Download amplificadores opticos.- - edfa

SISTEMAS DE TRANSMISION POR FIBRA OPTICA
TRABAJO:
AMPLIFICADORES OPTICOS.-
EDFA
RAMAN
SOA
- REGENERADORS OPTICOS
Alumnos:
W. Oscar Sulcani Ramos
Juan Carlos Romero
AMPLIFICADORES ÓPTICOS
INTRODUCCION.Los amplificadores ópticos operan haciendo uso sólo de
fotones, sin necesitar la interacción de electrones. De esta forma no es
necesario colocar amplificadores optoelectrónicos entre tramos de fibra, los
amplificadores ópticos consiguen una amplificación lineal de la señal óptica en
determinados tramos de longitudes de onda. El amplificador óptico proporciona
una solución más simple al problema de la atenuación y puede ser usado
independientemente del tipo de modulación y del ancho de banda, además es
un dispositivo bidireccional y permite el trabajo en sistemas con multiplexación
de longitud de onda. Particularizando en sistemas monomodo donde la
dispersión temporal es pequeña, la simple amplificación es suficiente para un
enlace de fibra, sin embargo, para sistemas con dispersiones elevadas puede
que la amplificación no sea suficiente y se necesite la regeneración de la señal
y en este caso ya será necesario el interfaz optoelectrónico.
Los amplificadores ópticos han resultado tener más útilidades que su uso como
repetidores lineales y se estudia su uso como preamplificadores de recepción,
como puertas lógicas ópticas, conformadores de pulsos y direccionadores.
Los dos sistemas más utilizados para amplificación óptica son los basados en
láseres de semicon- ductor que utilizan la generación estimulada por la luz que
deseamos amplificar y los basados en fibra
AMPLIFICADOR DE FIBRA DOPADA CON ERBIO (EDFA)
En los últimos años la fibra óptica es el medio de transmisión más importante
para las comunicaciones de alta velocidad, tanto digital como analógico. Y En
la década de los 90, paralelamente a la creciente necesidad de aumentar el
ancho de banda disponible aparecieron los amplificadores ópticos, los cuales
dieron paso a las comunicaciones como se conocen hoy en día.
Sus características insuperables en comparación con otros medios de
transmisión, como son:
- Gran ancho de banda (~23 THz).
- Baja atenuación (~0.23 dB/km en 1550 nm).
- Máxima ganancia en la región de 1.55 µm( que dio paso a la utilización
de la infraestructura ya instalada alrededor del mundo).
- Operación en la 3ª ventana.
- Elevada ganancia y bajo ruido.
- Transparencia a las longitudes de onda.
- Independencia a la polarización.
Un amplificador óptico es capaz de amplificar un conjunto de longitudes de
onda (WDM, wavelength division multiplexing)
El amplificador de fibra dopada más común es el EDFA ( 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).
- 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)
El ruido ASE generado a la salida de un amplificador de este tipo se puede
calcular como:
donde, nsp es el factor de emisión espontánea, G es la ganancia del
amplificador y B0 es el ancho de banda óptico del amplificador.
Comparación de amplificadores
Característica
Amplificación de Banda
EDFA
Las
bandas
“C”
y
“L”(alrededor
de
1550nm); no trabajan en el
rango de 1300nm.
Raman
Depende de la disponibilidad
de bombas de longitud de onda;
funciona en todas las bandas.
Ganancia
20db ó más dependiendo
de la concentración de los
iones, la longitud de la
fibra y la configuración de
las bombas.
Depende de la ganancia y
las constantes del material.
De 4 a 11 db, proporcional a
la intensidad de la bomba y la
efectividad de la longitud de
la fibra.
Ruido
Amplifica el ruido.
No amplifica el ruido.
Longitud de onda de la
bomba
980 nm. ó 1480 nm.
Aproximadamente 100 nm
más abajo que la longitud de
onda de la señal en ganancia
pico.
Potencia de saturación
Se aproxima a la potencia de
las ondas de la bomba.
Número de amplificadores Alrededor de 6.
Alrededor de 12.
Espaciamiento
80 a 100 Km.
Alrededor de 65 Km.
Característica
Configuración Híbrida EDFA y Raman
Número de amplificadores
Espaciamiento
Alrededor de 12.
80 a100 Km.
Como consecuencia de algunas ventajas del EDFA como p.ej.
máxima ganancia, aplicación en la tercera ventana da lugar a ciertas
inconvenientes como son:
- el manejo de la dispersión.
- Y la no linealidad del medio dieléctrico producto del aumento de la
potencia.
Producto de esto, es necesario realizar un tratamiento generalizado del
problema de la propagación de pulsos a través de los EDFA´s, mediante el uso
de aproximaciones para las ecuaciones de tasa, en el cual el amplificador es
modelado como un sistema atómico de dos niveles. En éste, la respuesta
dinámica de dicho sistema atómico es gobernada por el tiempo de relajación de
la población T1 y por el tiempo de relajación del dipolo T2. Dicho modelo tiene
validez para pulsos ópticos cuyo ancho T0 cumple con la relación T1 >> T0 >>
T2. A partir de lo anterior, y considerando que se trabaja con múltiples
longitudes de onda, es posible obtener ecuaciones que rigen la propagación de
pulsos a través del amplificador EDFA, tomando en cuenta la contribución que
realizan los dopantes y como afecta esta última a la aparición de los
fenómenos de dispersión y no linealidad. Además, se considera el efecto no
sintonizante que ocurre cuando la frecuencia de la portadora de los pulsos de
entrada no
PROPAGACIÓN DE PULSOS ÓPTICOS A TRAVÉS DE AMPLIFICADORES
CONCEPTOS.En los sistemas de comunicación de larga distancia, que hacen uso
de la fibra óptica como medio físico para la propagación de las señales ópticas,
se tiene que las señales experimentan una atenuación considerable al
propagarse por la fibra. Lo anterior obliga a que los sistemas de transmisión
utilicen algún mecanismo de amplificación para que las señales mantengan un
nivel de potencia detectable por el receptor, para lo cual en la actualidad se
hace uso de amplificadores ópticos, como es el caso del amplificador de fibra
dopada con Erbio, EDFA
La idea básica que está detrás de la amplificación en los
amplificadores ópticos es la emisión estimulada, que es el mismo principio con
que operan los láseres, con la diferencia que en el caso de los amplificadores
ópticos no se trabaja con retroalimentación.
El principio de operación que presentan los amplificadores ópticos es el
siguiente:
- la fibra dopada con erbio, al ser estimulada mediante una señal de
bombeo, causa que los átomos absorban fotones, quedando éstos en
estado excitado durante un intervalo que está definido por el tiempo de
vida de los átomos de Erbio. Al volver a su estado original, liberan la
energía almacenada, fenómeno que es conocido como emisión.
-
-
La emisión puede presentarse en dos formas distintas:
la primera de ellas es la emisión espontánea, donde la principal
característica que presenta es que no existe una relación de fase entre
los fotones emitidos y los fotones incidentes.
La emisión estimulada, en cambio, se inicia producto de la incidencia de
un fotón, con lo cual los fotones emitidos coinciden con los fotones
incidentes, tanto en fase como dirección, lo que produce una
interferencia constructiva, que finalmente produce la amplificación de las
señales de luz incidente.
Para que llegue a producirse el fenómeno de emisión dentro del
amplificador óptico, debe producirse una inversión de población a nivel de
estados de energía, que se traduce en que la cantidad de iones en estado
excitado sea mayor que la cantidad de iones en el estado básico de energía.
Dicha inversión de población se logra inyectando potencia a la fibra
dopada y puede ser realizada mediante un bombeo externo.
En la actualidad el amplificador de fibra dopada con Erbio es el más
utilizado entre los amplificadores de fibra dopada, dada las características
intrínsecas que posee el Erbio, como es la de operar en la zona cercana a 1.55
µm, región en la cual la fibra monomodo utilizada en la actualidad posee
mínimas pérdidas.
Modelamiento Físico del EDFA:
El principio de la amplificación, como se mencionó
anteriormente, se basa principalmente en las transiciones de energía que
sufren los electrones, producto de la absorción o emisión de energía por parte
del átomo al cual pertenecen.
Una forma de visualizar el principio de operación de un EDFA,
puede ser a través de un esquema de bombeo de tres niveles, el cual se
muestra en la Fig. 1 [1].
Cuando se inyecta una señal de bombeo a la fibra dopada, los
fotones incidentes son absorbidos por los iones de Erbio, provocando de esta
forma una transición de electrones desde el nivel básico (nivel E3), al nivel de
energía superior (nivel E1). Tomando en cuenta que la vida media en el nivel
E3 no posee una extensa duración (=1µs), en comparación con la vida media
del nivel metaestable (nivel E2) (~ 10 ms), se tiene que los electrones decaerán
al nivel de energía metaestable, a través de una transición no radiativa. En
cambio, dada la extensa duración del tiempo de vida media que posee el nivel
metaestable, si la señal de bombeo se mantiene en el tiempo, se llegará a
producir una inversión de la población entre el nivel de energía metaestable E2
y el nivel de energía básico E3.
Fig. 1 Representación esquemática del modelo de un EDFA.
Es a partir de esa energía almacenada que se produce la
amplificación mediante la emisión estimulada. Sin embargo, además de
producirse la emisión estimulada, también se produce
El fenómeno de emisión espontánea, producto de que algunos
fotones decaen en forma espontánea desde el nivel metaestable al nivel
básico; por lo cual dicha emisión espontánea es también amplificada, lo que
origina el ruido de emisión espontánea o ASE (Amplified Spontaneous
Emision). Este efecto, además de introducir ruido a la señal que se propaga,
dado que disminuye la población en el nivel metaestable, también hace
disminuir la ganancia que proporciona el EDFA. La expresión general de la
ganancia está dada por g = (N1 – N2), donde
corresponde a la sección de
cruce de transición y N1 y N2 corresponden a las densidades atómicas de los
niveles E1 y E2, respectivamente. Como se ve en la Fig. 1, la transición de
importancia, que es donde se produce la emisión estimulada, se establece
entre los niveles básicos y metaestable. Para el caso particular de utilizar un
láser de bombeo en 980 nm, los fotones de bombeo incidentes,
correspondientes al bombeo cuya energía corresponde a la diferencia entre los
niveles 4 I11/2 y 4 I15/2, son absorbidos por las transiciones electrónicas, con
lo que se excitan los iones de Erbio ubicándolos en el nivel 4 I11/2. Por lo tanto,
a partir de ese nivel, los electrones decaen espontáneamente, dada la corta
duración del tiempo de vida Τ32 (del orden de los microsegundos, en
comparación con el tiempo de vida Τ 21 ~ 10 ms), a través de transiciones no
radiativas, hasta el nivel metaestable 4 I13/2. Si el bombeo continúa, la
población N2 correspondiente al nivel metaestable 4 I13/2, llegará a ser mayor
que la población N1 correspondiente al nivel básico 4 I15/2, produciéndose la
inversión de la población necesaria para producir la amplificación de los fotones
correspondientes a la señal ubicada en la región de fluorescencia alrededor de
1530 nm. La corta duración del tiempo de vida Τ 32 (Tau-32) de los fotones en
el nivel de bombeo, permite simplificar el modelo del EDFA a un modelo de
sólo dos niveles, correspondientes al nivel básico y al nivel metaestable, sin
pérdida de exactitud.
En la siguiente figura se muestra un esquema del funcionamiento de un
amplificador básico.
Configuracion básica de un amplificador EDFA
Respuesta espectral de diferentes amplificadores ópticos.
Ganancia de un EDFA .La 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 rango de 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. : Representación de la ganancia de un EDFA respecto de la longitud de
onda
Los principales inconvenientes que presentan algunos amplificadores o
combinación 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. : Obtención de una ganancia constante con la longitud de onda,
emplenado un EDFA junto con un amplificador Raman
AMPLIFICADORES RAMAN
La amplificación Raman es una tecnología todo-óptica que permite cubrir
grandes distancias y compite con los EDFAs en el mercado de la amplificación
óptica.
Básicamente, el fenómeno de amplificación Raman consiste en utilizar láseres
de bombeo disponibles comercialmente para convertir a la fibra óptica en un
medio de transmisión de:
- Banda ancha y ganancia distribuida.
La fibra actúa como un amplificador óptico de gran longitud,
proporcionando ganancia sobre las señales que se propagan por su interior.
Los amplificadores Raman suelen emplearse en una configuración de:
- Contra-propagación.
Es decir, las longitudes de onda de bombeo Raman se introducen
desde el extremo final del tramo de fibra, viajando en sentido contrario al de las
señales DWDM. De este modo se asegura que la mayor parte de la
amplificación ocurra al final del trayecto de fibra, donde los niveles de señal son
más bajos, evitando a su vez que los niveles de potencia a la salida de cada
tramo de amplificación superen el umbral de efectos no lineales (figura 1).
Igual que los EDFAs, la amplificación Raman distribuida contribuye a
añadir:
- Ruido al sistema.
No obstante, a diferencia de los primeros, en este caso se utiliza una
definición distinta:
- La figura de ruido efectiva.
Este concepto equivale a reemplazar la combinación de amplificación
Raman distribuida + EDFA por un único amplificador discreto con su figura de
ruido efectiva.
Se puede comprobar que la amplificación Raman reduce los efectos del:
- Ruido ASE (emisión expontanea) generado en los EDFAs.
Mejorando la relación señal a ruido óptica (OSNR) del sistema completo.
Por ejemplo, se pueden obtener figuras de ruido efectivas inferiores a 3 dB o
incluso negativas, valores que son imposibles de conseguir por separado en los
EDFAs.
En general, aumentando la ganancia Raman se consiguen figuras
efectivas de ruido inferiores, si bien existe un límite. Si se aumenta en exceso
la ganancia, se producen problemas en la fibra asociados al scattering de
Raylegh (dispersión de Raylegh).
Conforme aumenta la ganancia, se dispersa mayor potencia de señal
en el interior de la fibra, apareciendo señales que se propagan en sentido
contrario. Éstas, a su vez, pueden volver a reflejarse y producir señales
“fantasma” en el receptor que llegan con un cierto retardo respecto a la señal
principal.
Adicionalmente, la amplificación:
-
Raman depende de la polarización
De tal modo que señales polarizadas ortogonalmente a la fuente
Raman no experimentan ganancia. Por ello, los módulos amplificadores Raman
deberían poseer una salida despolarizada para minimizar el ruido.
-
Una fuente despolarizada proporciona la misma potencia en cada eje de
polarización de la fibra.
Por lo que un canal WDM se amplifica en la misma cantidad
independientemente de su estado de polarización. En la práctica, una fuente
despolarizada se consigue multiplexando en polarización dos láseres de
bombeo, a la vez que se asegura un balanceo preciso de la potencia de cada
fuente.
Otra posible opción consiste en el empleo de un despolarizador de fibra.
Éstos funcionan separando la luz polarizada en sus dos componentes
ortogonales por medio de una fibra mantenedora de polarización.
A pesar de que el principio fundamental de diseño de un:
-
Amplificador Raman es sencillo.
Cada longitud de onda de bombeo Raman proporciona ganancia a una
frecuencia 13,5 THz inferior.
Las interacciones entre las longitudes de onda Raman y las señales
DWDM pueden resultar complicadas.
La complejidad proviene del hecho de que los mismos canales
DWDM pueden actuar como bombeos Raman para otras señales de
longitudes de onda superiores, a pesar de su nivel de potencia óptica
mucho más reducido. Esto crea múltiples regiones de ganancia Raman 13,5
THz por debajo de la frecuencia de cada señal (unos 100 nm en tercera
ventana).
En sistemas convencionales que solamente transportan:
-
Tráfico en la banda C (1530-1560 nm).
Estas interacciones no tienen demasiada influencia. Sin embargo:
-
La situación es distinta cuando se utiliza amplificación Raman en
presencia de.
Canales tanto en banda C como en banda L.
En este caso, los bombeos Raman:
-
De banda C pierden mucha potencia en amplificar los bombeos Raman
de banda L.
Al mismo tiempo,
-
los canales de banda C proporcionan cierta amplificación a los canales
de banda L.
El resultado es una cierta pendiente en la potencia óptica de los
canales (menor potencia a longitudes de onda más cortas y mayor potencia a
longitudes de onda más largas) que se necesita ecualizar.
Por ello, los bombeos Raman:
-
De banda C requieren una mayor potencia que los de banda L.
Y esto se debe tener en cuenta incluso en el caso de un sistema que
solamente transmita tráfico en banda C, pues en el futuro se limitaría la
utilización de la banda L si las fuentes de bombeo no tuvieran capacidad para
generar potencias superiores. Adicionalmente, la interrelación entre las
potencias de los bombeos y las señales DWDM obliga a ajustarlas en el caso
de modificar la potencia de alguno de los bombeos.
Efecto Raman.Cuando una señal óptica de bombeo encuentra una fibra óptica,
experimenta un cierto grado de dispersión espacial causada por vibraciones
moleculares (o fonones).
Esta luz dispersada se encuentra desplazada en frecuencia un valor:
-
Igual a la diferencia entre las frecuencias del bombeo y de la vibración
molecular del cristal.
La señal desplazada se conoce con el nombre de campo de Stokes.
-
Y que el efecto no lineal se denomina dispersión o scattering Raman.
Este campo de Stokes puede mezclarse nuevamente con la señal óptica
para proporcionar frecuencias adicionales. A su vez, estas señales dirigen las
vibraciones del cristal. El resultado final es un campo de Stokes más intenso, y
al proceso se le denomina:
-
dispersión estimulada de Raman.
El desplazamiento de Stokes determina la frecuencia (con respecto a la
señal original) a la que se produce la ganancia Raman. Esta frecuencia
depende del material, y en el caso de fibras de sílice es de aproximadamente
13,5 THz.
Esto significa que un bombeo típico de 1440 nm producirá ganancia en
torno a los 1550 nm. Debido a la estructura molecular del cristal, existen varias
frecuencias de vibración molecular, por lo que la región de ganancia presenta
un ancho espectral de unos 30 nm aproximadamente. De este modo, es
posible conseguir ganancia para cualquier longitud de onda de una fibra
estándar, simplemente escogiendo adecuadamente la longitud o longitudes de
onda de bombeo. En la figura 2 se ilustra gráficamente esta cuestión de diseño.
El scattering no lineal que conduce a la amplificación Raman es débil en el
caso de fibras ópticas de sílice, por lo que se necesitan grandes longitudes
(varios kilómetros) para obtener un valor de ganancia razonable. Sin embargo,
pueden utilizarse también otro tipo de fibras, como las de dispersión
desplazada, en donde los efectos no lineales son más acusados.
Láseres de bombeo.El diseño de un amplificador Raman es más simple que el de un
EDFA de banda ancha. Escogido las longitudes de onda y las potencias de los
bombeos, se reduce a una cuestión de cómo diseñar una unidad capaz de
generar estas salidas y multiplexarlas en el interior de un sistema de fibra. El
módulo se compone básicamente de una serie de fuentes láser, un esquema
de multiplexación (longitud de onda y polarización), un sistema de
monitorización óptica y un multiplexor de fibra (figura 3).
Las fuentes láser de bombeo son el principal motor del mercado de los
amplificadores Raman. Se necesitan láseres de bombeo con altas potencias de
salida en el margen de longitudes de onda de 14xx nm para la amplificación de
señales en banda C y banda L. Múltiples fabricantes ofrecen láseres de
bombeo de alta eficiencia con potencias entre 300 y 500 mW (figura 4).
También se han demostrado láseres con más de 1 W de potencia a múltiples
longitudes de onda y más de 700 mW en la fibra. Adicionalmente, algunas
empresas comercializan módulos de bombeo con integración híbrida que
proporcionan más de 400 mW. Por ejemplo, dos chips láser de bombeo de 400
mW multiplexados en polarización pueden proporcionar 720 mW a una única
longitud de onda con un haz de salida despolarizado.Pueden encontrarse
también módulos con varios láseres de bombeo multiplexados en longitud de
onda. La seguridad ocular (eye-safety) es una de las principales
preocupaciones asociadas a los amplificadores Raman, ya que típicamente se
trata de dispositivos láser de Clase 4 (potencias de salida superiores a los 500
mW).
Para evitar riesgos en el caso de una rotura de la fibra, se instala un
monitor de reflexiones en el interior de las unidades.
Adicionalmente, resulta esencial una alta estabilidad y precisión de
la longitud de onda de estos láseres, para lo cual se suelen emplear técnicas
de enganche basadas en redes de Bragg. Como la temperatura tiene una alta
influencia sobre las prestaciones, la temperatura de los chips láser se controla
por medio de enfriadores termoeléctricos (TECs), que pueden disipar potencias
superiores a los 10 W.
Características de los Amplificadores Raman.Mencionamos algunas características a las ya referidas:
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.
-
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.
Los amplificadores Raman tienen anchuras espectrales de hasta 40nm
para las longitudes de onda de interés.
Ganancias que alcanzan los 40dB.
Las aplicaciones de estos amplificadores pueden llegar a los sistemas
de WDM.
La potencia óptica de bombeo necesaria para producir a ganancia está
alrededor de 1W (una potencia óptica muy elevada) aunque para
ganancias menores (5dB)
Puede bajar hasta los 50mW.
La otra variable es el tamaño del amplificador, para ganancias ópticas
respetables se hacen necesarias longitudes de:
-
Fibra del orden de 50Km (es la zona en la que aún no se ha absorbido
totalmente la potencia del láser de bombeo).
La ventaja principal de la amplificación de Raman es su capacidad de
proporcionar la amplificación distribuida dentro de la fibra de la
transmisión.
La posición del pico del espectro se encuentra desplazado 13 Thz del punto en
que se realiza el bombeo
Ej. Con un laser de bombeo a 1450 nm, el centro de la ventana raman estará a
1550 nm.
AMPLIFICADOR ÓPTICO DE SEMICONDUCTOR
SOA
Construcción de un amplificador óptico de semiconductor a
partir de un laser de semiconductor Fabry-Perot.
1. Introducción.Actualmente, laboratorios de investigación en
telecomunicaciones, trabajan en la concepción de los sistemas de
comunicaciones ópticas del futuro, donde el objetivo es transportar la
mayor cantidad de información en el menor tiempo y a la mayor
distancia posible. Todo parece apuntar hacia los sistemas que utilizan
dispositivos totalmente ópticos, los cuales incrementar la capacidad de
transmisión desde unos cientos a miles de Ghz-Kilometro por segundo.
Un elemento fundamental dentro de este escenario, es el amplificador
óptico de semiconductor (AOS).
Un AOS (Amplificador óptico semiconductor), además de su función
básica de amplificación de señales ópticas, puede utilizarse para una
gran cantidad de aplicaciones, tales como:
- Recuperación de reloj.
- Modulación en fase
- Iimplementación de compuertas lógicas
- Amplificación de compuertas
- Conversión de longitud de onda
- Translación del formato de modulación.
- Modulación de señales con coeficientes de acoplamiento faseamplitud negativo
- Compensación de dispersión cromática de las fibras ópticas , etc.
El estudio de la AOS se remonta a la década de
los setenta, poco tiempo después de invención de los LS-FP (Laser de
semiconductor Fabry-Perot).
Coincidencia no fortuita, dado que un AOS, es un LS-FP sin
las facetas reflectivas, es decir, es solo el medio amplificador diseñado
en forma de guía de onda óptica. En esta época, los primeros AOS eran
los LS-FP que tenían problemas para oscilar, dada su construcción.
Con la mejora de las técnicas de depósitos de películas
antirreflectoras, en 1986. Saitoh y Mukai, desarrollaron el primer AOS de
ondas progresivas para 1550 nm con una reflectividad residual de 10^-3.
Actualmente hay amplificadores que llegan a tener reflectividades
residuales del orden de 10^-6.
Es necesario mencionar que existen diversas técnicas para el deposito
de las películas anti reflexivas, entre las mas comunes se pueden
mencionar las siguientes:
- Electrodeposito.
- Bombardeo de electrones y.
- Evaporación térmica al alto vacio.
Actualmente los laboratorios que producen amplificadores ópticos
de semiconductor (del orden del 5 en todo el mundo) utilizan la técnica del
bombardeo de electrones y determinan el espesor idóneo de la película
depositada a través del monitoreo de la emisión de potencia del laser por
convertir. Esta técnica ha dado excelentes resultados sin embargo, la
infraestructura necesaria para desarrollarla es excesivamente costosa. Razón
por la cual, los entendidos en este trabajo proponen la utilización de la
evaporación térmica al alto vacio,
Figura 1. Diagrama de un AOS masivo guiado por índice. El
semiconductor de la guía de onda es intrínseco a diferencia de los
semiconductores N y P que la rodean por completo los cuales tienen un
índice de refracción inferior y una energía prohibida mayor para producir
un confinamiento de fotones y de portadores.
2. Conceptos.En un LS-FP(Laser de semiconductor Fabry-Perot). La
región activa es una guía de onda óptica que esta limitada en sus
extremidades por dos espejos que se forman naturalmente en el
momento de clivar la estructura. Este corte de la estructura produce una
interface: semiconductor –aire, que refleja la luz que viaja dentro la
región activa, dado que el índice de refracción del semiconductor es
aproximadamente 3 veces mayor que el índice de refracción del aire.
Para obtener un AOS a partir de un LS-FP, es entonces necesario
disminuir drásticamente la reflexividad de las facetas del laser. Esto se
logra depositando películas antirreflectoras en las facetas del LS-FP.
Al depositar las películas y reducir las reflectividad de las facetas, el LSFP se convierte en un AOS con amplificación de un solo paso, dado que
no hay retroalimentación óptica. Éste es comúnmente llamado
amplificador de ondas progresivas (TWA “traveling wave amplification”),
su diagrama se observa en la figura 1 para un AOS masivo guiado por
índice.
Específicamente, una película de algún material, tiene por efecto
producir interferencia entre las reflexiones producidas en cada interface
por donde pasa la señal óptica, como se puede observar en la fig. 2.
Dependiendo de los fase de los haces reflejados estos
pueden interferir entre si de manera:
- Constructiva o
- Destructiva.
Siendo el espesor óptico del material y el índice de
refracción de las películas del semiconductor, los parámetros que rigen
el desfasamiento.
-
Lo que interesa es tener una interferencia:
Destructiva en la reflexión.
En la Fig.3 se puede ver para el caso genera, los ángulos de refracción
(Θ1, Θ2 y Θ3) que tiene la señal al pasar del aire a la película
antireflexiva y finalmente al medio semiconductor.
Fig 2. Película antirreflectora entre dos medios de propagación n1 y n2 y i1, i2 son las
intensidades reflejadas de la señal incidente Io en las fronteras de la película delgada
Recorrido del haz en el air, en la película antirreflectora y en el semiconductor.
El calculo de la reflectividad que presenta la película delgada se realiza a partir
de la matriz característica [B/C] de una película antirreflectora. Dicha matriz es
denotada de la forma siguiente:
(1)
Donde n1 y n2 son el índice de refracción de la película y del semiconductor, δ
es el desfasamiento producido por el viaje del haz dentro la película, el cual
está escrita por la siguiente ecuación:
(2)
Por otra parte la admitancia Y de la película está definida de acuerdo a la
siguiente expresión:
(3)
La cual permite calcular el coeficiente de reflexión de la película establecido de
la siguiente manera:
(4)
Donde n0 es el índice de refracción del aire. Por otro lado la reflectividad R se
define:
(5)
De la ec.(5) se puede ver que para que la reflectividad sea igual a cero, es
necesario que Ρ (rho) sea igual a cero. Esto se logra de acuerdo a la Ec (4),
cuando la admitancia es igual a 1. Ya que n0 = 1 (aire). Esta condición se
puede cumplir cuando la diagonal de la matriz característica es igual a cero, es
decir, cuando δ = π/2 o bien cuando el espesor óptico es igual a λ/4. Una vez
que: nd = λ/4 y δ = π/2 son sustituidos dentro de la ec.(1), la admitancia
definida por la ec (3) toma la forma:
De aquí que la admitancia sea igual a 1 es necesario depositar un material
cuyo índice de refracción al cuadrado sea igual al índice de refracción del
semiconductor. Cumpliendo esta condición se tiene una reflectividad teórica
igual a cero de acuerdo a la ec (5).
Un LS-SP(Laser de semiconductor Fabry-Perot) tiene a su salida un espectro
de densidad de potencia distribuido en modos bien definidos. Conforme se
deposita la película antirreflectora en sus facetas y sus espesores ópticos
Entonces 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.
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.1: Estructura de un SOA de onda viajera
Otros esquemas son los siguientes dos esquemas .
Fig.2: 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 poca 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.
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.
Con la mejora de las técnicas de depósitos de películas antirreflectoras,
en 1986. Saitoh y Mukai, desarrollaron el primer AOS de ondas
progresivas para 1550 nm con una reflectividad residual de 10^-3.
Actualmente hay amplificadores que llegan a tener reflectividades
residuales del orden de 10^-6.
Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos ganancia.
Sensibles a la polarización.
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.
Configuraciones de bombeo en general:
 La fuente de bombeo óptico a 1480 o 980nm (EDFA), formada por un
láser semiconductor.
Fig.: Configuraciones de un EDFA
En la figura anterior se muestran las configuraciones posibles del EDFA,
RAMAN y SOA. 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.
Diagrama de un regenerador.En una red después de una cierta distancia (dependiendo del transmisor, el
receptor y el tipo de fibra), se necesita un regenerador.dadas por el fabricante
de cada equipo y para cada tipo de fibra óptica.
Una alternativa para evitar la regeneración es simplemente dar más energía a
la señal óptica. La regeneración resulta cara ya que se tiene que regenerar la
señal para cada longitud de onda, aquí es donde la amplificación resulta ser
más atractiva ya que le inyecta energía a la señal completa y no se necesita
amplificar cada longitud de onda. De ésta manera el costo es compartido entre
todos los canales.
Los amplificadores son para enlaces muy largos (cientos y miles de kilómetros)
se necesitan amplificadores para proveer suficiente potencia y asegurar la
entrega de una señal que pueda entender el receptor.
Explicación
Una señal deja al Tx en 0 dB.
Al viajar la señal por la fibra, va
perdiendo potencia. Al momento de
llegar al Rx, la señal lleva una perdida
de -20 dB si esto esta en el rango
operativo del Rx se tiene un sistema
en buenas condiciones.
Para compensar la perdida de
potencia de una señal se añade un
amplificador al sistema. Una señal
deja el Tx a 0 dB. Cuando alcanza
una perdida de -10 dB un
amplificador se añade para añadir
potencia a la señal y asi llegar a
-20dB
En la post-amplificación el
amplificador se coloca justo después
del transmisor. Un
post-amplificador puede ser que dé el
alcance necesario para llegar al otro
extremo sin
necesidad de tener un sitio
intermedio.
En la pre-amplificación el amplificador
se coloca justo antes del receptor, si
un post
amplificador no es suficiente.
Los amplificadores en línea son
colocados en medio de la tirada de
fibra óptica. Una
combinación de pre, post, y
amplificadores en línea dan por
resultado un alcance de
cientos o miles de kilómetros. Varios
amplificadores pueden ser
cascadeados uno tras
otro.
Ilustración
REGENERADORES OPTICOS
Introducción.Cuando una señal se propaga por la fibra óptica se necesitan emplear
regeneradores para amplificar la señal debido a los efectos de la
atenuación y la dispersión, así como de la longitud máxima permitida
para la fibra entre transmisor y receptor, que no alcanza para cubrir
todo la distancia del enlace.
Al principio se empleaban regeneradores o repetidores electrónicos.
Estos realizan una conversión de la señal del dominio óptico al
eléctrico, amplifican la señal eléctrica, la resincronización, recuperan
su forma y realizan una conversión del dominio eléctrico al óptico.
Atendiendo al procesado que se efectúa sobre una señal, los
regeneradores se clasifican en tres tipos, como se muestra en la
figura:
 1R , Regeneration . Amplificación de la señal. Son por tanto
transparentes al formato de la modulación y se pueden aplicar
a señales analógicas. Por contra, añaden ruido y no
contrarrestan los efectos de la dispersión y de las no
linealidades.
 2R , Regeneration & Reshaping. Además de amplificar, se
recupera de la forma de la señal. Por tanto sólo son aptos para
señales digitales.
 3R , Regeneration, Reshaping & Reclocking. Además de
amplificar y regenerar la señal, la sincroniza. Este tipo de
regeneradores cancela los efectos de las no linealidades y de la
dispersión.
Fig.: Ondas a la salida de los diferentes de tipos de regeneradores.
Estos regeneradores que actúan en el dominio eléctrico no
son adecuados cuando se trabaja con sistemas con varias longitudes
de onda y de alta velocidad, además de ser caros y complejos debido
al uso de electrónica de alta frecuencia. Por ello surgen los
amplificadores ópticos.
Los amplificadores ópticos
Generan una réplica de la señal de entrada pero
con mayor nivel de potencia, operando completamente en el dominio
óptico. Además pueden emplearse en otros procesos como la
conmutación, la demultiplexación, o bien en la conversión de longitud
de onda, aprovechando su comportamiento no lineal.
Las ventajas de estos dispositivos frente a los regeneradores:
 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 coste que los regeneradores.
 Permiten emplear reflectómetros ópticos para el testeo y
supervisión de las líneas de fibra óptica.
 Pueden ser integrados.
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.
 Su ganancia no es uniforme en todo el rango de amplificación,
por lo que debe ser ecualizada.
Los regeneradores ópticos 3R son elementos clave de las redes
ópticas de larga distancia,
La necesidad de restaurar la calidad de las señales que se
propagan a través de enlaces de fibra óptica, presentando los
fundamentos básicos de la regeneración 3R. Ahora analizaremos en
detalle algunas técnicas y tecnologías que han demostrado
experimentalmente su aptitud para ser utilizadas como elementos
clave de los futuros regeneradores ópticos 3R. En concreto,
estudiaremos subsistemas de recuperación de reloj basados en un
filtro Fabry-Pérot, un PLL o un láser autopulsante. Estos subsistemas,
en combinación de SOA-MZIs, moduladores de electroabsorción o
amplificadores ópticos de semiconductor permiten construir
regeneradores 3R de alta velocidad.
Modulación síncrona y recuperación de reloj basada en filtro
Fabry-Pérot
La modulación síncrona se basa en utilizar técnicas optoelectrónicas o
completamente ópticas para remodular la señal de reloj recuperada.
El diagrama de bloques del sistema se puede ver en la figura 1. Los
dos interferómetros Mach-Zehnder activos (SOA-MZI) en cascada se
utilizan para conformar los pulsos ópticos que posteriormente serán
remodulados por la señal de reloj. En este caso se emplea una
recuperación de reloj electrónica, pues dicha señal debe alimentar la
entrada de RF de un modulador electro-óptico Mach-Zehnder. Esto,
evidentemente, limita la máxima tasa de bit a la que puede trabajar
el regenerador. Para demostrar la viabilidad de la técnica, se hicieron
experimentos sobre un enlace óptico recirculante consistente en dos
tramos de fibra LEAF de una longitud total de 125 km (65 + 60 km) y
fibras compensadoras. Los resultados a 10 Gbit/s de la figura 1
muestran un excelente funcionamiento hasta distancias de 400.000
km, especialmente si se comparan con las medidas realizadas sin
regeneración (1R, simplemente amplificación).
El elemento clave de este regenerador es el circuito de
recuperación de reloj (clock recovery, CR). Si bien se necesita una
señal eléctrica para alimentar el modulador Mach-Zehnder,
evidentemente interesa que la recuperación del reloj se realice
mediante métodos ópticos. Para ello se ha propuesto el uso de filtros
Fabry-Pérot, los cuales se caracterizan por una respuesta periódica de
banda estrecha mediante la cual pueden extraerse del espectro de la
señal las componentes de frecuencia de reloj. Dicho subsistema de
recuperación de reloj se compone de un filtro Fabry-Pérot y de un
SOA con saturación de ganancia (figura 2). Como requisito de diseño,
debe imponerse que el FSR (free spectral range) del filtro coincida
con la tasa de repetición de la señal de datos, tal y como se
representa de forma esquemática en la figura 2. También hay que
prestar atención a posibles derivas en frecuencia de la respuesta del
filtro por cambios en la polarización de la señal óptica de entrada.
Utilizando un control de temperatura del dispositivo, las variaciones
de amplitud debidas a cambios de polarización pueden llegar hasta
los 6 dB. Dado que la señal de reloj recuperada por el filtro FabryPérot puede exhibir variaciones de amplitud dependientes del patrón
de los datos, especialmente cuando existen secuencias largas de
ceros, se utiliza un SOA en saturación que reduce dichas variaciones
limitando la amplificación.
Regeneración mediante moduladores de electroabsorción.-
Los convertidores de longitud de onda basados en el empleo de
moduladores de electroabsorción (EAM) pueden ser también una
buena opción para el diseño de regeneradores ópticos.
En este caso se obtiene como ventaja una dependencia
con la polarización de la señal de entrada inferior a 1 dB, gracias a las
características del dispositivo EAM. Dado que la arquitectura del
regenerador utiliza dichos convertidores de longitud de onda,
comencemos describiendo su funcionamiento.
El convertidor de longitud de onda posee dos entradas para la señal
de datos, ls, y la longitud de onda continua, lp, así como un puerto de
salida para la señal convertida, tal y como muestra la figura 3. La
señal de entrada debe poseer suficiente nivel de potencia como para
inducir un efecto de saturación cruzada de la absorción. De este
modo, las dos señales que se propagan a través del EAM interactúan
y la onda continua se ve modulada por los datos de entrada que
circulan en contrapropagación. Durante el nivel alto de los datos, el
EAM se satura y la onda continua atraviesa el dispositivo con bajas
pérdidas. Por el contrario, en el nivel bajo de los datos el dispositivo
deja de estar saturado y la onda continua sufre una mayor
atenuación. De este modo, la modulación de la onda continua
depende directamente del patrón de la señal de datos. A diferencia
del proceso de modulación cruzada de la ganancia en SOAs, en este
caso la señal convertida en longitud de onda no sufre inversión. El
circulador se utiliza para extraer la señal convertida a lp, mientras
que el filtro óptico elimina posibles reflexiones no deseadas en el
EAM.
Como se puede observar en la figura 4, el regenerador óptico emplea
dos convertidores de longitud de onda (WC) como el mostrado en la
figura 3. El primero de ellos convierte la señal de entrada, ls, a una
longitud de onda distinta, lp, con el fin de duplicar los datos. Por otro
lado, el segundo convertidor restaura nuevamente la longitud de
onda inicial, ls. Esta configuración en cascada evita efectos de
diafonía en el EAM, a la vez que asegura que la señal se transmitirá
exactamente a la
misma longitud de onda que la señal original, lo cual también es útil
para evitar el bloqueo de longitudes de onda en los nodos de la red.
La señal de reloj se recupera electrónicamente por medio de un
fotodetector de banda ancha, un filtro muy selectivo (elevado Q) y un
circuito PLL enganchado a la mitad de la frecuencia de reloj, en este
caso 20 GHz. Aunque ya se ha comentado que son preferibles los
esquemas de recuperación óptica, para tasas de bit de 40 Gbit/s este
tipo de circuitos todavía funciona correctamente.
Para conseguir la regeneración 3R, el remuestreo de la señal se
realiza en el segundo convertidor de longitud de onda utilizando el
reloj recuperado. Para estabilizar el funcionamiento, el ancho de los
pulsos de la señal de entrada puede aumentarse por medio de una
fibra de alta birrefringencia, lo que facilita la sincronización entre la
señal de entrada y el reloj. Tal y como se ha comentado
anteriormente, puede verse que no se necesita ningún complejo
sistema de control de polarización, gracias a la reducida sensibilidad
de los EAM.
Regeneración basada en láseres autopulsantes
Los láseres autopulsantes se han utilizado en diferentes experimentos
como elementos de recuperación de reloj. Como su propio nombre
indica, se trata de láseres pulsados cuya cavidad se diseña de forma
que sea resonante a la frecuencia de repetición deseada, de tal forma
que al inyectarle la señal de datos genere un tren de pulsos (señal de
reloj). En la figura 5 se muestra una posible configuración realizada
con dos secciones DFB y una sección central de control de fase. El
dispositivo se denomina láser PhasCOMB.
Las dos secciones DFB se encuentran sintonizadas a diferente
longitud de onda, de tal modo que se generan dos modos en la
cavidad que se superponen, generándose un batido a frecuencia
diferencia de la de ambos modos. Para que el dispositivo funcione
adecuadamente resulta imprescindible el control de las fases en la
sección central del láser. Este esquema de recuperación de reloj
puede trabajar a altas velocidades, habiéndose demostrado su
funcionamiento a 80 GHz y frecuencias superiores.
Su utilización en aplicaciones de regeneración óptica puede ser tan
simple como añadir un SOA y un láser de onda continua al sistema.
En la figura 5 se representa el diagrama de bloques de un posible
regenerador 3R. El láser autopulsante se utiliza para la recuperación
del reloj, la salida del cual se aplica junto con la señal de datos y una
señal de onda continua a un SOA trabajando en regimen no lineal
como convertidor de longitud de onda. En el interior de dicho
amplificador, la señal de datos se transfiere sobre la longitud de onda
continua, lCW, eliminando el resto de señales por medio de un filtro
óptico. Se trata pues de una solución sencilla y de coste razonable
para la regeneración óptica de señales de alta velocidad.
En este trabajo hemos analizado distintas posibilidades para el desarrollo de regeneradores ópticos 3R. Se han ofrecido ejemplos tanto
de tecnologías optoelectrónicas como de dispositivos fotónicos. Todos
ellos se caracterizan por su capacidad para trabajar a altas
velocidades.
Regenerador Óptico
Según lo mencionado anteriormente, una cierta pérdida de la señal
ocurre cuando la luz se transmite a través de la fibra, especialmente
cuando son muy largas distancias, por ejemplo con los cables
submarinos. Por lo tanto, unos o más regeneradores ópticos se
empalman a lo largo del cable para repotenciar las señales de luz
degradadas.
Un regenerador óptico consiste en fibras ópticas con una capa
especial dopada. Esta porción dopada hace que se emita una nueva
luz con un láser. Cuando la señal degradada viene en la capa dopada,
la energía del láser permite que las moléculas dopadas se conviertan
en los láser ellas mismas.
Las moléculas dopadas entonces emiten una nueva y más fuerte
señal luz con las mismas características que la señal débil entrante.
Básicamente, el regenerador es un amplificador del láser para la
señal entrante.
Repetidor Óptico
Los repetidores son amplificadores ópticos que reciben pulsos de luz
atenuante que recorren largas distancias y los convierte a su forma,
fuerza y sincronización originales. Las señales restauradas pueden
entonces enviarse hasta el receptor que se encuentra en el extremo
final de la fibra.
Conclusiones
Los avances logrados en el área de la óptica, han posibilitado la aparición
de tecnologías en este campo, para trasportar grandes volúmenes de
información de manera eficiente, así como un desarrollo significativo
durante los últimos años, manteniéndose esta tendencia por un largo
tiempo, debido a las ventajas de las señales luminosas. El reto es mejorar
los sistemas de telecomunicaciones existentes, con la finalidad de mejores y
más eficientes servicios de telecomunicaciones demandado por sus usuarios.
Esto permite el avance en el área de telecomunicaciones, donde el centro de
todo este desarrollo apunta a un solo horizonte: satisfacer las necesidades de
comunicación de los clientes.
9. Bibliografía
P. Cochrane, D. J. T. Heatley, P. P. Smith y I. D. Pearson, Optical
telecommunications-Future prospects, IEEE Electronics &
Communications Engineering Journal, Vol. 5, N 4, Aug 1993, pp. 221232.
E. Iannone, F. Matera, A. Mecozzi y M. Settembre, Nonlinear Optical
Communications Networks, Wiley, New York, 1999.
Paginas de la gran red.
Notas adicional.