Amplificadores Opticos

...

- AMPLIFICADORES ÓPTICOS

Los amplificadores ópticos operan haciendo uso sólo de fotones, sin interactuar con los electrones. De esta manera no se necesita colocar amplificadores opto-electrónicos entre tramos de fibra, los amplificadores ópticos consiguen una amplificación lineal de la señal óptica en determinados tramos de longitudes de onda. Estos amplificadores generan una réplica de la señal de entrada pero con mayor nivel de potencia, operando completamente en el dominio óptico.

Algunas de las características clave de los amplificadores ópticos son:

- Ganancia: Relación entre la potencia óptica de salida y la potencia óptica de entrada (expresado en dB).

- Ancho de banda: Rango de frecuencias donde la ganancia se mantiene por encima de la ganancia nominal.

- Potencia de Saturación: Es la potencia máxima de salida del amplificador, más allá del cual no puede aumentar a pesar del aumento de potencia de entrada.

- Cifra de Ruido: Relación entre la relación señal/ruido SNR (Signal to noise ratio) de entrada y la relación señal/ruido SNR de salida.

- Potencia de Bombeo corriente de inyección: Potencia o corriente necesaria para un correcto funcionamiento.

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 figura 2.1 se muestra la estructura de un amplificador básico.

[pic 3]

Figura 2.1: Estructura de un amplificador óptico

Fuente: http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/contenidos/tema2/tema2_8_2.htm

La mayoría de los amplificadores ópticos hacen uso de la emisión estimulada para lograr la amplificación de una o más señales de entrada. La emisión estimulada se logra mediante una fuente de bombeo externo con un láser de onda continua a una frecuencia óptica ligeramente superior a la que amplifican, gracias a la cual se genera una inversión de población; la inversión de población se logra cuando una cantidad significativa de los electrones presentes en el sistema, pasan de un estado basal a un estado de excitación, como se muestra en la figura 2.2. En el estado de excitación, un fotón incidente puede provocar la liberación de la energía absorbida por los electrones en forma de fotón, como se observa en la figura 2.3, el cual tendrá la misma fase y frecuencia del fotón incidente. De esta manera un solo fotón se multiplica exponencialmente durante el recorrido a través de un amplificador óptico.

[pic 4]

Figura 2.2: Inversión de población

Fuente: http://www.um.es/LEQ/laser/Ch-2/F2s6p1.htm

[pic 5]

Figura 2.3: Emisión estimulada

Fuente: http://albaciencia.albacete.org/?cat=53

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.

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

- Comparación de los amplificadores ópticos con los electrónicos

Las ventajas de estos dispositivos frente a los amplificadores o regeneradores electrónicos:

- 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 costo que los regeneradores.

- Permiten emplear reflectómetros ópticos para pruebas y supervisión de las líneas de fibra óptica.

Las limitaciones más importantes que supone su empleo son:

- 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 (multiplexación por división de longitud de onda).

- Su ganancia no es uniforme en todo el rango de amplificación, por lo que debe ser ecualizada.

- Clasificación de los amplificadores ópticos

Los dos sistemas más utilizados para amplificación óptica son los amplificadores ópticos de semiconductor, por su pequeño tamaño y los amplificadores de fibra óptica, por su facilidad de integración en la red. Ambos tipos de amplificadores producen ganancias elevadas para anchos de banda ópticos elevados lo que los hace muy útiles.

- AMPLIFICADORES ÓPTICOS DE SEMICONDUCTOR (SEMICONDUCTOR OPTICAL AMPLIFIERS, SOAs)

La estructura de un Amplificador Óptico de Semiconductor SOA, como se muestra en la figura 2.4, es similar a la de un láser semiconductor pero sin la realimentación que hace que el amplificador oscile. Estos dispositivos son capaces de amplificar la señal óptica (entre 15 y 35 dB) con poco consumo de potencia y son adecuados para uso con fibras monomodo.

[pic 6]

Figura 2.4: Estructura de un amplificador de semiconductor

Fuente: [4]

En un inicio se diseñaron para la amplificación de la señal óptica, pero en la actualidad han sido reemplazados por los amplificadores de fibra óptica como los de fibra dopada con Erbio (EDFA), debido a su comportamiento no lineal.

En los amplificadores ópticos de semiconductor la corriente eléctrica permite disponer de una gran concentración de portadores en la cavidad activa con lo que se consigue inversión de población y con ello ganancia óptica debido a la emisión estimulada. En la figura 2.5 se muestra un SOA comercial.