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Capitulo 6: Amplificadores ópticos. El interés por amplificadores ópticos que operen en tercera ventana es bien conocido. Sin lugar a dudas, la aparición de los amplificadores de fibra dopada con erbio (erbium-doped fiber amplifier, EDFA) produjo en su día una revolución en el mundo de las comunicaciones ópticas. En la actualidad, los sistemas DWDM son una realidad gracias a que el EDFA puede amplificar simultáneamente simultáneamente hasta 96 canales dentro de la banda convencional de transmisión. transmisión. Otra alternativa alternativa la constituye la amplificación Raman, basada en fenómenos no lineales. Esta tecnología ofrece características únicas, como por ejemplo la posibilidad de una figura de ruido negativa, si bien requiere una longitud de fibra bastante grande para poder actuar de forma efectiva. Los amplificadores ópticos basados en láseres de semiconductor también han sido intensamente investigados. No obstante, su diseño sufre de diversos problemas y resulta difícil conseguir figuras de ruido inferiores a 10 dB, a la vez que el dispositivo es sensible a la polarización de la señal. Actualmente, la gran mayoría de los sistemas DWDM desplegados comercialmente hacen uso de EDFAs. Los fabricantes fabricantes han conseguido ganancias tan altas como 30 dB y figuras de ruido en torno a 5 dB para la banda de 1530 a 1565 nm. Sin embargo, estos módulos integran un gran número de componentes discretos en un complejo proceso de fabricación. Una alternativa se basa en un reciente trabajo sobre amplificadores de guía-onda óptica planares demostrado por un equipo de Bell Labs. Estos dispositivos, llamados amplificadores de guía-onda dopada con erbio (erbium-doped waveguide amplifier, EDWA), se basan en el principio de funcionamiento de los EDFAs aunque empleando una tecnología distinta que permite una mayor compactación. En este capítulo analizaremos el principio de funcionamiento de los EDFAs, además de sus caracteristicas y aplicaciones aplicaciones para abordar posteriormente un breve estudio de los de los EDWAs.
3.1. Conceptos básicos. En prácticamente cualquier cualquier enlace de comunicaciones ópticas llega un momento en que es necesario regenerar la señal que se ha degradado debido básicamente a la atenuación. atenuación . Los regeneradores han sido históricamente sistemas opto-electrónicos que reciben la señal óptica pasándola al dominio eléctrico y aplicándole el proceso denominado 3R: Reconstrucción, Extracción de reloj y Regeneración de la señal. En la 1ª generación generación los regeneradores estaban situados cada 2 km. km. En sistemas de 2ª generación cada generación cada 40-50 km típicamente y típicamente y en los de tercera generación se generación se puede llegar a los 100 km. km. En cualquier caso, el uso de regeneradores, aunque necesario, hace que las redes no sean transparentes, transparentes, esto es, cuando se tiene que aumentar la capacidad de una línea se han de cambiar o reconfigurar todos los regeneradores de la línea. Por otra parte tiene una ventaja clara: la señal se regenera totalmente cada cierta distancia. Visto lo anterior, sería conveniente de cara a mejorar el diseño de las redes ópticas el poseer un elemento de red que permitiera compensar las pérdidas por atenuación para así poder alcanzar mayores distancias sin tener que aplicar conversiones optoelectrónicas. Además, debiera ser transparente a la tasa de transmisión para poder ser usado en redes transparentes y amplificar las longitudes de onda en las que se trabaja en enlaces de comunicaciones ópticas. Este elemento es un amplificador óptico.
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Un amplificador óptico no realiza conversiones optoelectrónicas, sino que amplifica el flujo de fotones incidentes mediante la emisión estimulada. Típicamente es independiente de la tasa de transmisión transmisión y tiene un ancho de banda óptico limitado. El uso de amplificadores ópticos ha revolucionado los sistemas de comunicaciones ópticas y ha hecho posible la utilización de sistemas WDM. Evidentemente, no todo son ventajas, ya que los amplificadores introducen ruido en la señal transmitida y, lo que es más importante, se acumula la dispersión. Esto ha dado lugar a un cambio de filosofía en el diseño de las redes ópticas, que antes se diseñaban teniendo como parámetro fundamental la atenuación y ahora lo que hay que minimizar y compensar es la dispersión. Atenuación en la fibra óptica Aquí se puede apreciar que en la 3ª ventana es donde se produce la menor atenuación la que la hace un buena zona para que trabaje un amplificador óptico
Figura 6.1 Atenuación versus versus longitud de onda en la fibra fibra óptica. Tipos de amplificadores ópticos - Amplificadores Amplificadores ópticos de semiconductor (SOA) •
Están basados en estructuras de semiconductor como las de los diodos láser, pero en donde se ha eliminado el resonador.
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Tienen problemas de dependencia de la polarización, de cruce de canales (crosstalk), y de dificultad dificultad de encapsulado.
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Pueden funcionar en 2ª ventana.
- Amplificadores Amplificadores basados en efectos no-lineales de fibras ópticas (Brillouin, Raman) •
Están basados en la difusión no lineal de potencia de una longitud de onda de bombeo a la longitud de onda de la señal.
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En estado de investigación, los amplificadores basados en la difusión Raman parecen empezar a tener una salida comercial
- Amplificadores ópticos basados en fibras activas •
Están basados en fibras dopadas con tierras raras: Er3+ que presenta ganancia en la región de 3ª ventana (EDFA), (EDFA) , figura 6.2, y Pr3+ (PDFA) con ganancia en 2ª ventana.
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Un amplificador óptico no realiza conversiones optoelectrónicas, sino que amplifica el flujo de fotones incidentes mediante la emisión estimulada. Típicamente es independiente de la tasa de transmisión transmisión y tiene un ancho de banda óptico limitado. El uso de amplificadores ópticos ha revolucionado los sistemas de comunicaciones ópticas y ha hecho posible la utilización de sistemas WDM. Evidentemente, no todo son ventajas, ya que los amplificadores introducen ruido en la señal transmitida y, lo que es más importante, se acumula la dispersión. Esto ha dado lugar a un cambio de filosofía en el diseño de las redes ópticas, que antes se diseñaban teniendo como parámetro fundamental la atenuación y ahora lo que hay que minimizar y compensar es la dispersión. Atenuación en la fibra óptica Aquí se puede apreciar que en la 3ª ventana es donde se produce la menor atenuación la que la hace un buena zona para que trabaje un amplificador óptico
Figura 6.1 Atenuación versus versus longitud de onda en la fibra fibra óptica. Tipos de amplificadores ópticos - Amplificadores Amplificadores ópticos de semiconductor (SOA) •
Están basados en estructuras de semiconductor como las de los diodos láser, pero en donde se ha eliminado el resonador.
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Tienen problemas de dependencia de la polarización, de cruce de canales (crosstalk), y de dificultad dificultad de encapsulado.
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Pueden funcionar en 2ª ventana.
- Amplificadores Amplificadores basados en efectos no-lineales de fibras ópticas (Brillouin, Raman) •
Están basados en la difusión no lineal de potencia de una longitud de onda de bombeo a la longitud de onda de la señal.
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En estado de investigación, los amplificadores basados en la difusión Raman parecen empezar a tener una salida comercial
- Amplificadores ópticos basados en fibras activas •
Están basados en fibras dopadas con tierras raras: Er3+ que presenta ganancia en la región de 3ª ventana (EDFA), (EDFA) , figura 6.2, y Pr3+ (PDFA) con ganancia en 2ª ventana.
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Su gran ventaja es que son dispositivo todo-fibra, todo-fibra, eliminándose los problemas de los SOA: no hay que alinear fibras, no dependen de la polarización, no existe cruce de canales.
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Su gran desventaja (EDFA): opera en tercera ventana, mientras que toda la fibra instalada está preparada para optimizar la dispersión en segunda. Esto agrava lo comentado anteriormente.
Figura 6.2 Repetidor/amplificador EDFA Funcionamiento Funcionamiento amplificador EDFA (erbium doped fiber amplifiers) Para entender este fenómeno hay que hacer una breve introducción: la Mecánica Cuántica nos dice que un electrón dentro de un átomo no puede tener cualquier energía, sino sólo unas determinadas y concretas que forman una serie de "niveles energéticos", característicos de cada átomo, como si se tratase de un edificio con sus respectivos pisos. Los electrones están normalmente en el "piso bajo" de ese edificio, es decir, en el llamado "nivel fundamental" o de mínima energía. Cuando al átomo llega radiación (luz) de la energía adecuada, los electrones podrán subir hasta los niveles superiores de su edificio energético. Transcurrido un cierto tiempo, los electrones caerán de nuevo al nivel fundamental dando lugar a la emisión de luz, cuya energía (y por tanto su "color") depende de la estructura de niveles de cada átomo. Este es el proceso normal de emisión de luz que en este contexto se denomina emisión espontánea.
Figura 6.3. Secuencia de emisión estimulada y espontánea
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Entre los elementos químicos conocidos como lantánidos o tierras raras, uno de ellos, el Erbio, centrará nuestra atención en lo que sigue. El salto energético entre el nivel fundamental y el primer estado excitado, es decir, entre el piso bajo y el primer piso del edificio energético del ión de Erbio, corresponde a luz infrarroja con una longitud de onda de 1500 nanómetros y con una "anchura" (intervalo de longitudes de onda) de alrededor de 40 nanómetros. Esta es justamente la longitud de onda de máxima transmisión, mínimas pérdidas, de las fibras de vidrio de óxido de silicio utilizadas en los sistemas de comunicaciones. Esta coincidencia ha hecho posible la revolución en las telecomunicaciones que nos han traído las fibras y los amplificadores ópticos. El proceso, en nuestro caso, es el siguiente: Por la fibra óptica se envía información mediante luz infrarroja de longitud de onda en torno a 1500 nanómetros. Esta luz infrarroja llega a los iones de Erbio que se encuentran en el amplificador óptico. Mediante la iluminación o excitación con un pequeño láser de diodo, se consigue que los electrones de los iones de Erbio se encuentren mayoritariamente en un nivel energético superior al fundamental (inversión de población). En estas condiciones, la señal de luz que llega al amplificador óptico induce la caída hasta el nivel fundamental de los electrones previamente excitados, obteniéndose emisión de luz con la misma longitud de onda que la señal incidente (emisión estimulada). De esta manera se consigue tener a la salida del amplificador luz infrarroja más intensa que la que teníamos a la entrada (amplificación óptica), haciendo las veces de "repetidor" de la señal. El "corazón" de un amplificador óptico es, por lo tanto, un material que posee cantidades relativamente pequeñas de estos iones lantánidos. Históricamente el primero en utilizarse, y aún hoy el de uso mayoritario, es el Erbio. De ahí que el nombre de los primeros amplificadores ópticos desarrollados en 1987 en la Universidad de Southampton (Reino Unido) fuera "EDFA", siglas en inglés de amplificador óptico de fibra dopada con Erbio.
La incesante demanda en el campo de las telecomunicaciones de incremento de velocidad y capacidad de transmisión hacen necesaria la búsqueda y el desarrollo de nuevos materiales, ya que, a medida que la "anchura" de la que antes hablábamos aumente sin perder sus características (en el argot, que su perfil sea plano), es posible ampliar la capacidad de transmisión de señales en las fibras ópticas (el conocido "ancho de banda" de los distribuidores de ADSL). No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.4. Diagrama de la señal de salida de un amplificador EDFA No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.5. Potencia versus Longitud del amplificador
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Como ya sabemos, el proceso de emisión estimulada se produce entre dos niveles de energía o dos bandas, por lo que el rango de energías accesibles, o lo que es lo mismo, el rango de longitudes de onda que se van a amplificar está limitado por los materiales que utilicemos en la fabricación del amplificador. Esquema de emisión-absorción. Fibras dopadas con erbio Las fibras dopadas con erbio (EDFA) son fibras con base de sílica (como las fibras de telecomunicaciones habituales) en las cuales se introduce una concentración de iones erbio. El esquema de niveles energético (iones de erbio sobre red de sílica) se muestra en la figura 6.6.
Figura 6.6. Fibra dopada con Erbio Se aprecia que existe una transición interesante en el entorno de la 3ª ventana y una gran cantidad de esquemas de bombeo óptico. Los esquemas preferidos son los de 980 y 1480 nm ya que existen láseres de semiconductor emitiendo a esas longitudes de onda.
Figura 6.7. Esquema de emisión- absorción En la figura 6.7 se puede apreciar el esquema de emisión espontánea (fluorescencia) que presenta la transición óptica elegida, que vemos se extiende entre 1.52 y 1.57 !m, en plena 3ª ventana: en estas longitudes de onda se va a poder producir amplificación. También se muestra el esquema de absorción que se produce entre esos mismos niveles que, como no podía ser de otra manera, tiene el máximo en la misma longitud de onda.
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Esquema de niveles No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.8. Esquema de niveles en un amplificador EDFA
Figura 6.9. Sección cruzada versus longitud de onda. De esta gráfica podemos darnos cuenta de algunas cosas: 1) que en las longitudes de onda de emisión hay también absorción (esquema de 3 niveles), 2) que se puede bombear en 1.48 !m (más absorción que emisión) y 3) que la curva de ganancia no es homogénea, esto es, hay longitudes de onda que se amplificarán más que otras dentro de la curva de amplificación del EDFA. Esquema básico de un EDFA:
Figura 6.10. Esquema básico de un EDFA
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En un principio parece más complicado que un SOA, pero realmente es más sencillo, ya que todos los dispositivos están hechos con fibras ópticas y la mayor dificultad estriba en realizar bien los empalmes. Se precisan fuentes láser para bombear la fibra dopada con erbio y aisladores para evitar que posibles reflexiones en dirección contrapropagante puedan ser amplificadas: son dispositivos que funcionan en una única dirección. Estos amplificadores son los utilizados masivamente en redes de comunicaciones ópticas por su fiabilidad y características mejoradas con respecto a los SOAs. !
La fibra es bombeada desde un láser
!
Se utilizan coplas para efectuar el bombeo.
!
Un aislador se encarga de arrojar la señal de salida
Bombeo Existen dos esquemas de bombeo diferentes, uno a 980 nm y otro a 1480 nm. El de 1480 nm fue preferido en un primer momento ya que los láseres de 980 nm no estuvieron bien desarrollados hasta más adelante. Las diferencias entre ellos se aprecian más o menos en la figura:
Figura 6.11. Esquema de bombeo Depende de la aplicación se usará un esquema de bombeo u otro - El bombeo a 980 nm es más eficiente (se obtiene más ganancia con menos watios) - El bombeo a 1480 nm permite obtener mayores ganancias y, sobre todo, mayores potencias de salida (a costa de bombear con mayores potencias) - Los amplificadores bombeados a 980 nm presentan mejoras características frente al ruido (Esto no se aprecia de las figuras, y la razón la veremos más adelante) Configuraciones de Bombeo No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.12. Distintos tipos de configuraciones de bombeo
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Características del amplificador EDFA Ganancia El esquema de ganancia de un amplificador es como el mostrado en la figura: mientras la señal de entrada es pequeña, el amplificador da la máxima ganancia. Llega un momento en que la potencia de entrada es tan grande que energéticamente el amplificador ya no puede dar toda la ganancia, y esta cae: se dice que el amplificador trabaja en un estado saturado (la potencia de saturación se define como el valor de salida para el cual la ganancia ha caído 3 dB) Para cada longitud de fibra existe un bombeo óptimo, y para cada potencia de bombeo una ganancia máxima posible (dada por la concentración de iones de erbio).
Figura 6.13. Caracteristicas de ganancia. Características de la ganancia La ganancia depende de diversos parámetros: !
Concentración de iones de Erbio.
!
Largo del amplificador
!
Radio del núcleo
!
Potencia de bombeo
!
Presencia de materiales codopantes
Ganancia v/s largo del amplificador Para una potencia de bombeo, la ganancia se hace máxima para un valor óptimo de L, y decae rápidamente cuando L excede dicho valor. Esto se debe a que la última porción del amplificador se mantiene no bombeada y absorbe la señal amplificada.
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Igura 6.14. Ganancia versus largo del amplificador. Ruido en EDFA’s: ASE Todo amplificador introduce ruido en la señal que amplifica. El ruido aparece en los amplificadores debido a la aparición de emisión espontánea, que se puede amplificar a su vez en la fibra de Erbio y que denominaremos ASE (Amplified Spontaneous Emission) La ASE va a producirse en todo el rango de longitudes de onda de la fluorescencia y, al llegar al detector junto con la señal, se van a producir interacciones o batidos entre las diferentes longitudes de onda presentes en el detector que darán lugar a una fluctuación de la intensidad recibida. La densidad espectral del ruido dado por la ASE es prácticamente constante y se puede escribir como:
con
Figura 6.15. Longitud de onda versus potencia. De forma que la potencia óptica de ruido debida al ASE se puede escribir como:
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En el receptor, uno podría pensar que el único término que se debería añadir al ruido sería el ruido cuántico debido a la potencia de emisión espontánea que produce el ASE. Esto no es así, es algo más complejo y tiene que ver con los batidos o interferencias que se producen al hacer interferir dos ondas electromagnéticas coherentes: si llega señal a una determinada longitud de onda (campo eléctrico E1) y se mezcla en el detector con otra señal de longitud de onda igual (detección homodina) o ligeramente diferente (detección heterodina), (campo eléctrico E2) la potencia recibida no es simplemente P1 + P2 sino la resultante de hacer
, que lleva un término
en donde " es el desfase entre los campos (en principio, arbitrario) y que da lugar a un batido entre las señales. Por lo tanto, los términos de ruido ya no son sólo los de ruido cuántico y ruido térmico sino también términos en 1) batido entre la señal y el ASE 2) batido entre ASE y el propio ASE y 3) batido entre el ASE y el propio ruido cuántico. Si no hay amplificadores, la varianza de la intensidad recibida en el detector sólo cuenta con los términos debidos a ruido shot y ruido térmico:
Términos de ruido Al utilizar amplificadores obtenemos, además de un aumento en la potencia, y por tanto en el ruido shot, la aparición de nuevas frecuencias ópticas, que van a juntarse en el detector produciéndose un batido que repercutirá en nuevas oscilaciones de la intensidad generada. Aparecen nuevos términos:
Donde
Los términos de batido entre señal y ASE (sig-sp) y entre ASE y ASE (sp-sp) son los dominantes a la salida del amplificador (van con G2), incluso por encima de los ruidos shot y térmico. El término spsp puede reducirse usando filtros ópticos que limiten su ancho de banda.
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Figura de ruido Para cuantificar la pérdida de SNR que se produce en un amplificador se utiliza la figura de ruido, que se define como:
Relación señal a ruido como si pusiéramos un detector a la entrada y a la salida del amplificador Trabajando con las expresiones utilizadas anteriormente, se puede demostrar que la figura de ruido, esto es, la pérdida en SNR en el amplificador es:
Con
En el mejor de los casos la figura de ruido es de 3 dB, y en EDFA´s es bastante mayor ya que se comporta como un láser de 3 niveles. Si se utilizan láseres de bombeo de 980 nm la figura de ruido es bastante menor, ya que el esquema de bombeo es más efectivo, esto es, nsp tiende a la unidad. También mejora la figura de ruido en láseres trabajando a muy altas potencias de bombeo por el mismo motivo. Valores típicos: 4-8 dB. Por lo tanto podemos conocer cuánto vale nsp: NF/2 Amplificadores ópticos y la dispersión Los amplificadores ópticos no compensan la dispersión ni quitan el ruido de la señal, ya que el ruido y la dispersión son acumulativos. Cuando la dispersión y el ruido llegan a los límites permitidos, entonces se debe regenerar la señal. Comparación entre amplificadores. Comparación SOA-EDFA No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
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Comparación EDFA-RAMAN
Aplicaciones de los EDFA’s Los EDFAs se han utilizado para una serie de aplicaciones en enlaces terrestres, con datos tanto en formato digital como analógico, y también en enlaces submarinos. De acuerdo a la aplicación para la que estén fabricados, los EDFA varían sus características principales adecuándose al enlace para el que son diseñados. Por su situación dentro de un enlace los amplificadores pueden ser divididos en: !
Preamplificadores
!
Amplificadores de potencia (booster)
!
Amplificadores en línea
Las aplicaciones de preamplificador o de amplificador de potencia son válidas para distancias moderadas, menores de 200 Km. Para mayores distancias, si no se desean poner regeneradores, habrá que utilizar un esquema de amplificadores en línea. Tampoco todos los esquemas de amplificadores en línea son equivalentes: Podremos distinguir entre enlaces terrestres y submarinos. •
Preamplificadores No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.16. Amplificador EDFA como preamplificador El objetivo de los preamplificadores es el de mejorar la sensibilidad en el receptor a base de amplificar justo antes de que se reciba, normalmente en un fotodiodo pin. Los amplificadores trabajan con mayores sensibilidades que las calculadas teóricamente para detectores limitados por el ruido cuántico, pero mucho menores que las realistas limitadas por ruido térmico, como se puede apreciar en las figuras: un enlace real necesita más de 1000 fotones/bit para conseguir un BER de 10-9, mientras que un preamplificador puede conseguir lo mismo por
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debajo de 100 fotones/bit. Además, el preamplificador es bastante insensible a las condiciones externas y hace que el ruido sea independiente del circuito de recepción. No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.17. Sensibilidad del receptor versus ancho de banda. No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.18. Sensibilidad del receptor versus tasa de bit. •
Amplificadores de potencia No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.19. Amplificador EDFA como amplificador de potencia El objetivo de los amplificadores de potencia es el intentar compensar las pérdidas por atenuación a base de aumentar la potencia de emisión. Para esta aplicación las componentes de ruido debidas a emisión espontánea no son tan importantes, porque se atenúan en la propagación y las características de un enlace de estas características se parece más a un enlace convencional sin amplificadores: Trabaja fuertemente saturado para obtener la máxima potencia de salida (típicamente +17 a +20 dBm): esto le hace muy robusto frente a variaciones en la potencia de salida del láser Llevan una configuración preparada para conseguir la mayor potencia de salida posible: una longitud bastante grande de fibra dopada, esquemas de bombeo especiales, generalmente con más de una fuente de bombeo y a 1480 nm (mayor potencia): pueden dar lugar a efectos no lineales El ruido debido al ASE no tiene tanta importancia como en el caso de los reamplificadores, pues tras el amplificador la línea va a atenuar la potencia de ASE. •
Amplificadores en línea No se puede mostrar la imagen. Puede que su equipo no tenga suficiente memoria para abrir la imagen o que ésta esté dañada. Reinicie el equipo y, a continuación, abra el archivo de nuevo. Si sigue apareciendo la x roja, puede que tenga que borrar la imagen e insertarla de nuevo.
Figura 6.20. Amplificador EDFA como amplificador de línea
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La aplicación para un enlace de larga distancia más importante es la de los amplificadores en línea. Los amplificadores se suelen colocar uno detrás de otro en longitudes o
spans
cuya distancia es
precisamente uno de los parámetros de diseño. Generalmente funcionan de forma que la ganancia prácticamente compensa la atenuación de la línea entre dos amplificadores. Supongamos que N es el número de amplificadores ópticos, que L es la atenuación de cada span (L = e-#d) y que G es la ganancia de cada amplificador. Considerando que L G =1, a la salida del amplificador N tenemos que:
Por lo tanto la potencia de ASE va creciendo de amplificador en amplificador, mientras que la potencia total de salida permanece constante. Esto modifica las características de diseño de los enlaces, ya que si en un sistema sin amplificadores en línea las características del enlace venían impuestas por la sensibilidad del receptor, ahora esas características vienen dadas por el ruido que imponen los amplificadores en serie. Así, en esquemas con amplificadores en línea se trabaja con la SNR óptica, definida a la salida del amplificador N como:
Por lo tanto, ahora de lo que se trata es de saber qué SNRo necesitamos para tener un determinado BER y a partir de ahí jugar con los diferentes parámetros de la ecuación:
No se han considerado efectos no lineales. Pout = 10 dBm. NF = 6 dB Hay que tratar de minimizar el número de amplificadores, pero existen restricciones por el ruido. Un enlace terrestre tiene N L menores de 200 dB. La SNRo puede ser del orden de 20 dB. Eso significa que se pueden hacer enlaces con
spans
de 30-35 dB => 130-160 km entre amplificadores.
Un enlace submarino tiene valores de N L mayores de 1000 dB, y valores de SNRo más restrictivos, del orden de 26 dB, lo que implica spans de 15-20 dB => 60-90 km entre amplificadores. Para finalizar el diseño de las líneas con amplificadores en línea sería conveniente conocer la relación entre el BER y la SNRo (de hecho en el diseño sería al revés, partiendo del BER y el margen de seguridad, que en este caso se añade a la SNRo en vez de a la sensibilidad del detector). Si partimos de las definiciones de SNRo y utilizamos las expresiones de ruido (considerando únicamente ruido debido a los EDFAs) y del valor de Q, obtenemos que el SNRo ideal para obtener un determinado BER dado por Q es:
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Figura 6.21. BER v/s SNR. Tasa de transmisión: 2.5 Gb/s, anchura de filtro: 0.1 nm Esta SNRo es ideal en el sentido de que para diseñar el sistema deberemos dejar un margen, que depende de la aplicación, siendo más restrictivos los valores para enlaces submarinos o con mucha capacidad que enlaces terrestres de media distancia. Podemos poner como casos típicos, unos 8 dB para enlaces terrestres y de 12 a 14 dB extra para submarinos. Ejemplo de amplificadores en línea Redes de larga distancia submarinas Una red submarina de fibra óptica está compuesta de enlaces realizados con cables de fibra óptica formando anillos que permiten unir ciudades dentro de un continente y con otras ubicadas en otros continentes. Normalmente la conectividad global mundial se consigue a través de la interconexión de anillos de menor envergadura. Un enlace submarino de fibra óptica se compone de dos grandes partes: La Planta seca en tierra y la Planta húmeda o bajo el mar. La Planta húmeda está compuesta por los elementos que se encuentran bajo el mar y que son principalmente el cable que transportan las señales luminosas de información de una estación a otra, los repetidores que permiten amplificar la señal luminosa a medida que se desgasta y las unidades de derivación, que posibilitan integrar estaciones secundarias a la troncal sin arriesgar la confiabilidad del sistema. En la Red Seca se encuentran los componentes que permiten transmitir, recibir y controlar las comunicaciones que se envían a través de los segmentos de enlaces submarinos. Estos componentes son el Equipo terminal de línea para transmitir y recibir la información, el equipo de generador de potencia para alimentar con corriente eléctrica a los repetidores, el cable terrestre para unir la Estación de tierra con el Cable submarino y el Cable de tierra que permite cerrar el circuito eléctrico a través del mar. Para instalar los cables submarinos bajo el mar, se realiza primero un levantamiento topográfico del fondo marino que permita elegir la ruta del cable más adecuada que evite las fosas, montañas y otras dificultades que imponen el medio ambiente en que será instalado, por ejemplo faenas de pesca, anclas y ataque de peces. En zonas en las cuales sea necesario, el cable puede ser enterrado y/o fijado para evitar movimientos que pudiesen afectar su integridad física.
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La red Submarina y los amplificadores ópticos EDFA Los años 90 trajeron dos nuevos avances para los enlaces submarinos de fibra óptica, el amplificador óptico y la multiplexión en longitud de onda densa (DWDM) que permiten amplificar la luz y enviar por una misma fibra óptica varias señales de alta velocidad en diferentes “colores” (longitudes de onda) de la luz en forma simultánea. La amplificación óptica y el adecuado manejo de los efectos degradantes de la fibra óptica que deformaban los pulsos de información permitieron eliminar la necesidad de regeneradores electrónicos, mejorando la confiabilidad y permitiendo cambios en las velocidades de transmisión sin cambiar las características de los repetidores submarinos que son de alto costo. La introducción de las nuevas tecnologías hizo abaratar los costos de una forma dramática, interesando a cada vez más actores a participar en nuevos proyectos, ya que a mediados de los noventa el retorno de la inversión era muy rápido. Es así que se verificó la disminución del costo del circuito de voz por año desde US$ 40.000. en el TAT-1 en 1956, a US$ 20. en el TAT-12 en 1995. Estos últimos avances permitieron hacer crecer la capacidad ofrecida en forma explosiva, satisfaciendo con creces el extraordinario aumento de la transmisión de datos debido al advenimiento de la Internet e introduciendo una positiva sinergia entre oferta y demanda. Por ejemplo, la capacidad ofrecida entre los años 1988 a 1998 se multiplicó por 64. En la actualidad, existen instalados en el mundo un millón de kilómetros de cable submarino, bastante para rodear el globo 30 veces, formando una red de enlaces de fibra óptica que llevan grandes volúmenes de tráfico entre los continentes. Se ha demostrado la factibilidad real de sistemas transoceánicos que operan a 10 Gbit/s con 32 longitudes de onda, lo que significa una capacidad de 320 Gbit/s por fibra, suficiente para transmitir más de 15 millones de circuitos de voz simultáneos en un cable submarino típico de cuatro pares de fibras ópticas. La explosión del mercado internacional de las redes de cable submarino se produjo en la década de 1990 a 2000, e incluyeron una gran actividad a través del Océano Pacífico. Las razones que provocaron la tremenda y urgente necesidad del aumento en la conectividad transpacífica provino del tráfico de Internet que creció a tasas del 100% en esos años, mucho más del 10% anual de crecimiento telefónico. Se agregó a esto el aumento del tráfico anual de las intranets debido a la globalización de los negocios, que incluye video conferencia, transmisión de datos en tiempo real y aplicaciones multimediales (imágenes de video, imágenes gráficas en colores y sonido de alta fidelidad). Evolución Histórica • 1851: 1er cable submarino (35 Km) entre Inglaterra y Francia • 1923: Comienza la gran carrera por el mercado de las comunicaciones submarinas • 1956: 1ª comunicación telefónica submarina transatlántica • 1986: 1er cable de fibra óptica • 1988: 1er enlace trasatlántico de fibra óptica 8000 conversaciones de voz • 1995: 1er cable trasatlántico todo óptico entre Francia, Reino Unido y EEUU 128000 conversaciones simultaneas • Uso de WDM que nos permite mayor capacidad 512000 conversaciones simultaneas
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Figura 6.22. Tiempo versus velocidad de transmisión. En este grafico se observa como a medida que avanzan los años la velocidad de transmisión aumenta de manera notoria. SISTEMAS ÓPTICOS SUBMARINOS Sistemas ópticos submarinos
Capacidad • Los sistemas TAT 12/13 o TCP 5, son sistemas punto a punto monocanales a 5Gbs que están funcionando desde 1996. Ahora se están actualizando para incluir dos longitudes de onda más y triplicar la capacidad. • Pero es en los sistemas nuevos en los que más incremento de capacidad se produce: Sistemas recientes con 16 $s extendidos a 8000km con 2.5Gb/s por canal = 40Gb/s (Capacidad total).
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• Los retos actuales radican en aumentar el NÚMERO de longitudes de onda en sistemas hasta los 12000km. En estos casos hay que tener especial atención con el MAPA DE DISPERSIÓN, y el espaciado entre canales. • En laboratorio: • 32 canales a 5Gb/s sobre 9300km • 16 canales a 10Gb/s sobre 6000km (en cables de 4 fibra son 640Gb/s)
Flexibilidad • En los casos en los que el número de fibras sea limitado en cables submarinos, la utilización de distintas longitudes de onda para enrutamiento proporciona la flexibilidad. • Al contrario que en sistemas terrestres, donde uno de los factores de coste más importantes son los derechos de paso “right of way”, en sistemas submarinos (en muchos casos en aguas internacionales donde no hay estos derechos de uso), la limitación viene por el numero de amplificadores ópticos en línea. Hasta 4 normalmente. En este caso la posibilidad de explotar todo su ancho de banda y la flexibilidad de añadir o quitar enlaces (longitudes de onda), es fundamental. Uso de “Branching Units (BUs) sintonizables. Partes de un sistema óptico submarino
Figura 6.23. Enlace submarino WDM.
TIPOS DE CABLE INTEROCEÁNICOS • LIGERO O LIVIANO – Grandes profundidades: 8000 m • ARMADO – Poca profundidad: 1500 m – MÁXIMA PROTECCIÓN: Pesca, tiburones…
1
Figura 6.24. Estructura del cable submarino. Repetidores basados en EDFA
Figura 6.24. Repetidores basados en EDFA.
2
Figura 6.25. Características ópticas. Tipos comerciales de repetidores !
Alcatel OALW40 (hasta 16 canales a 2.5Gbps por par de fibras):
•
Basado en EDFAs.
•
Capacidad máxima de 40 Gbps.
•
Transmisión bidireccional a 16 señales SDH STM-16
!
Alcatel Tera10 (hasta 126 canales a 10 Gbps por par de fibra):
•
Basado en EDFAs
•
Totalmente reconfigurable
•
Capacidad: desde los 10 Gbps básicos a un máximo de 8.4 Tbps).
•
Transmisión bidireccional hasta a 60 señales SDH STM-64.
!
Alcance típico de los repetidores.Depende de la longitud total y el número de canales
transportados !
Aumentos del BW empleando la banda L en EDFAs (1570 a 1610 nm) con complicados
diseños en paralelo y peores prestaciones en cuanto a ruido que la banda C. !
Amplificación híbrida Raman-EDFA(R-EDFA), permite obtener anchos de banda continuos en
ambas bandas, 80nm (9.7THz) de BW combinando la ganancia Raman con EDFAs y una ganancia plana en una distancia de unos 11000 km y Transmisión libre de errores en 256 canales Ciudades con mayor número de enlaces: • Londres y Nueva York, son ciudades clave en los enlaces transatlánticos. • Fortaleza y Río de Janeiro ambas en Brasil, poseen varios puntos de Enlace que unen Sudamérica con los EEUU. • Yokohama y Osaka son las ciudades japonesas con mayor tráfico, Mientras que en China tenemos Hong Kong.
2
Ejemplos de redes submarinas 1.-Red submarina Africa ONE (Africa Optical Network) !
Propietaria y Operadora: África ONE
!
Longitud anillo: 32000 Km
!
Capacidad inicial instalada: 80Gb/s (4 pares de fibra*2 longitudes de onda*10Gb/s)
Figura 6.26 .Numero de estaciones: 20 a 30. Coste:1.6 billones de dólares 2.-Red submarina GEMINI !
Topología
- Tres anillos bidireccionales interconectados – Cada anillo SDH: capacidad de hasta 115 Gbit/s usando WDM • Señal se distribuye por dos caminos y en recepción se transfiere al siguiente anillo. – Robustez – Resistencia frente a fallos – Simplicidad protección rápida conmutación (<50ms)
Figura 6.27. Arquitectura Gemini.
2
Dos cables submarinos Cable Norte:60 Gbps Cable Sur:55 Gbps. !
4 fibras NDSF (@1560 nm), con a = 0.2 dB/Km
!
Emplea EDFAs cada 70 Km (G=12 dB en la banda de 1550-1560 nm)
3.-Red submarina SOUTHERN CROSS, 1998
Figura 6.28. Southern cross.
• 30500 km. de longitud – 28900 km de cable submarino (500 repetidores ópticos colocados cada 40-70 km) • Cables: – 6 fibras entre Sydney y Hawai – 8 fibras entre Hawai y Estados Unidos – 160 Gbps/par • Tecnología – Red de cuarta generación. – Alcatel empleó SDH y DWDM (triple anillo capaz de operar a 10Gbpsx16$ por par) • Velocidad – Retardo de transmisión de 70 ms entre Sydney y el continente americano. – 8 películas por segundo • Seguridad – Protección total – Conmutación de caminos ópticos para asegurar el servicio. – 99.999% de disponibilidad – Fuera de servicio 50 minutos cada 10 años Protección total – Tráfico restituido en menos de 50 ms
2
4.-Red submarina SAC
Figura 6.29. Red submarina SAC.
Es un sistema del cuatro-fibra-par que conecta ciudades importantes en Sudamérica. El SAC será puesto en ejecución en varias fases, con el anillo self-healing completo programar para el servicio en 2001. El SAC utilizará tecnología avanzada de la multiplexación de división de longitud de onda para proporcionar a la capacidad inicial de 40 Gbps. El SAC será integrado completamente con la red global entera de la travesía. Los aterrizajes de la orilla para el SAC serán localizados en: South American Crossing (SAC) St. Croix, U.S. Virgin Islands - Fortaleza, Brazil - Rio de Janeiro, Brazil - Santos, Brazil - Las Toninas, Argentina - Valparaiso, Chile - Lurin, Peru - Buenaventura, Colombia - Fort Amador, Panama.Capacidad inicial de cada uno de los pares de la fibra de SAC, cuatro tendrán capacidad inicial de la transmisión de 10 Gbps, para la capacidad inicial total del sistema de 40 Gbps. Puede ser aumentado, y la capacidad aumentable mínima es 80 Gbps.
2
La configuración el sistema del SAC formará un anillo self-healing, proporcionando a capacidad interna de la restauración en el acontecimiento de la interrupción de la conexión. La longitud de cable, la longitud total del sistema del SAC excederá 16.000 kilómetros. Conexiones Del Gateway PAC en la fortaleza Amador y St. Croix, proporcionando al acceso a la travesía de Venezuela, de America Central, de Méjico y de California Mid-Atlantic (MAC) en St. Croix, proporcionando a conectividad a la Florida y a Nueva York. Etapas Del Despliegue - Terminación De la Conexión De la Fase 1. St. Croix - Buenos Aires Octubre 2000 2. Santiago - Panamá Abril 2001. Redes de larga distancia terrestres Proyecto OPEN (Optical Pan-European Network), 1995-1998 !
Red de Transporte de gran capacidad para Europa
!
Tecnología todo-óptica usando WDM
!
Encaminamiento por cambio de longitud de onda
!
Transparencia frente a los distintos protocolos
Figura 6.30. Proyecto OPEN. !
Uso de la red de fibra ya existente
!
Escalabilidad: Capacidad de soporte de agregados desde 2.5 Gbit/s hasta 10 Gbit/s
!
Uso de técnicas de WDM para transmisión y encaminamiento (WADM y OXC) (hasta 16
longitudes de onda) !
Gran expansión geográfica >10 saltos, >3000km
!
Definición de interoperabilidad entre WDM y TDM
Proyecto PHOTOS, 1995-1998 (Pan-European Photonic Transport Overlay Network) !
Desarrollar los conceptos básicos para una red de transporte paneuropea.
!
Asegurar la compatibilidad con las redes actuales.
!
Transmisión de señales a 2.5 - 10 Gbps.
2
!
Proporcionar viabilidad para las aplicaciones más utilizadas.
!
Contribuir a la estandarización.
Figura 6.31. Proyecto PHOTOS. MONET: Multiwavelength Optical Networking, 1997-1999 El consorcio MONET ha demostrado el funcionamiento de una red a escala nacional formada ! por: – 3 sectores: LEC_TB, LD_TB, XC_TB. – 2 sistemas software de NC&M. !
Capacidad: Integración de WDM y las tecnologías de conmutación ópticas
!
Interoperabilidad: múltiples dominios
!
Reconfigurabilidad
!
Transparencia
!
Escalabilidad
Figura 6.32. Monet.
2
Figura 6.33. Monet (multiwawelengh optical networking)
!
2 tramos de 1040km. 7 subtramos 80km N-NZDSF y 6 subtramos 80km P-NZDSF
intercalando EDFA´s. !
3 tramos de 8km de fibra DCF para compensar 200km de fibra estándar.
!
6 add/drop (WADM-NC) sin control NC&M, usando tecnología multicapa (PI: 10dB) y
guíaonda (PI: 20dB). Funcionalidad del XC-TB. !
WSXC con 4 interfaces de transporte (TI´s).
!
WSXC permite conmutación de señales de 1 sola $ en 2 sentidos.
!
Cada TI: 8 $´s, cada $ transporta 2.5Gb/s.
!
Proporciona conexiones cruzadas 4x4 estrictamente no bloqueantes
!
4 OA´s, 4 demux, 1 conmutador 4x4 de 8 capas, 4 mux y 4 OA´s.
Figura 6.34. Qwest nationwide network.
2
Evolución del EDFA. EDWAs Los amplificadores de guía-onda dopada con erbio constituyen una tecnología relativamente reciente que se basa en un principio de funcionamiento similar a los EDFAs. Básicamente, un EDWA consiste en una guía-onda en el interior de un substrato de cristal amorfo dopado con erbio. Al igual que ocurre en los EDFAs, los iones de erbio proporcionan ganancia al cristal en la región de 1550 nm. La guía-onda se materializa en el cristal por medio de un aumento localizado del índice de refracción. En la figura 24 se representa esquemáticamente el aspecto interno que presentan estos amplificadores.
Figura 6.35. Esquema de un EDWA.
En la actualidad, entre los diversos métodos utilizados para su fabricación se encuentran: PECVD y deposición por hidrólisis, bombardeo de iones, intercambio de iones o implantación de iones. Los métodos más avanzados son el intercambio de iones y el bombardeo. El proceso de fabricación de las guía-ondas se realiza en dos fases principalmente. La primera fase consiste en preparar el material dopado. Se prepara un fragmento de cristal utilizando técnicas de fusión estándar, añadiendo el erbio mediante óxido de erbio pulverizado en una etapa preliminar del proceso. Para la fabricación de amplificadores de guía-onda se usan dos tipos de cristales de óxido: silicato alumínico y fosfato alumínico. La principal ventaja de estos cristales es que aceptan un nivel muy alto de erbio como dopante (más de 1026 átomos/m3), lo cual supone 100 veces más que los cristales de sílice. No obstante, se debe tener gran cuidado en el proceso de preparación para eliminar posibles impurezas de OH, las cuales provocan la desexcitación no radiativa de los iones de erbio bombeados. La segunda fase consiste en fabricar la guía-onda. Utilizando la técnica de intercambio de iones, por ejemplo, las guía-ondas se construyen en los cristales de óxido. Posteriormente, las guías se entierran unos pocos micrómetros bajo la superficie del cristal. De este modo, se asegura su estabilidad y se optimizan sus prestaciones. Como las guías no se encuentran en contacto con la superficie, soportan modos confinados con bajas pérdidas de propagación y baja dependencia de la polarización, además de mantener una buena compatibilidad con las fibras ópticas. Las guías fabricadas con esta técnica se benefician de mantener las mismas propiedades espectroscópicas que el material inicial.
2
Otro de los métodos para fabricar las guía-ondas, bajo desarrollo por parte de Lucent Technologies, consiste en extraer iones del cristal por medio de la irradiación de un haz de iones de alta energía. De este modo, se obtiene una capa de cristal fino dopada con erbio sobre una oblea de sílice. Tras un proceso de grabado posterior, la fina capa se transforma en canales de guía-onda. Estas guíaondas pueden soportar modos altamente confinados con pérdidas moderadas si se protegen con una capa protectora. La principal ventaja de los EDWAs es que se trata de dispositivos inherentemente compactos. Sin la necesidad de acomodar metros y metros de fibra, y con la habilidad para integrar numerosas funciones, los EDWAs constituyen una tecnología elegante perfectamente adaptada para aplicaciones en entornos donde el espacio sea restringido. Por ejemplo, es posible encontrar amplificadores empaquetados en 130 x 11 x 6 mm. Adicionalmente, los EDWAs ofrecen una mejor relación precio/prestaciones que los EDFAs en aplicaciones de acceso y redes metropolitanas. Para transmisiones WDM de gran distancia donde se requieren altas prestaciones, los EDFAs lideran el mercado. Sin embargo, el continuo desarrollo de los EDWAs reducirá progresivamente la diferencia de prestaciones. En la tabla I se resumen algunas características significativas de los EDWAs en comparación con otras tecnologías de amplificación. Tabla Comparativa entre diferentes tecnologías de amplificadores ópticos. EDFA
SOA
EDWA
Ganancia
30 dB
20 dB
15 dB
Figura de ruido
4 dB
6-7 dB
4,5 dB
0,5 dB
1 dB
inferior a 0,1 dB
15 dBm / 23
10
7 dBm / 12
dBm
dBm
dBm
Ninguna
Alta
Ninguna
Conservación de la polarización
No
Sí
Sí
Longitud del medio de ganancia
10 m
1 mm
5 cm
Dependencia de la ganancia con la polarización Potencia de salida Diafonía entre canales WDM
Tamaño del bloque de ganancia empaquetado Coste
200 cm3 Alto
4,5 cm
3
Bajo
38,25 cm3 Bajo
El EDWA presenta algunas de las cualidades fundamentales del EDFA tales como una figura de ruido baja, dependencia con la polarización prácticamente nula, y ausencia de diafonía entre canales. Lo cual se encuentra en contraposición con otras tecnologías de amplificadores integrados, como por ejemplo los amplificadores ópticos de semiconductor (semiconductor optical amplifier, SOA). La mayoría de las ventajas de los EDWAs provienen de su habilidad para conseguir altas ganancias en trayectos ópticos muy cortos. Esta capacidad ofrece a los vendedores mayor flexibilidad en el diseño de un amplificador compacto. Para conseguir alta ganancia en trayectos cortos se aplican elevados niveles de concentración de erbio al cristal para maximizar la ganancia por unidad de longitud. No obstante, existe una limitación a partir de la cual comienzan a aparecer efectos parásitos que degradan la ganancia y la figura de ruido. Un buen compromiso se alcanza para
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coeficientes de ganancia de 2 ó 3 dB/cm, los cuales permiten construir el amplificador empleando guía-ondas de unos 5 a 10 cm de longitud. Aun así, todavía se investiga en nuevas técnicas para reducir el tamaño de los dispositivos planares. En la figura 25 se muestran dos esquemas posibles basados en guías curvas de diferentes radios. El primero de ellos muestra una geometría de tipo espiral con curvas de distinto radio e intersecciones en ángulo recto para conseguir un trayecto largo y un chip compacto. El segundo es muy similar al primero, pero en este caso las intersecciones se han eliminado por medio del cambio de curvatura central. En cualquier caso, estas estructuras deben analizarse cuidadosamente, ya que la curvatura de las guías produce pérdidas por radiación y distorsión de los haces que deben minimizarse.
Figura 6.36. Geometrías de EDWAs planares. Para que un amplificador óptico esté preparado para su uso necesita de otros componentes ópticos tales como bombeo, multiplexor, filtros, divisores, adaptadores de modo o aisladores. La habilidad para integrar todas estas funciones en un único chip proporciona claros beneficios. La fiabilidad del chip aumenta, ya que la integración elimina la necesidad de empalmar componentes, a la vez que se reduce el tiempo de fabricación. No obstante, los aisladores no pueden integrarse por el momento, lo que provoca que el tamaño final del dispositivo sea algo mayor. Adicionalmente, para maximizar las prestaciones del dispositivo, las funciones distintas de la amplificación deben realizarse sobre material no dopado. Esto se realiza empleando integración monolítica de guía-ondas dopadas y no dopadas, aumentando la fiabilidad del dispositivo por medio de la soldadura de ambas piezas. Ventajas y desventajas del amplificador EDFA La auténtica gran ventaja de los amplificadores ópticos es que su ganancia presenta una ancho de banda óptico suficientemente grande como para introducir y amplificar al mismo tiempo un número relativamente elevado de longitudes de onda: WDM. Es precisamente la existencia de los EDFA lo que ha catapultado este nuevo método de multiplexación (sin ellos no sería viable hacer sistemas WDM), otras ventajas son: !
Bajas pérdidas de acoplo
-realimentación y rizado en la banda bajo -Figura de ruido 3,5-12 dB !
ganancia alta (>40 dB)
!
Insensible a la polarización
!
Almacenamiento de energía alto
-Funciona en saturación -Baja diafonía !
Potencia de saturación alta (>10 dBm). Pout (1-4000 mW)
!
Ancho de banda insensible a la temperatura
!
Ancho de banda de ganancia reproducible 1520-1570 nm
3
Figura 6.37. Potencia de salida v/s longitud de onda. Desventajas que provocan múltiples complicaciones. Entre ellas podemos citar: !
Acumulación de la dispersión cromática (necesidad de compensarla)
!
Aparición de fenómenos no lineales y específicamente en sistemas WDM
!
Inhomogeneidad de la ganancia (cada longitud de onda se amplifica de diferente manera) No se pueden poner filtros ópticos tan fácilmente, lo que aumenta el ruido y degrada las
!
propiedades del amplificador !
Ancho de banda estrecho
!
Bombeo con DL
Conclusiones Como hemos visto loa amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio (EDFA) han sido de gran ayuda para lograr que se pueda disminuir el número de repetidores en cada enlace especialmente en los enlaces submarinos debido a que es dopada una sección de la fibra con un metal raro llamado erbio, con el cual la señal es amplificada sin la necesidad de convertirla en señal eléctrica; por lo cual lo hace ser barato. Las características de ganancia de los EDFAs dependen del esquema de bombeo utilizado, así como de los dopantes (germanio o aluminio) que se utilizan para generar el núcleo de la fibra junto con el erbio. La naturaleza amorfa del sílice ensancha los niveles de energía de los iones de erbio (Er3+) en diferentes bandas. En otras palabras un amplificador EDFA permite reforzar la señal compensando la atenuación sin tener que poner un repetidor óptico-electrónico-óptico para cada señal sino que puede amplificar todas las señales simultáneamente. Lo realmente importante del amplificador EDFA es que cuando es excitado emite luz a los 1.54 micrómetros, longitud de onda empleada en DWDM. En forma práctica, las señales pueden viajar hasta 120 Km sin amplificador, para mayores distancias hasta 1000 Km. la señal requiere ser regenerada. Los amplificadores EDFA están disponibles para las bandas C y L.
