Amplificadores de Raman

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. En el caso de un material amorfo, como es una fibra óptica, las frecuencias características del material son un todo casi continuo, es decir, no son un conjunto de frecuencias claramente diferenciadas como ocurre con los materiales monocristalinos.

Gracias a este concepto se obtiene un nuevo método de amplificar una señal óptica. La señal que provoca la amplificación será la propia señal que transmite la información. Además, si por la fibra se transmite más de un canal, cada uno dará lugar al efecto Raman en su propia frecuencia, produciéndose la amplificación, siempre que estas frecuencias estén dentro del rango de frecuencias características del material.

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.

Fig.2.8.9. : Obtención de una ganancia constante con la longitud de onda, emplenado un EDFA junto con un amplificador Raman

Amplificador Raman

En un amplificador Raman, la señal se intensifica mediante amplificación Raman. A

diferencia de la EDFA y SOA el efecto de amplificación se consigue mediante una

interacción no lineal entre la señal y un láser de bombeo dentro de una fibra óptica. Hay

dos tipos de amplificadores Raman: distribuidos y agrupados. Un amplificador Raman

distribuido es una en la que la fibra de transmisión se utiliza como el medio de ganancia

por multiplexado de una longitud de onda de la bomba con la longitud de onda de la señal,

mientras que un amplificador Raman agrupado utiliza un dedicado longitud, más corto de

fibra para proporcionar la amplificación. En el caso de un amplificador Raman de fibra

altamente no lineal agrupado con un pequeño núcleo se utiliza para aumentar la

interacción entre la señal y longitudes de onda de la bomba y por lo tanto reducir la

longitud de fibra requerida.

La luz de la bomba puede estar acoplada en la fibra de transmisión en la misma dirección

que la señal, en la dirección opuesta, o ambos. Bombeo de Contra-direccional es más

común como la transferencia de ruido de la bomba a la señal se reduce.

La potencia de la bomba requerida para la amplificación Raman es más alta que la

requerida por el EDFA, con más de 500 mW que se requiera para lograr niveles útiles de

ganancia en un amplificador distribuido. Amplificadores concentrados, donde la luz de la

bomba puede ser guardado en forma segura para evitar consecuencias para la seguridad

de las potencias ópticas de alta, pueden usar más de 1W de potencia óptica.

La principal ventaja de la amplificación Raman es su capacidad para proporcionar la

amplificación distribuida dentro de la fibra de transmisión, aumentando de este modo la

longitud de los tramos de entre el amplificador y los sitios de regeneración. El ancho de

banda de amplificación de los amplificadores Raman se define por las longitudes de onda

de la bomba utilizada para la amplificación y se puede proporcionar más de las regiones

más amplias, y diferente, que puede ser posible con otros tipos de amplificadores que se

basan en agentes de dopado y el diseño de dispositivo para definir "ventana" de la

amplificación.

AMPLIFICADORES DE FIBRA OPTICAIntroducciónEn los últimos 20 años la fibra óptica se ha posicionado como el medio de transmisiónmás importante para las comunicaciones de alta velocidad, tanto digital como analógica.Sus características insuperables en comparación con otros medios de transmisión, comoson su gran ancho de banda (~23 THz) y su baja atenuación (~0.23 dB/km en 1550 nm),ha hecho de las fibras ópticas un medio ideal para transmisiones de larga distancia.En el transcurso de los primeros años de la década de los 90 se popularizó la utilizaciónde los amplificadores de fibra dopada con Erbio (EDFA), los cuales poseen lacaracterística principal de entregar máxima ganancia en la región de 1.55 μm, lo que dio paso a la utilización de la infraestructura ya instalada alrededor del mundo, pero estavez operando en la 3a ventana y haciendo uso de fibra que había sido diseñada paratener dispersión mínima en 1.31 μm.Conceptos BásicosEn los sistemas de comunicación de larga distancia, que hacen uso de la fibra ópticacomo medio físico para la propagación de las señales ópticas, se tiene que las señalesexperimentan una atenuación considerable al propagarse por la fibra. Lo anterior obligaa que los sistemas de transmisión utilicen algún mecanismo de amplificación para quelas señales mantengan un nivel de potencia detectable por el receptor, para lo cual en laactualidad se hace uso de amplificadores ópticos, que no son otra cosa que undispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin la necesidad de convertir laseñal al dominio eléctrico, amplificar en eléctrico y volver a pasar a óptico, como es

elcaso del amplificador de fibra dopada con Erbio, EDFA.La idea básica que está detrás de la amplificación en los amplificadores ópticos es laemisión estimulada, que es el mismo principio con que operan los láseres. El principiode operación que presentan los amplificadores ópticos es el siguiente: la fibra dopadacon erbio, al ser estimulada mediante una señal de bombeo, causa que los átomosabsorban fotones, quedando éstos en estado excitado durante un intervalo que estádefinido 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 entrelos fotones emitidos y los fotones incidentes. La emisión estimulada, en cambio, seinicia producto de la incidencia de un fotón, con lo cual los fotones emitidos coincidencon los fotones incidentes, tanto en fase como dirección, lo que produce unainterferencia constructiva, que finalmente produce la amplificación de las señales de luzincidente.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 traduceen 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 lafibra dopada y puede ser realizada mediante un bombeo externo.En la actualidad el amplificador de fibra dopada con Erbio es el más utilizado entre losamplificadores 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 monomodoutilizada en la actualidad presenta mínimas perdidas.CaracterísticasLas características típicas de los EDFA 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 otrosdopantes.•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 paralos de banda L.• Número de láseres de bombeo: 1 – 6•Longitud de onda de bombeo: 980 nm o 1480 nm•Ruido predominante: ASE (Amplified Spontaneous Emission)

El ruido ASE generado a la salida de un amplificador de este tipo se puede calcular como:

Pase= 2nsp(G – 1) hf . Bo

Donde, nspn, es el factor de emisión espontánea, G es la ganancia del amplificador y Bo es el ancho de banda óptico del amplificador.

Diseño de un Amplificador EDFAUn Amplificador EDFA, esta compuesto de las siguientes partes:

Con lo cual se tendría una ganancia de aproximadamente 30dB y que se observa en elsiguiente grafico: Esto va en la mitad de los dos cuadros

Configuraciones de un Amplificado EDFALas posibles configuraciones en donde se pueden usar los Amplificadores EDFA semuestran a continuación

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 queamplificar y la señal de bombeo se inyectan al EDFA combinadas por medio de unacoplador. El primer aislador se emplea para impedir la propagación hacia fuera delEDFA del emisión espontánea (ruido ASE) que se genera y se propaga en sentidocontrario al de la transmisión. El bombeo y la amplificación se realizan en el mismosentido que la propagación. A la salida se coloca otro aislador que evita la entrada alEDFA y por tanto

su amplificación de cualquier señal reflejada. Finalmente se empleaun filtro óptico para filtrar el ruido ASE, generado en el amplificador, que se encuentrefuera de la banda de la señal útil.La siguiente configuración se diferencia de la anterior en que la señal de bombeo seinyecta al EDFA en sentido contrario a la propagación. El aislador de la entrada ademásde cumplir las funciones anteriores, tiene la misión de evitar la propagación de la señalde bombeo fuera del amplificador. La ventaja de esta configuración es permiteganancias 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 deamplificadores repetidores.