Departamento de Tecnología Fotónica

E.T.S.I.Telecomunicación-UPM

COMUNICACIONES ÓPTICAS(AMPLIFICADORES ÓPTICOS)

Santiago Aguilera Navarroaguilera@tfo.upm.es

INTRODUCCIÓN

Pin

Bombeo

Poutin

outdb

in

out

PPG

PPG lg10=⇒=

HASTA HACE UNOS AÑOS ÓPTICO a ELÉCTRICO, REGENERACIÓNDE SEÑALES Y RELOJES Y VUELTA A ÓPTICO.

-PROBLEMAS: PASO A ELÉCTRICO, LIMITACIONES EN FRECUENCIA.-MUY COMPLEJO PARA WDM.

-AMPLIFICADORES ÓPTICOS: AMPLIFICAN SEÑAL PERO NO REGENERAN RELOJES

-IMPLESCINDIBLE FIBRAS DE MUY POCA DISPERSIÓN, AÚN ASÍEN GRANDES TRAYECTOS SE TIENE QUE INTERCALAR ALGUNA ETAPA ELÉCTRICA

CURVA TÍPICA GANANCIA-POTENCIADE UN A.O.

DISTINTAS FORMAS DE CONEXIÓN DE LOS A.O.

a) Intercalado en la líneapara alcanzar mayoresdistancias de transmisión

b) Para aumentar la sensibilidaddel receptor. (no siempreresultados positivos)

c) Para aumentar la estabilidaddel emisor; este genera menospotencia, y su comportamientoes más estable.

d) Para aumentar la señal antesde distribuirla en una red.

PARÁMETROS A TENER EN CUENTA EN UN A.O.

•Ganancia.

•Potencia de Saturación (Máxima potencia de salida).

•Ancho de banda espectral.

•Respuesta temporal.

•Ruido.

TIPOS DE A.O.

SOA (Semiconductor O.A.)Problemas de diafonía en WDM.

FOA (Fiber Optical Amplifier)

EDFA (Erbium Doped Fiber O.A.) Estandar actual, gran uso, solo 3ª ventana.

PDFA (Praseodymium DFA)2ª ventana, malas prestaciones, pero no había otros.

RAMAN O.A.Protagonismo ascendente desde hace unos 5 años.

SOA (Semiconductor Optical Amplifier)

BÁSICAMENTE ES UN LÁSER SIN CAVIDAD.Problemas de acoplo a la fibra.Problemas de reflexión en los laterales.

GANANCIA DEL MATERIAL PARA DISTINTAS DENSIDADES DE PORTADORES

n

L

z

g(z)

L

z

L

z

P(z)

Pin

Pout

CON Pin PEQUEÑA

L

z

n

L z

g(z)

CON Pin GRANDE

CON Pin GRANDE

G(db)

Pin

3db

Pin saturación

Pout

Pin

PRINCIPAL INCONVENIENTE (O VENTAJA) DE LOS SOA:

Rápida respuesta de los portadores: Variación rapidísima de laganancia con la Pin. No importa con una sola λ, pero produce diafonía entre canales en WDM.

Muy útil para hacer conversores de λ.

EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier)

Basados en una fibra “convencional” de entre 10 y 30 mts.dopada con átomos de Er, en una proporción del uno por mil, aprox.

TIPOS DE BOMBEOS

•Codireccional.•Contradireccional (más ganancia pero más ruido)•En las dos direcciones.

Mismo problema que en los SOA: cuando disminuye “n”disminuye “g” (ganancia del material) y por lo tanto “G”(ganancia del amplificador)

Límite de conversión Pout < Pin + Pbom(λp/λs)

λp De luz bombeo

λs de luz incidente, y emitida.

Normalmente Pin es despreciable.

PCE (Power Conversion Efficiency) Pout/Pbom < (λp/λs)

Fibra

Pbom.Pseñal

z

z

Pseñal

Pin

Pbom.

RESUMEN EDFA:

Valores típicos: G = 30db., Pout (sat) = 15dbm aunque hay ensayos de hasta 30dbm (1w)

Anchura espectral útil 30 a 40 nm (necesidad de ecualizar en WDM)

Cambiando los dopantes, se puede cambiar ligeramente la λ central,Pero siempre dentro de la 3ª ventana.

No son sensibles a la polaridad, ni de la luz de la señal, ni de la delbombeo.

No tiene los problemas de rápida variación de ganancia de los SOA.

RUIDO EN AMPLIFICADORES EDFARuido ASE (Amplified Spontaneous Emission)

Algunos electrones se generan por emisión espontánea (ruido).Viajan por la fibra y estimulan nuevos electrones (más ruido).

Espectro muy ancho: se puede generar desde cualquier alturadel nivel excitado a cualquier altura del nivel de reposo.

Solución: filtro óptico a la salida del amplificador

12

2

nnnnesp −

=[ ]OPT

ASEespASE

PGnhSν

ννν∆

=−= 1)()(

DONDE:•nesp (factor de inversión de población)•n1 y n2 población de electrones en niveles 1 (reposo) y 2 (excitación)•G ganancia del A.O.

La potencia óptica que llega a fotodetector, y por tanto, la corriente que genera, es proporcional al cuadrado de los campos electromagnéticosque viajan por la fibra

( )

ruidoseñalruidoseñal

ruidoseñalectorfoto

EEEE

EEi

222

2det

++=

=+∝

Es una señal de batido que puede caer en la banda de paso del receptor.

2222222ASEseñalshotseñalASEshotASEshottermruido −−− +++++= σσσσσσσ

Junto a térmico y shot, el ruido predominante es el señal-ASE:

( )( )

( )

νη

σ

ν

ησσσ

σ

σ

hqGP

GnhSDONDE

GnG

qBP

EDFASalidaNS

BGPqEDFAsalida

BSGP

entseñal

espASE

esp

ent

ASEshotshot

señal

EDFAsalida

entshot

ASEentASEseñal

=ℜ

ℜ=

−=

−+ℜ

=+−

=

ℜ=−

ℜℜ=

−−

−

22

22

2

2

2

)1(:

)1(212)(

2)(

4

( )

( )( ) esp

esp

salida

entrada

ent

ent

ent

shot

señal

EDFAentrada

nGGn

NSNS

FruidodeFigura

qBP

BPqP

EDFAEDFA

NS

ηη

σσ

2)1(21

22)(sin)(sin

2

2

2

≈−+

===−−

ℜ=

ℜℜ

==

−

En una situación ideal ηnesp=1, el AO reduce la S/N a la mitad (3db)En AO reales buenos, este factor puede ser de 4 y por lo tantola S/N se ve reducida en 6db.

Si el ruido predominante fuera el Shot, un AO previo a receptorestropearía la sensibilidad de éste.

Sería adecuado cuando el ruido predominante fuera el Térmico.

VARIACIONES DE LA S/N EN UNAINSTALACIÓN CON VARIOS AO

(S/N) (final)=(S/N)(inicial)-(Figura ruido) x nº AO’s.

CONTROL DE GANANCIA EN LÍNEA

Interesa que la señal que tengamos al final de la línea, se mantenga constante con independencia de fluctuaciones de la entrada, reconfiguraciones, etc..

Para ello se diseñan los AO para que trabajen en saturación; es equivalente a un C.A.G.

AMPLIFICADORES RAMAN

Cuando existen varias λ’s próximas se produce un desplazamientode energía de las λ’s bajas a las altas.

Los fotones pierden energía por interacción con la red, pasan a tenerUna hע menor, λ mayor.

λ1<λ2<λn

Los máximos de ganancia se tienen con ∆ע del orden de 14THz.En frecuencias ópticas suponen ∆λ de unos 125nm.

Estos desplazamientos de frecuencia son mayores cuando lapotencia en la fibra es elevada, del orden de 1w.

Aplicaciones: Incrementode velocidades de transmisión en tendidos ya existentes con EDFA.

Para mantener el BER se tiene que aumentar la potencia.

Se mete un RAMAN adicional.

ACOPLA-DOR

BOM-BEO

EDFAEDFA

Comunicación en 3ª ventana λ de 1550nm, λ bombeo 125nm menos, 1425nm, no ha láseres. Se parte de láser a 1064nm, y con 3 RAMANse llega a 1450nm.

CONVERSOR DE LONGITUD DE ONDAMEDIANTE PASO A SEÑALES ELÉCTRICAS

La solución mas sencilla: se pasa a eléctrico y se sintetiza con un láser de otra λ

CONVERSOR DE LONGITUD DE ONDAMEDIANTE SOA

Basados en SOA: λ1 (entrada) λ2 (salida).

Cuando señal λ1 vale cero, amplificador mucha ganancia.nivel señal λ2 elevado.

Cuando señal λ2 vale uno, amplificador entra en saturación,menor ganancia y señal λ1 menor.

CONVERSOR DE LONGITUD DE ONDAMEDIANTE INTERFERÓMETRO MACH-ZEHNDER

naLa

nbLb

λ2 EQUIDISTRIBUIDA POR LAS DOS RAMAS.λ1 PASA FUNDAMENTALMENTE POR UNA RAMA.Salida λ2 proporcional a cosKo(naLa-nbLb)

λ1 modifica concentración de portadores en un SOA y por lo tantoíndice de refracción.