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5/7/2018 Amplificadores %D3pticos - slidepdf.com

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AMPLIFICADORES OPTICOS

�Integrantes:

Daniel CadenaVerónica Cevallos

Victor López



Amplificadores Ópticos

En fibra óptica, un amplificador óptico es un dispositivo que

amplifica una señal óptica directamente, sin la necesidad de

conv ertir la señal al dominio eléctrico, amplificar en eléctrico y volv er a pasar a óptico. Un amplificador óptico es capaz de

amplificar un conjunto de longitudes de onda. [1]



Estos amplificadores necesitan de un bombeo

externo con un láser de onda continua a unafrecuencia óptica ligeramente superior a la que

amplifican.

Típicamente, las longitudes de onda de bombeoson 980 nm o 1480 nm y para obtener los me jores

resultados en cuanto a ruido se refiere, debe

realizar

se enlami

sma dir

ección qu

ela

señal.



La amplificación se realizamediante el proceso de

emisión estimulada.

Su existencia fue propuestapor Albert Einstein en 1917



Proceso de estimulación

y En la figura se muestra el principio del proceso de emisiónestimulada. En él tenemos la interacción entre un fotón y unátomo 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 mismascaracterísticas de dirección y de fase que el fotón inicial.[2]



FUNCIONAMIENTO

El amplificador óptico es un sistema tal que

al introducirle un flujo inicial de fotones Si

nos proporciona en su salida un flujo finalde fotones S f mayor que el flujo inicial Si .



L

a condición nec

esaria para t

en

er amplificación d

elflujo inicial de fotones S i es que el número de átomos

excitados que se encuentra en la cavidadamplificadora sea mayor que el número de átomos

que s e e

ncuentra

en

su

estado ba

se.L

a condiciónanterior se conoce como condición de inversión de población y el problema central para la realizaciónpráctica de un amplificador óptico está en cómo

lograr dicha inv ersiónde población.



Para lograr dicha inv ersión de población es necesario algún dispositivo que

proporcione la energía que los átomos de la cavidad amplificadorarequieren para pasar de su estado base a un estado excitado. Este

dispositivo recibe el nombre de "sistema de bombeo" y puede ser de

varios tipos, aunque los más usuales son de tipo óptico o de tipo eléctrico.

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



TIPOS DE AMPLIFICADORES

ÓPTICOS



Tipos de amplificadores ópticos según suaplicación.

Como amplificador de línea en un enlace con fibra monomodo,como el que se muestra en la figura, se emplea para ele var el niv el de

potencia de la señal y compensar así las pérdidas sufridas por lapropagación de la señal. Frecuentemente se instalan varios

amplificadores en cascada a lo largo de la línea.



Como preamplificador f ront-end en un receptor,como muestra la figura b, su misión es amplificar laseñal antes de ser detectada por el fotodetector parame jora así l a relación señal ruido.



Como amplificador de potencia situándose a continuación de lafuente láser, se emplea para ele var el niv el de potencia de la señal e

incrementar la distancia de transmisión. En la configuración de lafigura (c) su objetivo es compensar las pérdidas debidas almodulador externo. En la configuración de la figura (d) busca

compensar las pérdidas que sufre una señal al atrav esar un divisor.



Tipos de amplificadores

Los dos principales tipos de amplificadores ópticos son:

los SOAs, S emiconductor Optical Ampli f iers, y los DFAs,Doped-Fiber Ampli f iers.

y En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones de

elementos semiconductores como el fósforo, el indio, el galio y el arsénico.

y 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 formaeléctrica. Podría ser menos caro que un EDFA y puede serintegrado con otros dispositivos (láseres, moduladores...).

Sin embargo, en la actualidad, las prestaciones no son tanbuenas como las que presentan los EDFA s. Los SOA spresentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son

sensibles a la polarización, son muy no lineales cuando seoperan a ele vadas v elocidades



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 terceraventana. (EDFA)y (PDFA) con ganancia en 2ªventana.

Su gran ventaja es que son dispositivos todo-fibra,

eliminándose los problemas de los SOA: no hay quealinear fibras, no dependen de la polarización, noexiste cruce de canales.



�

Ganancia es independiente de la tasaDigital

�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 fibraóptica dopada con erbio (metal usado en algunas

aleaciones) llamados EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)



Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son1480nm (mediante un diodo láser de InGaAsP) y 980nm (medianteun diodo láser de InGaAs).



Ganancia de un EDFA en 3ª ventana

R ejilla ITU-T

P

(nm)

Ganancia (dB)

Perfil deganancia

EDFA Lambdas

individuales30

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



Configuraciones de bombeo

Los elementos básicos para implementar unEDFA son:

1. El medio activo donde se produce lainversión de población. Formado por untramo de fibra óptica de Si0 2 con elnúcleo dopado con iones de erbio.

2. La fuente de bombeo óptico a 1480 o980nm, formada por un lásersemiconductor.



Configuraciones de un EDFA



Ganancia de un EDFALa siguiente figura presenta la ganancia de un EDFA en función de la longitudde onda para diferentes valores de potencia de entrada, con una señal debombeo a 1480nm.

Su principal inconveniente es que sólo opera en la tercera ventana,aunque se existen dispositivos similares pero dopados con otroselementos que pueden operar en otra ventana. Otro problema es que suganancia no es uniforme para todas las longitudes de onda, aunque estose solventa trabajando cerca de su saturación, pues la curva de gananciaes más plana.



Amplificadores Ópticos de SemiconductorCaracterísticas Generales:

y Están basados en estructuras de semiconductor como las de los diodos láser, pero en donde se ha eliminado elresonador.

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

yPueden funcionar en segunda v entana.



Principio de Funcionamientoy Están basados en dobles heteroestructuras con los mismos materiales con los que se construy en los diodos láser, y el principio de funcionamiento es el mismo:se iny ectan portadores y se potencia la emisiónestimulada esperando a que cuando llegue la señal por lafibra de entrada se generennue vos fotones y por tanto se amplifique.



Características Generalesy Según como se e vite esta oscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.y Amplificad or es 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.

y

A mplificador Fabr y-Perot (FP) .y Alto rizado de la ganancia por resonanciay Ancho de banda estrecho 5GHzy Sensible a las variaciones de temperatura, corriente y polarización de la señaly Filtrado de ruido inherente

y A mplificador de onda v iajera (TWSLA, T ravelling Wave SL A ) . En el se eliminan las reflectividades de los espe jos de salida de la cavidad, e vitando así

la realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el pasode la señal un sola v ez por el dispositivo.



Estructura del Amplificador Semiconductory Su estructura consiste en una

unión pn polarizada en directacon los extremos de la zonaactiva recubiertos con un

material antirreflectante, comose muestra en la siguiente figura. Estructura de un SOA

de onda viajera, en laizquierda el medioactivo se sitúa deforma no ortognal alas caras de entrada ysalida; en la derechalas caras no sonparalelas



Ventajas e InconvenientesSus principales v entajas son,y Control por corriente

y Tecnología en usoy

Compactos e

integrabl

es

y Buen Ancho de banda.Sus principales inconv enientes son:y Sensibilidad a lay polarizacióny Diafoníay Pérdidas de acoploy Factor de ruido relativamente altoy Potencia de saturación pequeña



Amplificadores de RamanCaracterísticas Generales:y Este amplificador se basa en el efecto R aman, SRS S timulated Raman S cattering .

Esta no linealidad de las fibras ópticas tiene lugar cuando ésta es atra v esada por una radiación monocromática de alta intensidad. Bajo ciertas condiciones, la radiación interactúa con el material dando como resultado la aparición de una

nue v a longitud de onda, de ma y or intensidad que la inicial.

y El efecto R aman 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 pro v ocando la emisión estimulada de otro fotón sigue presente. En el caso del R aman estimulado,después de la interacción entre el fotón y el medio, se genera un nue v o fotón de menor energía (menor frecuencia) y la diferencia de energía se transfiere al material dando lugar a v ibraciones moleculares, desapareciendo el fotón inicial.

y

Las frecuencias que se pueden generar dependen las frecuencias característicasde 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 Principalesy Gran Ancho de banda aproximadamente (6THz)

y Potencia de bombeo alta

y Potencia de saturación alta (orden 1 w)y Figura de ruido próxima a 3 dB

y Principal problema: FUEN T E DE BOMBEO



Características PrincipalesyUn amplificador óptico multiplexa luces de la

bomba, teniendo div ersas longitudes de onda

estas se propagarán a través de una tray ectoriade transmisión para proporcionar laamplificación de Raman.



Amplificadores Ramany Comparado con un EDFA, la utilización de amplificadores

Raman produce una me jor distribución de potencia a lo largode la fibra óptica, reduciendo así los ef ectos no lineales.

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



Inconvenientesy Los principales inconv enientes que presentan estos amplificadores

es la necesidad de una alta potencia de bombeo, cercana al vatio.Por el contrario una de sus v entajas es que cubre un margen de longitudes de onda no cubierto por los EDFA, por lo que puedenemplearse de forma complementaria. Este hecho queda refle jado enla siguiente figura, en la que se representa de forma aproximada las zonas de trabajo de cada uno. Como se v e empleando ambos amplificadores se obtiene en el rango comprendido entre los 1530 y 1600 nm una curva ganancia prácticamente plana.



btención una ganancia constante con la longitud de

onda, empleando un EDFA junto con un amplificador

Raman



Aplicacionesy Amplificación de pulsos cortos

y Industria del CATV

y Amplificadores en cascada a 1.300 nm



REFERENCIAS:

[1]

http://es

.wikipe

dia.org/wiki/Amplificador_%C3%B3ptico

[2]http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/v olumen2/ciencia3/105/htm/sec_6.htm

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