Amplificador ptico En fibra ptica, un amplificador ptico es un dispositivo que amplifica una seal ptica directamente, sin la necesidad de convertir la seal al dominio elctrico, amplificar en elctrico y volver a pasar a ptico.

Amplificador ptico

En fibra ptica, un amplificador ptico es un dispositivo que amplifica una seal ptica directamente, sin la necesidad de convertir la seal al dominio elctrico, amplificar en elctrico y volver a pasar a ptico.

Los dos principales tipos de amplificadores pticos son: los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers, y los DFAs, Doped-Fiber Amplifiers.

El fundamento de un amplificador ptico es el proceso de emisin estimulada al igual que en un lser. Su estructura es similar a la de un lser salvo que no posee una realimentacin para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel de potencia de la seal pero no generar una seal ptica coherente. En la siguiente figura se muestra un esquema del funcionamiento de un amplificador bsico.

Una fuente de bombeo inyecta una energa en la zona activa del amplificador. Esta energa es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energa producindose la inversin de poblacin. Al ser alcanzados estos electrones por los fotones de la seal ptica de entrada caen a unos niveles energticos ms bajos dando lugar a un nuevo fotn, esto es el proceso de emisin estimulada, producindose as la amplificacin de la seal.La amplificacin se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del material, as como su estructura.En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones de elementos semiconductores como el fsforo, el indio, el galio y el arsnico. En los DFA es un ncleo de fibra ptica dopada con iones de tierras raras como el Erbio (Er), el Praseodimio (Pr), el Iterbio (Yb) o el Neodimio (Nd).

Semiconductor Laser Amplifier (SLA)La estructura de un SOA Semiconductor Optical Amplifiers , es muy similar a la de un lser semiconductor pero sin la realimentacin que hace que ste oscile. Segn como se evite esta oscilacin se tienen tres subtipos de amplificadores.Amplificadores de enganche por inyeccin . Son los menos empleados y consisten en lseres de semiconductor polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una seal ptica de entrada.Amplificador Fabry-Perot (FP) . Su estructura es bsicamente como la de un lser de Fabry-Perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo as su oscilacin. 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 peridicamente.Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ) . En el se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando as la realimentacin de la seal, por lo que la amplificacin se produce por el paso de la seal 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 ms empleado en la actualidad debido a sus prestaciones en saturacin, ancho de banda y ruido. Su estructura consiste en una unin 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 sita de forma no ortognal a las caras de entrada y salida; en la derecha las caras no son paralelasEl esquema de la izquierda consiste en situar el plano activo en una posicin no ortogonal a las caras de entrada y salida. El objeto de esto es que la seal que incide sobre la superficie de salida no lo haga formando un ngulo de 90 con sta, de forma que la poco seal reflejada por la cara de salida no se realimente. En el ltimo esquema, que tiene la misma misin que el anterior, las caras extremas no estn paralelas entre s.Sus principales ventajas son,La posibilidad de integracin por su reducido tamao.La facilidad de construccin a distintas longitudes de onda variando la composicin del material.

Sus principales inconvenientes son: Su geometra rectangular produce prdidas al acoplarlo con la fibra, y no amplifica por igual las dos polarizaciones de las seal.Cuando las seales transmitidas poseen ciertos niveles de potencia aparecen fenmenos de naturaleza no lineal que producen distorsin y diafonias. Por ejemplo, debido a la saturacin de la ganancia la seal de un canal puede modular la ganancia instantnea del amplificador de forma que la informacin de esta seal pase a las seales del resto de canales, esto es la modulacin cruzada de ganancia (XGM, Cross-Gain Moulation) . Otro efecto similar al anterior que puede producirse en la fase es la modulacin de cruzada de fase (XPM, Cross-Phase Modulation ).Los efectos debido a los fenmenos no lineales son tiles para implementar, a partir de los amplificadores pticos, convertidores de longitud de onda. Se aprovechan estos fenmenos para pasar la informacin de una seal en una longitud de onda a otra con distinta longitud de onda.

Se puede ver en el diagrama de niveles de energa del erbio que la transicin entre los niveles 4I13/2 y4I15/2 corresponde a una longitud de onda comprendida entre 1530nm y 1560nm aprox. Luego al provocar una inversin de poblacin entre dichos niveles se puede amplificar seales en la tercera ventana. El primer nivel excitado, 4I13/2 , desde el que las frecuencias de transicin 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 in que llegue a estos niveles por medio del bombeo acabara cayendo al nivel 4I13/2 por emisin espontnea, y a su vez cara al nivel fundamental por emisin estimulada, producindose as la amplificacin.

EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) Es el medio activo donde se produce la inversin de poblacin. Formado por un tramo de fibra ptica de Si0 2 con el ncleo dopado con iones de erbio.La fuente de bombeo ptico a 1480 o 980nm, formada por un lser semiconductor.En la figura se mostraron las configuraciones posibles del EDFA. La primera configuracin es la ms empleada hoy en da. La seal que hay que amplificar y la seal de bombeo se inyectan al EDFA combinadas por medio de un acoplador. El primer aislador se emplea para impedir la propagacin hacia fuera del EDFA del emisin espontnea (ruido ASE) que se genera y se propaga en sentido contrario al de la transmisin. El bombeo y la amplificacin se realizan en el mismo sentido que la propagacin. A la salida se coloca otro aislador que evita la entrada al EDFA y por tanto su amplificacin de cualquier seal reflejada. Finalmente se emplea un filtro ptico para filtrar el ruido ASE, generado en el amplificador, que se encuentre fuera de la banda de la seal til.La siguiente configuracin se diferencia de la anterior en que la seal de bombeo se inyecta al EDFA en sentido contrario a la propagacin. El aislador de la entrada adems de cumplir las funciones anteriores, tiene la misin de evitar la propagacin de la seal de bombeo fuera del amplificador. La ventaja de esta configuracin es permite ganancias ms altas, pero sus caractersticas de ruido son peores.La tercera configuracin es una combinacin 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 implementacin de amplificadores repetidores.

La siguiente figura presenta la ganancia de un EDFA en funcin de la longitud de onda para diferentes valores de potencia de entrada, con una seal de bombeo a 1480nm.El EDFA no presenta una ganancia uniforme con la longitud de onda. Debido a la saturacin segn crece la potencia de entrada la ganancia disminuye hasta llegar a un punto en que se mantiene constante. El mximo 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 rango te la banda C (1530-1565nm) es bastante plano lo cual no sucede a potencia de entrada ms bajas. Esto es un grave inconveniente en los sistemas WDM, ya que no todos los canales se amplifican por igual.

Forma de onda elctrica y modulacionLa seales de informacin no siempre pueden ser transmitidas de manera directa por lo que debemos someterlas un proceso de cambio que se conoce como modulacion para una adecuada transmisin.Dependiendo de la naturaleza de la seal y del canal por el que ser transmitida las tcnicas de modulacion varan ya que se debe de tomar en cuenta aquellos parmetros que sean deseables o no durante el manejo de la seal.Por ejemplo, si nuestra seal de informacin es de tipo elctrica debemos considerar que el medio en que la seal es transmitida puede presentar interferencias que comprometan la integridad de nuestra informacin .Si nuestra seal es de naturaleza ptica, sabremos que las interferencias electromagnticas no presentaran una amenaza para nuestra seal. El medio de transmisin debe ser aquel donde exista la menor perdida (fibra ptica)