Amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA)

Los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) utilizan elementos de tierras raras como el erbio (Er3+) como medio de amplificación.Se dopa en el núcleo de la fibra durante el proceso de fabricación.Consiste en una pieza corta de fibra (típicamente de 10 m aproximadamente) hecha de vidrio en la que se agrega una pequeña cantidad controlada de erbio como dopante en forma de ion (Er3+).Por lo tanto, la fibra de sílice actúa como medio huésped.Son los dopantes (erbio) en lugar de la fibra de sílice los que determinan la longitud de onda operativa y el ancho de banda de ganancia.Los EDFA generalmente operan en la región de longitud de onda de 1550 nm y pueden ofrecer capacidades superiores a 1 Tbps.Por lo tanto, son ampliamente utilizados en sistemas WDM.

El principio de emisión estimulada es aplicable para el mecanismo de amplificación del EDFA.Cuando el dopante (un ion de erbio) se encuentra en un estado de alta energía, un fotón incidente de la señal óptica de entrada lo estimulará.Libera parte de su energía al dopante y vuelve a un estado de menor energía ("emisión estimulada") que es más estable.La siguiente figura muestra la estructura básica de un EDFA.

1.1 Estructura básica de un EDFA

El diodo láser de bomba normalmente produce una señal óptica de longitud de onda (a 980 nm o 1480 nm) a alta potencia (~ 10–200 mW).Esta señal se acopla con la señal de entrada de luz en la sección dopada con erbio de la fibra de sílice a través del acoplador WDM.Los iones de erbio absorberán la energía de esta señal de bombeo y saltarán a su estado excitado.Una parte de la señal de luz de salida se aprovecha y retroalimenta a la entrada del láser de bomba a través del filtro óptico y el detector.Esto sirve como mecanismo de control de potencia de retroalimentación para hacer que los EDFA sean amplificadores autorreguladores.Cuando se consumen todos los electrones metaestables, no se produce más amplificación.Por lo tanto, el sistema se estabiliza automáticamente porque la potencia óptica de salida del EDFA permanece casi constante independientemente de la fluctuación de la potencia de entrada, si la hubiera.

1.2 Esquema funcional simplificado de un EDFA

La figura anterior muestra el esquema funcional simplificado de un EDFA en el que se agrega una señal de bombeo del láser a una señal óptica de entrada (a 1480 nm o 980 nm) a través de un acoplador WDM.

Este diagrama muestra un amplificador EDF muy básico.La longitud de onda de la señal de bombeo (con una potencia de bombeo de unos 50 mW) es de 1480 nm o 980 nm.Una parte de esta señal de bombeo se transfiere a la señal óptica de entrada mediante emisión estimulada dentro de una longitud corta de fibra dopada con erbio.Tiene una ganancia óptica típica de alrededor de 5 a 15 dB y una figura de ruido de menos de 10 dB.Para la operación de 1550 nm, es posible obtener una ganancia óptica de 30 a 40 dB.

1.3 Realización práctica de un EDFA

La figura anterior muestra una operación simplificada de un EDFA con su estructura práctica cuando se usa en la aplicación WDM.

Como se muestra, incluye las siguientes partes principales:

• Un aislador en la entrada.Esto evita que el ruido generado por un EDFA se propague hacia el extremo del transmisor.

• Un acoplador WDM.Combina la señal de datos de entrada óptica de 1550 nm de baja potencia con una señal óptica de bombeo de alta potencia (de una fuente de bombeo como un láser) a una longitud de onda de 980 nm.

• Una pequeña sección de fibra de sílice dopada con erbio.De hecho, esto sirve como medio activo del EDFA.

• Un aislador en la salida.Ayuda a evitar que cualquier señal óptica retrorreflejada entre en la fibra de sílice dopada con erbio.

La señal de salida final es una señal de datos ópticos de longitud de onda de 1550 nm amplificada con una señal de bombeo de longitud de onda de 980 nm residual.

Tipos de amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA)

Hay dos tipos de estructuras de amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA):

• EDFA con bomba de copropagación

• EDFA con bomba de contrapropagación

La siguiente figura muestra arreglos de bombas bidireccionales y de contrapropagación que se pueden usar en estructuras EDFA.

Distintos arreglos de bombas

Una bomba de copropagación EDFA presenta una potencia óptica de salida más baja con bajo nivel de ruido;mientras que una bomba EDFA de contrapropagación proporciona una mayor potencia óptica de salida pero también produce un mayor ruido.En un EDFA comercial típico, se utiliza una bomba bidireccional con bombeo simultáneo de copropagación y contrapropagación que da como resultado una ganancia óptica relativamente uniforme.

Aplicación de EDFA como amplificador, en línea y preamplificador

En una aplicación de larga distancia de un enlace de comunicación de fibra óptica, los EDFA se pueden usar como un amplificador de refuerzo en la salida del transmisor óptico, un amplificador óptico en línea junto con la fibra óptica, así como un preamplificador justo antes del receptor, como se muestra en la figura anterior.

Cabe señalar que los EDFA en línea se colocan a una distancia de 20 a 100 km dependiendo de la pérdida de fibra.La señal de entrada óptica tiene una longitud de onda de 1,55 μm, mientras que los láseres de bombeo funcionan con una longitud de onda de 1,48 μm o 980 nm.La longitud típica de la fibra dopada con erbio es de 10 a 50 m.

Mecanismo de amplificación en EDFA

Como se indicó anteriormente, el mecanismo de amplificación en un EDFA se basa en una emisión estimulada similar a la del láser.La alta energía de la señal de la bomba óptica (producida por otro láser) excita los iones de erbio dopantes (Er3+) en una fibra de sílice en el estado de energía superior.La señal de datos ópticos de entrada estimula la transición de los iones de Erbio excitados al estado de menor energía y da como resultado la radiación de fotones con la misma energía, es decir, la misma longitud de onda que la de la señal óptica de entrada.

Diagrama de nivel de energía: Los iones de erbio libres exhiben niveles discretos de la banda de energía.Cuando los iones de erbio se dopan en una fibra de sílice, cada uno de sus niveles de energía se divide en varios niveles estrechamente relacionados para formar una banda de energía.

1.4 Mecanismo de amplificación en EDFA

Para lograr la inversión de población, los iones Er3+ se bombean en el nivel intermedio 2. En el método indirecto (bombeo de 980 nm), los iones Er3+ se mueven continuamente del nivel 1 al nivel 3. Le sigue una desintegración no radiativa al nivel 2, desde donde caen al nivel 1, irradiando las señales ópticas en la longitud de onda deseada de 1500 a 1600 nm.Esto se conoce como mecanismo de amplificación de 3 niveles.

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