Artículos Selectos

Amplificadores de señal por fibra óptica

Por Ana González Segura.

1. Introducción

Todo el mundo ha oído hablar alguna vez de las fibras ópticas como elemento importante en las redes de comunicaciones de hoy en día en cuanto a transmisores de información se refiere. Sin embargo, el rango de aplicabilidad de una fibra óptica es mucho más extenso de lo que se puede pensar. En este texto se pretende poner de manifiesto alguna de sus otras utilidades, como puede ser un amplificador de señal.

2. ¿Qué es una fibra óptica?

Una fibra óptica es simplemente una guía de ondas cilíndrica fabricada a partir de un material dieléctrico y con pocas pérdidas, que, en general, suele ser la sílice (SiO2). Consta de dos partes bien diferenciadas, el core y el cladding (fig. 2.1); el core es la parte central de la fibra y en él se produce el fenómeno del guiado, mientras que el cladding es la parte que lo rodea.

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Aunque ambas partes son del mismo material, se diferencian en su índice de refracción (n), cantidad que da una idea de la velocidad a la que la onda se propaga en el material, v, con respecto a la que se propagaría en el vacío, c. (n = c/v)  Esta diferencia de índices se consigue dopando una zona de la fibra (lo que luego será el core) con otro tipo de átomos, como puede ser el aluminio (Al).

Cuando la luz pasa de un medio a otro, lo que siempre ocurre es que parte se refleja y parte se transmite. Sin embargo, para conseguir que la luz quede “atrapada” en el interior del core y pueda ser guiada es necesario que no haya nada que se transmita fuera de él, o lo que es lo mismo, que se produzca el fenómeno de la reflexión total interna (fig. 2.2). Esto se produce cuando el ángulo con el que la luz incide en la interfase core-cladding es mayor que un cierto ángulo crítico θc, cuyo valor viene dado por: θc = sen-1 (n2/n1) ,donde n1 y n2 son los índices de refracción del core y el cladding respectivamente.

3. Atenuación y dispersión

La atenuación y la dispersión son dos fenómenos que afectan a la luz que se propaga por el interior de la fibra y constituyen uno de los principales problemas con los que se encuentra cualquier sistema que trabaje con fibras ópticas. Mientras que la primera limita la potencia que transmite la señal, la última hace que se distorsione.

Cuando medimos estas cantidades en función de la longitud de onda (λ), vemos que ambas alcanzan un mínimo alrededor de λ = 1550nm, zona del espectro que recibe el nombre de “ventana”. Por este motivo, una forma de reducir sus efectos es, siempre que sea posible, utilizar luz  cuya λ se encuentre alrededor de este valor.

4. Amplificadores ópticos

La importancia de los amplificadores ópticos es clara cuando consideramos la atenuación que sufre la luz al propagarse por el interior de la fibra, ya que su finalidad es aumentar los niveles de potencia de la luz incidente. El OA (Optical Amplifier) más común es el EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), el cual ha permitido el desarrollo de los sistemas de comunicaciones multiplexados, es decir, aquellos que son capaces de transmitir más de una longitud de onda.

Todos los amplificadores ópticos aumentan el nivel de potencia de la luz incidente mediante un proceso de emisión estimulada provocado por una inversión de población del medio. De este modo, un amplificador sólo es capaz de “estimular” una señal de entrada, pero no de generarla por él mismo.

            Veamos cuál es el proceso general de funcionamiento. Para ello, hemos de tener en cuenta que un átomo posee niveles discretos de energía. Supongamos uno que tenga únicamente dos niveles:

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Dentro del átomo podemos tener tres procesos:

  • Emisión espontánea: Los átomos que se encuentran en 2 pasan a 1 de forma espontánea emitiendo radiación de frecuencia νc : νc = ( E2 – E1 ) / h
  • Emisión estimulada: La transición de 2 a 1 puede provocarse iluminando el material con luz de frecuencia νc.
  • Absorción estimulada: Un átomo en 1 absorbe radiación de frecuencia νc y pasa a 2.

La principal diferencia entre los procesos de emisión es que en el primero, la luz que se emite es incoherente y es un proceso at random, mientras que en el segundo la radiación emitida está en fase con la que lo provoca. Esta característica es lo que hace que la emisión estimulada sea la que se utiliza en la amplificación óptica.

Aquí, el dispositivo absorbe energía que llega desde una fuente externa llamada mecanismo de bombeo. Este bombeo proporciona energía a los electrones del medio activo, con lo que estos ascienden a niveles de energía superiores, lo cual genera una inversión de población. Los electrones caen a niveles menores debido a un proceso de emisión estimulada en el cual se emite un fotón que, sumado a la señal de entrada, genera la amplificación. En los DFA, el medio activo se genera dopando ligeramente el corazón de una fibra de sílice con una tierra rara (Erbio o Ytterbio) de forma que ésta trabaje en la ventana de los 1550 nm, longitud de onda de mínima pérdida y absorción (fig. 4.1). Cuando el elemento dopante es el Erbio, el amplificador recibe el nombre de EDFA y suele trabajar en la región de los 1530-1560 nm.

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Un OA de fibra dopada (fig. 4.2), consiste en una fibra convencional por donde circula la señal, unida a una fibra dopada a la que se le conecta un mecanismo de bombeo por láser. Como la mayoría de OA, se basa en un proceso de emisión estimulada. La energía que proporciona el bombeo se emplea para producirla, es decir, para excitar los átomos, los cuales vuelven a caer al estado fundamental (el menos energético) cuando inciden sobre ellos los fotones de la señal. De este modo, emiten dos fotones que se suman a ella.

5. Niveles de energía del Er

Ya se ha comentado que los amplificadores ópticos utilizan un mecanismo de bombeo óptico mediante fotones para excitar los electrones a niveles de mayor energía. El proceso de bombeo óptico necesita de tres niveles energéticos, de manera que el de mayor energía se encuentre por encima del nivel de láser. Tras alcanzar este nivel excitado, el electrón debe liberar algo de su energía y caer al nivel de emisión deseado. Desde él, un fotón de la señal puede hacer  que caiga por emisión estimulada y que libere la energía que le queda en forma de un nuevo fotón con una longitud de onda idéntica a aquella del fotón de la señal. Como el fotón de bombeo debe tener mayor energía que el de la señal, la longitud de onda de bombeo es más corta que la de la señal (λb < λs).

Ya que el funcionamiento de un EDFA se basa en la emisión estimulada, es conveniente discutir el esquema de niveles de energía del medio en el que se produce, es decir, para entender cómo funciona un EDFA es necesario conocer la estructura de niveles del Er. Cuando los átomos de Er están en estado libre (Er), sus niveles de energía son discretos, es decir, las transiciones entre ellos se producen sólo a una determinada longitud de onda. Sin embargo, cuando se introducen en la fibra, éstos se ionizan (Er+3) y los niveles de energía se desdoblan, pasando a formar bandas de energía, las cuales permiten transiciones a distintas longitudes de onda. Esto es lo que hace que un EDFA pueda amplificar más de una señal a la vez y que admita bombeos a más de una longitud de onda.

Los niveles (bandas) de energía más importantes de Er+3 son tales que generan transiciones alrededor de λ = 1550 nm, zona del espectro donde la fibra de sílice exhibe la mínima atenuación. Esta coincidencia hace que los EDFA sean tan ampliamente utilizados. Los niveles más importantes para las telecomunicaciones son el nivel fundamental, el metaestable y el de bombeo, que, en realidad, son bandas de energía.

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Si hacemos pasar luz de 980 mn (1480 nm) por la fibra, los átomos de Er se excitan y pasan de E1 a E3 (E2). (fig. 5.2). Llegados a este punto, hemos de tener en cuenta que excepto las transiciones 2 –> 1, todas las demás son no radiativas, (es decir, la energía liberada por el sistema no es electromagnética, sino que puede ser, por ejemplo, en forma de calor que se transmite a la red de átomos).

Esto hace que los átomos caigan rápidamente a E2 y luego, o bien por emisión espontánea, o bien por emisión estimulada, a E1.

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Cuando el bombeo es pequeño, aunque los iones de Er3+ se exciten hasta E2, puede que la inversión de población necesaria para la amplificación no se consiga debido a los procesos de emisión espontánea. De este modo, una señal en 1550 nm se atenuará en vez de amplificarse debido a la absorción de 1 a 2 (*).

(*): Una λ = 1550 nm se corresponde con una transición de 1 a 2 ya que el nivel metaestable en realidad es una banda, con lo que no sólo admite los 1480 nm.

A medida que la potencia de bombeo aumenta, la tasa de excitación también lo hace, con lo que llega un cierto nivel de potencia en el que se puede conseguir la inversión de población entre 1 y 2. En esta situación, una señal de 1550 nm será amplificada en vez de absorbida. Este es el principio fundamental en el que se basa la amplificación óptica que lleva a cabo un EDFA.

6. Conclusión

Los amplificadores de fibra dopada con Erbio poseen muchas ventajas con respecto a los repetidores de señal y a otros sistemas de amplificación. Aunque sufren procesos de absorción y dispersión en una parte de su espectro, son muy eficientes en longitudes de onda de 980 y 1550 nm, presentando las siguientes características:

  • Posibilidad de bombear a distintas longitudes de onda.
  • Bajas pérdidas en los acoplamientos fibra-amplificador.
  • Muy baja dependencia de la ganancia con la polarización de la luz.
  • Las respuestas de ganancia son casi constantes para señales con modulaciones algo mayores de unos pocos KHz. Esto los hace inmunes a las interferencias que puedan producirse entre los distintos canales ópticos en un espectro ancho de longitudes de onda que son inyectada simultáneamente en el amplificador.
  • Por otro lado, su ganancia está asociada a la potencia de bombeo, la longitud de onda de la señal, la longitud de la fibra y la concentración de dopado, factores que pueden ser controlados y optimizados con relativa facilidad.
  • La potencial diversidad y los bajos costes asociados a este tipo de amplificadores permiten su uso en diversas aplicaciones y hacen que puedan ser utilizados en nuevas experiencias a medida que pasa el tiempo.

Sobre la autora: Ana González Segura era, en el momento de publicación de este artículo, alumna colaboradora del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Valencia.

Artículo publicado en Isagogé 0 (2003).

7. Bibliografía

Digonnet, M. J. F. (ed.) (1993): Rare Earth Doped Fiber Lasers and Amplifiers, Stanford Univ.

Mynbaev, D.K. y Schneiner, L. L.(2001): Fiber-Optic communications technology, Prentice Hall.

Hansel, E. L. Jr. (1996): A Research Paper on Erbium Doped Fiber Amplifiers.

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