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• Yasmin

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ÍNDICE 1. CONCEPTOS GENERALES 1.1. Ganancia y Ancho de Banda 1.2. Saturación 1.3. Ruido 2. AMPLIFICADORES DE LASER SEMICONDUCTOR (SLA – Semiconductor LASER Amplifiers) 2.1. Diseño del Amplificador 2.2. Características del Amplificador 2.3. Amplificación Multicanal 2.4. Amplificación de Pulsos 2.5. Aplicaciones 3. AMPLIFICADORES DE FIBRAS RAMAN 3.1. Ganancia y Ancho de Banda 3.2. Saturación 3.3. Rendimiento del Amplificador 4. AMPLIFICADORES BRILLOUIN 4.1. Ganancia y Ancho de Banda 4.2. Saturación 4.3. Rendimiento del Amplificador 5. AMPLIFICADORES DOPADOS CON TIERRAS RARAS (EDFA – Erbium-Doped Fiber Amplifier) 5.1. Características de Bombeo 5.2. Ganancia 5.3. Características de la Ganancia a pequeña señal y a Saturación 5.4. Ruido del Amplificador 5.5. Amplificación Multicanal 5.6. Amplificación de Pulsos Ultracorto 5.7. Aplicaciones 6. SISTEMAS DE COMUNICACIONES CON SOLITONES

1. CONCEPTOS GENERALES Los amplificadores ópticos son dispositivos que permiten el aumento de la potencia óptica sin necesidad de aplicar conversiones eléctricas a través del proceso de emisión estimulada usado por los LASER convencionales, es decir, la señal óptica es amplificada directamente y con poco ruido. En otras palabras, un amplificador óptico no es más que un laser sin realimentación. La ganancia óptica es producida cuando el amplificador es bombeado (óptica ó eléctricamente) para alcanzar la inversión de población. Actualmente con muchas las técnicas que se aplican para lograr el objetivo arriba mencionado; sin embargo, todos convergen en las siguientes características:    

No es necesaria la conversión opto-eléctrica ni electro-óptica. Baja contribución de ruido. El ruido es acumulativo en relación con la cantidad de amplificadores empleados. La amplificación se produce debido a la emisión estimulada.

En general, la ganancia óptica depende no sólo de la longitud de onda de la señal incidente, sino de la intensidad de campo en cualquier punto dentro del amplificador, que a su vez depende del medio del mismo. La fórmula general del coeficiente de ganancia queda expresado de la siguiente manera:

g ( w) 

g0 1  ( w  w0 )2  T22  P

... (Ec. I)

Ps

Donde: g0 es el valor pico de la ganancia determinada por el nivel de bombeo del amplificador, w es la frecuencia óptica de la señal incidente, w0 es la frecuencia de transición atómica, P es la potencia óptica a ser amplificada y PS es la potencia de saturación del amplificador cuyo valor depende del medio. El parámetro T2 es conocido como tiempo de relajación del sistema y es típicamente pequeño (0,1 ps a 1 ns).

1.1. Ganancia y Ancho de Banda Cuando se desprecia el cociente entre la potencia óptica amplificada (P) y la potencia de saturación (PS), se habla de que el amplificador está operando en la región no saturada, siendo este valor mucho menor a 1. Por lo que la ecuación I queda de la siguiente forma:

g ( w) 

g0 1  ( w  w0 ) 2  T22

... (Ec. II)

De esta expresión puede inferirse que la ganancia será máxima cuando la frecuencia incidente (w) coincida con la frecuencia de transición atómica (w0). El ancho de banda de la ganancia está definido cuando el espectro de la ganancia disminuye a la mitad de su máximo (Full Width at Half Maximum – FWHM). Por lo tanto, el ancho de banda está dado por:

w g 

2 T2

ó

v g 

wg 2



1   T2

... (Ec. III)

Existe un concepto que se emplea comúnmente en lugar del antes mencionado, denominado ancho de banda del amplificador. Su diferencia puede comprenderse

cuando se considera la ganancia del amplificador G, también conocida como el factor de amplificación y definido como:

G

Pout Pin

... (Ec. IV)

En donde Pin y Pout son las potencias de entrada y salida de la señal continua a ser amplificada. Se puede expresar las variaciones de la potencia en función de la distancia a través de la siguiente ecuación:

dP  gP dz

... (Ec. V)

La potencia de salida presenta un comportamiento exponencial que depende de la potencia de entrada (condición inicial), el coeficiente de ganancia y la longitud del amplificador. Tanto la ganancia del amplificador como el coeficiente de ganancia serán máximos cuando la frecuencia de incidencia coincide con la frecuencia de transición atómica (w=wo). Sin embargo, el parámetro G(w) disminuye mucho más rápido que el parámetro g(w) debido a la dependencia exponencial del primero sobre el segundo, lo cual puede expresarse de la siguiente manera:

G ( w)  e g ( w )L

... (Ec. VI)

El ancho de banda del amplificador vA está relacionado con el ancho de banda de la ganancia y queda definido a través de la siguiente expresión:

  Ln2  v A  v g    g 0  L  Ln 2 

... (Ec. VII)

Finalmente, el ancho de banda del amplificador es más pequeño que el de la ganancia y la diferencia la impone la ganancia misma del amplificador. 1.2. Saturación de la Ganancia Cuando el amplificador opera en la región no saturada, se refiere a una ganancia de pequeña señal. Debido a que el coeficiente de ganancia depende de la potencia a ser amplificada, éste dependerá en la medida que su valor se aproxime a una potencia umbral denominada potencia de saturación, Ps. Esto trae como consecuencia que el factor de amplificación también disminuya. Para simplificar el estudio, es necesario considerar que la frecuencia de la señal incidente es exactamente igual a la frecuencia de transición atómica, de esta manera se asegura que la ganancia a pequeña señal sea máxima. Sustituyendo g de la Ec.I, se obtiene:

dP g 0  P  dz 1  P PS

... (Ec. VIII)

Integrando esta expresión a lo largo de la longitud del amplificador y tomando en cuenta algunas condiciones, tales como: P(0)=Pin, P(L)=Pout=G.Pin, se obtiene la ganancia del amplificador a gran señal:

G  G0  e

(

G 1 Pout  ) G Ps

... (Ec. IX)

Donde G0 es el valor no saturado del factor de amplificación (Pout>1:

( SNR ) out 

G  Pin 4  S sp  f

... (Ec. XII)

Así como también, se puede expresar la figura de ruido del amplificador a través de una ecuación aproximada: Fn  2  n sp

... (Ec. XIII)

Esta expresión permite concluir que la señal amplificada es degradada por un factor de 3 dB aún para un amplificador ideal (nsp=1). Valores prácticos están entre 6 y 8 dB. En sistemas de comunicaciones ópticas, un amplificador debería presentar un factor de ruido tan bajo como sea posible.

1.4. Aplicaciones Básicamente los amplificadores ópticos pueden ser empleados como: a. Amplificadores en línea, en reemplazo de los regeneradores electrónicos. Esta solución es muy eficiente en sistemas ópticos multicanales, en los cuales aplicar regeneradores se vuelve complicado por requerir de la demultiplexión de cada uno de los canales. En este caso, los amplificadores ópticos pueden amplificar todos los canales simultáneamente. b. Amplificadores de potencia, se emplean inmediatamente después del equipo Tx con el fin de aumentar la potencia óptica de salida del transmisor. Son también denominados “Booster”. Estos amplificadores extienden el alcance del enlace por 10 – 100 Km, dependiendo de su ganancia y de la pérdida de la fibra. c. Preamplificadores: se ubican antes del equipo Rx con el fin de aumentar la potencia óptica que llega al receptor. 2. AMPLIFICADORES DE LASER SEMICONDUCTOR (SLA – Semiconductor LASER Amplifiers) 2.1. Características del Amplificador Las características discutidas en la sección 1 fueron para un amplificador sin realimentación, denominados amplificadores de onda viajera, TW (traveling-wave amplifier). En este tipo de amplificadores, la señal viaja en un único sentido (hacia delante). Existen otros en los cuales por las múltiples reflexiones sufridas en las caras del dispositivo presentan retroalimentación (señales directa y reflejadas) conocidos como amplificadores Fabry-Perot (FP). El factor de amplificación para los FP depende de las características de reflectividad que presentan las caras del dispositivo (R1 y R2), la frecuencia de resonancia de la cavidad (vm) y el espaciamiento de modo longitudinal conocido también como rango espectral libre de la cavidad resonante, vL. El factor de ganancia es máximo cuando la frecuencia coincide con una de las frecuencias de la cavidad resonante y disminuye a medida que nos alejamos de las mismas.

GFP 

1  G 



1  R1   (1  R2 )  G v 

R1  R2  4  G  R1  R2  Sen 2    2

 v  vm 

 v L 

... (Ec. XIV)

G corresponde al factor de amplificación del TW cuando la saturación de la ganancia es despreciable. La ganancia del amplificador SLA presenta dependencia con la frecuencia La ganancia de los SLAs es saturada de manera idéntica que en los sistemas TW, bajo la siguiente relación y la potencia de saturación de salida de acuerdo a la Ec. X (Valores típicos de PSOUT están en el rango de 5 a 10 mW):

g

g0 1 P

PS

... (Ec. XV)

El ancho de banda queda determinada a través de la siguiente expresión, en donde el factor de ganancia disminuye 3 dB de su valor pico:

v A 

 1  G  R1  R 2  2  v L  ArcSen     4  G  R1  R 2 

... (Ec. XVI)

Para obtener un valor grande en el factor de amplificación, G R1  R 2 debería ser cercano a 1. Por lo tanto, el ancho de banda será una fracción pequeña del rango espectral libre de la cavidad FP. Algunos valores típicos que se emplean están en el orden de vL100 GHz y vA