8/17/2019 Tipos de Amplificadores

1/8

Tipos de amplificadores

Los dos principales tipos de amplificadores ópticos son:

los SOAs, Semiconductor  Optical Amplifiers, y los DFAs, Doped- Fiber Amplifiers .

El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al igual

que en un láser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee una

realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel

de potencia de la señal pero no generar una señal óptica coherente. En la siguiente

figura se muestra un esquema del funcionamiento de un amplificador básico.

Fig.2.8.3. : Funcionamiento de un amplificador óptico

na fuente de bombeo in!ecta una energ"a en la #ona activa del amplificador. Esta

energ"a es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energ"a

 produci$ndose la inversión de población. %l ser alcan#ados estos electrones por los

fotones de la señal óptica de entrada caen a unos niveles energ$ticos más ba&os dando

lugar a un nuevo fotón, esto es el proceso de emisión estimulada, produci$ndose as" la

amplificación de la señal.

La amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del

material, as" como su estructura.

En los S'% la #ona activa esta construida con aleaciones de elementos

semiconductores como el fósforo, el indio, el galio ! el ars$nico. En los (F% es un

n)cleo de fibra óptica dopada con iones de tierras raras como el Erbio *Er+, el

raseodimio *r+, el -terbio *b+ o el /eodimio */d+.

Amplificadores Ópticos de Semiconductor

La estructura de un S'% Semiconductor Optical Amplifiers , es mu! similar a la de

un láser semiconductor  pero sin la realimentación que hace que $ste oscile. Seg)n como

se evite esta oscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.

8/17/2019 Tipos de Amplificadores

2/8

Amplificadores de enganche por inyeccin . Son los menos empleados !consisten en láseres de semiconductor polari#ados por encima del umbral que se

emplea para amplificar una señal óptica de entrada.

Amplificador Fa!ry"#erot $F#% . Su estructura es básicamente como la de unláser de Fabr!0erot pero polari#ado por deba&o del umbral impidiendo as" suoscilación. Su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual

que un filtro de Fabr!0erot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas

 periódicamente.

Amplificador de onda &ia'era $T(S)A, Travelling Wave SLA % . En el seeliminan las reflectividades de los espe&os de salida de la cavidad, evitando as" la

realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el paso de

la señal un sola ve# por el dispositivo. Este amplificador se suele alargar con

respecto a los diodos laseres convencionales para aumentar la ganancia.

El amplificador de onda via&era es el tipo de S'% más empleado en la actualidad

debido a sus prestaciones en saturación, ancho de banda ! ruido. Su estructura consiste

en una unión pn polari#ada en directa con los e1tremos de la #ona activa recubiertos con

un material antirreflectante, como se muestra en la siguiente figura.

Fig.2.8.*. : Estructura de un S'% de onda via&era

'tros esquemas son los siguientes dos esquemas.

Fig.2.8.+. : Estructura de un S'% de onda via&era, en la i#quierda el medio activo sesit)a de forma no ortognal a las caras de entrada ! salida2 en la derecha las caras no son

 paralelas

El esquema de la i#quierda consiste en situar el plano activo en una posición no

ortogonal a las caras de entrada ! salida. El ob&eto de esto es que la señal que incide

sobre la superficie de salida no lo haga formando un ángulo de 345 con $sta, de forma

que la poco señal refle&ada por la cara de salida no se realimente. En el )ltimo esquema,

que tiene la misma misión que el anterior, las caras e1tremas no están paralelas entre s".

8/17/2019 Tipos de Amplificadores

3/8

roblema chirp en S'% *sección 6.7 %gra8al 0 Láseres+

Sus principales venta&as son,

La posibilidad de integración por su reducido tamaño.

La facilidad de construcción a distintas longitudes de onda variando la

composición del material.

Sus principales inconvenientes son:

Su geometr"a rectangular produce p$rdidas al acoplarlo con la fibra, ! no

amplifica por igual las dos polari#aciones de las señal.

9uando las señales transmitidas poseen ciertos niveles de potencia aparecen

fenómenos de naturale#a no lineal que producen distorsión ! diafonias. ore&emplo, debido a la saturación de la ganancia la señal de un canal puede

modular la ganancia instantánea del amplificador de forma que la información

de esta señal pase a las señales del resto de canales, esto es la modulación

cru#ada de ganancia *;

8/17/2019 Tipos de Amplificadores

4/8

Fig.2.8.-. : (iagrama de nivles energ$ticos del Erbio

Se puede ver en el diagrama de niveles de energ"a del erbio que la transición entre los

niveles >-=6?@ !>-=7?@ corresponde a una longitud de onda comprendida entre =764nm !

=7A4nm apro1. Luego al provocar una inversión de población entre dichos niveles se

 puede amplificar señales en la tercera ventana. El primer nivel e1citado, >-=6?@ , desde el

que las frecuencias de transición se corresponden con la tercera ventana, tiene un tiempo

de vida medio de unos =4ms, mientras que en los dos superiores es de 4.44=ms, por lo

que el nivel >-=6?@ es un estado metaestable. or lo tanto todo ión que llegue a estos

niveles por medio del bombeo acabara ca!endo al nivel >-=6?@ por emisión espontánea, !

a su ve# cara al nivel fundamental por emisión estimulada, produci$ndose as" la

amplificación.

%l dopar con iones de erbio el n)cleo de una fibra óptica se provoca un ensanchamiento

de las bandas de transición. Esto a su ve# provoca un ensanchamiento considerable delrango de longitudes de onda que pueden ser amplificadas. Este efecto puede me&orarse

añadiendo al n)cleo, aluminio ! ó1ido de germanio.

Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son =>B4nm *mediante un diodo

láser de -n;a%s+ ! 3B4nm *mediante un diodo láser de -n;a%s+. El empleo de una u

otra longitud de onda depende de ciertas caracter"sticas 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 =>B4nm supone un amplificador más ruidoso pero más inmune a la

saturación de ganancia.

8/17/2019 Tipos de Amplificadores

5/8

onfiguraciones de !om!eo

Los elementos básicos para implementar un E(F% son:

El medio activo donde se produce la inversión de población. Formado por un

tramo de fibra óptica de Si4 @ con el n)cleo dopado con iones de erbio.

La fuente de bombeo óptico a =>B4 o 3B4nm, formada por un láser

semiconductor.

Fig.2.8./. : 9onfiguraciones de un E(F%

En la figura anterior se muestran las configuraciones posibles del E(F%. La primera

configuración es la más empleada ho! en d"a. La señal que ha! que amplificar ! la señal

de bombeo se in!ectan al E(F% combinadas por medio de un acoplador. El primer

aislador se emplea para impedir la propagación hacia fuera del E(F% del emisión

espontánea *ruido %SE+ que se genera ! se propaga en sentido contrario al de la

transmisión. El bombeo ! la amplificación se reali#an en el mismo sentido que la propagación. % la salida se coloca otro aislador que evita la entrada al E(F% ! por tanto

su amplificación de cualquier señal refle&ada. Finalmente se emplea un filtro óptico para

filtrar el ruido %SE, generado en el amplificador, que se encuentre fuera de la banda de

la señal )til.

La siguiente configuración se diferencia de la anterior en que la señal de bombeo se

in!ecta al E(F% 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 venta&a de esta configuración es permite

ganancias más altas, pero sus caracter"sticas de ruido son peores.

8/17/2019 Tipos de Amplificadores

6/8

La tercera configuración es una combinación de las dos anteriores. 9onsiste en un doble

 bombeo, por lo que se denomina bombeo dual o bidireccional . La ganancia por tanto

 puede llegar a duplicarse. Este esquema es mu! empleado en la implementación de

amplificadores repetidores.

0anancia de un DFA

La siguiente figura presenta la ganancia de un E(F% en función de la longitud de onda

 para diferentes valores de potencia de entrada, con una señal de bombeo a =>B4nm.

El E(F% no presenta una ganancia uniforme con la longitud de onda. (ebido a la

saturación seg)n crece la potencia de entrada la ganancia disminu!e hasta llegar a un

 punto en que se mantiene constante. El má1imo de ganancia se alcan#a alrededor de los

=7640=767nm. 9omo puede verse en la figura a potencias altas la respuesta de la

ganancia en todo el rangote la banda 9 *=7640=7A7nm+ es bastante plano lo cual no

sucede a potencia de entrada más ba&as. Esto es un grave inconveniente en los sistemas

D(

8/17/2019 Tipos de Amplificadores

7/8

El ruido que genera es ba&o.

La saturación de la ganancia no ocasiona distorsión.

Su principal inconveniente es que sólo opera en la tercera ventana, aunque se e1isten

dispositivos similares pero dopados con otros elementos que pueden operar en otraventana. 'tro problema es que su ganancia no es uniforme para todas las longitudes de

onda, aunque esto se solventa traba&ando cerca de su saturación, pues la curva de

ganancia es más plana.

La siguiente tabla resume los parámetros t"picos de un amplificador E(F%.

)ongitud de onda de !om!eo 1*8 nm 8 nm

Eficiencia de bombeo *dC?mD+ 7 =4

Figura de ruido *dC+ 7.7 60>.7

otencia de salida de saturación *dCm+ @4 7

;anancia *dC+ >4 74

otencia de bombeo *mD+ 740@44 =40@4

#DFA, #raseodymiun Doped"Fi!er Amplifier

El fundamento de este tipo de amplificador es el mismo que el de los E(F%, la

diferencia es que se emplea raseodimio para dopar el n)cleo de la fibra óptica, lo que

 permite a este dispositivo amplificar en la segunda ventana. La principal desventa&a es

que la ganancia es menor que con un E(F%.

Amplificadores de 4aman

Este amplificador se basa en el efecto aman, S4S Stimulated Raman Scattering . Estano linealidad de las fibras ópticas tiene lugar cuando $sta es atravesada por una

radiación monocromática de alta intensidad. Ca&o ciertas condiciones, la radiación

interact)a con el material dando como resultado la aparición de una nueva longitud de

onda, de ma!or intensidad que la inicial.

El efecto aman 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 interact)a con el medio provocando la emisión estimulada deotro fotón sigue presente. En el caso del aman estimulado, despu$s de la interacción

8/17/2019 Tipos de Amplificadores

8/8

entre el fotón ! el medio, se genera un nuevo fotón de menor energ"a *menor frecuencia+

! la diferencia de energ"a se transfiere al material dando lugar a vibraciones

moleculares, desapareciendo el fotón inicial.

Las frecuencias que se pueden generar dependen las frecuencias caracter"sticas de las

mol$culas que componen el material. Si al tiempo que pasa por la fibra óptica la señalde bombeo pasa otra señal con una frecuencia caracter"stica del material, esta frecuencia

será estimulada. En el caso de un material amorfo, como es una fibra óptica, las

frecuencias caracter"sticas del material son un todo casi continuo, es decir, no son un

con&unto de frecuencias claramente diferenciadas como ocurre con los materiales

monocristalinos.

;racias a este concepto se obtiene un nuevo m$todo de amplificar una señal óptica. La

señal que provoca la amplificación será la propia señal que transmite la información.

%demás, si por la fibra se transmite más de un canal, cada uno dará lugar al efecto

aman en su propia frecuencia, produci$ndose la amplificación, siempre que estas

frecuencias est$n dentro del rango de frecuencias caracter"sticas del material.

Los principales inconvenientes que presentan estos amplificadores es la necesidad de

una alta potencia de bombeo, cercana al vatio. or el contrario una de sus venta&as es

que cubre un margen de longitudes de onda no cubierto por los E(F%, por lo que

 pueden emplearse de forma complementaria. Este hecho queda refle&ado en la siguiente

figura, en la que se representa de forma apro1imada las #onas de traba&o de cada uno.

9omo se ve empleando ambos amplificadores se obtiene en el rango comprendido entre

los =764 ! =A44 nm una curva ganancia prácticamente plana.