Amplificador Óptico de Semiconductor
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Guión • Ganancia Óptica Amplificadores Ópticos •Tierras raras • Tipos de Amplificadores • Bombeo óptico y transiciones • EDFA • Espectro de ganancia y saturación • Estructuras •Ruido, figura de ruido, S/N •SOA •Raman Respuesta en frecuencias • Espectro de Ganancia • Aplicaciones • •Diseño en transparencia y balance de potencia Amplificadores Ópticos Conceptos Básicos DE AMPLIFICACIÓN Bombeo • Medio Activo Haz láser a amplificar Material Activo Emisión óptica amplificada - Haz Láser • Bombeo (óptico o eléctrico) → inversión de población excepto para: SRS y SBS • Ganancia óptica » frecuencia de la señal incidente » intensidad del haz en cada punto del medio activo • Potencia de saturación → limita la potencia en la línea 1 Tipos Amplificadores Ópticos Semiconductor (SOA) Amplificadores Ópticos de Fibra (OFA) Fibra Dopada Efectos no-lineales: • Raman • Brillouin Amplificadores Ópticos Características básicas de los amplificadores ópticos • Espectro de ganancia y ancho de banda • Ganancia de saturación • Ruido de amplificación Fn = (SNR)in (SNR)out Fn = 2 nspη(G − 1) / G ≈ 2n spη n sp - factor de emisión espontánea 2 Amplificadores Ópticos Amplificadores de Fibra Dopada Tierras raras Material Base Yb3+ SiO 2 + + Pr3+,Nd3+ 900 - 1.350 nm Nd3+ 1.320 - 1.390 nm Er3+ 1.510 - 1.580 nm (GeO 2/P2O5) Fluorozirconate + 2 - 3 µm Er3+, Ho3+, Tm3+ Amplificadores Ópticos Esquema de niveles: Erbium Doped Fibre Amplifier (EDFA) banda de bombeo 7 2 Caída a nivel inferior Transición de bombeo banda metaestable Fotón de 980 nm Emisión espontánea Fotón de 1480 nm 1550 nm 5 Absorción estimulada 4 1 1550 nm 6 Emisión estimulada 3 Transicióm de bombeo 1 1477 nm 1600 nm 1550 nm banda de referencia 3 Saturación Amplificadores Ópticos G (dB) Pout Go Psat Bombeo Go Pin Pin (dBm) G (dB) 40 Bombeo Pout >1 Pin G= 20 10 30 L (m) Amplificadores Ópticos Esquema básico del EDFA Acoplador WDM Filtro Entrada λs Aislador λΒ Fibra óptica dopada λs Salida P out Aislador λΒ Bombeo residual Laser de bombeo 4 Amplificadores Ópticos Configuraciones de Bombeo fibra dopada Entrada Salida fibra dopada Entrada fibra dopada Salida Bombeo Codireccional fibra dopada Entrada Salida Entrada fibra dopada Salida Bombeo Contradireccional fibra dopada Entrada Salida LASER DE BOMBEO (980 o 1480 nm) Bombeo dual Amplificadores Ópticos Aplicaciones en sistemas del AO Según la posición en el sistema un A.O puede trabajar como: (a) Amplificador en linea. (b)Amplificador de potencia (booster) (c) Preamplificador (d) LAN 5 Amplificadores Ópticos Potencia Potencia Espectro de Salida y Ruido 1520 nm 1570 nm λ 1550 nm λ ASE: Amplified Spontaneous Emission Amplificadores Ópticos Características - EDFA Ventajas • Bajas pérdidas de acoplo – ganancia alta (>40 dB) – realimentación y rizado en la banda bajo – Figura de ruido 3,5-12 dB • Insensible a la polarización • Almacenamiento de energía alto – Funciona en saturación – Baja diafonía • Potencia de saturación alta (>10 dBm). Pout (1-4000 mW) • Ancho de banda insensible a la temperatura • Ancho de banda de ganacia reproducible 1520-1570 nm Desventajas: Ancho de banda estrecho Bombeo con DL 6 Amplificadores Ópticos Amplificador Raman - SRS absorción de fotón (ν1) = fotón (ν2) + fonón (ν 1 > ν 2) hν bom hν s Amplificadores Ópticos Características y Aplicaciones de los AO-SRS Características J Gran Ancho de banda (≅6THz) L Potencia de bombeo alta J Potencia de saturación alta (orden 1 w) J Figura de ruido próxima a 3 dB L Principal problema: FUENTE DE BOMBEO Aplicaciones • Amplificación de pulsos cortos • Solitones • Amplificación distribuida (no requiere el cambio de fibra aprovecha la red de fibra existente) • Industria del CATV • Amplificadores en cascada a 1.300 nm 7 Amplificadores Ópticos Amplificador Óptico de Semiconductor • FPA (Amplificadores Fabry-Perot) SOA • TWA o TWSLA (Travelling wave amplifiers) 4000 1000 O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o 0 -2000 -3000 0,70 D e m o AlGaAs SQW -3 O r i g i n 6 0 -1000 -4000 0,65 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o O r i g i n 6 0 D e m o cm- 3 2000 O r i g i n 6 0 10 1 8 Espectro de Ganancia D e m o 9 1 7 x 1 1 8 8 x 1 1 8 x10 1 8 0 19 0 0 cm 6x1 1 8 5 x 1 1 80 0 4x1 1 8 0 3x1 1 8 0 2x1 1 8 0 -1 Ganancia del Material (cm ) O r i g i n 6 0 3000 0,75 0,80 0,85 Longitud de Onda (µm) Amplificadores Ópticos Tipos de SOA Fabry-Perot • Alto rizado de la ganancia por resonancia • Ancho de banda estrecho (≅5GHz) • Sensible a las variaciones de temperatura, corriente y polarización de la señal • Filtrado de ruido inherente Cuasi-Onda progresiva NTW • Bajo rizado de ganancia • Ancho de banda grande (50-70 nm) • Requiere capas antireflectivas (R<10-3) • Corriente de polarización alta • Ruido alto 8 Amplificadores Ópticos Amplificadores Láser de Semiconductor - SLA G - factor de amplificación de un solo paso ∆G = max FP min FP G G G 1 + G R1R2 = 1− G R R 1 2 salida 2 entrada R 1 R 2 < 0 ,17 Ganancia relativa Longitud de onda (nm) Amplificadores Ópticos Resumen SOA Ventajas • Control por corriente • Tecnología en uso • Compactos e integrables • Buen Ancho de banda Desventajas • Sensibilidad a la polarización • Diafonía • Pérdidas de acoplo • Factor de ruido relativamente alto • Potencia de saturación pequeña 9 Amplificadores Ópticos Características EDFA-SOA SOA EDFA 25-30 dB 30-50 dB 5-10 dBm 13-23 dBm Factor de ruido 5-6 dB 4 dB Dimensiones < 1 mm 10-100 m 30-60 nm 20-30 nm Ganancia Potencia de saturación Banda de paso Margen (nm) Integración 1300-1600 nm possible 1530-1565 nm impossible Amplificadores Ópticos Aplicaciones del SOA (I) 10 Amplificadores Ópticos Aplicaciones SOA (II) Conmutador Rápido Combinación: • • • • Tiempo de conmutación: 1 ns. Diafonía: 40 dB Sin pérdidas Pueden integrarse con acopladores pasivos Luz de salida » estado-ON Amplificación » estado-OFF Absorción Corriente, I Componente caro y dependiente de la polarización Amplificadores Ópticos Convertidor en longitud de onda (I) Modulación de ganancia cruzada (XGM) 11 Amplificadores Ópticos Convertidor en longitud de onda (II) Modulación de fase cruzada Amplificadores Ópticos Ecualización 12 Amplificadores Ópticos Pr-DFA Dopado de praseodimio en fibra Emisión a 1320 nm Bombeo a 1010nm Ganancia 38 dB Potencia de saturación 20 mW Amplificadores Ópticos Amplificadores para diferentes bandas Tm-Ho 1 Er (C-ZBLAN) Tm-Tb 25 Nd G.652 G.653 20 0.8 15 Pr 0.7 10 Er (C-Si) 5 0.6 Er (L) 0 0.5 0.4 -5 Er (Te) -10 0.3 Dispersión [ps/(nm km)] 0.9 Atenuación [dB/km] • • • • • -15 0.2 Raman 0.1 -20 0 1100 -25 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 Longitud de onda [nm] 13 Amplificadores Ópticos Estándar ITU (I) Parámetros G.661 • Máxima Ganancia • “Cifra de ruido” NF • Ancho de banda óptico del ruido de batido B sp-sp Características Genéricas G.662 • EDFA • Amplificador de fibra Amplificadores Ópticos Estándar ITU (II) Aplicaciones G.663 • En linea • Amplificador de potencia (Booster) • Receptor con amplificación óptica • Transmisor con amplificación óptica • Preamplificador Pérdidas de retorno ópticas G.957 Amplificador bombeado remotamente G.973 Aspectos de seguridad CEI 60825-2 14
