
COMUNICACIONES ÓPTICAS(AMPLIFICADORES ÓPTICOS)
Santiago Aguilera [email protected]
INTRODUCCIÓN
Pin
Bombeo
Poutin
outdb
in
out
PPG
PPG lg10=⇒=
HASTA HACE UNOS AÑOS ÓPTICO a ELÉCTRICO, REGENERACIÓNDE SEÑALES Y RELOJES Y VUELTA A ÓPTICO.
-PROBLEMAS: PASO A ELÉCTRICO, LIMITACIONES EN FRECUENCIA.-MUY COMPLEJO PARA WDM.
-AMPLIFICADORES ÓPTICOS: AMPLIFICAN SEÑAL PERO NO REGENERAN RELOJES
-IMPLESCINDIBLE FIBRAS DE MUY POCA DISPERSIÓN, AÚN ASÍEN GRANDES TRAYECTOS SE TIENE QUE INTERCALAR ALGUNA ETAPA ELÉCTRICA
DISTINTAS FORMAS DE CONEXIÓN DE LOS A.O.
a) Intercalado en la líneapara alcanzar mayoresdistancias de transmisión
b) Para aumentar la sensibilidaddel receptor. (no siempreresultados positivos)
c) Para aumentar la estabilidaddel emisor; este genera menospotencia, y su comportamientoes más estable.
d) Para aumentar la señal antesde distribuirla en una red.
PARÁMETROS A TENER EN CUENTA EN UN A.O.
•Ganancia.
•Potencia de Saturación (Máxima potencia de salida).
•Ancho de banda espectral.
•Respuesta temporal.
•Ruido.
TIPOS DE A.O.
SOA (Semiconductor O.A.)Problemas de diafonía en WDM.
FOA (Fiber Optical Amplifier)
EDFA (Erbium Doped Fiber O.A.) Estandar actual, gran uso, solo 3ª ventana.
PDFA (Praseodymium DFA)2ª ventana, malas prestaciones, pero no había otros.
RAMAN O.A.Protagonismo ascendente desde hace unos 5 años.
SOA (Semiconductor Optical Amplifier)
BÁSICAMENTE ES UN LÁSER SIN CAVIDAD.Problemas de acoplo a la fibra.Problemas de reflexión en los laterales.
PRINCIPAL INCONVENIENTE (O VENTAJA) DE LOS SOA:
Rápida respuesta de los portadores: Variación rapidísima de laganancia con la Pin. No importa con una sola λ, pero produce diafonía entre canales en WDM.
Muy útil para hacer conversores de λ.
EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)
Basados en una fibra “convencional” de entre 10 y 30 mts.dopada con átomos de Er, en una proporción del uno por mil, aprox.
TIPOS DE BOMBEOS
•Codireccional.•Contradireccional (más ganancia pero más ruido)•En las dos direcciones.
Mismo problema que en los SOA: cuando disminuye “n”disminuye “g” (ganancia del material) y por lo tanto “G”(ganancia del amplificador)
Límite de conversión Pout < Pin + Pbom(λp/λs)
λp De luz bombeo
λs de luz incidente, y emitida.
Normalmente Pin es despreciable.
PCE (Power Conversion Efficiency) Pout/Pbom < (λp/λs)
RESUMEN EDFA:
Valores típicos: G = 30db., Pout (sat) = 15dbm aunque hay ensayos de hasta 30dbm (1w)
Anchura espectral útil 30 a 40 nm (necesidad de ecualizar en WDM)
Cambiando los dopantes, se puede cambiar ligeramente la λ central,Pero siempre dentro de la 3ª ventana.
No son sensibles a la polaridad, ni de la luz de la señal, ni de la delbombeo.
No tiene los problemas de rápida variación de ganancia de los SOA.
RUIDO EN AMPLIFICADORES EDFARuido ASE (Amplified Spontaneous Emission)
Algunos electrones se generan por emisión espontánea (ruido).Viajan por la fibra y estimulan nuevos electrones (más ruido).
Espectro muy ancho: se puede generar desde cualquier alturadel nivel excitado a cualquier altura del nivel de reposo.
Solución: filtro óptico a la salida del amplificador
12
2
nnnnesp −
=[ ]OPT
ASEespASE
PGnhSν
ννν∆
=−= 1)()(
DONDE:•nesp (factor de inversión de población)•n1 y n2 población de electrones en niveles 1 (reposo) y 2 (excitación)•G ganancia del A.O.
La potencia óptica que llega a fotodetector, y por tanto, la corriente que genera, es proporcional al cuadrado de los campos electromagnéticosque viajan por la fibra
( )
ruidoseñalruidoseñal
ruidoseñalectorfoto
EEEE
EEi
222
2det
++=
=+∝
Es una señal de batido que puede caer en la banda de paso del receptor.
2222222ASEseñalshotseñalASEshotASEshottermruido −−− +++++= σσσσσσσ
Junto a térmico y shot, el ruido predominante es el señal-ASE:
( )( )
( )
νη
σ
ν
ησσσ
σ
σ
hqGP
GnhSDONDE
GnG
qBP
EDFASalidaNS
BGPqEDFAsalida
BSGP
entseñal
espASE
esp
ent
ASEshotshot
señal
EDFAsalida
entshot
ASEentASEseñal
=ℜ
ℜ=
−=
−+ℜ
=+−
=
ℜ=−
ℜℜ=
−−
−
22
22
2
2
2
)1(:
)1(212)(
2)(
4
( )
( )( ) esp
esp
salida
entrada
ent
ent
ent
shot
señal
EDFAentrada
nGGn
NSNS
FruidodeFigura
qBP
BPqP
EDFAEDFA
NS
ηη
σσ
2)1(21
22)(sin)(sin
2
2
2
≈−+
===−−
ℜ=
ℜℜ
==
−
En una situación ideal ηnesp=1, el AO reduce la S/N a la mitad (3db)En AO reales buenos, este factor puede ser de 4 y por lo tantola S/N se ve reducida en 6db.
Si el ruido predominante fuera el Shot, un AO previo a receptorestropearía la sensibilidad de éste.
Sería adecuado cuando el ruido predominante fuera el Térmico.
VARIACIONES DE LA S/N EN UNAINSTALACIÓN CON VARIOS AO
(S/N) (final)=(S/N)(inicial)-(Figura ruido) x nº AO’s.
CONTROL DE GANANCIA EN LÍNEA
Interesa que la señal que tengamos al final de la línea, se mantenga constante con independencia de fluctuaciones de la entrada, reconfiguraciones, etc..
Para ello se diseñan los AO para que trabajen en saturación; es equivalente a un C.A.G.
AMPLIFICADORES RAMAN
Cuando existen varias λ’s próximas se produce un desplazamientode energía de las λ’s bajas a las altas.
Los fotones pierden energía por interacción con la red, pasan a tenerUna hע menor, λ mayor.
λ1<λ2<λn
Los máximos de ganancia se tienen con ∆ע del orden de 14THz.En frecuencias ópticas suponen ∆λ de unos 125nm.
Estos desplazamientos de frecuencia son mayores cuando lapotencia en la fibra es elevada, del orden de 1w.
Aplicaciones: Incrementode velocidades de transmisión en tendidos ya existentes con EDFA.
Para mantener el BER se tiene que aumentar la potencia.
Se mete un RAMAN adicional.
ACOPLA-DOR
BOM-BEO
EDFAEDFA
Comunicación en 3ª ventana λ de 1550nm, λ bombeo 125nm menos, 1425nm, no ha láseres. Se parte de láser a 1064nm, y con 3 RAMANse llega a 1450nm.
CONVERSOR DE LONGITUD DE ONDAMEDIANTE PASO A SEÑALES ELÉCTRICAS
La solución mas sencilla: se pasa a eléctrico y se sintetiza con un láser de otra λ
CONVERSOR DE LONGITUD DE ONDAMEDIANTE SOA
Basados en SOA: λ1 (entrada) λ2 (salida).
Cuando señal λ1 vale cero, amplificador mucha ganancia.nivel señal λ2 elevado.
Cuando señal λ2 vale uno, amplificador entra en saturación,menor ganancia y señal λ1 menor.