Amplificador Optico f5x6u

Amplificador óptico De Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegación, búsqueda En fibra óptica, un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin la necesidad de convertir la señal al dominio eléctrico, amplificar en eléctrico y volver a pasar a óptico.

Contenido [ocultar]  1 Amplificadores de fibra dopada o 1.1 Amplificador de fibra dopada con Erbio (EDFA)  2 Amplificador óptico de semiconductor (Semiconductor optical amplifier, SOA) 

3 Amplificadores Raman

Amplificadores de fibra dopada [editar] Amplificadores en fibra son amplificadores ópticos que usan fibra dopada, normalmente con tierras raras. 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. Un amplificador óptico es capaz de amplificar un conjunto de longitudes de onda (WDM, wavelength division multiplexing)

Amplificador de fibra dopada con Erbio (EDFA) [editar] El amplificador de fibra dopada más común es el EDFA (del inglés, Erbium Doped Fiber Amplifier) que se basa en el dopaje con Erbio de una fibra óptica. Algunas características típicas de los EDFAs comerciales son: 

     

Frecuencia de operación: bandas C y L (approx. de 1530 a 1605 nm). o Para el funcionamiento en banda S (below 1480 nm) son necesarios otros dopantes. Baja figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB) Ganancia entre (15-40 dB) Baja sensibilidad al estado de polarización de la luz de entrada Máxima potencia de salida: 14 - 25 dBm Ganancia interna: 25 - 50 dB Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB

   

Longitud de fibra dopada: 10 - 60 m para EDFAs de banda C y 50 - 300 m para los de banda L Número de láseres de bombeo: 1 - 6 Longitud de onda de bombeo: 980 nm o 1480 nm2 Ruido predominante: ASE (Amplified Spontaneous Emission)

Amplificador óptico de semiconductor (Semiconductor optical amplifier, SOA) [editar] Los amplificadores ópticos de semiconductor tienen una estructura similar a un láser Fabry-Perot salvo por la presencia de un antireflectante en los extremos. El antireflectante incluye un antireflection coating y una guía de onda cortada en ángulo para evitar que la estructura se comporte como un láser. 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... Su elevada no-linealidad hacen atractivos los SOAs para aplicaciones de procesado como la conmutación todo óptica o la conversión de longitud de onda. También se está estudiando su uso para implementar puertas lógicas.

Amplificadores Raman [editar] Estos dispositivos se basan en amplificar la señal óptica mediante el efecto Raman. A diferencia de los EDFAs y de los SOAs, los amplificadores Raman se basan en un una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia. De esta forma, la fibra convencional ya instalada puede ser usada como medio con ganancia para la amplificación Raman. Sin embargo, es mejor emplear fibras especialmente diseñadas (fibra altamente no lineal) en las que se introducen dopantes y se reduce el núcleo de la fibra para incrementar su no linealidad. La señal de bombeo se puede acoplar a la fibra tanto en la misma dirección en la que se transmite la señal (bombeo codireccional) o en el sentido contrario (bombeo contradireccional). Es más habitual el bombeo contradireccional para evitar la amplificación de las componentes no lineales. El máximo de ganancia se consigue 13 THz (unos 100 nm) por debajo de la longitud de onda de bombeo. Para obtener una buena amplificación es necesario usar potencias de bombeo elevadas (de hasta 1 W y hasta 1,2 W para amplificación en banda L en fibra monomodo

estándar). Normalmente se emplean más de dos diodos de bombeo. El nivel de ruido que se obtiene es bajo especialmente cuando se usa junto con EDFAs. Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_%C3%B3ptico" Inicio > Tema 2 > 2.8. Amplificadores Ópticos > 2.8.2. Tipos de amplificadores

Tutorial de Comunicaciones Ópticas

2.8.2. Tipos de amplificadores Los dos principales tipos de amplificadores ópticos son: los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers, y los DFAs, Doped-Fiber Amplifiers. El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al igual que en un láser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee una realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel de potencia de la señal pero no generar una señal óptica coherente. En la siguiente figura se muestra un esquema del funcionamiento de un amplificador básico.

Fig.2.8.3. : Funcionamiento de un amplificador óptico Una fuente de bombeo inyecta una energía en la zona activa del amplificador. Esta energía es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energía produciéndose la inversión de población. Al ser alcanzados estos electrones por los fotones de la señal óptica de entrada caen a unos niveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo fotón, esto es el proceso de emisión estimulada, produciéndose así la amplificación de la señal. La amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del

material, así como su estructura. 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). Amplificadores Ópticos de Semiconductor La estructura de un SOA Semiconductor Optical Amplifiers , es muy similar a la de un láser semiconductor pero sin la realimentación que hace que éste oscile. Según como se evite esta oscilación se tienen tres subtipos de amplificadores. 





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) . Su estructura es básicamente como la de un láser de Fabry-Perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo así su oscilación. Su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual que un filtro de Fabry-Perot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas periódicamente. 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. Este amplificador se suele alargar con respecto a los diodos laseres convencionales para aumentar la ganancia.

El amplificador de onda viajera es el tipo de SOA más empleado en la actualidad debido a sus prestaciones en saturación, ancho de banda y ruido. 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.

Fig.2.8.4. : Estructura de un SOA de onda viajera Otros esquemas son los siguientes dos esquemas.

Fig.2.8.5. : 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 El esquema de la izquierda consiste en situar el plano activo en una posición no ortogonal a las caras de entrada y salida. El objeto de esto es que la señal que incide sobre la superficie de salida no lo haga formando un ángulo de 90º con ésta, de forma que la poco señal reflejada por la cara de salida no se realimente. En el último esquema, que tiene la misma misión que el anterior, las caras extremas no están paralelas entre sí. Problema chirp en SOA (sección 3.5 Agrawal - Láseres) Sus principales ventajas son,  

La posibilidad de integración por su reducido tamaño. La facilidad de construcción a distintas longitudes de onda variando la composición del material.

Sus principales inconvenientes son:  

Su geometría rectangular produce pérdidas al acoplarlo con la fibra, y no amplifica por igual las dos polarizaciones de las señal. Cuando las señales transmitidas poseen ciertos niveles de potencia aparecen fenómenos de naturaleza no lineal que producen distorsión y diafonias. Por ejemplo, debido a la saturación de la ganancia la señal de un canal puede modular la ganancia instantánea del amplificador de forma que la información de esta señal pase a las señales del resto de canales, esto es la modulación cruzada de ganancia (XGM, Cross-Gain Moulation) . Otro efecto similar al anterior que puede producirse en la fase es la modulación de cruzada de fase (XPM, Cross-Phase Modulation ).

Los efectos debido a los fenómenos no lineales son útiles para implementar, a partir de los amplificadores ópticos, convertidores de longitud de onda. Se aprovechan estos fenómenos para pasar la información de una señal en una longitud de onda a otra con distinta longitud de onda. EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier El EDFA es el amplificador de fibra dopada más empleado en la actualidad, ya que es posible amplificar señales en la tercera ventana (1550nm). El motivo puede deducirse del diagrama de niveles del erbio.

Fig.2.8.6. : Diagrama de nivles energéticos del Erbio Se puede ver en el diagrama de niveles de energía del erbio que la transición entre los niveles 4I13/2 y 4I15/2 corresponde a una longitud de onda comprendida entre 1530nm y 1560nm aprox. Luego al provocar una inversión de población entre dichos niveles se puede amplificar señales en la tercera ventana. El primer nivel excitado, 4I13/2 , desde el que las frecuencias de transición se corresponden con la tercera ventana, tiene un tiempo de vida medio de unos 10ms, mientras que en los dos superiores es de 0.001ms, por lo que el nivel 4I13/2 es un estado metaestable. Por lo tanto todo ión que llegue a estos niveles por medio del bombeo acabara cayendo al nivel 4I13/2 por emisión espontánea, y a su vez cara al nivel fundamental por emisión estimulada, produciéndose así la amplificación. Al dopar con iones de erbio el núcleo de una fibra óptica se provoca un ensanchamiento de las bandas de transición. Esto a su vez provoca un ensanchamiento considerable del rango de longitudes de onda que pueden ser amplificadas. Este efecto puede mejorarse añadiendo al núcleo, aluminio y óxido de germanio. 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). El empleo de una u otra longitud de onda depende de ciertas características del proceso de absorción en cada uno de estos niveles, derivadas de los diferentes tipos de ruido al que pueden originarse, de la disponibilidad de las fuentes de bombeo o de la saturación de ganancia. 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:  

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. La fuente de bombeo óptico a 1480 o 980nm, formada por un láser semiconductor.

Fig.2.8.7. : Configuraciones de un EDFA En la figura anterior se muestran las configuraciones posibles del EDFA. La primera configuración es la más empleada hoy en día. La señal que hay que amplificar y la señal de bombeo se inyectan al EDFA combinadas por medio de un acoplador. El primer aislador se emplea para impedir la propagación hacia fuera del EDFA del emisión espontánea (ruido ASE) que se genera y se propaga en sentido contrario al de la transmisión. El bombeo y la amplificación se realizan en el mismo sentido que la propagación. A la salida se coloca otro aislador que evita la entrada al EDFA y por tanto su amplificación de cualquier señal reflejada. Finalmente se emplea un filtro óptico para filtrar el ruido ASE, generado en el amplificador, que se encuentre fuera de la banda de la señal útil. La siguiente configuración se diferencia de la anterior en que la señal de bombeo se inyecta al EDFA en sentido contrario a la propagación. El aislador de la entrada además de cumplir las funciones anteriores, tiene la misión de evitar la propagación de la señal de bombeo fuera del amplificador. La ventaja de esta configuración es permite

ganancias más altas, pero sus características de ruido son peores. La tercera configuración es una combinación de las dos anteriores. Consiste en un doble bombeo, por lo que se denomina bombeo dual o bidireccional . La ganancia por tanto puede llegar a duplicarse. Este esquema es muy empleado en la implementación de amplificadores repetidores. 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. El EDFA no presenta una ganancia uniforme con la longitud de onda. Debido a la saturación según crece la potencia de entrada la ganancia disminuye hasta llegar a un punto en que se mantiene constante. El máximo de ganancia se alcanza alrededor de los 1530-1535nm. Como puede verse en la figura a potencias altas la respuesta de la ganancia en todo el rangote la banda C (1530-1565nm) es bastante plano lo cual no sucede a potencia de entrada más bajas. Esto es un grave inconveniente en los sistemas WDM, ya que no todos los canales se amplifican por igual.

Fig.2.8.8. : Representación de la ganancia de un EDFA respecto de la longitud de onda Las características técnicas que hacen del EDFA el amplificador más utilizado son: 

Como consecuencia de su geometría cilíndrica sus pérdidas de inserción en las uniones con la fibra óptica son muy reducidas.

  

Debido también a su geometría su ganancia es poco sensible a la polarización de la señal. El ruido que genera es bajo. La saturación de la ganancia no ocasiona distorsión.

Su principal inconveniente es que sólo opera en la tercera ventana, aunque se existen dispositivos similares pero dopados con otros elementos que pueden operar en otra ventana. Otro problema es que 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. La siguiente tabla resume los parámetros típicos de un amplificador EDFA. Longitud de onda de bombeo Eficiencia de bombeo (dB/mW)

1480 nm 980 nm 5

10

Figura de ruido (dB)

5.5

3-4.5

Potencia de salida de saturación (dBm)

20

5

Ganancia (dB)

40

50

50-200

10-20

Potencia de bombeo (mW) PDFA, Praseodymiun Doped-Fiber Amplifier

El fundamento de este tipo de amplificador es el mismo que el de los EDFA, la diferencia es que se emplea Praseodimio para dopar el núcleo de la fibra óptica, lo que permite a este dispositivo amplificar en la segunda ventana. La principal desventaja es que la ganancia es menor que con un EDFA. Amplificadores de Raman Este amplificador se basa en el efecto Raman, SRS 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. El efecto Raman estimulado, en principio es similar a una emisión estimulada, fenómeno en el cual se basan los amplificadores de fibra dopada. En la emisión estimulada, 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. En el caso de un material amorfo, como es una fibra óptica, las frecuencias características del material son un todo casi continuo, es decir, no son un conjunto de frecuencias claramente diferenciadas como ocurre con los materiales monocristalinos. Gracias a este concepto se obtiene un nuevo método de amplificar una señal óptica. La señal que provoca la amplificación será la propia señal que transmite la información. Además, si por la fibra se transmite más de un canal, cada uno dará lugar al efecto Raman en su propia frecuencia, produciéndose la amplificación, siempre que estas frecuencias estén dentro del rango de frecuencias características del material. Los principales inconvenientes que presentan estos amplificadores es la necesidad de una alta potencia de bombeo, cercana al vatio. 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.

Fig.2.8.9. : Obtención de una ganancia constante con la longitud de onda, emplenado un EDFA junto con un amplificador Raman

4.7.4.1. Diseño de la topología lógica considerando la topología física 4.7.4.2. Diseño de la topología lógica sin considerar la topología física 4.7.1. Introducción 4.7.2. Diseño de topologías lógicas 4.7.3. Topologías lógicas regulares 4.7.4. Topologías lógicas no necesariamente regulares 4.6.1. Codificación directa 4.6.2. Codificación espectral 4.5.1. Sistemas SCM analógicos 4.5.2. Sistemas SCM digitales 4.5.3. Sistemas SCM con multiples longitudes de onda 4.2.1. OTDM 4.1. Introducción 4.2. Sistemas TDM 4.3. Sistemas SDM 4.4. Sistemas WDM 4.5. Sistemas SCM 4.6. Sistemas CDMA 4.7. Topologías lógicas 4.8. Referencias 3.5.1. Moduluación 3.5.2. Detección 3.5.3. Demodulación 3.3.1. Tasa de error de bit (BER) 3.3.2. Sensibilidad 3.3.3. Enlaces con un preamplificador óptico 3.1. Introducción 3.2. Evalucación de la validez de un sistema de comunicaciones ópticas 3.3. Cálculo de enlaces ópticos 3.4. Diseño de sistemas 3.5. Métodos de Modulación, Detección y Demodulación 3.6. Referencias 2.10.1. Conversores de longitud de onda 2.10.2. Conversores comerciales 2.10.3. Referencias 2.9.1. Cosideraciones generales 2.9.2. Configuraciones de conmutación 2.9.3. Dispostivos para la conmutación 2.9.4. Optical Cross Connect (OXC) 2.9.5. Conmutadores comerciales 2.9.6. Referencias 2.8.1. Introducción 2.8.2. Tipos de amplificadores ópticos 2.8.3. Amplificadores comerciales 2.8.4. Referencias 2.7.1. Multiplexor basado en gratings 2.7.2. Multiplexor basado en MZI 2.7.3. Multiplexores comerciales 2.5.4.1. Características luz-corriente 2.5.4.2. Respuesta transitoria 2.5.4.3. Modulación 2.6.1. Introducción 2.6.2. Ganancia óptica 2.6.3. Realimentación y efecto umbral 2.6.4. Funcionamiento del laser 2.6.5. Aplicaciones interactivas 2.6.6. Transmisores comerciales 2.6.7. Referencias 2.5.1. Introducción 2.5.2. Fundamentos de los fotodiods 2.5.3. Fotodiodo p-i-n 2.5.4. Fotodiodo de avalancha 2.5.5. Detectores comerciales 2.5.6. Referencias 2.4.1. Introducción 2.4.2. Filtros de interferencia 2.4.3. Filtros Fabry Perot 2.4.4. Filtro de MachZender 2.4.5. Filtro sintonizable acusto-óptico 2.4.6. Acopladores 2.4.7. Filtros comerciales 2.4.8. Referencias 2.3.1. Introducción 2.3.2. Fundamentos 2.3.3. Acoplador estrella pasivo 2.3.4. Interferómetro de MachZender 2.3.5. Arrayed Wave guide Gratting (AWG) 2.3.6. Aislado ópitco y circulador 2.3.7. Acopladores y otros componentes ópticos pasivos comerciales 2.3.8. Referencias 2.2.1. Introducción 2.2.2. Gratings de Bragg periódicos 2.2.3. Gratings de Bragg comerciales 2.2.4. Referencias 2.1.1. Introducción 2.1.2. Fibras ópticas comerciales 2.1.3. Conectores de fibras ópticas 2.1.4. Conectores y adapatadores comerciales 2.1.5. Cables de fibra óptica 2.1.6. Cables comerciales 2.1.7. Referencias 2.1. La fibra óptica 2.2. Gratings de Bragg 2.3. Acopladores 2.4. Filtros ópticos 2.5. Detectores 2.6. Transmisores 2.7. Multiplexores 2.8. Amplificadores ópticos 2.9. Conmutadores 2.10. Conversores de longitud de onda 1.7.1.Introducción 1.7.2. Propagación de solitones 1.7.3. Transmisión con solitones 1.7.4. Referencias 1.6.1. Introducción 1.6.2. Modulación de autofase (SPM) 1.6.3. Efectos de la SPM en pulsos gaussianos 1.6.4. Modulación de fase cruzada (M) 1.6.5. Mezcla de cuarta onda (FWM) 1.6.6. Scatterring estimulado de Raman (SRS) 1.6.7. Scatterring estimulado de Brillouni (SBS) 1.6.8. Referencias 1.6.9. Test 1.5.1. Introducción 1.5.2. Dispersión e pulsos gaussianos con chirp 1.5.3. Ensanchamiento de pulsos gaussianos con chirp 1.5.4. Referencias 1.5.5. Test 1.4.3.1. Resolución de la ecuación de ondas en el núcleo de la fibra 1.4.3.2. Resolución de la ecuación de ondas fuera del núcleo de la fibra 1.4.1.1. Ecuaciones de Maxwell 1.4.1. Introducción 1.4.2. Ecuaciones de Maxwell para una fibra óptica 1.4.3. Resolución de la ecuación de ondas 1.4.4. La ecuación de dispersión 1.4.5. Resolución de la ecuación de dispersión 1.4.6. Diagrama b-V 1.4.7. Modods linealmente polarizados (LP) 1.4.8. Flujo de potencia 1.3.1. Introducción 1.3.2. Pérdidas intrínsecas 1.3.3. Pérdidas extrínsecas 1.3.4. Referencias 1.2.1. Introducción 1.2.2. Solución del campo eléctrico transversal 1.2.3. Solución del campo magnético transversal 1.2.4. Condiciones de propagación 1.2.5. Referencias 1.2.6. Test 1.1.1. Introducción 1.1.2. Condiciones de modos guiados 1.1.3. Solución del campo eléctrico transversal 1.1.4. Solución del campo Magnético transversal 1.1.5. Condiciones de propagación 1.1.6. Variación el Módulo del campo 1.1.7. Referencias 1.1.8. Test 1.1. Guía Planar simétrica 1.2. Guía Planar asimétrica 1.3. Propiedades de la fibra óptica 1.4. Modos de propagación 1.5. Dispersión en la fibra 1.6. No linealidades de la fibra 1.7. Pulsos y solitones

2006

Tutorial Comunicaciones Ópticas

Grupo Comunicaciones Ópticas