Amplificadores de fibra óptica dopada con Erbio e Iterbio (EDFAs y YEDFAs)

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID

Departamento de de Teoría Teoría de la Señal e Ingeniería Ingeniería Telemática Telemática Departamento de Ingeniería Ingeniería Agrícola y Forestal

Amplificador Amplificadores es de fibra óptica óptica dopada con Erbio e Iterbio (EDFAs y YEDFAs)

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID

Am plificadores de fibra ópt Amplificadores óptic ica a dopada dopada c on Erb rbio io e It I t erb erbio io (ED EDF FAs y YE Y EDFAs As))

P. MARTÍN RAMOS Ingeniero de Telecomunicación Departamento de Teoría de la Señal e Ingeniería Telemática ETS de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Valladolid  Valladolid, España

 J. MARTÍN GIL Profesor Titular de Universidad Departamento de Ingeniería Agrícola y Forestal ETS de Ingenierías Agrarias Universidad de Valladolid Palencia, España

P. CHAMORRO POSADA  Profesor Titular de Universidad Departamento de Teoría de la Señal e Ingeniería Telemática ETS de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Valladolid  Valladolid, España

ÍNDICE

AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA DOPADA CON ERBIO E ITERBIO (EDFAs Y YEDFAs) 1.

2.

3.

AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA 1.1. Introducción histórica 1.2. Tipos de amplificadores

2 5

AMPLIFICADORES DE FIBRA DOPADA CON ERBIO (EDFAs) O CO-DOPADA CON ERBIO E ITERBIO (YEDFAs) 2.1. Esquemas básicos y mecanismos de bombeo 2.2. Características de los amplificadores EDFA 2.3. Configuraciones 2.4. Evaluación de un EDFA 2.5. Evolución de los sistemas de transmisión óptica con EDFAs: Solitones y sistemas DWDM. El mercado de los EDFAs

7 10 17 19

FABRICACIÓN DE FIBRA ÓPTICA 3.1. Tipos de fibra 3.2. Procesos de fabricación

29

3.2.1. Fabricación de la preforma 3.2.2. Estirado de la preforma y devanado en carrete 3.2.3. Pruebas y mediciones

4.

24

33 40 41

NUEVOS MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE EDFAs y YEDFAs 4.1. Problemas que afectan a los materiales para fabricación de EDFAs 4.2. Soluciones posibles

42 44

METODOLOGÍA PARA LA CARACTERIZACIÓN DE NUEVOS COMPLEJOS DE ERBIO E ITERBIO COMO DOPANTES 5.1. Metodología para la elucidación estructural por difracción de rayos X. 5.2. Metodología para la caracterización de propiedades espectroscópicas. espectroscópicas. 5.3. Metodología para la caracterización de propiedades térmicas. 5.4. Metodología para la caracterización de propiedades fotoluminiscentes.

45 46 47 48

6.

ENSAYOS DE INTRODUCCIÓN DE IONES ERBIO (E ITERBIO) EN LAS CAPAS SUPERFICIALES DE LOS SUSTRATOS VÍTREOS

49

7.

ALTERNATIVAS A LA SÍLICE VÍTREA COMO HUÉSPED DE LOS NUEVOS MATERIALES DOPANTES: CONSIDERACIONES SOBRE LA POSIBILIDAD DE UTILIZAR VIDRIOS FLUORADOS TIPO ZBLAN Y MATERIALES PLÁSTICOS PERFLUORADOS.

51

8.

PREVISIONES PARA LOS NUEVOS MATERIALES EN SU APLICACIÓN A EDFAS Y YEDFAS.

55

9.

BIBLIOGRAFÍA

56

5.

1

AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA DOPADA CON ERBIO E ITERBIO 1. AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA 1.1. Introducción histórica El fenómeno físico responsable de la amplificación es la emisión estimulada, que fue introducida por Albert Einstein en 1917. A diferencia de lo que ocurre con la emisión espontánea, que se reparte por igual en todas las direcciones del espacio, la emisión estimulada solamente tiene lugar en la misma dirección y sentido del haz de luz estimulador. Además, los fotones emitidos por emisión estimulada tienen las mismas características que los fotones estimuladores, lo que los hace indistinguibles de éstos. Por ello, un haz de luz puede amplificarse, al pasar por un medio material en el que se provoquen más emisiones estimuladas estimuladas que absorciones. Para ello, es preciso excitar a los átomos que componen el medio material, mediante lo que se llama energía de bombeo, parte de la cual se transfiere al haz de luz que se amplifica. Si uno de tales medios se encierra en una cavidad formada por dos superficies reflectantes enfrentadas, se puede producir un haz de luz láser, originado por el fenómeno de amplificación de la fluorescencia emitida por los átomos excitados, cuando ésta pasa múltiples veces por el medio amplificador [1]. La realización práctica de estas ideas no llegó inmediatamente, pues la tecnología todavía no estaba preparada y además hubo que medir las energías y vidas medias de los niveles de muchos átomos y moléculas para encontrar aquellos que cumplían las condiciones necesarias para obtener amplificación. Hacia 1940 la información obtenida sobre estos parámetros era suficiente. En cuanto a las dificultades tecnológicas, éstas crecían al disminuir la longitud de onda de la radiación láser, debido al aumento de la proporción de emisión espontánea frente a la de emisión estimulada. Por otra parte, durante la segunda guerra mundial se dedicó una atención muy especial a las microondas, por motivos militares. Todo esto llevó a la longitud de onda de operación del primer amplificador de ondas electromagnéticas al dominio de las microondas. Así apareció, en 1954, el máser (acrónimo inglés de amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación) que había sido desarrollado por Charles Townes y sus colaboradores. En 1958, Charles Townes y Arthur Schawlow consideraron que podía conseguirse la extensión de este dispositivo a zonas del espectro visible e infrarrojo, a pesar de las dificultades añadidas que aparecía en esta zona del espectro. Esto motivó el comienzo de las investigaciones, por parte de varios laboratorios, en lo que primero se llamó máser óptico y después láser (amplificación ( amplificación de luz mediante emisión estimulada de radiación). El primer láser apareció en el verano de 1960 y fue desarrollado por Theodore Maiman, utilizando una barra de rubí bombeada mediante una lámpara pulsante. En 1961 apareció el primer láser de gas, el láser de helio-neón, que emitía menos potencia pero lo hacía en régimen continúo. Durante el resto de los años sesenta los investigadores probaron los más variados métodos para obtener acción láser y consiguieron desarrollar la mayor parte de los tipos de láseres que conocemos, aunque éstos necesitaron de un perfeccionamiento posterior. Por ejemplo, en 1962 se consiguió poner en funcionamiento el primer láser de semiconductor (aunque éste trabajaba a bajas temperaturas), en 1964 se obtuvieron los primeros resultados de amplificación en una fibra óptica dopada con neodimio y en 1965 en una fibra dopada con erbio (aunque el bombeo se hacía con una lámpara que rodeaba a la fibra y era muy poco eficiente). En definitiva, la tecnología del láser permitió disponer de fuentes de alta intensidad, con divergencias del haz inferiores al milirradián y muy monocromáticas. Si a esto añadimos el desarrollo que experimentaron los detectores 2

de estado sólido, es fácil de comprender que en los años sesenta se emprendiese el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticas, basados en láseres trabajando en el espectro visible y propagándose en la atmósfera. ¿Pero qué había sido de las fibras ópticas que podían proporcionar otra alternativa? En 1950, en Estados Unidos, se consiguió la transmisión de una imagen a través de un haz de fibras ópticas. No obstante su uso práctico no llegó hasta 1953, cuando se consiguió fabricar fibras ópticas con recubrimiento. Esto originó una importante mejora en las propiedades de transmisión de las fibras ópticas y permitió que en los haces de fibras éstas pudiesen estar en contacto, con la consiguiente reducción del grosor del haz. Durante los años que siguieron hubo un considerable desarrollo de los endoscopios de fibra óptica para aplicaciones médicas y, hasta 1970, ésta fue su principal aplicación. El primer estudio detallado sobre la posibilidad de uso de fibras ópticas en comunicaciones fue hecho en Inglaterra, en 1966, por Charles Kao (premio Nobel de Física en 2009) y sus colaboradores, que sentaron las bases de las comunicaciones por fibra óptica. No obstante, en aquellos tiempos las mejores fibras ópticas originaban atenuaciones del orden de 1000 dB/km, mientras que en un día claro la atenuación atmosférica era del orden de 1 dB/km. Por ello se consideró que las comunicaciones por fibra óptica no serían prácticas a no ser que se consiguiesen atenuaciones de 20 dB/km. Ello permitiría la transmisión de señales a distancias de 2 km (espaciado habitual de los repetidores en comunicaciones eléctricas) con una reducción de potencia de 40dB, que se consideraba podría ser aceptable. Por el momento quedaba la propagación en atmósfera como el único medio real para transmitir información por vía óptica. El gran cambio llegó en 1970, cuando Corning Glass anunció la obtención de una fibra óptica con una atenuación de 20 dB/km para la longitud de onda de 633 nm, correspondiente al láser de helio-neón. Además, en el mismo año se consiguió hacer  funcionar un láser de semiconductor, en régimen continuo y a temperatura ambiente. A partir de aquel momento se inició una carrera, en los laboratorios más importantes, para tratar de minimizar la atenuación. Esto se llevó a cabo por dos caminos: uno, perfeccionando los vidrios y los métodos de fabricación de fibras ópticas; y otro, desarrollando láseres de semiconductor que pudiesen emitir en zonas del espectro infrarrojo, donde la atenuación de los vidrios era menor. En 1973 se consiguió una atenuación de 2 dB/km en 850 nm (primera ventana de comunicaciones ópticas), en 1976 la atenuación bajó a 0.5 dB/km en 1300 nm (segunda ventana) y en 1979 se llegó a 0.2 dB/km en 1550 nm (tercera ventana), que se redujo en 1982 a 0.15 dB/km. Esto significaba que la luz podía propagarse en el interior de una fibra óptica hasta distancias del orden de los cien kilómetros, sin necesidad de repetidores, frente a la corta distancia necesaria en comunicaciones eléctricas. Debido a estos progresos, en la década de los ochenta se llevó a cabo, de forma masiva, la instalación de fibra óptica para comunicaciones. Primero se usaron fibras multimodo de step index  o de salto de índice, luego se desarrollaron fibras multimodo graded index  o de gradiente de índice (adecuada para distancias cortas, como por  ejemplo redes LAN o sistemas de videovigilancia) y finalmente, fibras monomodo (diseñadas para sistemas de comunicaciones ópticas de larga distancia y fáciles de manejar y conectar, propiedades que las hacen deseables en el mercado, tanto las LAN como WAN).

3

Este progreso permitió incrementar la capacidad de transmisión de infor  ación de l s fibr as ópticas, hasta alc nzar valor es muy por encima e la capacidad de l s co unicaciones eléctricas. Esto cond  jo hacia un a tendencia a tratar de avanzar en la im lantación de dispositiv s ópticos para llevar a cabo funci nes que e taban sien o realizadas por  dispositivos eléctricos. Esta tendencia alcanzó a uno de lo s dispositiv s bá icos en co unicaciones: los repetidores. Cua do la señal transmitida por una fibra óptica se atenuaba hasta alcanzar l s niveles ínimos de potencia ermitidos, e co vertía ésta en señal el ctrica mediante un rec eptor, post riormente se amplifica a y r  generaba, mediante dispositivos electrónicos, y finalment se reconvertía en señ al óptica y se vol ía a introducir en la red de fibra óp ica. Este método p esentaba i portantes inconvenien es para las redes del f  turo próximo: en primer lug r, era exc sivamente complejo en segundo lugar, no presenta a tra sparencia al método de codific ción, lo que signific ba que el instrumen al electrónico qu había que instalar en los repetid res debía ser cambia o si la for  a de odificar las señales ca biaba. Esto suponía u n cuello de botella par  el desarrolllo de las comunicaciones ó ticas y explica que, e un momento determinado (últim s añ s de la década de los chenta), se comenzas a plantear  seriamente la posibilid d de utilizar a plificadore ópticos, que amplifican la se al directa ente y c n independencia del tipo de odificación, para sustituir a los rep tidores clásicos. Este es, pu s, el punto de partida, ituado en su contexto istórico, de lo que posteriormente a da o lugar a u a tecnología con más plicaciones que las inicialmente pr evistas.

1.2.

Tipos e amplific dores

Resulta evidente que solamente podí n ser útiles aquellos a plificadores ópticos q e fuesen fácilmente conectables a las redes de c municaciones por fibr  óptica. Esto e limiitó las p sibilidades realistas a dos: los ampli  icadores ópticos se iconduct  r , por su pequeño tam ño y los a  plificador  s de fibra  ptica, por  u facilidad de int egración en la red. A a bos tipos e amplificadores se h dedicado n co siderable sfuerzo de investigación y des rrollo y a bos se h n llegado a im lantar en redes.  A  plificadores ópticos e semiconductor  (Se iconducto optical am lifiers, SO  s u  SAs). Est n basados en estruct ras de se iconductor  como las e los diod s

láser, pero ha iéndose eli inado el r  sonador. Presentan pr oblemas de dependen ia de la polarización, de cru e de canal s (crosstal  ) y de dific ltad de en apsulado. u gran ventaja e que puede n funcionar en segunda ventana.

SOA comercial

No obstante, los amplificadores de fibra que esarrollaremos prese tan ventaj s im ortantes re pecto a los amplificadores conven ionales: -

-

las pérdi as de inser ción y sensiibilidad a la polarizació son muy i feriores a l s SOA. la poten ia de bombeo neces ria es mucho menor, debido a que ésta e distribuye en una zona de unas pocas micras, en el i terior de la fibra, lo q e permite onseguir  ás fácilme te la inten idad de bombeo necesaria para la amplifica ión. la fibra ptica puede enrollars fácilment , ocupand poco vol men, lo q e permite utilizar amplificadores uy largos, para conseguir la máxima gananc ia compatible con la po encia de bo mbeo utiliz da.

 A  plificadores de fibra  ptica

u fundamento en la difusión no lineal de potencia d una longitud de onda de bombeo a la longitud de onda de la señal. Exi ten dos tip s, según el efecto en el que est n ba ados: Brillouin o Rama .

 A  plificadores basado

en efect  s no-lineales de fibras óptica . Tienen

-  Amplific  dores de ifusión Br illouin esti  ulada. Requieren alg nas decen s de km d fibra, pot ncias de bombeo de nos pocos mW y am lifican en n espectro de una an chura de banda de ta solo 0.001 nm. Son ideales pa ra propósitos de banda estrecha.

-   Amplificadores de difusión Raman estimulada. Se basan en una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal de bombeo de alta potencia (con lo que la fibra convencional ya instalada puede ser usada como medio con ganancia para la amplificación). Precisan unos pocos km de fibra, potencia de bombeo de algunos vatios y la anchura de banda del espectro de amplificación es superior a 20 nm. En estos amplificadores, la longitud de onda de amplificación queda fijada por la longitud de onda de bombeo y cambia con ella y con las propiedades del material del que está hecha la fibra. El pequeñísimo ancho de banda de los amplificadores basados en efecto Brillouin y la considerable potencia de bombeo necesaria en los amplificadores basados en efecto Raman resultan ser inconvenientes importantes.   Amplificadores ópticos basados en fibras activas. En ellos, la acción láser se

obtiene por emisión estimulada, correspondiente a la transición entre dos niveles de un ión dado de los elementos lantánidos. Las longitudes de onda de bombeo y de amplificación quedan fijadas por la estructura de niveles de dichos iones: el de Er 3+ presenta ganancia en la región de tercera ventana y el de Pr 3+ presenta ganancia en segunda ventana. La gran ventaja de los amplificadores ópticos basados en fibras activas es que son dispositivos todo-fibra, con lo que se eliminan los problemas de los SOAs u OSAs: no hay que alinear fibras, no dependen de la polarización y no existe cruce de canales. La longitud de fibra amplificadora necesaria es de unas decenas de metros y la potencia de bombeo típica es de varias decenas o centenas de mW, dependiendo del ión dopante. Los mejores resultados se han conseguido con el de erbio en fibra de sílice ( EDFA o Erbium Doped Fiber Amplifier ) para la tercera ventana, el de praseodimio en fibra de ZBLAN para la segunda ventana y el de mezcla de tulio y erbio en fibra de ZBLAN para la primera ventana. Comparación entre amplificadores:

Potencia de saturación por canal en sistemas de N canales Crosstalk entre canales Crosstalk cuando se usa en saturación

OSA

EDFA

1/N

1/N

Sí (FWM, XGM)

No (f > 10 kHz)

Sí

No (f > 100 kHz)

Ganancia (pequeña señal)

≈30

Ancho de banda óptico

40 nm

40 nm a 80 nm

Potencia de saturación

20 dBm

20 dBm

Sí

No

Intensidad (100 mA)

Luz (20 a 100 mW)

Dependencia de la polarización Bombeo

6

dB

≈30 a 40 dB

2. AMPLIFICADORES E FIBRA DOPADA C N ERBIO (EDFAs) O CO-DOPA A CON ERBIO E ITERBIO (YEDFAs) 2.1. Esquema básicos y mecanismos de bom eo El amplificador de fibra

opada más común e el EDFA (o Erbium Doped Fib er 

 A  plifier ) que e basa en l dopaje con erbio de u na fibra óptiica.

Estos amplific dores son los que m   jores prestaciones presentan, en comparaci n co otros amplificadores de fibra óptica dopada con lantá idos. Por  na parte, s po ible conseguir hasta 50 dB de gan ncia (en ré imen de b  ja señal de entrada), c n potencias de bombeo mo eradas (de varias decenas de m ). Por otra parte, la zo a es ectral en la que amplif ican se en uentra típicamente en torno al int rvalo que a de de 1530 a 1560 nm, correspondiente a la ercera ven ana, que t iene especi al int rés en comunicacione ópticas por la baja at nuación que presentan las fibras e síli e a estas l ngitudes d onda. Su i plantación es enteramente ventaj sa y no lo a sido de modo generalizado a cuenta de que toda la fibra instalada ha si do prepara a par a optimizar la dispersió en segun a ventana. Un EDFA parece más co plicado q e un SOA, pero realmente es más sencillo, a qu todos los dispositivos están hechos con fibr  s ópticas. e precisan fuentes lás er  par a bombear  la fibra dopada con erbio y aisladores para evitar  que posibl s reflexiones en dirección contrapropa ante pueda n ser amplificadas: son dispositiv s qu funcionan en una única dirección. Actual ente esto amplificadores son l s utiliizados masivamente e redes de omunicaci nes óptica , una vez onstatada u fia ilidad y car  cterísticas mejoradas on respect a los SOA.

En un EDFA, la transición láser tiene lugar de de niveles de la ban a 4I13/2 hasta niveles de la banda 4I15/2. Examinando las ba ndas supe iores y las transicion s radiativas per  itidas desde la ban a fundam ntal 4I15/2 asta esta bandas, e en uentran posibles transiciones de bombeo en torno a 514, 650, 800 y 980 n . Ap rece una última transi ión de bo beo en tor  o a 1480 m, que tie e lugar ent re niveles de las ismas bandas que int rvienen en la amplifica ión (la 4I15/2 y la 4I13/2) [1].

Diagrama de energías

A l hora de s leccionar l s longitudes de onda e bombeo ás apropi das, hay q e eli inar las de 514 y 650 nm porque no existen fuentes pe ueñas y suficientemente potentes. En cuanto a la posibilidad de bombe r a 800 n , hay que tener en cu nta que esta longitud de o da provoca transicio es intensas desde el estado e citado de la tra sición láse , que debilit an fuertem nte el mecanismo de b mbeo. Po estos moti os, es la luz de longitu des de ond a de 980  ó 1480 nm la que se sue le us r para el bombeo en amplificadores de rbio (EDF s). Para ello, se h n de arrollado láseres de semiconductor, operando a estas llongitudes e onda, q e proporcionan ás de 100 mW de potencia. Para onseguir e tabilidad en la potencia y longitud de on a emitidas, es preciso n control e tricto de la corriente de alimentaci n y de la temperatura de los láseres emisores. E to último se lleva a c bo median te ref  igeradores que operan por efecto Peltier. Para ayudar  n la estabilización de la longitud de on a, suelen sarse tam ién redes d e Bragg de fibra óptic . Los láser  s qu emiten a 980 nm suel n ser fabri ados a bas de compuestos de GaxIn(1-x)AsyP(1-y) y l s que emiten a 1480 n a base de compuestos de AlxGa(1-x)As. En los últimos años se está utilizan o otro me anismo de bombeo consistente n co opar la fi  ra con ite bio y bo bear con l  z  desde 9 0 a 1090 nm utilizan o láseres de Nd y láseres de Yb. En concreto, y como se representa en la figu ra siguiente, el bombeo a 1 64 nm pr  voca la e citación d e los ione iterbio c  n gr  n eficienci  , que se tr ansfiere p steriormente a los io es erbio (f  ndamento e los YEDFAs o ytterbium-e bium dope fiber ampli iers).

M canismo de bombeo en la fibra 106 nm mono odo (Flexcore 1060 ® ) d Corning In .

De reciente interés es la apacidad d e bombear  ibras de Er /Yb en una geometría e do le cubierta (double-cla ) con fuent s de alta p tencia a 920 ó 975 nm. Más aún, la e olución de las longitu es de ond de trans isión a 1300 y 1550 n m par a aprovec ar las ve tajas de las ventanas ópticas para baja dispersión y atenuación, ha motivado en los últi os años la investigación sobre dispositivos e lar  a longitud e onda.

Característica de atenuación de la fib a

2.2. Caracterí  ticas de los amplifica ores EDF : Es uema de misión-ab orción:

En la figura se puede apreciar el esquema de emisión espon ánea (fluor  scencia) q presenta la transición ópti a elegida, ue vemos e extiende entre 1.52 1.57 µm, plena tercera ventana: n estas longitudes e onda s e va a p der produ amplificación [2,3]. También se mue stra el esq ema de a sorción qu se produ entre esos mismos niveles que, como no podía se r de otra m nera, tiene el máximo la isma longitud de onda..

e n ir  e n

De esta gráfic es posible observar: ( i) que en la longitudes de onda d emisión h y ta bién absor  ión (esquema de 3 ni veles), (ii) ue se pue e bombear  en 1480 n m (m s absorció que emisi n) y (iii) que la curva e ganancia no es ho ogénea, es to es, existen longitudes de nda que s amplificar  n más que otras dentr o de la cur  a de amplificación del EDFA. Bombeo:

Como se ha v nido dicien do, existen dos esque as de bom eo diferent s, uno a 9 0 nm y otro a 14 80 nm. El e 1480 nm fue preferido en un primer momento ya que l s láseres de 98 nm no es aban bien desarrollad s [2]. Las iferencias ntre ellos e apr ecian en la igura:

El ombeo a 980 nm es ás eficiente (se obtie e más gan ancia con enos vatio ). Lo amplificad res bombeados a 980 nm  prese tan mejor  s caracter sticas frente al  uido (esto o se aprecia de las fig ras, y la ra ón la vere os más ad lante).

El ombeo a 1 80 nm per mite obten r mayores ganancias y, sobre t  do, mayor  s  po encias de alida (a costa de bombear con m yores potencias). Se precisa –co o ver emos- la pr  sencia de tros dopant es.

EDFA b mbeado a 1 80 nm Ganancia:

El squema de ganancia de un amplificador es como el mostr ado en la fi ura: mientr  s la señal de e trada es pequeña, el amplificador da la má ima ganan cia. Llega n momento en ue la pot ncia de e trada es tan grande que energ ticamente el amplificador ya no puede ar toda la anancia, y ésta cae: s dice que el amplificador  tra aja en un stado saturado (la pot encia de s turación se define co o el valor  e saliida para el cual la gana cia ha caído 3 dB).

Ganancia frente a la lo gitud de fibr dopada en l s EDFA

Ganancia frente a p tencia de bombeo en los DFA

Respuesta en frecuencia:

Una de las grandes ventaj s de un a plificador ó tico es que es capaz de amplificar la se al indepen ientemente de su tasa de transmisión, es decir, de su an ho de band a. Esto permite r  alizar enlaces en los q e para cambiar la tasa de transmisión sólo ser ía ne esario cambiar los ele entos ter  inales de la línea y no todos los r  generadores: enlaces trans arentes [2,3]. Esto es especialmente atr  ctivo para enlaces e co unicaciones ópticas submarinas. Los EDF se hacen independ ientes de la fre uencia cuando las señales presentan frecuencias de mo ulación mayores de 1 0 kH : esto significa, no sól que para una única s eñal el amp lificador a plificará igual independiente ente de la tasa de tr ansmisión, sino que lo s sistemas WDM (véa e más adelante) pueden fun cionar sin que se prod zca mezcla de canale en el EDFA. En los SOA sí se puede pr oducir mez la a través e fenómenos no lineal s (FWM)

Ruido:

To o amplificador introdu e ruido en la señal que amplifica. El ruido a arece en l s amplificadores debido a la aparición d emisión e pontánea, ue se pued e amplificar a  Amplified  Spontaneo s su vez en la fibra de erbio y que denominar  mos ASE ( Amplified  E  ission).

La ASE va a producirse e todo el ra go de long itudes de o da de la fluorescencia y, al l legar al det ctor junto on la señal , se van a producir interacciones o batidos entre las diferentes longitudes de onda pr esentes en el detector  que darán lugar a u a flu tuación de la intensida recibida. La densidad espectral del ruido dad por la ASE es prácticamente c nstante y e pu de escribir como:

De forma que la potencia ptica de ruido debida a l ASE se puede escribir como:

En relación con el recept r, se podría pensar q e el único término qu debería ser  añ dido al rui o sería el uido cuántico debido a la potenci de emisión espontán a qu produce el ASE. La realidad es q e se trata de un fenóm no más co plejo y tie e qu ver con lo batidos o interferenci s que se p oducen al acer interferir dos ond s electromagnéticas coherentes: si lle a señal a una deter  inada long itud de on a (campo eléctri o E1) y se mezcla en el detector  con otra s ñal de lon itud de on a igual (detección homodina) o ligera ente difer  nte (detección heterodina) (cam o eléctrico E2), la potencia recibida no es simple ente P1+ P2 sino la resultante e (E1+E2)2, que lleva un tér  ino en donde θ  es el des ase entre l s ca pos (en pr incipio, arbitrario) y qu da lugar  un batido entre las s ñales. Por  lo tanto, los términos de ruido ya no so sólo los d ruido cuá tico y ruid térmico si o ta bién términos en (i) batido entre l señal y el SE (ii) batido entre A E y el propio ASE y (iii) bati o entre el ASE y el pro io ruido cu ntico. Si no hay am lificadores, la varianz de la intensidad recibida en el detector sólo cu nta con los términos debidos a ruido shot y rui o térmico:

Al utilizar amplificadores btenemos, además d un aumen to en la p tencia, y por  tanto en el rui o shot , la parición de nuevas fre uencias ópticas, que an a juntar  e en el detector  produciénd se un bati o que repercutirá en nuevas oscilaciones de la int nsidad generada.

Lo términos de batido en tre señal y SE (sig-sp) y entre A E y ASE ( p-sp) son l s do inantes a la salida del amplificad r (van con 2), incluso por encima de los ruid s sh t  y térmico. El término sp-sp puede reducirse usando filtr os ópticos ue limiten u an ho de band a. El uido ASE generado a l salida de n amplifica or EDFA s puede cal ular como: P ASE  = 2(G-1)nsp hν  . ∆ν op op do de, nsp es el factor de misión esp ntánea, G s la ganan ia del amplificador y ∆ (ta bién llamada B0) el ancho de ban a óptico de l amplificad r.

op

Fi  ura de rui  o:

Pa a cuantificar la pérdid de SNR ue se produce en un amplificador se utiliza la fig ra de ruido, que se defi ne como:

Trabajando con las expre iones utilizadas anteri rmente, se puede de ostrar que la fig ra de ruido, esto es, la pérdida en NR en el a mplificador es:

En el mejor de los casos l figura de r uido es de dB, y en E DFAs es b stante mayor  ya que se co porta como un láser d 3 niveles. Si se utiliz n láseres de bombeo e 98 nm la figura de ruido es bastante menor, ya que el esq ema de bo mbeo es m s efectivo, esto s, nsp tiende a la unida d. También mejora la f igura de ruido en láser  s tra ajando a muy altas po encias de bombeo por  el mismo motivo. Valor  s típicos: 4-8 dB.. Por lo tant podemos onocer cuánto vale nsp: NF/2.

Polarización n los EDF  :

La ganancia d un EDFA se conside aba indepe ndiente de lla polarizaciión hasta q e en 1993, M.G. Taylor in icó que en un enlace de 3100 m con 69 EDFA, había ob ervado que el funcionamiento dep ndía del es ado de pol rización de la señal. La fibras perfectas no existen. Las fibras onomodo son birref  ingentes. a birr efringencia residual se introduce durante el pr oceso de fabricación y los modos e polarización pueden variar a lo largo de la fibra. Pa a tramos c rtos de fibr a se supone que la bir  efringencia residual es uniforme. n este caso, los modos pr opios (eigenmodes ) d polarización pueden ser lineales, cir  ulares o elí ticos; que orrespond n a una fibr a con birref ringencia lineal, circular  o elí tica. De cu lquier mod , debemos tener claro que una fib a torcida e un elemen to polarizador qu se compor ta como un retardador  eterogéne [4].

La gran venta a:

La auténtica g an ventaja de los amplificadores pticos es que su gana ncia presenta un ancho de banda óptico suficiente ente grand como par  introducir  amplificar  al mi mo tiempo un número elativamente elevado d e longitude de onda: DM. Es precisamente la existe cia de los EDFA lo que ha catapu ltado este uevo méto o de multiplexación (sin ell s no sería viable hac r sistemas WDM), aunque no es tá ex nto de múlt iples complicaciones. Entre ellas p demos cita : -

acumula ión de la di persión cromática (necesidad de c ompensarla). aparición de fenóme os no linea les y específicamente en sistemas DM inhomog neidad de l a ganancia (cada longitud de onda se amplific de diferente manera) no se pueden pone r filtros ópticos tan fácilmente, lo que aume ta el ruido y degrada las propieda des del am lificador.

A rincipios de los 90 co enzó a utili zarse lo qu se conoce como tran misión WDM  bi  ireccional  e banda ancha, realizando una d las comunicaciones en la región e 15 0 nm (tercera ventan ) y el otro sentido d transmisi n a 1310 nm (segun a ve tana). Posteriormente, a mediad s de los 90 se desar rolló el W  M de ban a es recha, car acterizado por una eparación reducida entre canales y por  el establecimient de comunicaciones biidireccional s 2x2 y 4x a 2,5 Gbit /s y 1550 nm so re enlaces punto a pu to de gran longitud. L situación ctual apar  ce expuesta, más adelante, en el apartado 2.5. Sumario de c  racterístic  s típicas e los EDFAs comerci  les: 

      

  

Fre uencia de peración: bandas C y (aproximadamente de 1530 a 16 5 nm). Para el f  ncionamie to en ban a S (por debajo de 1 480 nm) s n necesarios otros dopantes. Baj figura de r uido (típica ente entre 3 y 6 dB) Ganancia entre 15-45 dB Baj sensibilidad al estado de polariza ión de la lu de entrad Má ima potenciia de salida: 14 - 25 dB Ganancia interna: 25 - 50 d B Variación de la ganancia: +/- 0,5 dB Longitud de fib a dopada: 0 - 60 m p ra EDFAs e banda C y 50 - 300 m par  los de banda L Nú ero de láseres de bombeo: 1 - 6 Longitud de on a de bomb o: 980 nm 1480 nm Rui o predominante: ASE

Bandas de transmisión óptica

2.3. Configur ciones Configuracio es general es:

Configuració detallada e un un ED EDF

tamañ amaño o c mpac pacto (Sumitomo (Sumitomo Ele tric Industr Industrie ies) s)

Es ecificacio es:

Especificaci nes de un E FA banda C (control analógico), de Sumitomo Electri Industries

Especific ciones de u DFA AGC d alta velocidad, de Sumito o Electric In dustries

2.4. Evaluaci n de un E FA La evaluación de un EDF requiere edidas de l ganancia ara un ran o de señal s de entrada y potencia d bombeo iferentes. n la literatura encont amos que la car acterización de un EDFA es a v ces complicada, existiendo vario métodos e car acterización. Una de l s dificultades de la caracterización de un a plificador es, co o se ha dicho en epígrafes ant riores, la presencia d la emisió espontán a amplificada (ASE). La ASE se su a con la señal amplificada en la salida del amplificador y uede deter iorar la precisión de las medidas de la amplific ción. Va ios métodos para solucionar este problema an sido pr  puestos e la literatur a. Uno de los mé todos discrimina la señal de ruido ediante un a detección sensible a la fase. También existe una técnica con cida como xtinción en el dominio del tiempo, la cu l es un método atracti o para medir ganancia espectral puesto que permite que la ASE sea medida directamente. Existe, asimismo, una versión modificada relaciona a co la extinció en el dominio del tiempo, la cual tiliza un láser sintonizable modula o co conmutad res acústic -ópticos. Un método m y sencillo e caracterizar un EDFA utilizando   pulsos e función el  tie  po como señal de en trada, y e pleando eq uipamiento común de n laborato io co vencional de fibra ópti a (véase sistema exp rimental esquematizado en la figu ra siguiente) es ell descrito en 2004 por C amas-Anzueto et al [5].

Se utilizan tres formas de eñal de en rada: pulso cortos de otencia re pectivamente alt y fácil para medir, (1a), pulsos co tos colocados sobre una señal de nda contin a de alta potencia (1b) y pul os largos c n frecuencia de repetic ión muy baja (1c).

Lo pulsos cor os de 150 s dan infor  ación acer ca de la amplificación para potenci s bajas, los pulsos cortos de baja pot ncia de 150 ns colocados sobre una señal e on a continua son útiles ara medir la amplificación de señ les de ond a continua e alt s potencias, y con los pulsos largos de 5 ms odemos m dir la ampliificación tanto de bajas potencias, como la amplifica ión de señal de altas p tencias.

Comportamiento de los pulsos largos al pasar a ravés de un DFA. Potencia de entrada de 150  μ  , potencia de bombeo de 10 mW y una frecuencia d repetición d 10 Hz.

Desde hace u os años, s viene comercializando por OptoSci un equip instru instrumen men al par a la caract  rización d  los EDFA en el labor  torio [6].

El squema de l sistema e perimental es el siguie te:

Lo resultados obtenibles on:

Ganancia frente a señal para varias potencias de bombas

Gana cia frente a otencia de b mba para varios niveles d señal de entrada (Gradiente de g nancia = 5.5 6dB/mW, Eficiencia de ganania 2dB/mW)

Potencia ASE frente a potencia señal para vari s valores de potencia de bomba

Potencia de salida frente a p tencia de ombeo par acoplamiento de salida a una pérdi a intra-cavid d de -12 dB

diversos

orcentajes

e

Otr o sistema sencillo para la realización de práct icas sobre DFAs es el “Benchmark ETS – EDFA raining System”, diseñ do para m strar los bloques de u EDFA típi o así como las características de tales bloques. Todos los bloques disponen e co exiones de entrada y s alida adecuadas para ser configur  das en dife rentes mod s de operación, tales com operaciones co- y contra-direccionales. Este dispositi o modular tambi n facilita el estudio d las caract rísticas de los bloques individual s do de sea pos ible.

Be chmark ET  – EDFA Tr ining System

2.5. Evolución de los sistemas de transmisión óptica con EDFA: solitones y sistemas DWDM. El mercado de los EDFAs Como se ha comentado en la introducción histórica, los amplificadores de fibra óptica (y en particular los de fibra dopada con lantánidos) se desarrollaron para tratar de sustituir los repetidores eléctricos por repetidores ópticos en las redes de comunicaciones por fibra óptica. En un repetidor se introduce la señal que se ha debilitado, debido a la atenuación experimentada en su propagación por la red de fibra, para volver a recuperar la potencia que tenía al comienzo del recorrido. Por  tanto, el amplificador opera en régimen de baja señal, en el cual se consigue la ganancia suficiente (típicamente entre 30 y 40 dB) para que la señal amplificada pueda seguir propagándose a lo largo de alrededor de medio centenar de kilómetros, antes de necesitar otro repetidor. Estos repetidores, que son transparentes al tipo de codificación, se usan tanto en redes digitales (en telefonía, transmisión de datos, transmisión de vídeo digital, etc.) como en redes analógicas (fundamentalmente para transmisión de señales de audio y vídeo analógicos). Su uso, de gran utilidad en comunicaciones a larga distancia, es vital en el caso de cables submarinos, debido a su simplicidad y buenas prestaciones. Para ilustrar los resultados que se obtienen, cuando se utilizan amplificadores de fibra dopada con tierras raras, se dan a continuación dos ejemplos. El primero se refiere a un experimento de laboratorio. Utilizando varios carretes con fibra óptica enrollada, unidos por amplificadores de erbio, se ha llegado a conseguir la propagación de una señal de 2.5 Gb/s a lo largo de 21000 km. El segundo ejemplo se refiere a pruebas en una instalación de red de fibra, llevadas a cabo por las empresas AT&T y KDD, que consiguieron propagar una señal de 5 Gb/s, a lo largo de 9000 km, utilizando 274 amplificadores de erbio, situados a una distancia media de 33 km. Estos ejemplos evidencian que los citados amplificadores permiten cubrir perfectamente las distancias necesarias en nuestro planeta. En las redes de fibra, no solamente se necesitan amplificadores ópticos para ser  usados como repetidores, sino también para otras finalidades. Por ejemplo, cuando se llega a una ramificación en la red, la potencia en cada rama puede quedar  considerablemente reducida. Este problema puede solventarse poniendo un repetidor  en cada rama, o bien poniendo un amplificador óptico antes de la ramificación, que eleve la potencia de la señal al nivel necesario para que la potencia después de la ramificación sea suficiente. Es evidente que se ahorran dispositivos utilizando esta última solución. Por otra parte, en los cables submarinos se hace preciso minimizar el número de repetidores (por razones evidentes) lo que puede llevarse a cabo utilizando amplificadores de potencia antes del extremo de entrada de la señal al cable. En concreto, los amplificadores de erbio son capaces de conseguir señales amplificadas de varios vatios de potencia, con la potencia de bombeo adecuada. A estos niveles de potencia hay que tener en cuenta que los efectos no lineales que se producen en las fibras pueden perturbar a las señales que se propagan, por lo que es preciso estudiar  cuidadosamente el valor máximo de potencia que cada tipo de fibra permite. Otra ventaja importante de los amplificadores que estamos discutiendo se basa en que la colocación de un amplificador óptico justo antes de un detector de señal, produce un efecto de mejora de la sensibilidad del detector, lo que permite alargar la distancia que va desde éste hasta el último repetidor. En estas condiciones el amplificador óptico actúa como preamplificador del detector. Los preamplificadores ópticos (colocados antes del detector) tienen la ventaja de producir mucho menos ruido que los preamplificadores electrónicos (colocados después del detector) para las altas frecuencias que se utilizan en comunicaciones ópticas.

24

Como ilustraci n cuantitativa de la utilidad de las dos última aplicaciones discutidas, se puede deci r que combinando un mplificador  de potenci con un p eamplificador  (a bos óptico ) se puede alargar la distancia sin epetidores hasta unos 300 km. Si n el squema anterior intercalamos una fibra dopada con tierra rara a la q e se le env ía la potencia de bombeo d esde el extremo inicial del recor  ido (bomb o remoto) la dis ancia que uede recor rer la señal sin necesitar dispositi os electrónicos (como la fuente de alim ntación de la fuente d bombeo d el amplifica or) pasa a ser del ord n de 500 km. E te tipo de montaje es muy útil e cables submarinos. omo es bi n sa ido, el fenómeno de di persión cromática que resentan l s fibras óptiicas hace q e los pulsos representativo de los di erentes bit del mensaje se ens nchen en el recorrido, lo q e limita la capacidad e transmisión de infor  ación. A l largo de l s añ s se ha he ho un prog reso import nte en la r  ducción de la dispersi n, llegando a valores inferior es al ps/km··nm que so muy difícil s de mejor  r. En este momento, la únic alternativ para aum ntar la cap cidad de t ansmisión e inf  rmación, a arte del re urso a la ultiplexaci ón en long itud de on a (WDM), s la t ransmisió mediante olitones. Solitones

La alternativa e los solito es consiste en compen sar el desplazamiento ue sufren l s co ponentes espectrales del pulso, origin do por la dispersi n, con n de plazamient de valor  opuesto, q e puede obtenerse gracias al e ecto Kerr  o lin al. De est manera se consigue pulsos (ll mados solitones) cuy anchura e mantiene a lo largo del recorrido (sie pre que la otencia se superior a un umbral) lo qu aumenta considerabl mente la apacidad d e transmisión de infor mación. Para co pensar la pérdidas or atenua ión, que ll garían a isminuir la potencia p or  de ajo del um ral, es nec sario colocar amplifica ores ópticos a lo largo del recorrido. Se ha llevado a cabo mucho trabajo obre la teor ía y tecnología de solit nes, pero o se han obtenid o todavía r  sultados espectaculares, en comp ración con los obtenid s mediante puls s dispersiv s. Para ilu trar esto, se puede de ir que se h a consegui o en laboratorio la propagac ión de señales de 10 b/s a lo lar go de 1.000 .000 km y n red real la propagación de señales de 40 Gb/s a distancias de 4.000 km. Multiplexació en longit  d de onda (WDM)

La alternativa de multiple ación en l ngitud de onda consi te en propagar por u a mi ma fibra señales de di tintas longi udes de on da, lo que ultiplica la capacidad e tra smisión por el número de longitud s de onda mpleadas.

Concepto de W M

En WDM se distinguen típicamente c atro familias de sistemas, tres per enecientes al sis ema DWD (Dense Wavelength Division ultiplexing ), ), (DWDM e ultra lar  a dis ancia, DW M de larga distancia, DWDM m tropolitano) y una al si tema CWDM (C  arse Wavelength Divi sion Multip exing ). ). La diferencia principal e que en l s pri eros se utilizan EDFA mientras que el sistema CWDW no los requiere.

Si  temas DW  M. La intr  ducción d

nuevos servicios de alor añadido tales co o vídeo bajo de anda o ap licaciones ultimedia r  quiere una gran canti ad de anc o de banda. La solución óptima consiste en utilizar DWDM, que permite aumentar  e un forma económica la capacidad d e transporte de las redes existent s. Por medio de multiplexor  s, DWDM ombina multitud de ca ales ópticos sobre un misma fibr a, de tal modo q e pueden er amplific dos y tran mitidos simultáneamente. Cada u o de estos canales, a distin a longitud e onda, pu ede transmitir señales de diferent s velocidades y f ormatos: S H/SONET, IP, ATM, etc.

Modelo de rasporte (banda ancha)

Es decir, DWDM puede m ltiplexar varias señales TDM (Tim División M ultiplexing , n sis ema de fibr a óptica que utiliza luz oherente láser) sobre l misma fibr a.

Ev lución de sis emas de transmisión óptica y despliegue comercial a poyado en lo mismos [7].

La redes DW M futuras e espera q e transporten 80 canal es OC-48/STM-16 de 2 ,5 Gbit/s (un total de 200 Gb it/s), ó 40 c nales OC-192/STM-64 de 10 Gbit s (un total e 40 Gbit/s), la capacidad equivalente a unos 90.000 volúm nes de en iclopedia p or  se undo. A diferencia d l sistema WDM con encional, n este caso todas l s por tadoras ópticas viajan por la fibra con separaci nes inferio es a 1 nm. La revolución e los sistemas DWDM no hubies sido posi le sin las aracterístic cla e de tres ti os de tecn logía: - La capacidad que po seen los di dos láseres de emitir luz a una longitud de on estable y precisa con un ancho de línea esp ctral muy estrecho. - El ancho de banda d la fibra óp ica (varios Hz), el cual no ha sido aprovecha completamente dura te mucho tiempo. - La transparencia de los amplific dores ópti os de fibra (EDFA) a l s señales modulaci n y su habilidad par  amplificar  de forma uniforme varios canal simultáneamente.

s a o e s

En los sistemas DWDM, los amplifica ores ópticos juegan un papel impo rtante porq e per miten la amplificación simultanea de todas las señales multiplexadas. Naturalmente ha que utiliza longitudes de onda que se encuentren dentro del espectr  de gananc ia de los amplific dores. En l caso de los amplifica ores dopad os con erbi (que son l s más usados d ntro de la amilia de amplificador  s dopados con tierras raras) la falta de planaridad e la curva e ganancia espectral hace que las señales de las diferent s longitudes de nda pueda alcanzar  otencias m y diferentes, lo que no es deseabl e. Pa a evitar esto se han d sarrollado arios méto os de apla amiento: u ilizando alt s co centraciones de aluminio en el núcleo de las fibras dopadas, sando filtr  s es ectrales, redes de Bra g o filtros ctivos (por  ejemplo filtr os acústico ópticos) para co trolar de forma dinámi a la poten ia de salida de las dist intas longitudes de ond a. Con estos métodos se ha conseguido buenos resultados con multiplexación de has ta cien longitude de onda y parece que, por el mo ento, la alternativa de WDM ofre e me jores persp ctivas que la de propa ación de solitones. Lo rápidos avances prod cidos en DWDM en lo últimos años, junto con la creciente de anda de s ervicios de alta veloci ad y gran ancho de b anda, está provocan o ca bios sustanciales en las arquite turas de l s redes ó ticas. Así, la tecnolog ía D DM se está expandiendo progresi amente de de el núcle o de las red es ópticas e alt velocidad acia las re es metropolitanas y de acceso. Y todo ello pro vocado por  el éxi o alcanzado por las soluciones WDM de largo alcan e que han permitido n au ento espe tacular en la capacidad de las redes ópticas d transporte. La primera ge eración de redes WDM surgió par  aliviar el problema del agotamien to de capacidad de las re es SDH/SONET, y consistía si plemente en combinar  múltiples longitudes de on da en una isma fibra.. El número de canales era peque o (del orden de 16) y la prot cción se re lizaba en l s capas 2 ó 3. La segunda generación de redes metr opolitanas WDM dobla el número de canales e intr oduce protección de anillo y OADMs estáticos, permitiend que los pr oveedores e ser vicio proporcionen ser vicios basados en lon gitud de o da. Adicio almente, l s arquitecturas de red que e mplean D DM de segunda gener ación sopor tan interfac s multiservicio p otegidos, t les como Gigabit Ether net, ESCO y SDH/S NET. Si bi n estas mejora son enormes en comparación con l s redes SDH/SON T co vencionale , la segunda genera ión de redes posee limitaciones en cuanto a ca acidad, co te, escala ilidad y g stión de r  d. La con utación e tre múltipl s anillos metrop litanos se realiza de f orma centr  lizada y las longitude de onda e de ultiplexan ntes de se conmutad s/enrutada de forma i dividual.

DM. Multiple ación en lon itud de onda

Finalmente, las redes ó ticas de t rcera generación se caracteriza por ofrecer  ge tión dinámica de las l ngitudes de onda directamente en el dominio óptico, c n ve tajas signif icativas re pecto a la segunda eneración de redes. Asimismo, el nú ero de ca ales es mayor y existe una monit rización de prestaciones sofistica a qu se realiza sobre cad canal ópti o. Por me io de láser es sintoniz bles y filtros,  junto con tarjetas de inter faz de múltiples veloci ades, es posible reali ar la gesti n dinámica de lo gitudes de onda en el ominio óptico de una f  rma rápida y eficiente. Pa el de los DFA en lo sistemas “Todo ópti  o” vs “Op o-Electrón ca” 

Desde el punt de vista edioambie tal, el procesado eléct rico es no ostenible: es era que an e el incremento futuro e los nodo FTTx y la necesidad e equipos enr utamiento, la conversi n O/E/O v a necesitar mucha e ergía, con emisiones CO2 asociadas mayores q e todo el t áfico aéreo actual. La lternativa sostenible s los sistemas “t do óptico”, que conllevan procesa o óptico no lineal y ED As.

e e e n

La ventajas e inconvenie tes de ambos sistemas se recogen en el cuad o siguiente:

La investigaci n en los próximos 10 años de e ir en la dirección de encontr ar  soluciones co o EDFA o ROADM, que incr  menten la flexibilidad y eficiencia en rgética de las redes fotónicas. El  ercado d  los EDFA

El ominio de la tecnologí de fabrica ión de la fi ra óptica e important en razón del alt valor añadido del pro ucto. Mientras un kilo de cuarzo uesta alre edor de 0, 7 eur os, la fibra ptica dopa a con erbi vale un millón de vece s más y lle a a costar  0 mil euros el kilo. Esta fibra también es mucho más cara que la con encional. n kilómetro de cable óptico común sale por alrededor de 20 euros, mi ntras que el mi mo metraje de fibra a plificadora ale alrede or de 8 mil euros. Se t ata, pues, e un mercado millonario. En 2001 e estimaba que el sector de aparatos e amplificación óptica girab en torno a los 3 mil illones de euros. Hoy día esta cif ra pu de haberse convertido en 4 mil milllones de eu os.

3. FABRICA IÓN DE FIBRA ÓPTI A La fibra óptic es un hilo muy fino de materi l transpar  nte, vidrio o material s plásticos, por  l que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El ha de luz queda complet mente con inado y se ropaga po el núcleo e la fibra c n un ángulo de r eflexión por  encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. L fuente de l uz puede s r láser o un LED.

El núcleo central, que es por donde transita la luz, tiene un diámetro de entre 3 ,5 mi rones ó 0,0035 mm (en el caso de la fibra de e rbio) y 9 micrones ó 0, 09 mm (en la fibr a común). La capa externa de lla fibra, que envuelve al núcleo y sirve para su inistrar aislamiento óp ico, posee n espesor  edio de 125 micrones, ó 0,125 m . Existen varios materiales ue pueden ser utilizados en la fa ricación de la fibra, pero solo algunos d ellos reún n las características e peciales que se requie en: suscep ibilidad a la producción en forma d fibras delgadas, flexiblles y largas. transparencia a u a longitud de onda p rticular pa a poder g iar la luz e manera eficiente. compat ibilidad físi a de los ateriales q e tengan pequeñas d iferencias e índice r efractivo para el núcleo y la envoltura o cladding . abunda ncia y bajo oste.  





3.1. Tipos de fibra Fi  ra de vidri o La mayor ía de los vidrios transparentes ópt icos con que se fabric n

las fibras son sílice (Si 2) o sus mezclas con otros óxidos. La fi ra de vid io co puesta de sílice pura (núcleo de v idrio y cubierta de vidri ) es conocida como fib ra de vidrio de sílice, fibra de sílice vítre o fibra tip SCS  (silic  clad silica). Otras fibr  s de vidrio son fabricadas por la fusi n de mez la de óxid s, sulfuros o seleniur  s metálicos. Algunas de las propiedad s buscada para las fi ras de vidr io son su re sistencia a la def ormación p r altas te peraturas, buena durabilidad quí ica, y alta transparencia tanto en la región visible c mo infrarro a que son e interés e los sistem s ópticos. Pa a producir  dos materi les diferentes y con equeñas d iferencias e índices e ref  acción (IO ) entre nú leo y cubierta de una ibra, basta agregar a l a sílice alg n do ante. Esto dopantes lo podemos clasificar e dos grupos básicos: opantes que, co o GeO2, ó P2O5 incr ementan el IOR, y dopantes que,, como F ó B2O3, hac n de recer el IO .

Influencia del dop nte en el ín ice de refra ción Fi  ras de vid  io haluro. El segundo tipo de vid io más utilizado es el haluro. Se a en ontrado que el vidrio fluorado e hibe pérdidas de tran misión extremadamente bajas para longitudes de onda que v an en el ra go de 0.2 a 0.8 μm. os vidrios e flu ruro pertenecen a la fa milia general de los vidr ios haluro q ue forman el grupo VII e la tabla periódi ca (F, Cl, B , I). Entre l s materiales de este ti o que han ido objeto e más investiga ión se encuentran los vidrios de fluoruros de metales pesados y pri cipalmente, el tetrafluoruro de circonio, ZrF4. tro materi l que ha recibido muc o int rés desde u descubri iento por  oulain y Lu as, en la Universidad de Rennes, s el idrio mezcl de óxidos de zirconio, bario, lantano, sodio y aluminio, c nocido co o 'ZBLAN' y que resulta ci ntos de ve es más transparente ue el vidrio de sílice [ ]. ZBLAN es un aterial altamente deseable para f  rmar el nú leo de la fi ra de vidrio y lograr un índic refractivo ajo. Cuando el ZrF4 es reemplaza o por el HaF4 se obtie e el ladding de HBLAN, s sceptible d producir u a atenuaci n de 0.001 dB/km.

Desafortunadamente, las ibras de vi rio de fluor uro son muy difíciles de producir  n las condicione normales e graveda . Los fundi os tienden a cristalizar antes de q e se forme el vidrio. La razón es que la gravedad produce la c nvección o mezcla en el fundido, en un proceso co ocido com dilución d  corte en el que el fun ido se vuel e más fluido. E los fundidos más fluidos, como los altera os por la ravedad, l s átomos se mueven lo sufiicientement rápido para alcanzar  arreglos g ométricos n breves period s de tiem o. En fundidos más spesos y iscosos, los átomos e mueven más llentamente y es más difícil que en lugar a patrones egulares. n co diciones de microgravedad, los fundidos han d e ser más viscosos que en la Tierr  . Fi  ra de vidr os calcog  nuro. Es

n tipo de vidrio que, por sus pr  piedades o lin ales, es de gran aplic ción en fa ricación de switches ópticos y láseres de fibr a. La fibras de vidrio calc genuro contienen az fre, seleni o teluro omo base y fósforo, arséni o, antimonio y germanio, como lementos adicionales. Asimismo, s po ible incorporar comp nentes haluro para conducir a la formación de vidri s calcohaluro. Desde que se descubrió que los vi rios calcogenuro transmiten en el IR  mayor  s longitudes de ndas que l s vidrios d sílice y que los vidrios fluoruro, s ha amplia o el otencial de sus aplicaciones. La propiedad s físicas generales de los tipos de fibra de idrio considerados hasta ah ra se recogen en la tabla siguiente :

Propiedad Transición vítrea o punto de f usión, ºC Co ductividad térmica, W/m C Co ficiente de expansión tér  ica, 10-6 ºC-1 Módulo de Youn g, GPa De sidad, g/cm3 ndiice de refracc ión (λ, μm) dn/dT, 10-5 ºC-1 (λ, μm) Intervalo de transmisión de la fibra, μm Pér didas a 2.94 μm, dB/m Pér didas a 10.6 μm, dB/m

Sílice 11 5 1.38 0.55 70.0 2.20 1.455 0.70) +1.2 (1.06) 0.24-2.0 ≈8 0 N

Vídrio HMFG BLAN 265 0.628 17.2 58.3 4.33 1.4 9 (0.589) -1.5 (1.06) 0.25-4.0 0.08 NA

Calcogenuro AsGeSeTe 245 0.2 15 21.5 4.88 2.9 (10.6) +10 (10.6) 4-11 5 2

Fi  ras óptica de plástic o (POF, pl  (POF,  pl  stic optical  fiber   ).  ). Cons tan de núcl o de plásti o

y c ubierta plás ica. Constituyen una al ternativa de bajo coste a la fibra ó tica de vid io en espacios de distancias cortas (hasta 100 m): en aplicaciones médicas, en el interior  de dispositivos, automóvil s, redes en el hogar, etc. Se carac erizan por  nas pérdid s de 0,15-0,2 dB/m a 650 n (se suele emplear co o transmisor un LED ojo) y por  n an ho de ba da reduci o como onsecuencia de su gran apert ra numéri a (di metros del núcleo del orden de 1 mm), pero ofrecen co o ventajas un manejo e ins alación se cillos y u a mayor r obustez. C mo ejempllo, las pér  idas que e producen son muy bajas on radios e curvatur  de hasta 5 mm, lo ue facilita u ins alación en aredes y lugares estre hos. La dos princi ales tipos de FOP so de salto de índice ó tep index  (SI POF) y e ed  index  (GI POF) Las fibras de SI POF presentan cambi s gradiente de ín dice o grad ed index  del índice de efracción crecientes del core hacia el claddi  g , mientra las GI P F ex iben índice de refracción que decr  cen del cor e hacia el cl adding . Como componentes de las FOP se uelen utilizar poliestireno o polimetilmetacrilato (P MA) de uy alta pu eza, como núcleos; y metacrilat de metilo o polímer  s per fluorados c mo claddin . Un problema de las POF iene siend la atenuac ión, aunque desde 196 hasta ahora se han hecho randes pro resos. Véase figura siguiente:

Progresos n la reducci n de la atenu ación en las OF a lo largo de los últim s 40 años

Es sabido que los polímer os alifáticos poseen pé didas de a sorción alt s debida a la tensión C-H. Sin embargo, por sustitución en los mismos de átomos de H por átom s de F, ha sido osible conseguir una I POF perfluorada (PF) de muy ba ja atenuaci n a 1300 nm. La primera GI POF PF fu fabricada en 1994 [9]. En el 2000 , una GI P F PF fue comerciializada por  Asahi Glas Co, Ltd co el nombre de Lucina ®.

Lucina® fue diseñada como una POF GI. E muy transp rente a la luz entre 650 y 300 nm, ofrece el ismo espectro ancho de transmisión ue la fibra e sílice y vel ocidades de transmisión e Gb/s. El diámetr del núcleo, relativament grande y las características mecánic s de las fibr as poliméricas hacen que Lucina sea resistente a la ruptur y pueda ser curvada.

Vis a transversal de varios tipos de fibra óptica: SI POF y PMMA; GI POF) y PMMA; GI P F per luorada (PF); con recubri iento plástico (PCS); fibr óptica de vidrio multimo o de gradie te de í ndice (GI MMF) y fibra ópti a monomod (SMF) [10].

Fi  ras óptica de vidrio y plástico (PCS,  plast ic clad silic  ).  ). Constan de núcleo

e

vidrio con cubi rta de plás ico. Fi  ras de vid rio activas. Son las

ue resulta de la inc rporación e element s lantánidos (Er, Yb, Nd…) entro de u vidrio nor  al y dan co mo resulta o un materiial co nuevas pr opiedades pticas y m gnéticas q e permiten desarrollar  funciones e amplificación, tenuación y retardación de fase obre la luz. Un tipo p rticularmente int resante es la fibra ó tica de doble cubier a Er/Yb (DCOF , doubl e-clad opti  al  fib r ) con aplicación en re es pasivas (PON), con la geometrí a siguiente:

3.2. Procesos de fabric ción Pa a convertir  la materia rima en fib a óptica, se siguen tre pasos: fabricación de la preforma de vi rio puro; e tirado de la preforma; y realización de ensayos. El rimer paso en la fabricación de la fibra óptica es convertir  especies q ímicas co o tetr acloruro de silicio o tetracloruro d germanio (en estado altamente puro) en vid io sóliido. El objetivo es obtener una v arilla de vi rio, conocida como preforma cu o nú leo está constituido or sílice con cantida es variabl s de ger  anio que s agr egado para aumentar el índice refr  ctivo del n cleo. 3.2 .1. Fabrica ión de la preforma

Te emos los siiguientes m todos conocidos: 3.2 .1.1. Méto os por fus ón de vidri o o métod  directos 3.2 .1.1a. Méto o de la var lla en tubo rod in tube)

Este fue uno d los primer os métodos usados y sigue siendo uno de los ás sencillos: se introduce u a varilla d vidrio de lto índice como núcleo en un tubo que hace e recubrimiento (cladding ) y está formado por vidrio con un bajo índice de r  fracción. L s di ensiones de la varilla y del tubo son tales que práctica ente no queda espac io entre una y otr  . U a varilla de idrio o núcleo es colocada dentro del tubo de vidrio o cladding . En el extremo de este ensamblado s aumenta l temperatur y cuando a bos vidrios resultan ablandados, s aplica un estirado y por rrastre se obtiene la fibra deseada. La varilla y el tubo son normal ente de 1 m de longitud. La varilla del nú cleo suele te er 30 mm de diámetro. El vi rio del núcleo y el vidrio del cladding  deben tener te peraturas d ablandamie to similares. H de ponerse mucho c idado en no introducir impurezas entr núcleo y cladding

La desventaja de este método consist en que después del e stirado de l fibra qued pe ueñísimos deterioros e impurezas en la su erficie de separación entre amb vidrios, lo que ocasiona elevadas atenuaciones el orden d los 500 a 1000 dB/K Actualmente, or este método solo se fabrican f ibras ópticas multimodo de salto índice (o perfil escalonado .

n s . e

3.2 .1.1b. Méto o de los do s crisoles (  ouble cruci  le o compound melting   )

Es un método diseñado ara evitar  el inconveniente de la impureza inherente al método de la varilla en t bo. No se utiliza, pues, una pre orma sólid . Los vidri s cor respondientes al núcleo y al recubrimiento, f undidos en crisoles separados, s n unidos en estado de fusión y estirados subsiguien emente, para producir lla fibra.

El vidrio fundi o del núcle se coloca en el crisol in erior. El vidrio fundido del cladding se coloca en el crisol exterior. Los dos vidrios se unen en la base exterior y la fibra se obtiene por arrastre. Pueden producirse fibr s de gran longitud. Con ste método es posible obte er fibras multimodo de salto de índice y fibras multim do de índice gradual

Este método ermite obt ner fibras de perfil gr  dual por d ifusión o intercambio e iones entre lo vidrios del núcleo y del recubri iento. Este procedimi nto recibe el no bre de método Selfo . Un problema ue present a este método es el de mantene la total li pieza de l s cri oles para e itar incrementar la ate uación (qu puede alc nzar los 20 dB/Km a 8 0 nm). Suele reservarse par a la fabrica ión de fibra multimodo de gran diá etro (más e 20 um). 3.2 .1.2. Fabri  ación de l  preforma por técnicas de deposición de va por 

La primera empresa que tilizó la de osición de vapor, con la que se l gró dismin ir  significativamente la atenuación, fue l empresa Corning en 1970. La deposición se puede e ectuar por  iferentes f  rmas: sobr  la superfi ie externa e un varilla de ubstrato en rotación ( étodo OV  , outside v  por deposi tion), sobre la su erficie fron al de una varilla de cuarzo (Mét  do VAD, apor axial deposition) o so re la super ficie interio de un tub de vidrio de cuarzo n rotación (Método IVD, inside vapor  deposition). Este últi o método puede recibir la energía para la de osición del vidrio ya sea desde exterior, por medio d e un que ador de g s (M  todo MCV D, modified  chemical v apor depos tion) o des e dentro, con una lla a de plasma (M  todo PCV  ,  plasma ctivated chemical vap r depositio , o PMCV D,  plasma modified chemical vapor depo ition). En todos est s método la deposición se produce por  la desco posición e co puestos v látiles de lta pureza en una lla a de gas detonante. Las especi s químicas de partida son:

3.2 .1.2a. Méto o de depo ición de va or exterior  OVD ).

La fabricación de la prefor ma se efectúa en dos tapas: en primer lugar  se hace rotar  co un dispo itivo adec ado una varilla de vidrio de cuarzo en to no a su e je longitudinal, al tiempo que se calienta en una est recha zona, desde el e terior, con la lla a de un q uemador d gas deto ante o gas propano. as sustan ias dopant s requeridas par a el perfil deseado d índice de refracción se aportan en forma e der ivados halogenados ( iCl4, GeCl , BCl3, PCl3), que, con el O2 suministrado al qu mador, se onvierten n los corre pondientes óxidos. Estos a su vez se deposit n so re la varilla en rotación en forma d finas partí ulas. Al im rimirle un ovimiento e vai én en sentido longitudi nal, se obti ne por cap s una preforma porosa de vidrio. Cada una de estas cap s puede er dopada de forma diferente, agregando n determinada proporción distintas sustancias dop ntes al Si 2 de partid , lográndo e un reducción gradual de perfiles de de la primera capa (el dopado co GeO2 con el cu l se forma l núcleo) h sta llegar al recubrimiento con una deposición de SiO2 puro [11]. Para un erfil escalonado, se m ntiene con tante el dopado de ca da capa. U a ve obtenida la deposición de suficientes capas para el núcle o y el recubrimiento de la fibr a, se retira la preforma cilíndrica de la varilla d substrato. En la etapa final la prefor ma se calienta hasta s punto de fusión, con temperatur  s entre 1400 y 1600 ºC. Tr as enfriado, la preforma se contrae convirtié dose en u a var illa de vidrio firme y libre de bur bujas, transparente, cuyo hueco interior se a cer rado. Dura te el sintetiizado de la preforma se lava esta con cloro aseoso para quitar del vid io todo vestigio de gua cuya presencia provocaría una eleva a atenuación.

Los vapores químicos se oxidan en una llama y conden an sobre un varilla de síl ice en rotación lateral. Cuando la deposición se completa, la v arilla es ale jada y el tu bo re ultante se colapsa térmic mente.

VAD ) 3.2 .1.2b. Méto o VAD ó d   posición d  vapor axial ( VAD

La deposición de las partículas provenientes de un quemad r de gas oxhídrico tie e lugar sobre una cara f  ontal de na varilla de vidrio de cuarzo en rotación. La preforma porosa resul ante se es ira en sentido ascend nte de tal orma que e mantiene cons ante la distancia entre el quemado r y la prefo ma, que va creciendo n se tido axial. Para fabri ar el perfiil de índic s de refracción del núcleo y del recubrimiento se pueden utilizar va ios quema ores simultáneament . Es posible producir diferentes perfiles de índic s de refra ción segú la constr  cción de l s qu madores, su separación y la temperatura dur  nte la depo sición. La contracción e la reforma se produce a continuación de la depo ición y con la ayuda de un calefact or  an lar para facilitar que resulte transparente. Par a secar la preforma, es decir eliminar  la umedad re idual, se h ce circular  loro gaseo o en torno a la misma.

La eposición se produce en l extremo de un vidrio de sílice en rotaci n conforme los vapores químicos rea cionan para formar óxidos dopantes. Con esta técni a pueden onseguirse fibras muy gra des. Pueden fabricars fibras multi odo de salt de índice y fibr s multimodo de índice gradual.

Descripción del procedimi  nto VAD, automatizado, seguido e la fabricac ión de la fib ra ópt ica de Sun uartz para EDFAs, de arrollada e Brasil:

La primera etapa consiste en la f  bricación e una pr  forma por  sa de síli e na oestructurada, de alre edor de 6 mm de di metro por  hasta 30 c de longitu d. Cada preforma, el elemen to precursor de la fibra óptica, puede dar origen a 4 km e fibr a. La mis a se prod ce median e el emple o de un s plete especial instala o de tro de una cámara de deposición, y ya reúne todas las c racterísticas de la futura fibr a. El iguiente pa so consiste en hacer la adición de los elementos que su inistrarán l s car acterísticas de amplificación. El d paje del sílice se reali a mediant la inmersi n de la preforma en una sol ución que contiene ion s de erbio, que produ e a su vez el efecto especial de amplifi ación. El dopaje de la preforma asegura que los iones e erbio penetren en su estru tura a nivel atómico [1 ]. Una vez concl ida esta fa e, la prefor  a pasa po un tratami nto termoq ímico para el se ado y la pu ificación. El objetivo es eliminar de su estructu a elementos indeseabl s co o tales co o hidroxilos (OH) y metales de tr ansición (hierro, cromo, níquel, et .) qu ocasionan pérdida en la potencia de la señal. Po teriormente, el materi l pasa por  un nuevo ratamiento térmico en un horno e co solidación de alta te peratura y atmósfera ontrolada, para volve lo totalmente tra sparente y libre de microampollas, imperfec iones que perjudicarí n el perfecto funcionamiento de la fibra óptica. Po último, el vidrio transparente se e sancha y es sometido a una depo ición exter  a de nanopartíc las de sílice para la formación de la cubi erta, responsable de la protección me ánica del n cleo por d nde transit la luz. A p rtir de ese punto, la fibra de sílice nanoestructurada sufre una serie de ens nchamient s y nuevas deposicion s ha ta que el n cleo y la capa externa lcanzan lo diámetros esperados.

3.1.1.2c. Deposición de V   por Químic  modificad  ( MCVD MCVD )

Este método se realiza en dos etapa : en la pri era, se ha e rotar un ubo de vid io pur o alrededor  de su eje l ngitudinal n un torno otro dispositivo adecuado al tiem o qu se calienta una estr  cha zona del mismo desde el e xterior por  medio de n qu mador de g as detonan e que se d splaza a lo largo del tu o. A t ravés del in erior del tu o se hace pasar O2 y los element os dopante en forma e halogenuros g seosos (SiCl4, GeCl4, PCl3). A dif  rencia de los métodos OVD y VAD, la deposición de los ele entos do antes se roduce en el interior  del tubo p or  de composición de los alogenuros, produciendo la dep sición de numerosas y delgadas capa s, en un pr  ceso llamado vitrificación. La dep sición pue e controlar  e par a conseguir  el perfil de índices de refracción r  querido. El propio tubo constituye la se ción extern del vidrio el recubri iento y las apas que se depositan en su interior  co forman la ección interna de la fi ra, es decir, el núcleo.. Cada cap de vidrio e for  a con la siiguiente secuencia: a 1600 ºC y dentro de la ona de cal ntamiento e for  an partículas finas qu se depositan sobre la cara interio del tubo. Al desplazar  el qu mador en la dirección del flujo, las partículas se funden para formar  una capa e vidrio delgada y transparente. Una vez completada la deposición e las cap s ne esarias se pasa a la s gunda etap a del méto o MCVD q e consiste en calentar  el tubo por secci nes longit dinales ha ta aproxim damente 2000 ºC. De esta manera se produce el colapso del tubo para formar la arilla. Toda vez que l s gases q e reaccionan en el interior del tubo se antienen li bres de H2, este método no requie re procesos especiales de s cado, ya q e el gas uti lizado para el calenta iento, que n ge eral contie e una prop rción de H2, solo actúa sobre el exterior del tu o.

Las especies de partida, al e tado vapor, se hacen pa ar por un tubo de vidrio en rotación. e descomponen y los elemento dopantes s depositan en la parte int erna del tub . Un quemador mó il enfoca la z ona de mate ial depositado y funde la ílice dopada. La preforma se obtiene por depósitos sucesivos, empezando primero on la claddi  g  y siguiendo por el núcleo. Variando la co posición de los dopantes se alcanzan los índices re ractivos des ados. Cuando la deposici n se ompleta, el t bo es colapsado a 2000 º dentro de u a preforma d sílice de alt pureza con un núcleo de composición difere te. La prefor a es entonc s colocada en un horno p ra el estirad .

ispositivo experimental para la fabricación por CVD de fib as monomodo dopadas con elementos lantánidos ( eodimio o rbio, princi almente) [13]. 3].

Equipamiento para CVD en las instalaciones de Fiberc re (Cambridge, UK)

PMCVD ) 3.2 .1.2d. Deposición de V   por Químic o Modificad  reforzado con plasma ( PMCVD

En este métod las prefor  as se producen por el mismo procedimiento que en el ca o del método M VD. La dif  rencia radi a en la técnica emple da para la reacción. Por  medio de la e citación d un gas con ayuda d radiofrecuencias o microondas, e obtiene un pla ma. El gas es ionizado y la reunificación de ca rgas da lug r a liberaci n de calor que se utiliza para fundir m teriales de elevado pu nto de fusi n. Así, en el proceso PMC D, los compuestos halogenados s on descom uestos con ayuda de n plasma de baj presión y luego, tras reacción co oxigeno, an lugar a SiO2 dopado. La partículas formadas en este pro eso precipi an directa ente a temperaturas del orden de los 1 00 ºC, for  ando una c apa de vidrio. Dado qu a la llama de plasma e le imprime un r ápido movi iento de v ivén a lo largo del tubo, es posible producir m s de 1000 capas delgadas, lo cual per  ite incrementar la exa titud del perfil de índic s de refracción [11].

La deposición de vapor químico modificada con reforzamiento de pla ma conduce a temperaturas con las que se consiguen vapores ionizados velocidades de deposici n muy alta . Esta técnic a puede usar e para fabric r fibras muy largas (50 km).

En este método puede su stituirse el generador  e radiofrecuencias (R ) por uno e mi roondas. A í se consig e una gen ración dire ta de la ca a vítrea.

Deposición e vapor químico usando g nerador de icroondas.

C lapso de una preforma do ada con erbi

Comparacion s entre lo  procesos VAD y MC  D:

A ivel mundial, la mayor  parte de lo fabricante de fibra óptica utilizan la tecnolog ía M VD, desarr ollada por los Laborat rios Bell, de Estados nidos, hace más de 0 añ s. Sin embargo, son t mbién muchos los fab icantes (principalment , de Extre o Oriente y Brasil) que sigu n la tecnol gía VAD, desarrollada en Japón. Esta segun a tecnología, a iferencia del proceso MCVD, no requiere la importación de tubos e sili io (monopolizada por  stados Uni os) y utiliza como materia prima u subproducto del silicio que s diez veces más barato que el empleado con la metodología MCVD. Otr a important ventaja c mparativa e la tecnol gía del sistema VAD es que la fib ra óptica de nue a generaci n, capaz de transmitir  la luz hasta distancia mucho m s lar  as, sólo e puede laborar m diante est proceso, que corri e un efec to indeseado que atenúa la eñal lumino sa, (fenóm no de disp rsión Rayl igh), y que la tecnología MC D no logra. Comparativa de los distintos métodos de fabricación Proceso Ta a de deposic ión (g/m) Efi iencia (%) Atenuación en ultimodo a 1.3 μm Atenuación en ultimodo a 1.5 μm Atenuación en onomodo a .3 μm Atenuación en onomodo a .5 μm

OVD 4.2 50 0.52 0.30 0.27 0.16

MCVD >1.3 50 0.40 0.29 0.30 0.16

MCVD 6 50-90 0.70 0.50 0.55 0.25

CVD 2 80-100 0.5 0.50 0.38 0.20

VAD 4. 70 0.41 0.25 0.31 0.17

3.2 .2. Estirad  de la pre orma y de anado en c arrete

La preforma debe ser estirada para l levarse a l s dimensiones normalizadas de l s fibr as ópticas. Por ejempl , de una preforma de 1 m se pueden estirar  varios km e fibr a óptica del tipo 9/125. El esquem del proceso de estirad o se muest a en la figura siguiente y co siste en la siguientes etapas: ce trado en el horno de c alentamiento, co trol de diá etro, coloc ción del re ubrimiento primario, horno de secado, capstan y enr ollado. Se comienza colocando la  preforma en la parte superior de la máquina de estirad o, se centra dent o del horno y se eleva lla temperat ra de este ara reducir  la viscosid d ha ta un valor donde por acción de la gravedad p eda fluir un hilo de fibr  óptica. El orno puede ser de grafito o zirco io. El horn de grafito equiere estar inmerso n un flujo de gas inerte (N2 o He/Ar) para evitar  la migraci n de contaminantes; s enf riado en un cuerpo de agua y cont rolada la temperatura ediante un pirómetro. El tie po de vid medio es entre 1500 y 2000 h y funciona a 30 KVA. ara un mejor  co trol se recurre al horn de inducc ión de zirc  nio (introd cido en 19 77 para evit ar  el so de gas inerte) que t abaja entre 150 y 400 Hz. En tod s los caso se procurará un flujo laminar ascendent e a lo largo de la fibra ptica y la p eforma en alentamiento par a impedir t rbulencias térmicas que se traducen en varia iones del diámetro de la fibr a óptica. El medidor de diámetro c ntrola el p sicionador  x-y de la pr eforma y la velocidad e estirado del c  pstan a partir de un sistema de control por ordenador. uesto que la resolución del instrumento debe ser superior a 1 μm y de rápida lectura, se recurre a medidores láser. Po teriormente se coloca un recubrimiento p imario de acrilato de 250 μm e diámetro nomi al y 10% d tolerancia para proteger la superf icie de la fibra del ataq e de las especi s reactivas OH. Los adicales o idrilos producen la oxidación de la su erficie de l fibra óptic , rompiendo los enlac s Si-O-Si y formando rupos silan ol Si- H. Este pr oceso prod ce microfr  cturas en l superficie con lo que incrementa la po ibilidad de f ractura de la fibra óptica. El materi l sintético (acrilato cur ado con UV o inclluso silicon ) se coloca por extrusión en un e mbudo en ondiciones que permit n qu la fibra ó tica perma ezca centr ada. Una fi ra óptica in este recubrimiento e co vierte en fr  gil y quebr  diza en sol unas horas.

Estira o de la preforma

Posteriormente, por medio de un láser, se mide el diámetro del recubrimiento y la concentricidad de éste con la fibra óptica, observando el diagrama de interferencia en una pantalla. El material es secado o curado mediante rayos UV con longitud λ de 240 a 400 nm. Por último, la fibra óptica se recoge en una bobina mediante un capstan de estirado que trabaja a una velocidad entre 15 y 300 m/min. 3.2.3. Pruebas y mediciones

Seguidamente al estirado, la fibra pasa a la etapa de pruebas y medidas en la cual se verifican todos los parámetros ópticos y geométricos. Existen tres tipos de pruebas: mecánicas, ópticas, y geométricas.  proof test " que consiste en ejercer una Primero: se realiza la prueba de "screen test " o " proof tracción sobre todo el largo de la fibra óptica de forma que se crean y propagan todas las microfracturas posibles en la superficie asegurando que se soportará una fuerza de tracción igual a la de prueba sin inconvenientes. La fibra óptica en estas condiciones tiene una carga de rotura superior a la del acero (5000 contra 3000 MN/mm 2). Un modelo de comportamiento creado por Mitsunaya [14] permite calcular el tiempo de vida de la fibra óptica en base a los resultados de la prueba de  proof test . Para fibras convencionales se encuentran que se tienen 7,5×10 -5 roturas espontáneas en 30 años de vida de un cable por cada 2 km de longitud.

Segundo: A fin de evitar defectos puntuales o anomalías a lo largo de la longitud de la fibra, ésta es ensayada mediante un reflectómetro óptico para una serie de parámetros ópticos que dependen de la longitud de onda: atenuación, ancho de banda, apertura numérica y dispersión cromática. Tercero: las fibras multimodo y monomodo son ensayadas en sus parámetros geométricos, los cuales incluyen: diámetro del cladding , no circularidad del cladding , cubierta del diámetro exterior, no circularidad del diámetro exterior, error de concentricidad del cladding  y del núcleo, y diámetro del núcleo. La comprobación medioambiental y mecánica también se realiza periódicamente para asegurar que la fibra mantenga su integridad óptica y mecánica. Estas pruebas incluyen la fuerza de tensión y operación en rangos de temperatura, dependencia de la atenuación con la temperatura, dependencia de la temperatura y humedad, y su influencia en el envejecimiento.

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4.

NUEVOS MATERIALES PARA LA FABRICACIÓN DE EDFAs Y YEDFAs

4.1. Problemas que afectan a los materiales para fabricación de EDFAs EDFAs Todos los amplificadores que operan en las ventanas de telecomunicaciones comparten la necesidad de combatir dos problemas: la presencia de iones hidroxilo (OH-) y las interacciones  pairwise entre los iones erbio, designadas usualmente como agregación o clustering . Minimización de los OH- 

Humbach et al. [15] proporcionaron en 1996 una revisión de las posiciones relativas e intensidades de varios modos vibracionales, sobretonos y bandas de combinación OHen sílice fundida. Las asignaciones de bandas en otros materiales huésped han sido realizadas por analogía con las frecuencias vistas en sílice. El modo de mayor  importancia es el primer sobretono del modo de tensión fundamental del enlace O-H, generalmente designado como 2 ν3. Este modo aparece entre 2.7 y 3.2 μm en vidrios óxido, dependiendo del catión específico al que el O-H esté unido. Dos veces esta energía (la mitad de la longitud de onda) corresponde a una absorción entre 1350 y 1600 nm, justo en el corazón de la bandas de telecomunicaciones para amplificación de bandas S-, C- y L-. Humbach et al . [15] han informado que el coeficiente de extinción de 2 ν3 es aproximadamente 0.0062× ν3 en sílice fundida. La situación resulta adicionalmente complicada por la captura de agua durante el proceso de fabricación de la fibra, f ibra, resultando en una pérdida persistente (no eliminable con cloro) de magnitud variable. Por consiguiente, la identificación de procesos que controlan el agua durante la fabricación del vidrio y de la fibra constituye un foco de atención a la hora de desarrollar nuevos materiales. Adicionalmente, el agua en las fibras ópticas puede tener un impacto que excede el implicado por pérdida pasiva, debido a la transferencia no radiativa de energía desde los iones erbio en sus estados excitados a los grupos hidroxilo cercanos. Esto excita los modos vibracionales high-lying  de los iones hidroxilo, y en la relajación irradian la energía como calor en vez de como luz útil. Una revisión de los estudios que han considerado este efecto ha sido realizada por Houde-Walter  et al. [16]. En relación a los materiales matriz, los EDFA fabricados con vidrio fluoruro f luoruro constituyen un caso especial. Dado que los vidrios fluoruro se obtienen por fusión en atmósferas inertes y de bajo contenido en agua, sus contenidos en OH- son más bajos que los vidrios óxido incluso para materiales de partida con niveles de agua comparables. Más aún, los vidrios fluoruro para amplificadores y láseres son ricos en circonio, hafnio, indio, galio o aluminio, y los modos de tensión ν 3 asociados con OH- unidos a estos elementos se encuentran a longitudes de onda más largas que en los huéspedes óxido mencionados anteriormente. Por consiguiente, vidrios fluoruros de preparación cuidadosa exhiben absorciones débiles 2 ν 3 al final de las longitudes de onda de la banda de telecomunicaciones y de este modo, los OH- en vidrios fluoruro tienden a constituir un problema menos significativo que en síntesis de vidrios óxido. En relación a los materiales dopantes de la fibra óptica y, en concreto, a la utilización de complejos de erbio o iterbio en vez de sales sencillas de estos iones, parece más recomendable la utilización de los primeros en vez de las segundas por la gran tendencia de estas a saturar las posibilidades de coordinación del ión central con especies OH y H2O.

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Una propuesta para la minimización de OH en EDFAs se concreta en la utilización de fibra óptica a base de vidrios o plásticos fluoruro, como matriz, y complejos de erbio e iterbio como dopantes. Minimización de la agregación iónica (clustering)  Agregación (o clustering ) y formación de pares iónicos son términos generales y no

particularmente adecuados para describir la transferencia de energía entre elementos de las tierras raras en posiciones adyacentes. En alguna medida, la transferencia de energía siempre puede producirse, dado que la luz puede viajar entre los elementos de las tierras raras antes de experimentar un cambio en el estado electrónico. Sin embargo, cuando dos iones de elementos lantánidos se encuentran suficientemente   juntos, la interacción aparece gobernada por interacciones dipolo-dipolo fuertes y la probabilidad de transferencia de energía resulta muy alta. En términos sencillos: el proceso de transferencia de energía convierte fotones de bombeo en luz emitida a longitudes de onda inaprovechables; o relajación de estados excitados mediada por  fonones, en calor. Muchos estudios han evaluado los efectos de agregación sobre la ganancia y eficiencia de la conversión de energía en una amplia variedad de materiales para láseres y amplificadores incluyendo la mayor parte de los elementos de las tierras raras. Esto ha sido particularmente cierto para dispositivos basados en erbio, objeto de amplio I+D. La proximidad entre los iones erbio da lugar a fenómenos de upconversion homogénea y agregación ( clustering ). ). La upconversion tiene lugar cuando muchos átomos de erbio apretados son sometidos a una potencia de bombeo alta y se concreta en pérdidas de energía que varían cuadráticamente con la potencia de bombeo. El clustering  se produce cuando, por efecto de la contigüidad de dos o más átomos de erbio, se produce una dependencia no cuadrática de la velocidad de upconversion sobre la potencia de bombeo, con consecuencias de “penalización” de bombeo que pueden aparecer como desproporcionadamente grandes dado el relativamente pequeño número de iones participantes en el proceso. Un modo de controlar la upconversion homogénea es disminuyendo la concentración de iones participantes. La upconversion debida a clustering  puede aparecer por el modo en que se procesa el vidrio o la fibra ó por una determinada estereoquímica de los iones lantánidos en el huésped. La primera puede ser controlada por cambios en el proceso dirigidos a conseguir una distribución inicial más uniforme de los iones lantánido en el huésped. La segunda es una propiedad intrínseca del material huésped o matriz que supone un límite crítico a la cantidad de iones lantánido que pueden ser  incorporados antes de que se produzca unas pérdidas excesivas debidas a clustering . Un modo de obviar este segundo inconveniente es a través de la utilización, como materiales dopantes, de compuestos de coordinación de lantánidos, en vez de sales sencillas: la presencia de ligandos separa eficazmente los iones lantánidos y diluye la concentración de los mismos respecto a las sales sencillas.

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4.2. Soluciones posibles Para evitar las interacciones indeseadas por apareamiento de iones lantánidos dentro del amplio cuerpo del sustrato, se hace necesario restringir su presencia sólo a las capas superficiales poco profundas (las más externas), haciendo del dopado localizado un fenómeno altamente deseable. Un modo de abordaje experimental puede ser el cebado ( soaking ) con soluciones de compuestos de coordinación de erbio (o iterbio) en vidrios de sílice porosos, seguido de templado ( annealing ) para descomponer los complejos y sinterizar ( sinter ) el material vítreo poroso. Con objeto de conseguir una distribución homogénea de iones erbio (o iterbio) en la matriz vítrea resulta ventajoso utilizar grandes moléculas de complejos de erbio (o iterbio) que se extiendan en micro o nano poros del vidrio localizados regularmente. Los complejos de Er 3+ e Yb3+ a utilizar deben cumplir los siguientes criterios: (a) tener ligandos grandes (para bajar o incluso evitar el riesgo de la agregación iónica ( clustering ) con el número de ligandos donores oxígeno mantenido lo más bajo posible (para evitar la presencia de los grupos OH, que debieran acortar algunas de las vidas de los estados excitados del Er 3+ (o Yb3+) y (b) permitir que la síntesis se realicen en medios no acuosos (por la misma razón anterior). Más aún, los complejos deberían ser descompuestos por calentamiento sin dejar residuo indeseado alguno. Otro modo de abordaje experimental es utilizar, en vez de fibra de sílice, vidrios silicatados tipo ZBLAN con ventajas e inconvenientes a ponderar. Los ZBLAN son un tipo de vidrio fluorozirconato que si bien exhiben menor fuerza tensora, menor  estabilidad térmica y menor resistencia a la corrosión que los vidrios de sílice, poseen un índice refractivo y una susceptibilidad para trasmitir en el IR mejor que la mayor  parte de los vidrios tradicionales. Aunque poseen poca resistencia al agua (o a la humedad), durante la fusión se auto-secan ( self-dry ) y los grupos OH en la red vítrea reaccionan con fluoruros (del vidrio o del dopante) volatilizándose como fluoruro de hidrógeno. Desgraciadamente, la fibra de fluoruro, en presencia de la gravedad –tal como se indicó previamente- sufre un proceso conocido como dilución de corte: el fundido se vuelve más fluido y termina formando vidrios superficiales Teóricamente, el Er 3+ en fibra de sílice es idóneo para tercera ventana mientras las mezclas de Er 3+ e Yb3+ en fibra de ZBLAN lo son para segunda y primera ventanas. El tercer modo de abordaje experimental es la utilización de fibra óptica plástica perfluorada que, con la sustitución en polímeros alifáticos de átomos de hidrógeno por  átomos de flúor, permite obviar las altas pérdidas de absorción debidas a la tensión carbono-nitrógeno, con la consecución de bajas atenuaciones a 1300 nm. Cualquier aportación de nuevos materiales electroluminiscentes para su aplicación en EDFAs debe abordar los siguientes objetivos parciales: (a) caracterizar la estructura y las propiedades térmicas, espectroscópicas y fotoluminiscentes de nuevos complejos de erbio e iterbio emisores en el rojo e IR cercano, como materiales dopantes; (b) examinar las posibilidades de introducción de iones Er 3+ e Yb3+ dentro de las capas finas superficiales de vidrios de sílice porosos mediante cebado con soluciones de complejos de Er 3+ e Yb3+ y (c) explorar las posibilidades de vidrios silicatados ZBLAN y materiales plásticos perfluorados para albergar los nuevos materiales dopantes.

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5. METODO OGÍA PARA LA CAR CTERIZA IÓN DE N EVOS CO PLEJOS E ERBIO E ITERBIO C MO DOPANTES 5.1. Metodolo ía para la lucidación estructural por difracción de ra os X Se comienza examinando una muestra de los cristales obtenidos par a los nuev s co puestos y selecciona do aquello s que por  su pequeñ tamaño, erfección e as ecto y au encia de aclas, pueden ser candidatos p ra ser montados en el difr actómetro y proceder a descubrir su estructura. Esta última precisión es importante por que, aunqu e hayamos previsto la estructura ore de un complejo a tes de haber  de arrollado s síntesis, s casi imposible pred cir su em aquetamie to, pues s n muchas las posibilidades de organización de llos átomos en la cristalización del material. Una estructura e siempre, en mayor o enor medida, un descubrimiento. Pa a la determinación estr uctural han de utilizars cristales de dimensio es del ord n de la décima de milímetro (por ejemplo, 0,39x0,3 x0,16 mm). Los registr os suelen s er  realizados a di ferentes te peraturas (normalmente, a 293(2 K). Como equipamiento ins rumental p ede utilizarse un difractómetro d 4 círculos (por ejem lo, un Enr  fNonius CAD4, equipado con un dete tor CCD 4 ). Para los registros es usual utilizar  la adiación M Kα ( λ=0.71073 Å). Los parámetros de la cel a unidad se determin n por  refinamiento por  ínimos cuadrados de los án ulos del difractómetro (8. º<θ <13.72º) para 24 r  flexiones automáticam nte centra as. Lo datos pu den proce arse utiliz ndo PLAT N y aplic ndo una orrección e  psi  scan), dando lugar a f  ctores de t asmisión e el rango 0 .869 a 0.944. ab orción ( psi  Lo datos deben ser cor  egidos par  los efectos de Loren tz y de polarización. e utiliizan reflexiones con 2θ  50º para la resolución refinamiento de la estr uctura. Lo cálculos d computación suelen ser realizados con un P en Linux. El número e reflexiones medidas suele estar en t rno a 3000 . La estruct ra suele ser resuelta por  métodos directos utilizando un programa como el SHELXS9 ; y despué , refinada n F2 (ajuste de parámetros ara una mayor concor dancia de l os factores de estructura ob ervados y calculados) por el mét do de mat iz completa de mínim s cuadrados, utiliizando el programa mencionado. Todos los átomos dif erentes al hidrógeno (a ex epción de los perte ecientes grupos carboxílicos) pueden er refinad s anisotrópicamente. Los átomos de hi rógeno se colocan en posiciones idealizadas y se tratan con la opción modelo “riding” de SHELXL97: los átomos de hidrógeno s n inducidos a m verse (con trained to ide) sobre los respecti os átomos de referencia co un desplazamiento isotrópico paramétrico últiple del tomo de r  ferencia, por  def ecto.

Difractóm tro Enraf-No ius CAD4

5.2. Métodolo ía para la aracteriza ión de propiedades espectroscópicas Es ectros de emisión Raman

Lo espectros de emisión Raman pueden ser adquiridos con un espectrofotómetro FTRaman Bruke FRA106 quipado c n un dete tor criogénico de Ge con un láser  Nd::YAG de e citación (1 64 nm), e configuración retrodispersada (b ckscattering ) co una fuente laser de 2 0 mW. (La luz retrodis ersada se filtra espectralmente y e co vierte en señales eléctricas en los can les de edición po r medio e fot detectores, se amplifica y se proc sa electrónicamente). El módulo RA106 uni o a un espectrof  tómetro Jo in-Yvon pr  porciona las medidas e spectroscó icas Raman. En este sistema, la fuente de excitaci n, como se ha dicho, e s un láser  d-YAG (10 4 nm). El compartimiento de muestra está equipado con una fuente de ref  rencia y to a la óptica necesaria para recoger la radiación dispersada a 90° y a 180°. El int rferómetro consta de n desdoblador de haz de CaF2. omo detec or se usa n diodo de Ge pr e-enfriado n nitrógeno líquido. La región cubi rta por el i strumento s 50-3500 cm-1.

Equipo e espectroscopía de emisión Raman

Es ectroscopía de infrar rojo con tr  nsformad  de Fourie , FTIR 

Es una técnica que mide l absorción de luz infrarroja a difer entes longitudes de on a por  compuestos y mat riales. Sir  e para identificar componentes molecular  s es ecíficos. E el modo TR (reflectancia total atenuada) el método se hace m s se sible a sup rficies con una profund idad de son da de vario μm. Como instrum Fo rier BRUK KBr, cuarzo y estos element ab rcando un

ntación, puede utilizar se un espe trofotómetr o IR de tra sformada e R IFS 66 equipado co fuentes IR y de luz bl nca, divisores de haz e substrato sólido, y detector DLaTGS. Las di tintas com inaciones e s permiten realizar re istros en el IR lejano, medio y c rcano/visible, ango espec tral de 400 a 400 cm-1 con una re olución de cm-1.

Espectrofotómetro ATR-FTIR

5.3. Metodolo ía para la aracteriza ión de propiedades t rmicas El análisis ter mogravim trico (TGA es una té nica que mide la variación de ma a en un compuesto en función de la t mperatura. Las variaciiones de temperatura o siempre implic n un cambio en la ma a de la muestra; exist n, sin emb rgo, cambi s tér  icos que í se acompañan de u cambio d masa, co o la descomposición, la su limación, la reducción, la desorción, la absorción y la vaporización. stos cambi s pu den ser  edidos con el analizador termogravimétri o. Un analizador m y ampliamente utilizado para estos registros es el Mettler Toled TGA/SD A 851e/SF/1100 que opera en el intervalo 25 - 1100 C con una sensibilidad de 0,1 μg.

nalizador odelo Mettl r oledo TGA/SDTA 851 / F/1100 al ( DSC  DSC   ) es una técnic termoanalítica en la q e La Calorimetr a de barri  o diferenci al (  la iferencia de calor entre una muest a y una referencia es edida como función de la te peratura. l principio básico sub acente es que, cuan o la muestra sufre u a tra sformación física tal c mo una transición de ase, se ne esitará que fluya más (o menos) calor  a la muest a que a la referencia para mantener amba a la mis a te peratura, dependiendo de si el proces es exotérmico o endotérmico. De erminando la diferencia de flujo calorífico entre muestra y referencia, l s calorímetros DSC son ca aces de medir la cantidad de cal r absorbid o elimina o dur ante tales tr ansiciones.

Equipo SC TA Instr ments modelo Q100 v9.0

Curvas DSC . Son curvas de fluj

calorífico versus temperatura. Existen d s co venciones diferentes al representar los efectos térmicos: la reaccion s ex térmicas p eden ser mostradas como picos p sitivos o n gativos de endiendo d el tip de tecnología o de instrumentación utilizadas en la realización del experimento. Lo efectos sobre o bajo na curva DSC pueden ser utilizad s para calcular entalpí s de transiciones. Este cál ulo se realiza integrando el pic correspondiente a u a tra sición dad y aplicando la ecua ión  H = K A donde  H es la entalpía de la tra sición, K  e la constante calorimé rica y A, el área bajo l curva. Un equipamien to idóneo para la consecució de estas curvas es el DSC Q100 9.0 Build 275.

5.4. Metodolo ía para la aracteriza ión de propiedades f toluminis entes Es ectros de fotolumini  cencia

La fotoluminis encia (PL) un radiación. Los espe es ectrofluoró etro Jobi (enfriado con itrógeno lí lá para xenó de 450 ad uiridos en l intervalo de 1 nm.

es la emisi n de luz s bsiguiente a la absorción previa e tros de P pueden ser registrado, por eje plo, con n Yvon Fluorolog 3 quipado c on un det ctor InGa s uido y con intervalo de operación 0.8 - 1.6 icron) y u a , tras excitación a 350 nm. Lo s espectro pueden s er  50 – 1600 m con un tiempo de in egración d 1 s a etap s

Espectroflu rómetro Fl oroLog ® -3

El espectrofluorómetro Fl oroLog®-3 es un siste a modular  de fluores encia idón o par a las investigaciones a realizar pues es capaz de llevar  a cabo, con una eleva a se sibilidad y flexibilidad,, análisis t nto en las regiones ultravioleta y visible del es ectro de fluorescencia como en el IR lejano. ntre sus c racterísticas destacad s se cuenta su xtrema sensibilidad (ell más sensible del mer cado) y su capacidad e detectar fluor  sceína a oncentraci nes 50-fe tomolares. Aparte, el sistema s co trolable a tr avés de un PC.

6. ENSAYO DE INTRO UCCIÓN E LOS IONES ERBI (E ITER IO) EN L S CAPAS UPERFICIALES DE LOS SUSTRATOS VÍTREOS MEDIAN E IMPREGNACIÓN D VIDRIOS MESOPOROSOS CON SOLUCIONES E COMPLEJOS DE ER IO (E ITE BIO) Ha sido diseñado a partir de las d scripciones publicada por Sofer  et al. [17] y Tresnakova et al. [18]: Fa ricación e sílice esoporos . Se comienza mezclando tetraetilortosilicato (T OS) [ó tetr  metilortosilicato (TMO )] y ácido clorhídrico y agitando d rante 1 hor a. Después, se adiciona m tanol y s agita 1 hora más. e añade loruro de ncetiltrimetilamonio [CH3(C 2)15N(CH3)3] Cl (CTMACl) y se sig e agitando durante 24 h. Se filtra y se ealiza un s ol-gel spin-coating , si e quiere obtener una película o e procede al hil do si se uiere obte er una fibr a. Se procede al sec do según la se uencia: 60, 130 y 200 º C. Finalmente, se lleva a 400ºC 12 h en aire. Consecución alternativ  de otr  s vidrios mesopor  sos. Pue e realizar  e co ercialmente a través de la adquisición de obl as de vidri poroso SI AX (Kavalier  glass, Repúbli a Checa), de 3 mm de espesor, obleas ZBLAN, etc. Inc orporación de los co  plejos de Er o Yb. Se realiza por  impregnación a partir  e

un solución del complejo de Er o Y en metan l o etanol (entre 1,5×10-3 y 1,5×1 -2 M), tomando 10 mL de es solución y sumergien o en ella la película, o lea o fibra e vidrio mesopor oso. Después, se aplica un tratamiento con ul rasonidos. Se procede a extraer del recipiente la fi ra o película impregnada y se eli ina el exceso de alcohol ha iendo pasar una corrie te de nitróg eno.

Disolver el complejo de Er/Yb en et nol

Inmersi n de película de sílice o fibra de sílice mesoporosa

Tratamient por ultrasonidos

Evaporació del disolvente

Se uidamente,, las muestr as se trata gradualmente por rec ocido. En este moment o, se ha de disp ner de la i formación de los registros de análisis térmic . El recoci o siempre ha d comenzar  a temperatura inferior  a las de escomposición de ca a co plejo. Toda vez que las desco posiciones de los co plejos no son proces s se cillos y cu san a trav s de la formación de varios productos inte mediarios, el recocido ha de comenzar a temperatura ligeramente por debajo de la correspondiente a l formación del primer producto intermediario.

Si e quiere al anzar el si terizado, el recocido d bería conti uar hasta or encima e 10 0 ºC pero a estas te peraturas, evidenteme te, los co plejos de rbio o iterbio ha descompuesto a sus correspondi ntes óxidos y oxifluorur os. Una observaci n clave par a conseguir  un buen re cocido es ll varlo a cabo lentament e. Si l recocido e las muestras impreg adas se realiza de mo o rápido, l s volátiles e la escomposi ión resulta atrapados en las mue tras en for  a de burbu jas que ya o de aparecen or ningún procedimie to. Por consiguiente, es preciso insistir en la co veniencia de recocer e apa por eta pa.

po o pared de sílice vítrea

erbio d pante

7.

ALTERNATIVAS A LA SÍLICE MATERIA ES DOPA TES: CO UTILIZAR VIDRIOS FLUORAD PERFLUORADOS Y IDRIOS C

ÍTREA COMO ANFIT IÓN DE LOS NUEV S SIDERACI NES SOB E LA POSIBILIDAD E S TIPO ZBLAN, MATERIALES PLÁSTIC S DOPADO CON FOSFORO.

Sobre las fibr  s Er:ZBLAN y Er,Yb: BLAN 

Como se ha indicado en ecciones anteriores, los vidrios fl oruro han enido sien o co siderados esde 1978 [8,19,20] c mo unos excelentes anfitriones p ra el dopa o por  lantánidos. Una característica pa ticularment atractiva e estos vidrios fluorur  s co o anfritriones es la gr  n anchura de banda q ue exhibe e l espectro e emisión e su dopantes en compar  ción con el caso de l os vidrios base de óxidos. En el ex elente artí ulo de re isión de iniscalco [21] aparece la banda de emisi n nor malizada p ra Er 3+ en vidrios óxido y fluoruro como anfitriones, repr oducida en la fig ra siguient . Puede apreciarse perfectamente que la anc hura de ba da es muc o más amplia p ra el fluorohafnato qu para los idrios silic tados. Sin embargo, l s es ectros de misión y anchuras de banda mostrados e la figura pueden est ar  influenciados por la reabsorción, con lo que resulta más valioso examinar la anchura de banda de g nancia. La anchura de banda de g anancia se refiere a la anchura de la ga ancia activ que pued esperarse en un amplificador de ganancia alta. Los dat s de la tabla d la página siguiente, tomados p r Miniscal o [21] mu stran que la an hura de banda FWHM a 1550 nn para la cual la ganancia permane e por enci a de algún valor  (por ejemplo, 20 dB o más), resulta significativamente mayor para l s vidrios fluoruro en compar  ción con los silicatado .

Es ectros de e isión a 15 0-nm para diferentes vi rios hospe adores dop dos con Er3+. Obsérvese la v riación en aspecto y anchura de lín a de los di ersos vidrios [20,22]

En 1990, Spiri et al . [23] doparon un a fibra fluor ocirconato e 7.1 µm e núcleo c n 50 ppm de E 3+ para am lificar luz en la banda e 1550 nm . Se hizo u o de un láser  de bombeo a 485-nm y la longitud e la fibra d opada con r fue de 5 m. Utilizan o este amplifica or de fibra fueron capaces de co seguir una ganancia e 18 dB c n var iaciones m nores de dB en el intervalo 1 34-1561 n m. Este comportamiento resulta favora le al com ararlo con el de un fibra de sílice codo ada con l. Realmente, la única venta a para los nfitriones fluoruro es que su curv de gananc ia es ectral resulta más plana que la de los anfitriones de sílice pues, por  otra parte, la efi iencia la fibra ZBLAN dopada con erbio, es pr  cticamente la misma que la fibra e vidrio.

Anchura de banda de ganancia (nm) a 1500-nm para algunos vidrios dopados con Er3+ Vidrio Sílice dopada con Al/P Fluorozirconato Fluorohafnato

FWHM, nm 43.3 63.3 63.8

Pico 20 dB 7.9 16.4 17.3

Pico 30 dB 6.4 11.7 13.2

Pico 40 dB 5.3 9.0 10.4

En 1988, dos años antes, Brierly y France [24] obtuvieron un láser de fibra eficiente al utilizar fibras fluorocirconato dopadas con erbio. La fibra utilizada, una multimodo dopada con erbio, de 75 cm de longitud, fue bombeada con radiación de 476,5 nm desde un láser de ión Ar. La salida de onda continua ( cw ) a partir de la transición 4I11/2 → 4I13/2 proporciona acción lasing  a 2.7 µm. Allen et al. [25] también consiguieron acción lasing  a la misma longitud de onda para fibras Er:ZBLAN. En este caso, se utilizó un diodo láser mucho más conveniente a 792 nm para bombear la fibra. La máxima potencia de salida fue de alrededor de 2 mW y la eficiencia fue del 8%. No obstante el carácter esperanzador de los resultados anteriores, el interés por las fibras Er:ZBLAN resultó afectado cuando en 1992 se publicó que su eficiencia era superada por la de las fibras fluoruro co-dopadas con Ho3+ y Tm3+ [26]. A partir del año 2000 y para mejorar esta situación, o sea, las características de fluorescencia de la banda a 1550 nm y la dinámica de la transferencia de energía, se ha acudido al recurso de dopar los vidrios Er:ZBLAN con Yb y Ce [27,28]. Según Nagamatsu et al. [27] el codopado con Yb 3+ optimiza la eficiencia de excitación del bombeo a 980 nm y el codopado con Ce 3+ mejora la relación de bifurcación ( branching  ratio) del nivel de transición 4I11/2 –4I13/2 del Er 3+, lo que se traduce, como resultado, en un aumento del rendimiento cuántico de la fluorescencia a 1550 nm. Otro es el caso de la luminiscencia por  upconversion de vidrios ZBLAN co-dopados con Er e Yb en diferentes proporciones: Er(0.5)Yb(3):ZBLAN, Er(0.5)Yb(1):ZBLAN y Er(0.5):ZBLAN, excitados por láser de 1520 nm. Según Xiabo et al. [29,30], [29,30], se trata de un nuevo tipo de fluorescencia de radiación cooperativa por  upconversion que procede de estados cluster acoplados de dos iones Yb 3+ y que representa un nuevo procedimiento de conseguir luminiscencia de upconversion en el UV, en el azul y en el verde. Las fuertes emisiones en el verde son procesos di-fotónicos secuenciales mientras las emisiones azules son procesos multi-fotónicos debidos a la fuerte sensibilización del Yb 3+. Volviendo sobre el aspecto principal que nos ocupa y a la vista del hallazgo, suficientemente constatado en la revisión de Philipps et al. [28], de que los vidrios fluoruro dopados con Er 3+ e Yb3+  poseen una ganancia más plana y más ancha que la de los EDFAs basados en sílice , parece prometedor continuar este proyecto

ensayando el dopado de fibras ZBLAN con los complejos de Er e Yb obtenidos. Sobre las fibras Er-POF 

Fueron propuestas en 2003 por Kuriki et al. [31], [31], quienes realizaron ensayos sobre soluciones de Er(dfhd) 3 en medio perfluorocarbonado (mezcla de poli(perfluorobutenilvinileter y liquido perfluorocado 3M PF-5080 en proporción 1:9 % en peso) y han preconizado para futuras fibras plásticas energías fonónicas similares a las de la sílice vítrea.

52

Sobre las fibr  s Er/Yb D OF 

A la altura de 2004 ha e pezado a cobrar interés especial un nuevo tipo de fibr a, cit da en el apartado 3.1, fabricada por la firm canadien e CorActi e High-Te h Inc., que abre la posibilidad de combi ar un núcle o dopado c on erbio e iterbio con d s cu iertas, una interna de sílice y otra xterna, bie de sílice o de polímero fluorado. La características técnicas de las fibr as comercializadas aparecen a continuación:

Sobre las fibr  s Er/Yb fluorofosfato

A aíz de la eciente aparición en el mercado de un YEDFA come cializado por  Fibercore® co o DF1500 , caracteri ado por u a matriz ví rea dopad con fósfor o, he os procedido a ensa ar la incor poración a la misma e complejos de erbio e iter bio con lig ndos fluor  ro, como f uente de d pantes flu ruro. De este modo, e optimizará el r equerimiento del dopa o con fósforo con el dopado con lúor para d ar  lugar a un co opado con efectos si ilares a las de los vidrio fluorof  sfato, en n sit ación similar a la de lo vidrios fluorofosfatos, itados en el epígrafe s bre las fibr  s Er: BLAN y Er ,Yb:ZBLAN. Cuando se tra a de fabric r YEDFAs, las claves on la utiliz ción de co centracion s de iterbio alta y que el núcleo esté dopado con fósforo (como ocurre en el YED A co ercial de Fibercore an eriormente citado: el DF1500Y). Ell nivel de iterbio crea u a muy ancha e i ntensa ban a de bom eo que per mite el uso de una amplia gama e fuentes de bo beo de al a potencia. La utilización de un vidrio dopado con fosfato par a el núcleo facilita la transferenci eficiente de energía e los ione iterbio a l s iones erbio para producir  la deseada “salida” dentro de la entana de 1550 nm. a naturaleza “in irecta” de este proceso de bom beo implic que las ficiencias e co versión óptica-óptica no alcanzarán las de las fibras dop das solo c n erbio per o, en la práctica, esta relativa ineficiencia ha sido ompensad por la dis onibilidad e potencia de bombeo a l ngitudes de onda alt ernativas. EDFAs de dos etapa s, bo beados a 1047 nm por microlás res YLF h n proporci nado cons ecuciones e +3 dBm, indic tivas de eficiencias de conversión ptica-óptic del 35%.

Absorció de bombe típica en la región 860-1080 nm

8. PREVISIONES PAR EDFAs Y EDFAs

LOS NU VOS MATERIALES

N SU APLICACIÓN A

Potencia-prec io

Desde una per spectiva potencia-precio y la vista de su evolución en los últimos año s, par ece mucho más conveniente do ar con erbio e iterbio que realizar el dopa o tra icional solo con erbio. Se impone, pues, la utilización de ezclas de los complej s obtenidos como dopantes la adopción de la tecn ología YEDFA

Extensión de la capacidad para amplificadores EDFAs y tra icional a 980 nm [32].

EDFAs con el bomb o

Tecnolo ía YEDFA

En la tecnolo ía YEDFA se utiliza la tecnología 1550 n de alta otencia pa ra tra sportar sol la información de tra misión anc a (broadcast informati on). Como e ve en la figura, un amplific dor de fibr  dopada con erbio e iterbio (YEDF ) de 22 dB m pu de impulsar (hit ) 64 odos o 32 .000 suscri tores, proporcionando un coste e tra misión sig ificativamente más b   jo. Para l informaci n de difu  ión selecti va (narrowcast in ormation), s más con eniente us r un trans isor de 1300 nm de ba jo co to para transportar sol canales d modulación por amplitud en cuad ratura ó QAM [29]. Después, se combin n ópticamente las dos longitudes de onda para entregar  al no o.

9.

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