5amplificadoresópticos

8/8/2019 5amplificadorespticos

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Comunicaciones pticas

5.2.- elementos de red:amplificadores pticos

Ignacio Garcs, Javier MateoGrupo de Tecnologas de las ComunicacionesDpto.Ingeniera Electrnica y Comunicaciones

Universidad de Zaragoza

- introduccin- tipos de amplificadores pticos- el amplificador ptico de fibra de erbio (EDFA)

- caractersticas de un EDFA- Ruido en amplificadores


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Comunicaciones pticas 5.2.- Amplificadores ptico2

- regeneradores

En prcticamente cualquier enlace de comunicaciones pticas llega un momento enque es necesario regenerar la seal que se ha degradado debido bsicamente a laatenuacin . Los regeneradores han sido histricamente sistemas opto-electrnicosque reciben la seal ptica pasndola al dominio elctrico y aplicandole el procesdenominado 3R: Reconstruccin, Extraccin de reloj y Regeneracin de la seal.

En la 1 generacin losregeneradores estaban si-

tuados cada 2 km. En sis-temas de 2 generacincada 40-50 km tpica-mente y en los de tercerageneracin se puede lle-gar a los 100 km.

En cualquier caso, el uso de regeneradores, aunque necesario, hace que las redes nosean transparentes, esto es, cuando se tiene que aumentar la capacidad de una lnease han de cambiar o reconfigurar todos los regeneradores de la lnea. Por otra partetiene una ventaja clara: la seal se regenera totalmente cada cierta distancia.


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- amplificadores pticos

Visto lo anterior, sera conveniente de cara a mejorar el diseo de las redes pticasel poseer un elemento de red que permitiera compensar las prdidas por atenuacinpara as poder alcanzar mayores distancias sin tener que aplicar conversionesoptoelectrnicas. Adems, debiera ser transparente a la tasa de transmisin parapoder ser usado en redes transparentes y amplificar las longitudes de onda en lasque se trabaja en enlaces de comunicaciones pticas. Este elemento es unamplificador ptico.

sGs+N

Un amplificador ptico no realiza conversiones opto-electrnicas, sino que amplifica el flujo de fotonesincidentes mediante la emisin estimulada. Tpica-mente es independiente de la tasa de transmisin ytiene un ancho de banda ptico limitado.

El uso de amplificadores pticos ha revolucionado los sistemas de comunicacionespticas y ha hecho posible la utilizacin de sistemas WDM. Evidentemente, no todoson ventajas, ya que los amplificadores introducen ruido en la seal transmitida y,lo que es ms importante, se acumula la dispersin. Esto ha dado lugar a un

cambio de filosofa en el diseo de las redes pticas, que antes se diseabanteniendo como parmetro fundamental la atenuacin y ahora lo que hay queminimizar y compensar es la dispersin.


4/20Comunicaciones pticas 5.2.- Amplificadores ptico4

- principio de funcionamiento

Bombeo (energa)

Seal Ganancia

Seal amplificada+ emisin espontnea

P o t e n c

i a

Longitud delamplificador

El principio de funcionamiento es el mismo que el de un lser pero dondeeliminamos el resonador: es decir, toda la ganancia proveniente de la emisinestimulada de fotones se produce en un nico paso por la zona activa.

Como ya sabemos, el proceso de emisinestimulada se produce entre dos niveles deenerga o dos bandas, por lo que el rango deenergas accesibles, o lo que es lo mismo, elrango de longitudes de onda que se van aamplificar est limitado por los materiales que

utilicemos en la fabricacin del amplificador.

in

out

PPG =



- tipos de amplificadores pticos

- Amplificadores pticos de semiconductor (SOA)- estn basados en estructuras de semiconductor como las de los diodos lser,pero en donde se ha eliminado el resonador.- tienen problemas de dependencia de la polarizacin, de cruce de canales(crosstalk ), y de dificultad de encapsulado.- pueden funcionar en 2 ventana.

- Amplificadores basados en efectos no-lineales de fibras pticas (Brillouin, Raman)- estn basados en la difusin no lineal de potencia de una longitud de onda debombeo a la longitud de onda de la seal.-en estado de investigacin, los amplificadores basados en la difusin Ramanparecen empezar a tener una salida comercial

- Amplificadores pticos basados en fibras activas - estn basados en fibras dopadas con tierras raras: Er3+ que presenta gananciaen la regin de 3 ventana(EDFA) y Pr3+ (PDFA) con ganancia en 2 ventana- su gran ventaja es que son dispositivos todo-fibra, eliminndose los problemasde los SOA: no hay que alinear fibras, no dependen de la polarizacin, noexiste cruce de canales.- su gran desventaja (EDFA): opera en tercera ventana, mientras que toda la fibrainstalada est preparada para optimizar la dispersin en segunda. Esto agrava locomentado anteriormente



- amplificadores de semiconductor

Capas antireflejantes en las caras (R - 30%)

Intensidad elctrica

Estn basados en dobles hete-roestructuras con los mismosmateriales con los que seconstruyen los diodos lser, yel principio de funcionamientoes el mismo: se inyectanportadores y se potencia laemisin estimulada esperandoa que cuando llegue la seal

por la fibra de entrada segeneren nuevos fotones y portanto se amplifique.

Hay que evitar que exista una cavidadresonante ya que se produciran reflexionesque degradaran la operacin delamplificador. Son costosos de fabricar yaque hay que colocar las fibras de entrada ysalida enfrentadas con la zona activa, loque representa un gasto importante en lafabricacin de los mismos. Su gran ventajaes que pueden funcionar en segundaventana.



- edfas (erbium doped fiber amplifiers)

En un principio parece ms complicado que un SOA, pero realmente es ms

sencillo, ya que todos los dispositivos estn hechos con fibras pticas y la mayordificultad estriba en realizar bien los empalmes. Se precisan fuentes lser parabombear la fibra dopada con erbio y aisladores para evitar que posiblesreflexiones en direccin contrapropagante puedan ser amplificadas: sondispositivos que funcionan en una nica direccin. Estos amplificadores son losutilizados masivamente en redes de comunicaciones pticas por su fiabilidad ycaractersticas mejoradas con respecto a los SOAs.

Esquema bsico de un EDFA:

Seal (1530-1560 nm)WDM WDM

EDF Aislador Aislador

Fuente de bombeo copropagante 980 o 1480 nm

Fuente de bombeo contrapropagante 980 o 1480 nm

Ganancia

Son unidirecionales !

Seal Bombeo



- comparacin entre amplificadores

Potencia de saturacinpor canal en sistemas de N 1/N 1/Ncanales

Crosstalk entre canales S (FWM) No (f > 10 kHz)

Crosstalk cuando se usa S No (f > 100 kHz)en saturacin

Ganancia (pequea seal) ~30 dB ~30 a 40 dB

Ancho de banda ptico 40 nm 40 nm a 80 nm

Potencia de saturacin 20 dBm 20 dBm

Dependencia con la S Nopolarizacin

Bombeo Intensidad (100 mA) Luz (20 a 100 mW)

OSA EDFA

A continuacin estudiaremos en detalle el amplificador ptico basado en fibras dopadas con erbio (EDFA)



- fibras dopadas con erbio

Las fibras dopadas con erbio (EDF) son fibras con basede slica (como las fibras de telecomunicacioneshabituales) en las cuales se introduce una concentracinde iones erbio. El esquema de niveles energtico (iones

de erbio sobre red de slica) se muestra abajo.

Se aprecia que existe unatransicin interesante en elentorno de la 3 ventana y unagran cantidad de esquemas de

bombeo ptico. Los esquemaspreferidos son los de 980 y1480 nm ya que existenlseres de semiconductor emi-tiendo a esas longitudes deonda.

125 m

3 m (ncleo)

no est a escala

~ 2 m (zona dopada)

no est a escala



- esquema de emisin-absorcin

En la figura se puede apreciar el esquema de emisin espontnea (fluorescencia)que presenta la transicin ptica elegida, que vemos se extiende entre 1.52 y 1.57m, en plena 3 ventana: en estas longitudes de onda se va a poder produciramplificacin. Tambin se muestra el esquema de absorcin que se produce entre

esos mismos niveles que, como no poda ser de otra manera, tiene el mximo enla misma longitud de onda.

De esta grfica podemos darnos

cuenta de algunas cosas: 1) que enlas longitudes de onda de emisin haytambin absorcin (esquema de 3niveles), 2) que se puede bombear en1.48 m (ms absorcin que emisin)y 3) que la curva de ganancia no eshomognea, esto es, hay longitudesde onda que se amplificarn ms queotras dentro de la curva de

amplificacin del EDFA.



- bombeo

Existen dos esquemas de bombeo diferentes, uno a 980 nm y otro a 1480 nm. Elde 1480 nm fue preferido en un primer momento ya que los lseres de 980 nm noestuvieron bien desarrollados hasta ms adelante. Las diferencias entre ellos seaprecian ms o menos en la figura:

- El bombeo a 980 nm es mseficiente (se obtiene ms ga-nancia con menos watios)

- El bombeo a 1480 nm permiteobtener mayores ganancias y,sobre todo, mayores potenciasde salida (a costa de bombearcon mayores potencias)

- Los amplificadores bombeadosa 980 nm presentan mejorascaractersticas frente al ruido(esto no se aprecia de lasfiguras, y la razn la veremosms adelante)

Depende de la aplicacin se usar un esquema de bombeo u otro


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- ganancia

El esquema de ganancia de una amplificadores como el mostrado en la figura: mientras laseal de entrada es pequea, el amplificadorda la mxima ganancia. Llega un momentoen que la potencia de entrada es tan grande

que energticamente el amplificador ya nopuede dar toda la ganancia, y esta cae: sedice que el amplificador trabaja en un estadosaturado (la potencia de saturacin se definecomo el valor de salida para el cual laganancia ha cado 3 dB)

Para cada longitud de

fibra existe un bombeoptimo, y para cadapotencia de bombeouna ganancia mximaposible (dada por laconcentracin de ionesde erbio)


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- respuesta en frecuencia

Una de las grandes ventajas de un amplificador ptico (tanto SOA como EDFA) esque es capaz de amplificar la seal independientemente de su tasa de transmisin,es decir, de su ancho de banda. Esto permite realizar enlaces en los que paracambiar la tasa de transmisin slo sera necesario cambiar los elementosterminales de la lnea y no todos los regeneradores: enlaces transparentes. Esto esespecialmente atractivo para enlaces de comunicaciones pticas submarinos.

Los EDFAs se hacen independientes dela frecuencia cuando las seales

presentan frecuencias de modulacinmayores de 100 KHz: esto significa,adems de que para una nica seal elamplificador amplificar igual indepen-dientemente de la tasa de transmisin,que los sitemas WDM pueden funcionarsin que se produzca mezcla de canalesen el EDFA. En SOAs s que se puedeproducir mezcla a travs de fenmenosno lineales (FWM)


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Ruido en EDFAs: ASE

Todo amplificador introduce ruido en la seal que amplifica. El ruido aparece en los amplificadordebido a la aparicin de emisin espontnea, que se puede amplificar a su vez en la fibra de Erbio yque denominaremos ASE (Amplified Spontaneous Emission )

La ASE va a producirse en todo el rango de longitudes donda de la fluorescencia y, al llegar al detector junto con lseal, se van a producir interacciones o batidos entre lasdiferentes longitudes de onda presentes en el detector quedarn lugar a una fluctuacin de la intensidad recibida.

La densidad espectral del ruido dado por la ASE esprcticamente constante y se puede escribir como:

hnGS spsp )1(2)( =

De forma que la potencia ptica de ruidodebida al ASE se puede escribir como:

opt spsp SP = Ancho de bandaptico del amplificador

l fundamentaexcitado

excitadosp N N

N n

=

ASE

ASE+seal Con:


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Ruido en EDFAs: ASE

En el receptor, uno podra pensar que el nico trmino que se debera aadir alruido sera el ruido cuntico debido a la potencia de emisin espontnea queproduce el ASE. Esto no es as, es algo ms complejo y tiene que ver con losbatidos o interferencias que se producen al hacer interferir dos ondaselectromagnticas coherentes: si llega seal a una determinada longitud de onda(campo elctrico E1) y se mezcla en el detector con otra seal de longitud de ondaigual (deteccin homodina) o ligeramente diferente (deteccin heterodina), (campoelctrico E2) la potencia recibida no es simplemente P1 + P2 sino la resultante dehacer (E1+E2)2, que lleva un trmino en donde es el desfase entrelos campos (en principio, arbitrario) y que da lugar a un batido entre las seales.Por lo tanto, los trminos de ruido ya no son slo los de ruido cuntico y ruidotrmico sino tambin trminos en 1) batido entre la seal y el ASE 2) batido entreASE y el propio ASE y 3) batido entre el ASE y el propio ruido cuntico.

cos2 21PP

Si no hay amplificadores, la varianza de la intensidad recibida en el detector slocuenta con los trminos debidos a ruidoshot y ruido trmico:

2222T s I +==


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Ruido en EDFAs: trminos de ruido

f eRGP f I PGP Re sd spss ++= 2))((22

f S R opt spspsp = 222

f SGP R spsspsig =22 2 ?,)1(2)( spspsp nhnGS

Donde:

=

Los trminos de batido entre seal y ASE (sig-sp) y entre ASE y ASE (sp-sp) son lodominantes a la salida del amplificador (van con G2), incluso por encima de los ruidosshot y trmico. El trmino sp-sp puede reducirse usando filtros pticos que limiten sancho de banda.

f F R

T k n

L

BT

=42

2222222

spsspspspsigT s I ++++==

Despreciable frente alos otros trminos

Al utilizar amplificadores obtenemos, adems de un aumento en la potencia, y portanto en el ruido shot , la aparicin de nuevas frecuencias pticas, que van a juntarse en el detector producindose un batido que repercutir en nuevasoscilaciones de la intensidad generada.

Aparecen nuevos trminos:


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Ruido en EDFAs: figura de ruido

spn NF 2l fundamentaexcitado

excitadosp N N

N n

=

En el mejor de los casos la figura de ruido es de 3 dB, y en EDFAs es bastante mayor ya que

se comporta como un lser de 3 niveles. Si se utilizan lseres de bombeo de 980 nm la figurade ruido es bastante menor, ya que el esquema de bombeo es ms efectivo, esto es, nsp tiendea la unidad. Tambin mejora la figura de ruido en lseres trabajando a muy altas potencias debombeo por el mismo motivo. Valores tpicos: 4-8 dB.

Trabajando con las expresiones utilizadas anteriormente, se puede demostrar que la figura deruido, esto es, la prdida en SNR en el amplificador es:

con

Por lo tanto podemos conocer cunto vale nsp: NF/2

Para cuantificar la prdida de SNR que se produce en un amplificador se utiliza la figura de ruidoque se define como:

out

in

SNR

SNR NF = Relacin seal a ruido como si pusiramos un detector a la entrada y a la salida del amplificador


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Amplificadores comerciales

tap

5%

Sistema decontrol/gestin

con microprocesador

tapmdulo de gananciaptica

5%

canal deservicio

canal deservicio

Importante Funciones soportadas por el canal de servicio: Configuracin

- Estado del amplificador

- Estado del canal de servicio (opc.)- Encendido/apagado del amplificador - Carga remota de cdigo

Fallos - Alarmas urgentes - Alarmas no urgentes

Seguridad - Solicitud de control local/remoto - Fin de control

Parmetros de estado de un amplificador:

- Valores de potencia de entrada (1), salida (2).- Estado de la fuente de alimentacin (3)- Corriente (4,5) y temperatura (6,7) de loslseres (dos) de bombeo- Temperatura de la caja (8)

Alarmas urgentes- Potencia de entrada/salida por debajo de unumbral (1/2)- Potencia de entrada del CS por debajo de unumbral (3)- Corte del CS (4)

Alarmas no urgentes- Alimentacin conmutada a la fuente dereserva (1)- Corriente de bombeo /temperatura de algnlser fuera de margen (2/3)- Temperatura de la caja fuera de margen (4)- Microprocesador averiado (5)


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- la gran ventaja

Zona de amplificacin

40 nm

La autntica gran ventaja de los amplificadores pticos es que su gananciapresenta una ancho de banda ptico suficientemente grande como para introducir yamplificar al mismo tiempo un nmero relativamente elevado de longitudes deonda: WDM. Es precisamente la existencia de los EDFA lo que ha catapultado estenuevo mtodo de multiplexacin (sin ellos no sera viable hacer sistemas WDM),aunque no est exento de mltiples complicaciones.

Entre ellas podemos citar:- acumulacin de la dispersin cromtica

(necesidad de compensarla)- aparicin de fenmenos no lineales

y especficamente en sistemas WDM:- inhomogeneidad de la ganancia (cadalongitud de onda se amplifica de diferentemanera)- no se pueden poner filtros pticos tanfcilmente, lo que aumenta el ruido ydegrada las propiedades del amplificador


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Bibliografa.- apartado 5.2

- Agrawal, pags. 361-415 (bien-se han tomado slo los conceptos)

Para ampliar: - Agrawal, pags. 361-415 (bien-complejo)- Kaminov IIIb*, captulo 2 (bien-complicado)- Franz** , pags. 279-299 (complejo)

* Optical Fiber Telecommunications IIIb, I. Kaminov & T. Koch (Eds.). Academic Press,1997** Optical Communication Systems,J.Franz & V. Jain. Academic Wiley, 1996

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