Amplificadores - arturo lara morales

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8.1 Amplificadores
Muchos sistemas en operación utilizan repetidores intermedios debido a la gran longitud de sus enlaces. Estos repetidores convencionales combinan la regeneración de la señal con su amplificación. Es decir, efectúan la conversión de fotones a electrones (detector óptico), realizan la amplificación eléctrica, la resincromzación y regeneración de los pulsos y, nueva y finalmente, la conversión de electrones a fotones (fuente de luz). Estos amplificadores electrónicos o repetidores están siendo desplazados por los amplificadores ópticos.
Los amplificadores ópticos no tienen que “pasar por el dominio eléctrico”, ya que directamente amplifican la señal óptica. Esta técnica tiene ventajas económicas, pues su diseño es conceptualmente sencillo y el producto final es más pequeño y más barato que un repetidor.
462 Componentes y sistemas con fibras ópticas
Hay dos tipos de estos amplificadores: el amplificador semiconductor y, redundantemente, el amplificador óptico propiamente dicho. En ambos casos es deseable que tengan alta ganancia de amplificación (del orden de 30 dB) y que introduzcan poco ruido, además de satisfacer otras propiedades de operación. El amplificador semiconductor también se puede usar como preamplificador inmediatamente antes de la entrada al receptor final (fotodetector PIN o de avalancha). Cuando se emplea para esta aplicación, con una ganancia de 30 dB, la sensibilidad del receptor mejora cerca de 20 dB por encima de la calidad que se tendría con el fotodetector sin preamplificador. Podría pensarse en una analogía con los enlaces de comunicación por satélite, en donde se necesita un preamplificador de bajo ruido antes de que la señal entre al receptor.
Los amplificadores ópticos se emplean con fibras monomodo a 1,300 y 1,550 nm. Recuérdese que el fenómeno de dispersión —según su tipo— puede ser nulo o muy pequeño en estas fibras, de manera que su principal problema no es la regeneración de los pulsos, sino el límite impuesto en la longitud del enlace por la atenuación acumulativa en dB/Km. Es decir, basta con amplificar la señal para contrarrestar las pérdidas por atenuación y lograr transmisiones de muy larga distancia.
En realidad, los amplificadores semiconductores son tipos especiales de los láseres semiconductores, que en lugar de funcionar como osciladores se convierten en simples amplificadores. Existen diferentes variantes y se clasifican de acuerdo con la reflectividad de sus paredes. Al restarle reflectividad a las paredes en los extremos del “chip” semiconductor, se elimina la realimentación del LD convencional y se pierde el efecto oscilatorio. Los dos tipos más importantes son el amplificador no resonante (o TWA*) y el resonante (o amplificador Fabry-Pérot). Este último funciona básicamente como un diodo láser, polarizado justo por debajo del nivel de umbral y con paredes ligeramente reflectivas; su ganancia es muy sensible a las variaciones de temperatura.
Los amplificadores no resonantes o de onda viajera tienen sus paredes con muy poca reflectividad y se usan más que los resonantes, a pesar de que su ganancia es menor, porque tienen una anchura espectral amplia y poca sensibilidad a la polarización. Son más difíciles de fabricar que los
* Del inglés, Traveling-Wave-Amplifier = Amplificador de onda viajera.
Amplificadores 463
Amplificadores electrónicos
- Repetidores
con conversión foto-eléctrica
sin conversión foto-eléctrica
Resonante (o Fabry-Pérot)
Amplificadores “ópticos
Amplificador
semiconductor
No resonante
(de onda viajera
oTWT)
Amplificador
óptico (o de
fibra dopada)
Amplificador
dopado con erbio
Fig. 8-7 Clasificación de los principales amplificadores empleados en comunicaciones ópticas.
amplificadores Fabry-Pérot, pero son superiores en cuanto a generación de ruido (niveles más bajos).
Los amplificadores ópticos propiamente dichos, que corresponden al segundo tipo de “amplificadores ópticos”, también se conocen como “amplificadores de fibra dopada”. Se fabrican usando una sección de fibra monomodo convencional de silicio, dopándola con un metal de tierra rara, tal como el erbio (Er). Hasta hace poco, el erbio era considerado como un simple metal raro que carecía de aplicaciones prácticas, pero aquí vemos un uso muy importante. Antes de ampliar sobre estos innovadores amplificadores dopados con erbio, tal vez sea útil referimos al diagrama de la Fig. 8-7, con el fin de evitar confusiones en la clasificación de los principales amplificadores y los diferentes nombres con los que se les conoce.
A fines de los años 80 y principios de los 90, la mayor parte de los enlaces de larga distancia usaban equipo en los 1,300 nm. Pero ahora, son cada vez más los sistemas nuevos que emplean fibra óptica de bajas pérdidas en los 1,550 nm, combinándola con amplificadores intermedios dopados con erbio.
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Tal como se dijo en un párrafo anterior, un amplificador de erbio (nos referiremos a él así, por abreviar) consiste de una sección de fibra monomodo, de unos 20 m de longitud o más, dopada con erbio. Además, se necesita —para que todo funcione— un láser de bombeo a 980 nm o a 1,480 nm, y un acoplador de multiplexación (o multiplexaje) por división de longitud de onda (WDM*). La amplificación se realiza acoplando a la señal luminosa de 1,550 nm con el láser de bombeo, a través del acoplador WDM, y de allí al tramo de los 20 metros de fibra dopada (Fig. 8-8). El erbio absorbe la luz del láser de bombeo, ya sea a 980 nm o a 1,480 nm (en la mayoría de los casos se prefiere esta longitud de onda), provocando que los electrones pasen a niveles superiores de energía. Por su parte, la luz que llega a 1,550 nm estimula en la fibra dopada las transiciones de electrones entre niveles de energía y produce más fotones coherentes (en fase) a 1,550 nm. De esta forma, se pueden obtener ganancias de amplificación de potencia del orden de 30 dB, que son niveles similares a los de los amplificadores semiconductores.
Cuando están saturados, estos amplificadores de erbio, llamados por sus siglas como EDFA**, pueden entregar niveles de 1 mW de potencia a la salida. Nótese que para un adecuado funcionamiento, es necesario invertir por separado unos 50 mW de potencia en el láser de bombeo.
Actualmente se realizan pruebas con otros materiales para buscar el mismo fenómeno de amplificación, con ganancias interesantes, en la segunda ventana (1,300 nm). Entre otras, las fibras dopadas con praseodimio (Pr)
Señal débil de entrada
LD de bombeo a 1,480 nm
a « 1,550 nm
Fibra estándar
Fibra dopada con
erbio (~ 20 m o más)
Aislador
Señal
J a amplificada
Filtro	►
	Fibra
estándar
Fig. 8-8 Diagrama básico de los componentes de un amplificador dopado con erbio.
* Del inglés, Wavelength-Rivision Multiplexing.
** Del inglés, Erbiwn-Qpped Eiber ¿jnplifier.
Detectores ópticos 465
han sido motivo de una intensa investigación en esta longitud de onda; es posible que, finalmente, la fibra dopada sea de un material huésped cristalino de fluoruro, en lugar del silicio empleado a 1,550 nm, para lograr una mayor eficiencia.