AMPLIFICADORES OPTICOS

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AMPLIFICADORES OPTICOS

• IntegrantesDaniel CadenaVerónica
  CevallosVictor López

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Amplificadores Ópticos

• 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. Un
  amplificador óptico es capaz de amplificar un
  conjunto de longitudes de onda. 1

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• 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.

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• La amplificación se realiza mediante el
  proceso de emisión estimulada.
• Su existencia fue propuesta por Albert
  Einstein en 1917

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Proceso de estimulación

• En la figura se muestra el principio del proceso
  de emisión estimulada. En él tenemos la
  interacción entre un fotón y un átomo 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 mismas características de dirección
  y de fase que el fotón inicial.2

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FUNCIONAMIENTO

El amplificador óptico es un sistema tal que al
introducirle un flujo inicial de fotones Si nos
proporciona en su salida un flujo final de
fotones Sf mayor que el flujo inicial Si.
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• La condición necesaria para tener
  amplificación del flujo inicial de fotones Si es
  que el número de átomos excitados que se
  encuentra en la cavidad amplificadora sea mayor
  que el número de átomos que se encuentra en su
  estado base. La condición anterior se conoce como
  condición de inversión de población y el problema
  central para la realización práctica de un
  amplificador óptico está en cómo lograr dicha
  inversión de población.

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• Para lograr dicha inversión de población es
  necesario algún dispositivo que proporcione la
  energía que los átomos de la cavidad
  amplificadora requieren 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 dependen del material, así como
  su estructura.

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TIPOS DE AMPLIFICADORES ÓPTICOS
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Tipos de amplificadores ópticos según su
aplicación.

• Como amplificador de línea en un enlace con
  fibra monomodo, como el que se muestra en la
  figura, se emplea para elevar el nivel de
  potencia de la señal y compensar así las pérdidas
  sufridas por la propagación de la señal.
  Frecuentemente se instalan varios amplificadores
  en cascada a lo largo de la línea.

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• Como preamplificador front-end en un
  receptor, como muestra la figura b, su misión es
  amplificar la señal antes de ser detectada por el
  fotodetector para mejora así la relación señal
  ruido.

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• Como amplificador de potencia situándose a
  continuación de la fuente láser, se emplea para
  elevar el nivel de potencia de la señal e
  incrementar la distancia de transmisión. En la
  configuración de la figura (c) su objetivo es
  compensar las pérdidas debidas al modulador
  externo. En la configuración de la figura (d)
  busca compensar las pérdidas que sufre una señal
  al atravesar un divisor.

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Tipos de amplificadores

• Los dos principales tipos de amplificadores
  ópticos son
• los SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers,
  y los DFAs, Doped-Fiber Amplifiers.
• 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).

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Comparación entre amplificadores

• 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

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Comparación entre amplificadores
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EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier
Características Generales Están basados en
fibras dopadas con tierras raras que presenta
ganancia en la región de tercera ventana. (EDFA)y
(PDFA) con ganancia en 2ª ventana. Su gran
ventaja es que son dispositivos todo-fibra,
eliminándose los problemas de los SOA no hay que
alinear fibras, no dependen de la polarización,
no existe cruce de canales.
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• Ganancia es independiente de la tasa
• Digital
• 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

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(No Transcript)
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En 3ª y 4ª ventana se usan amplificadores que
tienen fibra óptica dopada con erbio (metal usado
en algunas aleaciones) llamados EDFA (Erbium
Doped Fiber Amplifier)
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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).
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Ganancia de un EDFA en 3ª ventana
Ganancia (dB)
Perfil de ganancia EDFA
Lambdas individuales
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? (nm)
Rejilla ITU-T
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.
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(No Transcript)
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• 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.

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Configuraciones de un EDFA
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(No Transcript)
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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.
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.
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Amplificadores Ópticos de Semiconductor

• Características Generales
• Están basados en estructuras de semiconductor
  como las de los diodos láser, pero en donde se ha
  eliminado el resonador.
• Tienen problemas de dependencia de la
  polarización, de cruce de canales (crosstalk), y
  de dificultad de encapsulado.
• Pueden funcionar en segunda ventana.

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Principio de Funcionamiento

• Están basados en dobles heteroestructuras con los
  mismos materiales con los que se construyen los
  diodos láser, y el principio de funcionamiento es
  el mismo se inyectan portadores y se potencia la
  emisión estimulada esperando a que cuando llegue
  la señal por la fibra de entrada se generen
  nuevos fotones y por tanto se amplifique.

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Características Generales

• 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) .
• Alto rizado de la ganancia por resonancia
• Ancho de banda estrecho 5GHz
• Sensible a las variaciones de temperatura,
  corriente y polarización de la señal
• Filtrado de ruido inherente
• 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.

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Estructura del Amplificador Semiconductor

• 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.

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
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Ventajas e Inconvenientes

• Sus principales ventajas son,
• Control por corriente
• Tecnología en uso
• Compactos e integrables
• Buen Ancho de banda.
• Sus principales inconvenientes son
• Sensibilidad a la
• polarización
• Diafonía
• Pérdidas de acoplo
• Factor de ruido relativamente alto
• Potencia de saturación pequeña

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Amplificadores de Raman

• Características Generales
• 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.

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Características Principales

• Gran Ancho de banda aproximadamente (6THz)
• Potencia de bombeo alta
• Potencia de saturación alta (orden 1 w)
• Figura de ruido próxima a 3 dB
• Principal problema FUENTE DE BOMBEO

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Características Principales

• Un amplificador óptico multiplexa luces de la
  bomba, teniendo diversas longitudes de onda estas
  se propagarán a través de una trayectoria de
  transmisión para proporcionar la amplificación de
  Raman.

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Amplificadores Raman

• Comparado con un EDFA, la utilización de
  amplificadores Raman produce una mejor
  distribución de potencia a lo largo de la fibra
  óptica, reduciendo así los efectos no lineales.

Desventaja requiere mucha potencia para operar
(Ppalto). Pp gt 5 W para 1 km de fibra (Aeff
50mm2) gt30 dBTx
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Inconvenientes

• 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.

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Obtención una ganancia constante con la longitud
de onda, empleando un EDFA junto con un
amplificador Raman
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Aplicaciones

• Amplificación de pulsos cortos
• Industria del CATV
• Amplificadores en cascada a 1.300 nm

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• REFERENCIAS
• 1 http//es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_C
  3B3ptico
• 2 http//bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/cie
  ncia/volumen2/ciencia3/105/htm/sec_6.htm