Introducción
Los amplificadores de fibra óptica se utilizan para amplificar señales ópticas sin convertir la señal en señales eléctricas de un lado a otro. En este artículo, hablaremos sobre los amplificadores de fibra óptica, cómo funcionan y su precio de mercado.
¿Qué es un amplificador de fibra óptica?
Las redes de fibra óptica utilizan hilos de fibra transparente especialmente diseñados para transmitir señales como pulsos de luz. A menudo, estas señales caen en el espectro infrarrojo (850, 1300 y 1550 nanómetros) que proporciona las características de atenuación más bajas en la fibra. Esto cae en el rango de menos de 0.2dB por kilómetro para una banda de 1550 nanómetros, que es mucho más bajo que su contraparte eléctrica.
Sin embargo, ninguna señal es completamente inmune a la atenuación. Por lo tanto, cuando una señal viaja a través de un cable de fibra óptica, tiende a debilitarse en largas distancias. Por ejemplo, cuando la longitud del cable de fibra supera los 10 km, la pérdida de transmisión se suma a una cantidad significativa. Cuando la longitud se vuelve mucho mayor, la señal se vuelve exponencialmente más débil.
Los amplificadores de fibra óptica ayudan a mitigar este problema al aumentar la señal cuando se debilita.
Los amplificadores de fibra óptica (también conocidos como amplificadores de fibra óptica) amplifican la señal óptica sin convertirla en una señal eléctrica. Esto es muy importante ya que si la señal fuera a ser convertida en señal eléctrica de antemano para amplificar, el retardo de propagación entre conversión óptica -> eléctrica -> óptica será mucho mayor. Los amplificadores de fibra óptica se saltan las conversiones intermedias y amplifican la señal óptica directamente.
Hay tres tipos principales de amplificadores de fibra óptica:
- EDFA (amplificador de fibra óptica dopado con erbio)
- FRA (amplificador Raman de fibra)
- SOA (amplificador óptico de semiconductores)
Veamos cómo funcionan estos tipos de amplificadores para amplificar una señal de fibra óptica débil.
¿Cómo funcionan los amplificadores de fibra óptica?
Comencemos con el EDFA, uno de los diseños de amplificadores de fibra más antiguos pero más robustos que está en uso hasta la fecha.
EDFA - Amplificador de fibra dopada con erbio
Los amplificadores de fibra óptica dopados con erbio son los amplificadores de fibra óptica más utilizados en la actualidad. Se pueden utilizar en múltiples etapas de una red de fibra óptica como
- un refuerzo
- Amplificador en línea
- Preamplificadores.
Cuando se usa como preamplificador, el EDFA se coloca justo antes del receptor. Cuando se coloca en medio de una línea de transmisión para fortalecer la señal, se usa 'en línea' con la óptica. Un EDFA colocado justo después del transmisor se denomina "arrancador" que aumenta la señal para alimentar el enlace óptico.
Los amplificadores EDFA funcionan primero "bombeando" luz láser de 980nm o 1480nm en el Erbium dopado en las fibras. Esto excita los iones en estados excitados 2 o 1 respectivamente, como se muestra en la imagen de abajo. El estado excitado 1 es la banda más estable, por lo que los electrones excitados por el láser de 980 mm vuelven a caer al estado excitado 1 emitiendo calor (sin fotones) y estabilizándose.
Cuando una señal entrante se acopla con estos electrones excitados, la señal estimula a los electrones a pasar al estado fundamental liberando energía almacenada en ellos como fotones. Tanto estos fotones emitidos como la señal óptica tienen una longitud de onda de 1550 nm, por lo que la señal entrante se amplifica varias veces. Estas señales se denominan señales 'coherentes' (misma longitud de onda, frecuencia y fase) que hacen posible la amplificación.
Amplificador Raman de fibra
El amplificador Raman es también otro tipo popular de amplificador de fibra óptica. Estos amplificadores utilizan un fenómeno llamado 'Dispersión Raman estimulada' para amplificar las señales ópticas.
Los medios de fibra óptica están hechos de redes de cristal/vidrio. Cuando una señal de luz se propaga a través de dicho medio reticular, la velocidad de viaje no es lineal y puede observarse como no instantánea. Esto es causado por las vibraciones que ocurren en la estructura reticular cuando la señal se propaga.
Al explotar este fenómeno, un haz de longitud de onda más larga (llamado onda de Stokes), que es la señal real que se amplifica, puede amplificarse a expensas de un haz de longitud de onda más corta. Para que se amplifique la señal de longitud de onda más larga, la otra señal debe tener la misma polarización, la misma dirección y pasar a través de un medio activo de Raman. Puede ser un cristal a granel, una guía de ondas o un circuito integrado fotónico o una celda con un medio gaseoso o líquido.
La siguiente imagen muestra el principio de funcionamiento de un amplificador Raman.
Los haces de bombeo y señal a frecuencias ωp y ωs se inyectan en el hilo de fibra a través de un acoplador de fibra. Durante el proceso de amplificación, un fotón bombeado libera su energía para crear otro fotón de energía reducida. El exceso de energía es absorbido por el material de fibra en forma de vibraciones moleculares. Esta energía de vibración luego se transfiere a la señal original, copropagándose con el haz de bombeo.
A diferencia de los amplificadores dopados con erbio, los amplificadores Raman generalmente no necesitan material dopado con iones de tierras raras. Sin embargo, hay fibras especiales que han aumentado Ganancia Raman que tienen un mayor rendimiento que las fibras monomodo regulares.
Amplificador óptico de semiconductores
Los amplificadores ópticos de semiconductores utilizan semiconductores como medio de ganancia para amplificar una señal óptica. Esencialmente, SOA es un diodo láser acoplado a fibra que tiene los espejos de los extremos reemplazados con revestimientos antirreflectantes.
En un SOA, la señal de luz se amplifica en un solo paso cuando viaja entre dos materiales semiconductores. Esta es la región activa y actúa de manera similar a un láser pero sin la retroalimentación y los pases múltiples requeridos en EDFA.
Las SOA tienen dos regiones principales, activa y pasiva. Cuando la señal pasa a través de la región activa, los electrones de la región activa pierden energía (como fotones) y alcanzan el estado fundamental. Estos fotones excitados tienen la misma longitud de onda que la propia señal y la misma fase. Por lo tanto, este fenómeno amplifica la señal de origen a medida que sale de la región activa.
Los amplificadores SOA son el tipo más económico de amplificadores de fibra óptica debido a la menor complejidad que implica su fabricación.
Precio del amplificador de fibra óptica
Cuando se trata de precios, los costos de los amplificadores de fibra óptica varían según la cantidad de canales y la tecnología utilizada. Por lo general, los amplificadores EDFA cuestan entre $ 400 y $ 3000. Los amplificadores SOA del tipo más barato cuestan desde $ 150 en adelante.
Conclusión
Al igual que las redes que utilizan señales eléctricas, las redes ópticas también sufren degradación de la señal en enlaces de larga distancia. Con el uso del amplificador óptico correcto a la distancia correcta, la degradación de la señal se puede minimizar y el ancho de banda se puede mejorar en largas distancias.
