INtroduccion A Los Sitema de Fibra Optica y Amplificadores Opticos Trabajo

 

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA  NÚCLEO –   NÚCLEO  –  SAN  SAN TOME CÁTEDRA: COMUNICACIONES ÓPTICAS.

UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS. UNIDAD XI: AMPLIFICADORES ÓPTICOS

Facilitador: Ing. Betarte, Hugo.

Bachilleres: Salazar Quiroz, Erika Milena Salazar Noriega, Nathalia V. Lobo Hernández, Jesús Alfonzo Marín Mata, Jesús Daniel Martínez Manzano, José Ángel

E- 84.421.420 C.I 24.845.763 C.I 24.393.820 C.I 21.176.273 C.I 22.862.078

Carrera: Ing. De Telecomunicaciones 7mo Semestre

Enero del 2014

 

INDICE

INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ ........................................................................... ............................. 3 LEY DE SNELL ........................................................................................................... ............................................................. .............................................. 4 RATAS DE INFORMACIÓN BÁSICAS DE LAS REDES...................................... 10 EVOLUCIÓN DE LAS COMUNICACIONES C OMUNICACIONES ÓPTICAS ........................................ 14 ELEMENTOS DE UN ENLACE .................................................... ............................................................................... ........................... 16 ELEMENTOS ADICIONALES DE UN ENLACE ................................................... 18 AMPLIFICACIÓN ÓPTICA ...................................................................................... .............................................................................. ........ 19 AMPLIFICADORES ÓPTICOS ................................................................................ 20 AMPLIFICADORES BASADOS EN LÁSERES DE SEMICONDUCTOR ............ 20 AMPLIFICADORES DE FIBRA: ................................................... .............................................................................. ........................... 22 AMPLIFICADOR DE FIBRA DOPADA CON ERBIO (EDFA) ............................. 27 PROPAGACIÓN DE PULSOS ÓPTICOS A TRAVÉS DE AMPLIFICADORES .. 28 CONCEPTOS.- ........................................................................................................... ................................................................................................. .......... 28 CONCLUSIÓN ...................................................... .......................................................................................................... ...................................................... 36 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 38

 

 

INTRODUCCIÓN A nivel mundial el avance tecnológico en diversas áreas es un ámbito que ha aumentado significativamente, más aun en el área de las telecomunicaciones con la llegada e implementación de la fibra óptica, cabe destacar que los inicios de esto se ven reflejados reflejados y conllevan merito a la nombrada ―Ley de Snell‖ que se fundamentó en la reflexión de la luz al pasar de un medio a otro, hoy día son numerosos los  beneficios y ventajas que esta nueva tecnología representa en comparación con los tradicionales cables de cobre a nivel de alcance, velocidad, ganancia y poca atenuación. Cabe destacar que la ley de Snell a su vez se fundamentó en reflexión total interna, teorías básicas de la física que relacionan directamente la ley de senos, obteniendo un determinado ángulo de incidencia. Lo cual con el tiempo ha tomado un giro impresionante en la transmisión de información. Es aquí donde los amplificadores ópticos toman un paso importante ya que sin ellos no sería posible la transmisión de información a grandes distancias porque las señales experimentan una atenuación considerable al propagarse por la fibra, estos se encargan de mantener un nivel de potencia detectable por el receptor a través de la amplificación de señales cada vez que sea necesario a una determinada distancia. Los amplificadores ópticos hoy día se encuentran fabricados de diversos componentes químicos, tal es el caso de los amplificadores hechos por semiconductores, o el amplificador de fibra dopada con Erbio (EDFA), cada uno  presenta diversas características favorables o desfavorables para un determinado empleo, presentando diferentes modos operación, ganancia y arquitectura.

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UNIDAD I LEY DE SNELL La ley de Snell es una fórmula utilizada para calcular el ángulo de refracción de la luz al atravesar la superficie de separación entre dos medios de propagación de la luz (o cualquier onda electromagnética) con índice de refracción distinto.

Descripción óptica Consideremos dos medios caracterizados por índices de refracción

y

separados por una superficie S. Los rayos de luz que atraviesen los dos medios se refractarán en la superficie variando su dirección de propagación dependiendo del cociente entre los índices de refracción

y

.

Para un rayo luminoso con un ángulo de incidencia

sobre el primer medio,

ángulo entre la normal a la superficie y la dirección de propagación del rayo, tendremos que el rayo se propaga en el segundo medio con un ángulo de refracción cuyo valor se obtiene por medio de la ley de Snell.

Obsérvese que para el caso de

(rayos incidentes de forma perpendicular a

la superficie) los rayos refractados emergen con un ángulo y

para cualquier

.

La simetría de la ley de Snell implica que las trayectorias de los rayos de luz son reversibles. Es decir, si un rayo incidente sobre la superficie de separación con un ángulo de incidencia

se refracta sobre el medio con un ángulo de refracción

,

4

 

 

entonces un rayo incidente en la dirección opuesta desde el medio 2 con un ángulo de incidencia

se refracta sobre el medio 1 con un ángulo

.

Una regla cualitativa para determinar la dirección de la refracción es que el rayo en el medio de mayor índice de refracción se acerca siempre a la dirección de la normal a la superficie. La velocidad de la luz en el medio de mayor índice de refracción es siempre menor. La ley de Snell se puede derivar a partir del principio del  principio de Fermat Fermat,, que indica que la trayectoria de la luz es aquella en la que los rayos de luz necesitan menos tiempo para ir de un punto a otro. En una analogía clásica propuesta por el físico Feynman, el área de un índice de refracción más bajo es substituida por una Richard Feynman,  playa, el área de un índice de refracción refra cción más alto por el mar, y la manera más rápida  para un socorrista en la playa de rescatar rescat ar a una persona que se ahog ahogaa en el mar es recorrer su camino hasta ésta a través de una trayectoria que verifique la ley de Snell, es decir, recorriendo mayor espacio por el medio más rápido y menor en el medio más lento girando su trayectoria en la intersección entre ambos.

Fig1:

y

son los índices de refracción. de refracción. de los materiales. La línea

entrecortada delimita la línea normal, además delimita cuándo la luz cambia de 5

 

 

un medio a otro. Snell también hace referencia a la refracción, la cual es la línea imaginaria perpendicular a la superficie. Los ángulos son los ángulos que se forman con la línea normal, siendo

el ángulo de la onda incidente y

el

ángulo de la onda refractada. Reflexión Interna Total Un rayo de luz propagándose en un medio con índice de refracción incidiendo con un ángulo

sobre una superficie sobre un medio de índice

con

 puede reflejarse totalmente en el interior del medio de mayor índice de refracción. Este fenómeno se conoce como reflexión interna total o ángulo límite y se  produce para ángulos de incidencia

mayores que un valor crítico cuyo valor es es::

En la ley de Snell: si

, entonces

(90°) antes antes que

. Eso significa que cuando

aumenta,

llega a radianes

. el rayo refractado (o transmitido) sale paralelo a la frontera. Si

aumenta aún más, como

no puede ser mayor que , no hay transmisión al otro

medio y la luz se refleja totalmente.

La reflexión es realmente total (100%) y sin pérdidas. Es decir, mejor que los espejos metálicos (plata, aluminio) que solo reflejan 96% de la potencia luminosa incidente.

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Fig2: Reflexión interna total Ejercicios de la Ley De Snell EJERCICIO 1 Un rayo de luz que se propaga en el aire entra en el agua con un ángulo de incidencia de 45º. Si el índice de refracción del agua es de 1,33, ¿cuál es el ángulo de refracción? Aplicando la ley de Snell:

y el ángulo de refracción será:

EJERCICIO 2. Una radiación de frecuencia f=5x1014 s-1 se propaga en el agua. Calcular la velocidad de propagación y la longitud de onda de dicha radiación. El índice de refracción del agua es n=1,33 con lo que la velocidad de propagación de la luz en el agua es:

y su longitud de onda será:

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EJERCICIO 3 Una capa de aceite (n=1.45) flota sobre el agua (n=1.33).Un rayo de luz penetra dentro del aceite con una ángulo incidente de 40°.Encuéntrese el ángulo que el rayo hace en el agua. Solución : Según la ley de Snell da n aire sen 40°=n aceite sen x n aceite sen x =n agua sen y entonces, n aire sen 40°=n agua sen y sen y= n aire sen 40° / n agua = 1 * 0.643 /1.33= 28.9°

EJERCICIO 4 a) Un rayo luminoso que se propaga en al aire incide sobre el agua de un estanque con un ángulo de 30°. ¿Qué ángulo forman entre sí los rayos reflejado y refractado?.  b) Si el rayo luminoso se propagase desde desd e el agua hacia el aire ¿a partir de qué valor del ángulo de incidencia se presentará el fenómeno de reflexión total?. Dato:índice de refracción del agua = 4/3.

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El Angulo que incide es iguak que el reflejado(30°) por tanto el rayo reflejado y refractado tomaran un α=180°-30°-22.02°=127.98° α=180°-30°-22.02°=127.98°  b) La reflexión total se presenta a partir de un ángulo de incidencia llamado límite ( l ) para el cual el ángulo refractado tiene un valor de 900. Esto sólo puede suceder cuando el rayo pasa de un medio más refringente a otro menos , en éste caso el rayo  pasa del agua al aire, el primer medio es el agua y el segundo el aire. Aplicando la ley de Snell.

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RATAS DE INFORMACIÓN BÁSICAS DE LAS REDES. La tecnología DSL, Digital Subscriber Line, (Línea de Abonados Digitales) suministra el ancho de banda suficiente para numerosas aplicaciones, incluyendo además un rápido acceso a Internet utilizando las líneas telefónicas; acceso remoto a las diferentes Redes de área local (LAN), videoconferencia, y Sistemas de Redes Privadas Virtuales (VPN). XDSL está formado por un conjunto de tecnologías que proveen un gran ancho de banda sobre circuitos locales de cable de cobre, sin amplificadores ni repetidores de señal a lo largo de la ruta del cableado. Las tecnologías xDSL convierten las líneas analógicas convencionales en digitales de alta velocidad, con las que es posible ofrecer servicios de banda ancha en el domicilio de los abonados. xDSL utiliza mucho más ancho de banda que el de las líneas telefónicas de cobre que el que se está usando actualmente. Aprovechando frecuencias que están por encima de las utilizadas para la telefonía (400Hz-4KHz), xDSL puede codificar más datos alcanzando tasas de transmisión muy altas, cosa que es imposible en el rango de frecuencias restringido para la red telefónica. Las redes de comunicaciones de banda ancha emplean el ATM ("Asynchronous Transfer Mode") para la conmutación en banda ancha. Dado que el ADSL se concibió como una solución de acceso de banda ancha, se pensó en el envío de la información en forma de células ATM sobre los enlaces ADSL. En los estándares sobre el ADSL, desde el primer momento se ha contemplado la posibilidad de transmitir la información sobre el enlace ADSL mediante células ATM. La información, ya sean tramas de vídeo MPEG2 o paquetes IP, se distribuye en células ATM.

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Este tipo de DSL posee una buena velocidad para bajar información, pero no ocurre lo mismo con la velocidad para subirlos a la red. Se utiliza principalmente para navegar por la Web o chequear e-mails.  Rendimiento de ADSL VELOCIDAD | TIPO DE CABLE | DISTANCIA D ISTANCIA | GROSOR DEL CABLE | 

1,5 ó 2 Mbps | 24 AWG | 5,5 Km | 0,5 mm. | 1,5 ó 2 Mbps | 26 AWG | 4,6 Km | 0,4 mm. | 6,1 Mbps | 24 AWG | 3,7 Km | 0,5 mm. | 6,1 Mbps | 26 AWG | 2,7 Km | 0,4 mm. | VDSL: Very Hight Rate Digital Subcriber Line. La modalidad VDSL es la más rápida de las tecnologías XDSL, ya que puede llegar a alcanzar una velocidad de entre 13 y 52 Mbps desde la central hasta el abonado y de 1,5 a 2,3 Mbps en sentido contrario, por lo que se trata de un tipo de conexión también

asimétrica.

La máxima distancia que puede haber entre los dos módems VDSL no puede superar los 1.371 metros. Es la tecnología ideal para suministrar señales de TV de alta definición. En relación a esta tecnología encontramos a: T1E1.4 , ETSI , DAVIC (The Digital Audio-Visual Council), The ATM Forum , The ADSL Forum . VDSL está destinado a proveer el enlace final entre una red de fibra óptica y las  premisas. El medio físico utilizado es independiente de VDSL. Una posibilidad es utilizar

la

infraestructura

existente

de

cableado

local.

HDSL: Hight Data Rate Digital Subscriber Line, Linea de Abonados Digital de Indice

de

Datos

alto.

La tecnología HDSL es simétrica y bidireccional, por lo que la velocidad desde la 11

 

 

central al usuario y viceversa será la misma. Se implementa principalmente en las PBX. Esta es la tecnología más avanzada de todas, ya que se encuentra implementada en grandes fábricas donde existen grandes redes de datos y es necesario transportar información

a

muy

alta

velocidad

de

un

punto

a

otro.

La velocidad que puede llegar a alcanzar es de 1,544 Mbps (full duplex) utilizando dos pares de cobre y 2,048 Mbps sobre tres pares, aunque la distancia de 4.500 metros que necesita es algo menor a la de ADSL. Hay dos opciones diferentes para la linea de codigo recomendadas; la modulación por amplitud de pulso 2B1Q y modulación Carrieress Amplitude/Phase (CAP). CAP es aplicable para 2.048 Mbits/s, mientras que para 2B1Q están definidas dos tramas diferentes. Las compañías telefónicas están encontrando en esta modalidad una sustitución a las líneas T1/E1 (líneas de alta velocidad) sobre otro tipo de medio - fibra óptica. SDSL Es muy similar a la tecnología HDSL, ya que soporta transmisiones simétricas, pero con dos particularidades: utiliza un solo par de cobre y tiene un alcance máximo de 3.048 metros. Dentro de esta distancia será posible mantener una velocidad similar a HDSL. Esta tecnología provee el mismo ancho de banda en ambas direcciones, tanto  para subir y bajar datos; es decir que independientemente de que estés cargando o descargando información de la Web, se tiene el mismo rendimiento de excelente calidad. SDSL brinda velocidades de transmisión entre un rango de T1/E1, de hasta 1,5 Mbps, y a una distancia máxima de 3.700 m a 5.500 desde la oficina central, a través de un único par de cables. Este tipo de conexión es ideal para las empresas  pequeñas y medianas que necesitan un medio eficaz para subir y bajar archivos a la Web.

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CONEXIONES DE RED Una red tiene dos tipos de conexiones: conexiones físicas  — que que permiten a los ordenadores transmitir y recibir señales directamente —  directamente —   y conexiones lógicas, o virtuales, que permiten intercambiar información a las aplicaciones informáticas. Las conexiones físicas están definidas por el medio empleado para transmitir la señal, por la disposición geométrica de los ordenadores (topología) y por el método usado para compartir información. Las conexiones lógicas son creadas por los protocolos de red y permiten compartir datos a través de la red entre aplicaciones correspondientes a ordenadores de distinto tipo. El estándar más habitual y el más moderno está basado en la actual norma V.90 cuya velocidad máxima está en los 56 Kbps (Kilo bites por segundo). Esta norma se caracteriza por un funcionamiento asimétrico, puesto que la mayor velocidad sólo es alcanzable "en bajada", ya que en el envío de datos está limitada a 33,6 Kbps. Una consideración importante es que para poder llegar a esta velocidad máxima se deben dar una serie de circunstancias que no siempre están presentes y que dependen totalmente de la compañía telefónica que nos presta sus servicios, pudiendo ser en algunos

casos

bastante

inferiores.

 Norma | Velocidad máxima | Otras velocidades | V.90 y X2* | 56.000 bps | 57333 54666 53.333 52000 50666 49333 48.000 46666 45333 44000 42666 41333 40000 38666 37333 36000 34666 bps | V.34+ | 33.600 bps | 31.200 bps | V.34 | 28.800 bps | 26.400, 24.000, 21.600, 19.200, 16.800 bps | V.32bis | 14.400 bps | 12.000 bps | V.32 | 9.600 bps | 7.200 bps | V.23 | 4.800 bps | | V.22bis | 2.400 bps | | V.22 y Bell 212A | 1.200 bps | |

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V.21 y Bell 103 | 300 bps | | * Protocolo propietario de Com3, es decir, no estándar. Otra funcionalidad ya considerada como obligatoria en cualquier módem es el soporte de funciones de FAX. Lo estándares son los siguientes:  Norma | Velocidad máxima | Otras velocidades | V.17 | 14.400 bps | 12.000 bps | V.29 | 9.600 bps | 7.200 bps | V.27ter | 4.800 bps | 2.400 bps | V.21 | 300 bps | |

La velocidad de transmisión de la información En el caso de la velocidad de transmisión de la información ó "Rate", también se trata de una unidad derivada, esto es que se compone de 2 unidades fundamentales el Byte y

el

segundo.

Para el caso del Byte, esta unidad es muy pequeña, por lo que regularmente se utiliza acompañado de su respectivo prefijo: Kilobyte (KB), Megabyte (MB) y Gigabyte (GB). "Rate" = Cantidad de By Bytes tes / Tiempo ó "Rate" = KB ó MB ó GB / segundo. + Ejemplo: Un disco duro especifica un "Rate" de 150 MB/s, esto es que puede transmitir hasta 150 MegaBytes por cada segundo que transcurre.

EVOLUCIÓN DE LAS COMUNICACIONES ÓPTICAS La idea de transmitir información por medio de la luz tiene siglos de antigüedad. De hecho, los clásicos heliógrafos y la transmisión de señales por antorchas responde a esta idea.

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Hacia 1880, Bell construyó un aparato -el fotófono- que enviaba señales vocales a corta distancia por medio de la luz. El equipo disponía de un sistema de lentes que enfocaban un rayo de luz solar, modulándolo y lanzándolo después al espacio libre hacia un receptor. Conceptualmente, era correcto; sin embargo, su aplicación no fué  posible, tanto por la falta de fuentes de luz adecuadas como de un medio de  propagación de bajas pérdidas, y la idea se abandonó. En 1958 apareció un método para la producción de radiaciones electromagnéticas en las longitudes de onda del espectro visible, utilizando los estados energéticos de los átomos para producir, mediante cambios simultáneos de sus niveles, radiaciones electromagnéticas controladas. El aparato utilizado se llamó LÁSER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation); las fuentes luminosas habituales (tungsteno, lámparas fluorescentes, etc.)  producen un espectro compuesto por una banda ancha de señales con distintas frecuencias y fases, así como diferentes amplitudes y polarizaciones (luz no coherente). El láser se caracteriza por ser un generador de luz monocromática -ondas de la misma frecuencia y en fase -, constituyendo su salida un haz de luz coherente. Además, las trayectorias de los rayos emergentes del láser resultan paralelas, lo que  permite concentrar una alta cantidad de energía en superficies reducidas, como es el caso de las fibras de vidrio. Con la invención del láser como fuente de luz coherente, volvió a considerarse la idea de utilizar aquella como soporte de comunicaciones y sistema alternativo o sustitutivo de los existentes, formulando al mismo tiempo los primeros conceptos sobre transmisión por guía de ondas de vidrio. Particularmente atractiva resultaba su utilización para comunicaciones digitales, ya que con una fuente láser disparada a alta velocidad se pueden transmitir los unos y los ceros de una comunicación digital hacia un detector.

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Poco después, en 1975, aparecían los primeros proyectos experimentales, instalándose de modo creciente a partir de 1980. En este momento constituye el medio terrestre de comunicaciones de mayores  prestaciones y más alta potencialidad.

ELEMENTOS DE UN ENLACE Un enlace básico de Comunicaciones Ópticas consta de tres bloques funcionales fundamentales:

Emisor. La fuente productora de luz, generalmente un diodo láser (LD) o diodo emisor de luz (LED). El bloque emisor (Fig. 3) contiene además una serie de circuitos electrónicos destinados a generar las señales a transmitir, y a suministrarlas al dispositivo optoelectrónico. Las longitudes de onda más apropiadas para Comunicaciones Ópticas están en la región del infrarrojo próximo.

Medio. Aunque existen Comunicaciones Ópticas atmosféricas, espaciales o submarinas no guiadas, la gran mayoría de realizan a través de un medio dieléctrico (Fig. 4). El medio por excelencia es la fibra óptica. El material empleado más común,  por su extraordinaria transparencia, es la sílice (SiO2). Este material básico va dopado con otros componentes para modificar sus propiedades, en especial su índice de refracción. En Comunicaciones Ópticas a muy corta distancia (algunos metros) están tomando auge las fibras de plástico (POF).

Receptor. El circuito de recepción (Fig. 3) es el elemento más complejo del sistema de Comunicaciones Ópticas. Consta de un detector  –  generalmente   generalmente optoelectrónico, ya

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sea un fotodiodo p-I-n (PIN) o un diodo de avalancha (APD) –   y de una serie de circuitos recuperadores de las señal: amplificador, filtro, comparador, etc.

Figura 3. Características del EMISOR y el RECEPTOR en un sistema de Comunicaciones Ópticas

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Figura 4. Características del MEDIO en un sistema de Comunicaciones Ópticas

ELEMENTOS ADICIONALES DE UN ENLACE Los sistemas de Comunicaciones Ópticas, adicionalmente, contienen otros elementos, que varían según la aplicación. Se citan algunos de los más importantes en los apartados siguientes.

Repetidores Cuando la distancia a cubrir por un enlace supera un cierto límite (algunas decenas de km, usualmente), la señal se degrada y se atenúa excesivamente, por lo que se hace necesaria la instalación de repetidores. Los repetidores pueden ser simples amplificadores de la señal, o incluir además regeneradores de la misma. 18

 

 

Hasta hace poco tiempo, todos los repetidores instalados eran electrónicos: la señal óptica se detectaba, se pasaba a señal eléctrica, se manipulaba (en su caso) como tal, y se reconvertía de nuevo a señal óptica. Actualmente, los regeneradores siguen realizando estas etapas electrónicamente, pero se están sustituyendo los amplificadores electrónicos por amplificadores ópticos de fibra dopada (EDFA). Estos dispositivos amplifican directamente la señal óptica sin conversiones optoelectrónicas.

Elementos pasivos La manipulación de señales ópticas es más compleja que la de señales eléctricas, por el simple hecho de que, para que se transmita la señal, no basta con el contacto físico, al estilo de los cables eléctricos, sino que se necesita que las  propiedades ópticas de la unión sean adecuadas ade cuadas para per permitir mitir el paso de la luz. l uz. Con la eclosión de las fibras ópticas como medio de transmisión, ha surgido toda una serie de dispositivos de apoyo, que se ocupan del encaminamiento de la señal óptica. Los dos tipos más importantes son los acopladores y los multiplexores en longitud de onda. Ambos se emplearán durante las prácticas.

AMPLIFICACIÓN ÓPTICA Cuando una conexión tiene una longitud tal que la atenuación hace que la señal esté  por debajo del límite de recepción se necesita amplificar la señal, la solución a esto era la recepción de la señal con un fotodetector, la amplificación de la señal de forma eléctrica y su reemisión. El método descrito se utiliza, pero es un factor limitante en el desarrollo de los sistemas de fibra. La conversión de la señal de óptica a eléctrica y viceversa suele ser un cuello de botella y restringe tanto el ancho de banda operativo como la calidad de la señal.

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Es por eso que ahora hay numerosos componentes, aunque algunos en estado de desarrollo, que cumplen las premisas anteriores.

UNIDAD XI AMPLIFICADORES ÓPTICOS 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 utilidades 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 semiconductor que utilizan la generación estimulada por la luz que deseamos amplificar y los amplificadores de fibra dopada.

AMPLIFICADORES BASADOS EN LÁSERES DE SEMICONDUCTOR

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Los SLAs (Semiconductor Laser Amplifier) se basan en la estructura convencional de un láser con reflectividades en los espejos menores de lo habitual. Pueden utilizarse tanto en modo lineal como no lineal. Hay varios tipos dentro de los SLAs entre los que cabe destacar los de cavidad resonante (Fabry-Perot o FPA), los de onda viajera (travelling waveo TWA) y los cuasi onda viajera (near traveling waveo NTWA) que son amplificadores sin cavidad resonante. Estos dispositivos son capaces de amplificar la señal óptica(entre 15 y 35dB) con poco consumo de  potencia y son adecuados para uso con fibra monomodo. La clasificación de los amplificadores láser se basa en las reflectividades de sus espejos, por ello se dividen en los FPA por un lado y los TWA y NTWA por otro.

-Amplificadores Fabri-Perot: Cuando los espejos que forman una cavidad láser tienen unas reflectividades de alrededor del 30% se obtiene un FPA. Como la reflectividad es suficiente se produce resonancia óptica en su interior. Por lo que las características de transmisión tienen la forma de la figura 1:

Bandas ópticas amplificadas en un FPA, el modo 0 es el de mayor ganancia. El eje x representa frecuencias de emisión. Las condiciones de trabajo del FPA son la inyección de corriente por debajo de Ith, no hay generación óptica interna para emisión láser aunque ya hay inversión de población y por tanto la emisión estimulada es generada por los fotones que penetran en la estructura desde la fibra. La luz es

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amplificada aunque además de la amplificación se genera un ruido debido a la emisión de luz propia de FPA. Otro aspecto que cabe resaltar es el filtrado de longitudes de onda que aunque útil en determinadas aplicaciones tiene el problema de que será muy sensible a fluctuaciones térmicas.

-Amplificadores de onda viajera: Uno de estos dispositivos se consigue eliminando la reflectividad de los espejos al aplicar capas antirreflectantes sobre éstas. Depositando una capa delgada de dioxido o nitruro de silicio se puede reducir la reflectividad por debajo de 10 a la 3. La eliminación de la cavidad resonante convierte a estos dispositivos en sistemas en que los fotones atraviesan la estructura estimulando la emisión de nuevos fotones coherentes con ellos y al llegar a la otra cara de la estructura la atraviesan. Este tipo de dispositivo tendrá una ganancia menor ya que no se aprovecha la resonancia de la cavidad, pero la eliminación de la resonancia también consigue que su amplificación sea prácticamente plana en función de la frecuencia del fotón. También se elimina la dependencia frente a la temperatura o cualquier otro factor externo. Así pues los TWA son superiores a los FPA en aplicaciones lineales y en cuanto a menor ruido. En estos dispositivos al reducir tan fuertemente la resonancia de la cavidad la Itse incrementa con lo que el  punto de trabajo está muy lejos del inicio de la emisión láser propio.

AMPLIFICADORES DE FIBRA: -AMPLIFICADORES DE FIBRAS DOPADAS CON TIERRAS RARAS

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Los amplificadores de fibra se basan en láseres de bombeo óptico. Este tipo de emisores funcionan  consiguiendo la inversión de población apartir de la energía cedida por fotones en lugar de por electrones. 

Figura 2: Aplicaciones de un amplificador de fibra: (a) amplificador de potencia para el emisor; (b) repetidor óptico; (c) preamplificador en receptor.} Supongamos una estructura que tenga tres niveles energéticos, los electrones en su estado relajado están en el inferior, cuando se excitan con la energía suficiente  pueden pasar al niv nivel el superior, su perior, en este nivel los electrones tienen un tiempo de d e vida vid a corto y se relajan cayendo al nivel intermedio (idealmente de forma no radiactiva), el tiempo de vida en este nivel intermedio es elevado con lo que tenemos muchos electrones en el nivel intermedio y pocos en los otros dos niveles. Si hay una cavidad láser podemos conseguir resonancia y por tanto amplificación óptica en la energía que separa el nivel intermedio y el inferior, ya que el tiempo de vida para radiación 23

 

 

estimulada es pequeño. Podemos apreciar que el modo de funcionamiento de este tipo de amplificadores es muy similar al de los TWA.

Consideremos una fibra monomodo en la que se intercala un trozo de fibra (10m) con una estructura fuertemente absorbente a una determinada longitud de onda y transparente a la longitud de onda de transmisión.

Si no hay más elementos tenemos una transmisión normal, ahora en este trozo de fibra pongamos un acoplador para multiplexación en longitud de onda (figura 2) e inyectemos por la entrada de bombeo fotones con la energía necesaria para llevar los electrones del nivel inferior al superior, el acoplador hará que parte de la luz de  bombeo pase a la fibra de trans transmisión misión donde será absorbida, ahora el funcionamiento es idéntico al de un TWA.

Se pueden conseguir ganancias muy grandes, superiores a los 40dB, aunque no en cualquier banda, bien es verdad que en la actualidad se han conseguido para las  bandas de interés. Este tipo de fibras son fibras de silice normales salvo que dopadas con Er o Nd, que suministran los niveles de interés para la generación de emisión estimulada.

-AMPLIFICADORES DE FIBRA A PARTIR DE LOS EFECTOS RAMAN O BRILLOUIN:

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La apariencia de estos amplificadores es similar a los dopados con tierras raras, aunque el esquema de funcionamiento es distinto. Recordemos los efectos Raman y Brillouin. Son efectos no lineales con la potencia, en este caso no se  produce una excitación electrónica en el interior de la fibra sino debido a la interacción con fonones. Cuando la potencia supera una determinada magnitud los fotones pueden ceder parte de su energía a las vibraciones de la red (fonones) o bien capturar esa energía. Si la energía cedida es pequeña (50GHz de frecuencia, o sea, 0,2meV) tenemos el efecto Brillouin, si es grande (_10meV) tenemos el efecto Raman. Para pasar de energías a longitudes de onda primero habrá que sumar (o restar) las energías a la del haz.

El funcionamiento de estos sistemas exige el bombeo con luz de una longitud de onda que este separada de la que nos interesa amplificar la energía citada en el  parrafo anterior, anterior , cuando esto sucede la luz ssee genera estimulada por la que ya hay en esas longitudes de onda amplificándola. Esta deducción nos indica cual debe ser la longitud de onda del bombeo y cuál es el esquema de funcionamiento.

Los amplificadores Raman tienen anchuras espectrales de hasta 40nm para las longitudes de onda de interés y 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).

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Por el contrario los amplificadores basados en la dispersión Brillouin tienen características muy distintas. Los anchos de banda de amplificación típicos son de 50MHz (para una longitud de onda de emisión de 870nm es una anchura de 104nm, esto limita la aplicación a comunicaciones de baja velocidad y con espectros de emisión muy estrechos, la ventaja es que con una potencia de bombeo de 10mW se pueden conseguir ganancias de 20dB. £Cuál es la utilidad de este tipo deamplificadores?, pues la de filtros ópticos abruptos para WDM.

AMPLIFICADOR ÓPTICO DE SEMICONDUCTOR 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 recubrimiento antirreflejos 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 disp ositivos (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, sensibilidad a la polarización, son muy alineales cuando se operan a elevadas velocidades. Su elevada no-linealidad hacen atractivos los SOAs para aplicaciones de  procesado como la conmutación toda óptica o la conversión de longitud de onda. También se está estudiando su uso para implementar puertas lógicas.

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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 analógica. 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:

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Gran ancho de banda (~23 THz).

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Baja atenuación (~0.23 dB/km en 1550 nm).

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Máxima ganancia en la región de 1.55 µm( que dio paso a la utilización de la infraestructura ya instalada alrededor del mundo).

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Operación en la 3 ª  ventana.

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Elevada ganancia y bajo ruido.

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Transparencia a las longitudes de onda.

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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:

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Frecuencia de operación: bandas C y L (approx. de 1530 a 1605 nm).

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Para el funcionamiento en banda S (below 1480 nm) son necesarios otros dopantes.

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Baja figura de ruido (típicamente entre 3-6 dB)

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Ganancia entre (15-40 dB)

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Baja sensibilidad al estado de polarización de la luz de entrada Máxima potencia de salida: 14 - 25 dBm

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Ganancia interna: 25 - 50 dB

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Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB

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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.

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

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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:

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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.

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La emisión puede presentarse en dos formas distintas:

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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.

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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

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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. ex terno. 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 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 e n las transiciones de energía que qu e 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. 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. 30

 

 

Es a partir de esa energía almacenada que se produce la amplificación mediante la emisión estimulada. En la siguiente figura se muestra un esquema del funcionamiento de un amplificador  básico.

Fig.1 Configuración básica de un amplificador EDFA Al dopar con iones de erbio el núcleo de una fibra óptica se provoca un ensanchamiento de las bandas de transición. Esto a su vez provoca un ensanchamiento considerable del rango de longitudes de onda que pueden ser amplificadas. Este efecto puede mejorarse añadiendo al núcleo, aluminio y óxido de germanio. 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). El empleo de una u otra longitud de onda depende de ciertas características del proceso de absorción en cada uno de estos niveles, derivadas de los diferentes tipos de ruido al que pueden originarse, de la disponibilidad de las fuentes de bombeo o de la saturación de ganancia. 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

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 proclive a la saturación de ganancia. En ambos casos es posible obtener ganancias entre 30 y 50 dB.

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.

Fig.2: Configuraciones de un EDFA En la figura anterior se muestran las configuraciones posibles del EDFA. 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 32

 

 

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, bombeo , por lo que ssee denomina bombeo dual o bidireccional. La ganancia por tanto puede llegar a duplicarse. Este esquema es muy empleado en la implementación de amplificadores repetidores.

APLICACIONES: AMPLIFICADORES DE POTENCIA, DE LÍNEA, PREAMPLIFICADORES. OPERACIONES MULTICANAL. AMPLIFICADORES ÓPTICOS SEGÚN SU APLICACIÓN. La siguiente figura muestra las principales tipos de amplificadores según su aplicación:

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Fig3: Tipos de amplificadores según su aplicación; (a) amplificador de línea; (b)  preamplificador; (c) amplificador de potencia tras la fuente fuen te óptica; (d) amplificador de potencia delante de un divisor Como amplificador de línea en un enlace con fibra monomodo, como el que se muestra en la figura (a), 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. 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. 34

 

 

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 conf iguración de la figura (d) busc buscaa compensar las pérdidas que sufre una señal al atravesar un divisor.

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CONCLUSIÓN Durante años la evolución de las comunicaciones ópticas se basa  principalmente en los sistemas de comunicaciones el cual sirve para transmitir información de un lugar a otro, ya sea que estén separados por unos cuantos metros o  por distancias intercontinentales. Usualmente la información es transportada por una onda electromagnética de alta frecuencia denominada onda portadora, cuya frecuencia puede variar desde algunos kilohertz hasta cientos de terahertz. Estos se utilizan señales portadoras de altas frecuencias en la región visible o en la de infrarrojo cercano del espectro electromagnético. Además de estos los sistemas de comunicaciones de fibra óptica son sistemas de comunicación ópticos que utilizan fibras ópticas como líneas de transmisión. Estos sistemas se han utilizado a nivel mundial desde 1980 y han revolucionado la tecnología relacionada con las telecomunicaciones. Para hacer posible cualquier tipo de transmisión se deben tomar en cuenta los elementos de un enlace los cual cuales es son el emisor, el medio y el receptor.

De acuerdo a las definiciones pasadas podemos decir que 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. A su vez estos dispositivos consiguen una amplificación lineal de la señal óptica en determinados tramos de longitudes de onda. En la electrónica estos aparatos proporcionan una solución más simple al  problema de la atenuación y puede ser usado independientemente del tipo de modulación y del ancho de banda. Respecto a su bidireccional esta permite realizar el trabajo en sistemas con multiplexación de longitud de onda. Por otra parte  particularizando en el sistema monomodo donde la dispe dispersión rsión temporal es pequeña la

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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. Es importante destacar que estos amplificadores ópticos han resultado tener más utilidades que su uso como repetidores lineales y se estudia su uso como  preamplificadores de recepción, como puertas lógicas ópticas, conformadores de  pulsos y direccionadores entre otras aplicaciones. Los dos sistemas más utilizados par paraa amplificación óptica son los basados en láseres de semiconductor que utilizan la generación estimulada por la luz que deseamos amplificar y los basados en fibra. Algunos de estos dispositivos pueden utilizarse tanto en modo lineal como no lineal, entre los que cabe destacar los de cavidad, los de onda viajera y los cuasi onda viajera que son amplificadores sin cavidad resonante. Entre las aplicaciones más usuales se encuentran: amplificadores de potencia para el emisor; repetidores ópticos;  preamplificadores en receptores. Por otra parte se encuentran los semiconductores, los cuales suelen ser de  pequeño tamaño y el bombeo se implementa de forma eléctrica. En la actualidad son menos caros que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos como los láseres, moduladores. Sin embargo presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, sensibilidad a la polarización, son muy alineales cuando se operan a elevadas velocidades.

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BIBLIOGRAFIA Martín-Ramos, J. Martín-Gil, P. Chamorro-Posada, Amplificadores de fibra óptica dopada con Erbio e Iterbio (EDFAs y YEDFAs). Dpto. de Teoría de la Señal e Ingeniería Telemática, y Dpto. de Ingeniería Agrícola y Forestal, Universidad de Valladolid, Junio 2010 • Autor: Juan José Román López. Titulo: Tutorial de Comunicaciones Ópticas. http://nemesis.tel.uva.es/

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