06 - Amplificadores Ópticos

Fundamentos de Comunicaciones Ópticas
Tema 06
Amplificadores ópticos
Edgard Oporto
2021 - II
Contenido
- Definición
- Características generales
- Tipos
- Amplificadores de fibra dopada con erbio – EDFA
- Amplificadores ópticos de semiconductor – SOA
- Amplificadores de fibra RAMAN – FRA
- Amplificador RAMAN agrupado – LRA

- Amplificador RAMAN distribuido – DRA
- Comparativa de amplificadores
Definición
- Son dispositivos que amplifican una señal óptica directamente, sin
conversiones intermedias a eléctrica.
- Permiten la transmisión de señales ópticas a mayores distancias.

- Se emplean en enlaces de datos de larga distancia.
- Considerar que a más de unos 100km la señal óptica es débil y ruidosa.
Definición
- Proporcionan ganancia óptica.
- Requieren de una fuente óptica externa que provea energía para la amplificación.
- Soportan cualquier velocidad de bits y formato de señal.
- Soportan toda la región de longitudes de onda.
- Amplifican en multicanal, señales multiplexadas por longitud de onda.
- Generan algún ruido.
- Se consideran como láseres sin cavidad óptica o sin retroalimentación de la

cavidad.
Definición
Formas de empleo
Booster Amplifier – amplificador de refuerzo

El amplificador refuerza o aumenta la salida óptica de un transmisor óptico justo
antes de que la señal ingrese a una fibra óptica.
Inline Amplifier – amplificador de línea

El amplificador se ubica en algún punto intermedio de la línea para restaurar la
señal y continuar su transmisión a mayor distancia.
Pre Amplifier - preamplificador

El amplificador se ubica al final del enlace de fibra óptica para aumentar la
sensibilidad de un receptor óptico.
Definición
Formas de empleo
Tipos
Existen tres tipos:
a) Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA)

b) Amplificadores ópticos de semiconductor (SOA)
c) Amplificadores de fibra RAMAN (FRA)
Amplificadores de fibra dopada con erbio - EDFA
- El medio de amplificación o ganancia es una fibra óptica de vidrio dopada con
iones de erbio.
- El erbio es bombeado a un estado de inversión de población mediante una
fuente óptica externa.
- El medio de ganancia óptica amplifica la luz alrededor de 1550nm.
- Los amplificadores EDFA tienen poco ruido.

- Pueden amplificar muchas longitudes de onda simultáneamente.
- Por ello, los EDFA son los amplificadores de elección para la mayoría de las
aplicaciones de transmisiones a larga distancia.
- Se emplean en las bandas C y L.
- Inventada en 1987.
Principio de funcionamiento
Consta de:
- Fibra dopada con erbio (EDF)
- Fuente de luz de bombeo
- Acopladores ópticos
- Aisladores ópticos
- Filtros ópticos
- Se puede usar como booster, inline y preamplificador.

- La fibra dopada contiene iones trivalentes de erbio.

- Estos iones interaccionan con los fotones incidentes, amplificando a estos últimos.
- Emplean una fuente de luz para bombeo.

- La fuente de luz es de menor longitud de onda que la de trabajo: 980nm, 1480nm.
- El bombeo es con un láser CW con frecuencia superior a la que amplifican.

- La figura ilustra cómo se produce la amplificación a 1550 nm.
- Dos longitudes de onda típicas para bombear un EDFA son 980 y 1480nm.
- Cando se bombea un EDFA a 1480nm, el ion Er dopado en la fibra absorbe la
luz de la bomba y se excita a un estado excitado 1.
- Cuando se lanza suficiente potencia de bomba a la fibra y se crea una inversión
de población entre el estado fundamental y el estado excitado 1, la amplificación
por emisión estimulada tiene lugar alrededor de 1550 nm.
- Cuando se bombea un EDFA a 980nm, el ion Er absorbe la luz de la bomba y se
excita al estado excitado 2.
- La vida útil del estado excitado 2 es relativamente corta y, como resultado, el ion
Er se relaja inmediatamente al estado excitado 1 mediante la radiación de calor
(es decir, sin emisión de fotones).
- Este proceso de relajación crea una inversión de población. entre el nivel del
suelo y el estado excitado 1.
- La amplificación tiene lugar alrededor de 1550 nm.
El bombeo se
realiza
mediante
diodos láser
- Los electrones externos de los iones Er tienen tres niveles de energía
- E1 es el nivel de energía del estado básico
- E2 es el nivel de energía del estado metaestable
- E3 es el nivel de energía alto
- Los láseres de bombeo excitan los electrones desde el nivel E1 al E3
- Los electrones bombeados a E3, caen rápidamente al nivel E2
- La señal 1550nm, al pasar por la fibra dopada con erbio, causa que los
electrones en E2 retornen al estado básico.
- A la vez, se generan fotones idénticos a la señal de 1550nm.
Ganancia
- El EDFA no presenta una ganancia uniforme.

- La ganancia depende de la longitud de onda.
- La máxima ganancia se alcanza alrededor de los 1530 a 1535nm.
- A potencias altas, la respuesta de la ganancia en todo la banda C (1530 –
1565nm) es bastante plana.
Ventajas
- Alta eficiencia en el uso de la potencia de la bomba (> 50%).

- Amplifica bandas de longitud de onda ancha (> 80nm) en la región de 1550nm,
con una ganancia relativamente plana.
- La ganancia plana se puede mejorar mediante filtros ópticos.
- Figura de bajo ruido adecuada para aplicaciones de larga distancia.
- Trabaja para cualquier velocidad.
- De tamaño medio, es un dispositivo no pequeño, emplea una tarjeta.
- Ganancias desde 25dB e inclusive algunos amplificadores pueden tener

ganancia de hasta 50 dB.
- No existe un retardo efectivo en el amplificador (solo propagación).
- Recomendado para aplicaciones de larga distancia y aplicaciones DWDM
Desventajas
- El tamaño de EDFA no es pequeño.

- No se puede integrar con otros dispositivos semiconductores.
Estructura interna
- La figura muestra una configuración común de EDFA.
- La señal de entrada se combina con la luz de la bomba mediante
un acoplador WDM y se envía al EDF.
- La luz de la bomba lanzada al EDF crea una inversión de la población y la señal
de entrada se amplifica mediante una emisión estimulada.
- Los aisladores se colocan tanto en la entrada como en la salida, con el fin de
estabilizar la amplificación de la señal (eliminan reflexiones no deseadas del
puerto de salida) evitando que el amplificador funcione como un láser.
- En esta configuración común, la longitud de onda de la bomba LD está
normalmente entre 974 nm y 980 nm.
Características técnicas
Potencia de salida saturada (o potencia de salida máxima)
Es la potencia de salida máxima de un amplificador cuando se envía suficiente
potencia de entrada de señal (normalmente alrededor de 0 dBm o más) al
amplificador.
Ganancia de señal
La ganancia de pequeña señal es la ganancia en un amplificador cuando la
potencia de la señal enviada al amplificador es muy pequeña (típicamente
alrededor de -30 dBm).
Figura de ruido
La amplificación de un EDFA agrega algo de ruido a la señal original.
Por lo tanto, la relación S/N se ve reducida.
El ruido es debido a la emisión espontánea amplificada (ASE) del EDF.
La figura de ruido (NF) de un amplificador óptico es una medida de degradación en

la relación S/N, expresada en dB.
En general, ASE crece rápidamente cuando la potencia de entrada de la señal es

baja, por lo que NF es una característica importante para un preamplificador (es
decir, potencia de entrada pequeña).
Por otro lado, ASE está bien suprimido cuando la potencia de entrada de la señal
es alta y el valor de NF medido a una potencia de entrada más alta tiene poca
importancia.
Un valor NF típico de EDFA comercial a una potencia de entrada de señal pequeña

está dentro del rango de 5 a 7 dB.
Ganancia plana
Cuando se utiliza un EDFA para la transmisión multiplexada, WDM, sería ideal que
todos los canales WDM tuvieran la misma ganancia.
Sin embargo, cada uno de los canales tiene un valor de ganancia diferente.
La uniformidad de la ganancia es importante cuando muchos EDFA están

concatenados en una línea óptica (por ejemplo, transmisión óptica submarina).
La variación de ganancias se acumula en las cadenas de EDFA y da como

resultado grandes diferencias de potencia de señal entre los canales WDM.
La planitud de la ganancia puede mejorarse; por ejemplo, mediante la modificación

de la composición de vidrio del EDF (concentración de aluminio más alta) o la
incorporación de un filtro óptico externo que aplana la ganancia.
Amplificadores ópticos de semiconductor - SOA
- Es un tipo de amplificador óptico que utiliza un

semiconductor para proporcionar el medio de ganancia.
- El medio de ganancia es InGaAsP sin dopar.
- A diferencia de otros amplificadores ópticos, los SOA se

bombean electrónicamente mediante una corriente
aplicada.
- No requieren de un láser de bomba separado.
- Proporciona amplificación óptica en longitudes cercanas a

1300nm o 1500nm.
- Son pequeños e ideales para aplicaciones de bajo costo.
- Se pueden usar otros semiconductores para amplificar

señales ópticas en otras longitudes de onda.
- Tienen una estructura similar a la de los diodos láser pero con elementos
anti reflectantes en las caras de entrada y salida.
- El anti reflectante evita la retroalimentación óptica al medio de ganancia

y al láser.
Ventajas
- Es de pequeño tamaño.
- Se bombea electrónicamente.
- Menos costosos que los EDFA.
- Pueden integrarse con láseres semiconductores, moduladores, etc.
- Se pueden realizar los cuatro tipos de operaciones no lineales:

* Modulación de ganancia cruzada
* Modulación de fase cruzada
* Conversión de longitud de onda
* Mezcla de cuatro ondas
Desventajas
- El rendimiento de SOA todavía no es comparable con el EDFA.
- SOA tiene mayor ruido

- SOA tiene menor ganancia
- SOA tiene dependencia moderada de la polarización
- SOA tiene alta no linealidad
Amplificadores de fibra RAMAN - FRA
- Se utiliza principalmente para amplificar la banda de señal óptica que EDFA no

puede satisfacer.
- La amplificación óptica es debida a la dispersión Raman estimulada (SRS).
- El efecto de amplificación se obtiene mediante una interacción no lineal entre la

señal y un láser de bomba dentro de una fibra óptica.
- Los RFA no sufren las limitaciones de los EDFA, pueden integrarse con las fibras
de transmisión y bombearse a cualquier longitud de onda para proporcionar
amplia banda de ganancia y ganar planitud empleando una combinación de
diferentes longitudes de onda en las fuentes de bombeo.
El efecto Raman
- Conocido también como dispersión Raman.
- Fue descubierto por el físico C. V. Raman.
- Consiste en la dispersión inelástica de los fotones.
C. V. Raman
El efecto Raman
Cuando un material recibe un fotón, puede ocurrir dos cosas con el fotón incidente:
- Que sea absorbido
- Que sea dispersado
Caso de absorción
La energía del fotón se transfiere a las moléculas.
Caso de dispersión
Existen dos escenarios:
Dispersión elástica
La energía del fotón dispersado es la misma que del incidente.
La energía del fotón se conserva.
La frecuencia y lambda del fotón se conserva (dispersión Rayleight).
Dispersión inelástica
La energía del fotón dispersado no es la misma que del incidente.
La energía del fotón no se conserva.
Existe un ligero cambio en la energía del fotón (efecto Raman).
Cambia la frecuencia o lambda del fotón dispersado.
Ocurre en 1 de cada 10000 millones de fotones incidentes.
El efecto Raman
- El efecto Raman (diferencia de energía entre el fotón incidente y el fotón
dispersado) proporciona información a nivel molecular.
- Cuando los fotones interactúan con las moléculas de un material, producen en él

diferentes estados vibracionales moleculares.
- Estos estados vibracionales son únicos y característicos de cada material.
- Es decir, se obtiene un espectro único para cada material.
- Este espectro se conoce como “huella digital”.
Cuando sobre una molécula incide un

fotón con frecuencia igual a la frecuencia
de oscilación de dicha molécula, esta
absorbe la energía del fotón y su
amplitud de la vibración aumenta.
Espectroscopía Raman
- Consiste en obtener las frecuencia vibracionales de las moléculas.

- La señal Raman (el fotón dispersado inelásticamente) es muy débil.
- En la actualidad existen sistemas portátiles para espectroscopia Raman.
- Constan de:
* Diodo láser como fuente de luz
* Sonda de fibra óptica para la entrega de luz a la muestra
* Sonda de fibra óptica para la recolección de luz de la muestra
* Espectrómetro para la detección de la señal Raman
* Interfaz a computadora
Efecto Raman
El efecto Raman es uno de los cuatro posibles casos de interacción

de un fotón con un material.
Efecto Raman
Efecto Raman
Tipos
- Hay dos tipos de amplificador de FRA:
* Amplificador Raman distribuido (DRA)

Son aquéllos cuyo efecto de amplificación se consigue en una porción de
la fibra óptica utilizada para la transmisión.
Se les llama distribuidos ya que toda o parte de la fibra de transmisión se
utiliza para la amplificación.
Existen en tres categorías:

• Amplificador Raman con bombeo en sentido de la señal
La energía de bombeo y la señal se propagan en el mismo sentido en la
fibra de transmisión.
• Amplificador Raman con bombeo inverso
La energía de bombeo y la señal se propagan en sentidos opuestos en la
fibra de transmisión.
• Amplificador Raman con bombeo bidireccional
La energía de bombeo se aplica en ambos extremos de la fibra de
transmisión.
Parte de la energía de bombeo se propaga en el mismo sentido que la
señal y otra en sentido inverso dentro del medio de transmisión.
Tipos
- Hay dos tipos de amplificador de FRA:
* Amplificador Raman agrupado, discreto o lumped (LRA)
El efecto de amplificación se consigue gracias a la dispersión Raman

estimulada (SRS, stimulated Raman scattering) en la fibra.
Todos los componentes físicos del amplificador están contenidos dentro

del dispositivo amplificador.
Comparación de amplificadores
- Combinando los amplificadores EDFA y RAMAN se consigue mejorar la curva de

ganancia de ambos.
- Se obtiene una curva prácticamente plana entre 1530 y 1600nm.
Los sistemas de
comunicaciones ópticos
modernos buscan
integrar las tecnologías
ópticas de amplificación
EDFA y Raman.

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Fundamentos de Comunicaciones Ópticas

- Amplificadores de fibra dopada con erbio – EDFA

- Amplificadores ópticos de semiconductor – SOA

- Amplificadores de fibra RAMAN – FRA

- Amplificador RAMAN agrupado – LRA

- Permiten la transmisión de señales ópticas a mayores distancias.

- Se consideran como láseres sin cavidad óptica o sin retroalimentación de la

Booster Amplifier – amplificador de refuerzo

Inline Amplifier – amplificador de línea

Pre Amplifier - preamplificador

a) Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA)

- El medio de ganancia óptica amplifica la luz alrededor de 1550nm.

- Los amplificadores EDFA tienen poco ruido.

- Se puede usar como booster, inline y preamplificador.

- La fibra dopada contiene iones trivalentes de erbio.

- Emplean una fuente de luz para bombeo.

- El bombeo es con un láser CW con frecuencia superior a la que amplifican.

- El EDFA no presenta una ganancia uniforme.

- Alta eficiencia en el uso de la potencia de la bomba (> 50%).

- Ganancias desde 25dB e inclusive algunos amplificadores pueden tener

- El tamaño de EDFA no es pequeño.

La figura de ruido (NF) de un amplificador óptico es una medida de degradación en

En general, ASE crece rápidamente cuando la potencia de entrada de la señal es

Un valor NF típico de EDFA comercial a una potencia de entrada de señal pequeña

La uniformidad de la ganancia es importante cuando muchos EDFA están

La variación de ganancias se acumula en las cadenas de EDFA y da como

La planitud de la ganancia puede mejorarse; por ejemplo, mediante la modificación

- Es un tipo de amplificador óptico que utiliza un

- El medio de ganancia es InGaAsP sin dopar.

- A diferencia de otros amplificadores ópticos, los SOA se

- Proporciona amplificación óptica en longitudes cercanas a

- Son pequeños e ideales para aplicaciones de bajo costo.

- Se pueden usar otros semiconductores para amplificar

- El anti reflectante evita la retroalimentación óptica al medio de ganancia

- Se pueden realizar los cuatro tipos de operaciones no lineales:

- SOA tiene mayor ruido

- Se utiliza principalmente para amplificar la banda de señal óptica que EDFA no

- La amplificación óptica es debida a la dispersión Raman estimulada (SRS).

- El efecto de amplificación se obtiene mediante una interacción no lineal entre la

- Cuando los fotones interactúan con las moléculas de un material, producen en él

Cuando sobre una molécula incide un

- Consiste en obtener las frecuencia vibracionales de las moléculas.

El efecto Raman es uno de los cuatro posibles casos de interacción

* Amplificador Raman distribuido (DRA)

Existen en tres categorías:

* Amplificador Raman agrupado, discreto o lumped (LRA)

El efecto de amplificación se consigue gracias a la dispersión Raman

Todos los componentes físicos del amplificador están contenidos dentro

- Combinando los amplificadores EDFA y RAMAN se consigue mejorar la curva de

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