Amplificador óptico

Un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin necesidad de convertirla previamente en una señal eléctrica. Se puede pensar en un amplificador óptico como un láser sin cavidad óptica, o uno en el que se suprime la retroalimentación de la cavidad. Los amplificadores ópticos son importantes en la comunicación óptica y la física láser. Se utilizan como repetidores ópticos en los cables de fibra óptica de larga distancia que transportan gran parte de los enlaces de telecomunicaciones del mundo.

Existen varios mecanismos físicos diferentes que se pueden utilizar para amplificar una señal de luz, que corresponden a los principales tipos de amplificadores ópticos. En amplificadores de fibra dopada y láseres a granel, la emisión estimulada en el medio de ganancia del amplificador provoca la amplificación de la luz entrante. En los amplificadores ópticos de semiconductores (SOA), se produce una recombinación de huecos de electrones. En los amplificadores Raman, la dispersión Raman de la luz entrante con fonones en la red del medio de ganancia produce fotones coherentes con los fotones entrantes. Los amplificadores paramétricos utilizan amplificación paramétrica.

Historia

El principio de la amplificación óptica fue inventado por Gordon Gould el 13 de noviembre de 1957. Presentó la patente n.º 804.539 el 6 de abril de 1959 titulada "Amplificadores de luz empleando colisiones para producir inversiones de población" (posteriormente modificada como continuación en parte y finalmente emitida como N° 4.746.201A el 4 de mayo de 1988). La patente cubría “la amplificación de la luz mediante la emisión estimulada de fotones de iones, átomos o moléculas en estado gaseoso, líquido o sólido”. En total, Gould obtuvo 48 patentes relacionadas con el amplificador óptico que cubría el 80 % de los láseres en el mercado en el momento de la emisión.

Gould cofundó una empresa de equipos de telecomunicaciones ópticas, Optelecom Inc., que ayudó a iniciar Ciena Corp con su exjefe de Light Optics Research, David Huber y Kevin Kimberlin. Huber y Steve Alexander de Ciena inventaron el amplificador óptico de dos etapas (patente de EE. UU. 5.159.601) que fue clave para el primer sistema de multiplexación por división de onda densa (DWDM), que lanzaron en junio de 1996. Esto marcó el comienzo de las redes ópticas. Su importancia fue reconocida en ese momento por la autoridad óptica Shoichi Sudo y el analista de tecnología George Gilder en 1997, cuando Sudo escribió que los amplificadores ópticos "marcarán el comienzo de una revolución mundial llamada la era de la información" y Gilder comparó el amplificador óptico con el circuito integrado. en importancia, pronosticando que haría posible la Era de la Información. Hoy en día, los sistemas WDM de amplificación óptica son la base común de todas las redes de telecomunicaciones locales, metropolitanas, nacionales, intercontinentales y submarinas y la tecnología elegida para las redes troncales de fibra óptica de Internet (por ejemplo, los cables de fibra óptica forman la base de las redes informáticas modernas).

Amplificadores láser

Casi cualquier medio de ganancia activo de láser se puede bombear para producir ganancia de luz en la longitud de onda de un láser fabricado con el mismo material que su medio de ganancia. Dichos amplificadores se usan comúnmente para producir sistemas láser de alta potencia. Los tipos especiales, como los amplificadores regenerativos y los amplificadores de pulso chirp, se utilizan para amplificar pulsos ultracortos.

Amplificadores de estado sólido

Los amplificadores de estado sólido son amplificadores ópticos que utilizan una amplia gama de materiales de estado sólido dopados (Nd: Yb:YAG, Ti:Sa) y diferentes geometrías (disco, losa, varilla) para amplificar las señales ópticas. La variedad de materiales permite la amplificación de diferentes longitudes de onda mientras que la forma del medio permite distinguir entre escalamientos energéticos de potencia media más adecuados. Además de su uso en la investigación fundamental, desde la detección de ondas gravitacionales hasta la física de alta energía en la Instalación Nacional de Ignición, también se pueden encontrar en muchos de los láseres de pulsos ultracortos de la actualidad.

Amplificadores de fibra dopada

Los amplificadores de fibra dopada (DFA) son amplificadores ópticos que utilizan una fibra óptica dopada como medio de ganancia para amplificar una señal óptica. Están relacionados con los láseres de fibra. La señal a amplificar y un láser de bombeo se multiplexan en la fibra dopada y la señal se amplifica a través de la interacción con los iones dopantes.

La amplificación se logra mediante la emisión estimulada de fotones de iones dopantes en la fibra dopada. El láser de bombeo excita los iones a una energía más alta desde donde pueden decaer a través de la emisión estimulada de un fotón en la longitud de onda de la señal de regreso a un nivel de energía más bajo. Los iones excitados también pueden decaer espontáneamente (emisión espontánea) o incluso a través de procesos no radiativos que involucran interacciones con fonones de la matriz de vidrio. Estos dos últimos mecanismos de decaimiento compiten con la emisión estimulada reduciendo la eficiencia de la amplificación de la luz.

La ventana de amplificación de un amplificador óptico es el rango de longitudes de onda ópticas para las que el amplificador produce una ganancia utilizable. La ventana de amplificación está determinada por las propiedades espectroscópicas de los iones dopantes, la estructura de vidrio de la fibra óptica y la longitud de onda y la potencia del láser de bombeo.

Aunque las transiciones electrónicas de un ion aislado están muy bien definidas, el ensanchamiento de los niveles de energía ocurre cuando los iones se incorporan al vidrio de la fibra óptica y por lo tanto la ventana de amplificación también se ensancha. Este ensanchamiento es tanto homogéneo (todos los iones exhiben el mismo espectro ampliado) como heterogéneo (diferentes iones en diferentes ubicaciones de vidrio exhiben diferentes espectros). El ensanchamiento homogéneo surge de las interacciones con los fonones del vidrio, mientras que el ensanchamiento no homogéneo es causado por las diferencias en los sitios del vidrio donde se alojan los diferentes iones. Diferentes sitios exponen iones a diferentes campos eléctricos locales, lo que cambia los niveles de energía a través del efecto Stark. Además, el efecto Stark también elimina la degeneración de los estados de energía que tienen el mismo momento angular total (especificado por el número cuántico J). Así, por ejemplo, el ion erbio trivalente (Er³⁺) tiene un estado fundamental con J = 15/2, y en presencia de un campo eléctrico se desdobla en J + 1/2 = 8 subniveles con energías ligeramente diferentes. El primer estado excitado tiene J = 13/2 y por lo tanto una variedad Stark con 7 subniveles. Las transiciones del estado excitado J = 13/2 al estado fundamental J = 15/2 son responsables de la ganancia a una longitud de onda de 1500 nm. El espectro de ganancia del EDFA tiene varios picos que están manchados por los mecanismos de ampliación anteriores. El resultado neto es un espectro muy amplio (30 nm en sílice, normalmente). El amplio ancho de banda de ganancia de los amplificadores de fibra los hace particularmente útiles en los sistemas de comunicaciones multiplexadas por división de longitud de onda, ya que un solo amplificador puede utilizarse para amplificar todas las señales que se transportan en una fibra y cuyas longitudes de onda se encuentran dentro de la ventana de ganancia.

Un amplificador de guía de ondas dopado con erbio (EDWA) es un amplificador óptico que utiliza una guía de ondas para potenciar una señal óptica.

Principio básico de EDFA

Un haz de luz de potencia relativamente alta se mezcla con la señal de entrada mediante un acoplador selectivo de longitud de onda (WSC). La señal de entrada y la luz de excitación deben estar en longitudes de onda significativamente diferentes. La luz mixta se guía hacia una sección de fibra con iones de erbio incluidos en el núcleo. Este rayo de luz de alta potencia excita los iones de erbio a su estado de mayor energía. Cuando los fotones que pertenecen a la señal en una longitud de onda diferente de la luz de la bomba se encuentran con los iones de erbio excitados, los iones de erbio ceden parte de su energía a la señal y regresan a su estado de menor energía.

Un punto importante es que el erbio cede su energía en forma de fotones adicionales que están exactamente en la misma fase y dirección que la señal que se amplifica. Entonces, la señal se amplifica solo a lo largo de su dirección de viaje. Esto no es inusual: cuando un átomo "lases" siempre entrega su energía en la misma dirección y fase que la luz entrante. Por lo tanto, toda la potencia de la señal adicional se guía en el mismo modo de fibra que la señal entrante. Por lo general, se coloca un aislador óptico en la salida para evitar que los reflejos regresen de la fibra conectada. Dichos reflejos interrumpen el funcionamiento del amplificador y, en el caso extremo, pueden hacer que el amplificador se convierta en un láser.

El amplificador dopado con erbio es un amplificador de alta ganancia.

Ruido

La fuente principal de ruido en los DFA es la emisión espontánea amplificada (ASE), que tiene un espectro aproximadamente igual al espectro de ganancia del amplificador. La figura de ruido en un DFA ideal es de 3 dB, mientras que los amplificadores prácticos pueden tener una figura de ruido de hasta 6–8 dB.

Además de decaer por emisión estimulada, los electrones en el nivel de energía superior también pueden decaer por emisión espontánea, que ocurre al azar, según la estructura del vidrio y el nivel de inversión. Los fotones se emiten espontáneamente en todas las direcciones, pero una proporción de ellos se emitirá en una dirección que cae dentro de la apertura numérica de la fibra y, por lo tanto, son capturados y guiados por la fibra. Esos fotones capturados pueden luego interactuar con otros iones dopantes y, por lo tanto, se amplifican mediante la emisión estimulada. Por lo tanto, la emisión espontánea inicial se amplifica de la misma manera que las señales, de ahí el término emisión espontánea amplificada. El amplificador emite ASE tanto en dirección directa como inversa, pero solo el ASE directo es una preocupación directa para el rendimiento del sistema, ya que ese ruido se co-propagará con la señal al receptor donde degradará el rendimiento del sistema. Sin embargo, la ASE de contrapropagación puede conducir a la degradación del rendimiento del amplificador, ya que la ASE puede agotar el nivel de inversión y, por lo tanto, reducir la ganancia del amplificador y aumentar el ruido producido en relación con la ganancia de señal deseada.

La figura de ruido se puede analizar tanto en el dominio óptico como en el dominio eléctrico. En el dominio óptico, la medición del ASE, la ganancia de la señal óptica y la longitud de onda de la señal utilizando un analizador de espectro óptico permite el cálculo de la figura de ruido. Para el método de medición eléctrica, el ruido de fotocorriente detectado se evalúa con un analizador de espectro eléctrico de bajo ruido, que junto con la medición de la ganancia del amplificador permite medir la figura de ruido. En general, la técnica óptica proporciona un método más simple, aunque no incluye los efectos de exceso de ruido capturados por el método eléctrico, como la generación de ruido de interferencia de trayectos múltiples (MPI). En ambos métodos, la atención a efectos tales como la emisión espontánea que acompaña a la señal de entrada es fundamental para la medición precisa de la figura de ruido.

Saturación de ganancia

La ganancia se logra en un DFA debido a la inversión de población de los iones dopantes. El nivel de inversión de un DFA se establece, principalmente, por la potencia de la longitud de onda de la bomba y la potencia en las longitudes de onda amplificadas. A medida que aumenta la potencia de la señal, o disminuye la potencia de la bomba, el nivel de inversión se reducirá y, por lo tanto, se reducirá la ganancia del amplificador. Este efecto se conoce como saturación de ganancia: a medida que aumenta el nivel de la señal, el amplificador se satura y no puede producir más potencia de salida y, por lo tanto, la ganancia se reduce. La saturación también se conoce comúnmente como compresión de ganancia.

Para lograr un rendimiento de ruido óptimo, los DFA funcionan con una cantidad significativa de compresión de ganancia (normalmente, 10 dB), ya que eso reduce la tasa de emisión espontánea y, por lo tanto, reduce el ASE. Otra ventaja de operar el DFA en la región de saturación de ganancia es que las pequeñas fluctuaciones en la potencia de la señal de entrada se reducen en la señal amplificada de salida: las potencias de señal de entrada más pequeñas experimentan una ganancia mayor (menos saturada), mientras que las potencias de entrada más grandes ven menos ganancia.

El borde de ataque del pulso se amplifica, hasta que se alcanza la energía de saturación del medio de ganancia. En algunas condiciones, se reduce el ancho (FWHM) del pulso.

Efectos de ampliación no homogéneos

Debido a la porción no homogénea de la ampliación del ancho de línea de los iones dopantes, el espectro de ganancia tiene un componente no homogéneo y la saturación de ganancia ocurre, en una pequeña medida, de manera no homogénea. Este efecto se conoce como quema de agujeros espectrales porque una señal de alta potencia en una longitud de onda puede 'quemar' un agujero en la ganancia para longitudes de onda cercanas a esa señal por saturación de los iones no homogéneos ensanchados. Los huecos espectrales varían en anchura según las características de la fibra óptica en cuestión y la potencia de la señal encendida, pero normalmente son inferiores a 1 nm en el extremo de longitud de onda corta de la banda C y unos pocos nm en el extremo de longitud de onda larga. de la banda C. Sin embargo, la profundidad de los agujeros es muy pequeña, lo que dificulta su observación en la práctica.

Efectos de polarización

Aunque el DFA es esencialmente un amplificador independiente de la polarización, una pequeña proporción de los iones dopantes interactúa preferentemente con ciertas polarizaciones y puede producirse una pequeña dependencia de la polarización de la señal de entrada (normalmente < 0,5 dB). Esto se llama ganancia dependiente de la polarización (PDG). Las secciones transversales de absorción y emisión de los iones se pueden modelar como elipsoides con los ejes principales alineados al azar en todas las direcciones en diferentes sitios de vidrio. La distribución aleatoria de la orientación de los elipsoides en un vaso produce un medio macroscópicamente isotrópico, pero un potente láser de bomba induce una distribución anisotrópica al excitar selectivamente aquellos iones que están más alineados con el vector de campo óptico de la bomba. Además, esos iones excitados alineados con el campo de la señal producen una emisión más estimulada. Por lo tanto, el cambio en la ganancia depende de la alineación de las polarizaciones de los láseres de bombeo y señal, es decir, si los dos láseres interactúan con el mismo subconjunto de iones dopantes o no. En una fibra dopada ideal sin birrefringencia, la PDG sería inconvenientemente grande. Afortunadamente, en las fibras ópticas siempre hay pequeñas cantidades de birrefringencia y, además, los ejes rápido y lento varían aleatoriamente a lo largo de la fibra. Un DFA típico tiene varias decenas de metros, lo suficientemente largos como para mostrar esta aleatoriedad de los ejes de birrefringencia. Estos dos efectos combinados (que en las fibras de transmisión dan lugar a la dispersión del modo de polarización) producen una desalineación de las polarizaciones relativas de la señal y bombean los láseres a lo largo de la fibra, tendiendo así a promediar la PDG. El resultado es que la PDG es muy difícil de observar en un solo amplificador (pero se nota en enlaces con varios amplificadores en cascada).

Amplificadores de fibra óptica dopados con erbio

El amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) es el amplificador de fibra más utilizado, ya que su ventana de amplificación coincide con la tercera ventana de transmisión de la fibra óptica basada en sílice. El núcleo de una fibra de sílice está dopado con iones de erbio trivalentes (Er³⁺) y se puede bombear de manera eficiente con un láser en longitudes de onda de 980 nm y 1480 nm o cercanas, y la ganancia se exhibe en el 1550 región nm. La región de amplificación de EDFA varía de una aplicación a otra y puede variar desde unos pocos nm hasta ~80 nm. Uso típico de EDFA en llamadas de telecomunicaciones para amplificadores de banda Convencional o C (desde ~1525 nm a ~1565 nm) o amplificadores de banda Larga o L (desde ~ 1565 nm a ~1610 nm). Ambas bandas pueden ser amplificadas por EDFA, pero es normal usar dos amplificadores diferentes, cada uno optimizado para una de las bandas.

La principal diferencia entre los amplificadores de banda C y L es que en los amplificadores de banda L se utiliza una mayor longitud de fibra dopada. La longitud más larga de la fibra permite utilizar un nivel de inversión más bajo, lo que genera una emisión en longitudes de onda más largas (debido a la estructura de bandas del erbio en la sílice) al mismo tiempo que proporciona una cantidad útil de ganancia.

Los EDFA tienen dos bandas de bombeo de uso común: 980 nm y 1480 nm. La banda de 980 nm tiene una sección transversal de mayor absorción y generalmente se usa cuando se requiere un rendimiento de bajo ruido. La banda de absorción es relativamente estrecha, por lo que normalmente se necesitan fuentes de láser estabilizadas en longitud de onda. La banda de 1480 nm tiene una sección transversal de absorción más baja, pero más amplia, y generalmente se usa para amplificadores de potencia más altos. Generalmente se utiliza una combinación de bombeo de 980 nm y 1480 nm en los amplificadores.

Dos grupos demostraron por primera vez la ganancia y el láser en fibras dopadas con erbio en 1986-1987; uno que incluye a David N. Payne, R. Mears, I.M Jauncey y L. Reekie, de la Universidad de Southampton y uno de AT&T Bell Laboratories, que consta de E. Desurvire, P. Becker y J. Simpson. Stephen B. Alexander de Ciena Corporation inventó el amplificador óptico de doble etapa que permitió la multiplexación por división de onda densa (DWDM).

Amplificadores de fibra dopada para otros rangos de longitud de onda

Se han utilizado amplificadores de fibra dopada con tulio en la banda S (1450–1490 nm) y amplificadores dopados con praseodimio en la región de 1300 nm. Sin embargo, esas regiones no han visto ningún uso comercial significativo hasta el momento y, por lo tanto, esos amplificadores no han sido objeto de tanto desarrollo como el EDFA. Sin embargo, los láseres y amplificadores de fibra dopada con iterbio, que funcionan cerca de una longitud de onda de 1 micrómetro, tienen muchas aplicaciones en el procesamiento industrial de materiales, ya que estos dispositivos se pueden fabricar con una potencia de salida extremadamente alta (decenas de kilovatios).

Amplificador óptico de semiconductores

Los amplificadores ópticos de semiconductores (SOA) son amplificadores que utilizan un semiconductor para proporcionar el medio de ganancia. Estos amplificadores tienen una estructura similar a los diodos láser Fabry-Pérot pero con elementos de diseño antirreflectante en las caras de los extremos. Los diseños recientes incluyen revestimientos antirreflectantes y guías de ondas inclinadas y regiones de ventana que pueden reducir el reflejo de la cara final a menos del 0,001 %. Dado que esto crea una pérdida de potencia de la cavidad que es mayor que la ganancia, evita que el amplificador actúe como un láser. Otro tipo de SOA consta de dos regiones. Una parte tiene una estructura de diodo láser Fabry-Pérot y la otra tiene una geometría cónica para reducir la densidad de potencia en la cara de salida.

Los amplificadores ópticos de semiconductores suelen fabricarse con semiconductores compuestos del grupo III-V, como GaAs/AlGaAs, InP/InGaAs, InP/InGaAsP e InP/InAlGaAs, aunque es posible que se utilice cualquier semiconductor de banda prohibida directa, como II-VI. Dichos amplificadores se utilizan a menudo en sistemas de telecomunicaciones en forma de componentes trenzados de fibra, que funcionan con longitudes de onda de señal entre 850 nm y 1600 nm y generan ganancias de hasta 30 dB.

El amplificador óptico semiconductor es de pequeño tamaño y bombeado eléctricamente. Puede ser potencialmente menos costoso que el EDFA y puede integrarse con láseres semiconductores, moduladores, etc. Sin embargo, el rendimiento aún no es comparable con el EDFA. La SOA tiene mayor ruido, menor ganancia, dependencia de polarización moderada y alta no linealidad con tiempo transitorio rápido. La principal ventaja de SOA es que se pueden realizar los cuatro tipos de operaciones no lineales (modulación de ganancia cruzada, modulación de fase cruzada, conversión de longitud de onda y mezcla de cuatro ondas). Además, SOA se puede ejecutar con un láser de baja potencia. Esto se origina en el corto tiempo de vida del estado superior de nanosegundos o menos, de modo que la ganancia reacciona rápidamente a los cambios de bombeo o potencia de la señal y los cambios de ganancia también provocan cambios de fase que pueden distorsionar las señales. Esta no linealidad presenta el problema más grave para las aplicaciones de comunicación óptica. Sin embargo, proporciona la posibilidad de ganancia en diferentes regiones de longitud de onda del EDFA. "Amplificadores ópticos lineales" Se han desarrollado técnicas de sujeción de ganancia.

La alta no linealidad óptica hace que los amplificadores de semiconductores sean atractivos para todo el procesamiento de señales ópticas, como la conmutación totalmente óptica y la conversión de longitud de onda. Ha habido mucha investigación sobre los amplificadores ópticos de semiconductores como elementos para el procesamiento de señales ópticas, conversión de longitud de onda, recuperación de reloj, demultiplexación de señales y reconocimiento de patrones.

SOA de cavidad vertical

Una incorporación reciente a la familia SOA es la SOA de cavidad vertical (VCSOA). Estos dispositivos tienen una estructura similar y comparten muchas características con los láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL). La principal diferencia al comparar VCSOA y VCSEL es la reflectividad del espejo reducida utilizada en la cavidad del amplificador. Con VCSOA, se necesita una retroalimentación reducida para evitar que el dispositivo alcance el umbral de emisión de láser. Debido a la longitud extremadamente corta de la cavidad y al medio de ganancia correspondientemente delgado, estos dispositivos exhiben una ganancia de paso único muy baja (típicamente del orden de un pequeño porcentaje) y también un rango espectral libre (FSR) muy grande. La pequeña ganancia de un solo paso requiere una reflectividad del espejo relativamente alta para aumentar la ganancia total de la señal. Además de aumentar la ganancia total de la señal, el uso de la estructura de cavidad resonante da como resultado un ancho de banda de ganancia muy estrecho; junto con la gran FSR de la cavidad óptica, esto limita efectivamente la operación del VCSOA a la amplificación de un solo canal. Por lo tanto, las VCSOA pueden verse como filtros amplificadores.

Dada su geometría de cavidad vertical, los VCSOA son amplificadores ópticos de cavidad resonante que funcionan con la entrada/salida de la señal de entrada/salida normal a la superficie de la oblea. Además de su pequeño tamaño, el funcionamiento normal de la superficie de los VCSOA genera una serie de ventajas, que incluyen bajo consumo de energía, baja figura de ruido, ganancia insensible a la polarización y la capacidad de fabricar matrices bidimensionales de alto factor de llenado en un solo chip semiconductor.. Estos dispositivos aún se encuentran en las primeras etapas de investigación, aunque se han demostrado resultados prometedores de preamplificadores. Otras extensiones de la tecnología VCSOA son la demostración de dispositivos sintonizables de longitud de onda. Estos SOA de cavidad vertical sintonizables por MEMS utilizan un mecanismo de sintonización basado en sistemas microelectromecánicos (MEMS) para una sintonización amplia y continua de la longitud de onda de ganancia máxima del amplificador. Las SOA tienen una respuesta de ganancia más rápida, que es del orden de 1 a 100 ps.

Amplificadores cónicos

Para una potencia de salida alta y un rango de longitud de onda más amplio, se utilizan amplificadores cónicos. Estos amplificadores constan de una sección lateral monomodo y una sección con estructura cónica, donde se amplifica la luz láser. La estructura cónica conduce a una reducción de la densidad de potencia en la faceta de salida.

Parámetros típicos:

• rango de longitud de onda: 633 a 1480 nm
• potencia de entrada: 10 a 50 mW
• potencia de salida: hasta 3 W

Amplificador Raman

En un amplificador Raman, la señal se intensifica mediante la amplificación Raman. A diferencia de EDFA y SOA, el efecto de amplificación se logra mediante una interacción no lineal entre la señal y un láser de bombeo dentro de una fibra óptica. Hay dos tipos de amplificadores Raman: distribuidos y agrupados. Un amplificador Raman distribuido es aquel en el que la fibra de transmisión se utiliza como medio de ganancia mediante la multiplexación de una longitud de onda de bombeo con la longitud de onda de la señal, mientras que un amplificador Raman agrupado utiliza una longitud de fibra más corta y dedicada para proporcionar amplificación. En el caso de un amplificador Raman agrupado, se utiliza una fibra altamente no lineal con un núcleo pequeño para aumentar la interacción entre las longitudes de onda de la señal y la bomba y, por lo tanto, reducir la longitud de fibra requerida.

La luz de la bomba se puede acoplar a la fibra de transmisión en la misma dirección que la señal (bombeo codireccional), en la dirección opuesta (bombeo contradireccional) o en ambas. El bombeo contradireccional es más común ya que se reduce la transferencia de ruido de la bomba a la señal.

La potencia de bombeo requerida para la amplificación Raman es mayor que la requerida por EDFA, y se requieren más de 500 mW para lograr niveles útiles de ganancia en un amplificador distribuido. Los amplificadores agrupados, donde la luz de la bomba se puede contener de forma segura para evitar las implicaciones de seguridad de las altas potencias ópticas, pueden usar más de 1 W de potencia óptica.

La principal ventaja de la amplificación Raman es su capacidad para proporcionar amplificación distribuida dentro de la fibra de transmisión, lo que aumenta la longitud de los tramos entre el amplificador y los sitios de regeneración. El ancho de banda de amplificación de los amplificadores Raman se define por las longitudes de onda de la bomba utilizadas y, por lo tanto, la amplificación se puede proporcionar en regiones más amplias y diferentes de lo que es posible con otros tipos de amplificadores que dependen de los dopantes y el diseño del dispositivo para definir la "ventana" de amplificación. #39;.

Los amplificadores Raman tienen algunas ventajas fundamentales. En primer lugar, la ganancia Raman existe en cada fibra, lo que proporciona un medio rentable de actualización desde los extremos del terminal. En segundo lugar, la ganancia no es resonante, lo que significa que la ganancia está disponible en toda la región de transparencia de la fibra, desde aproximadamente 0,3 a 2 µm. Una tercera ventaja de los amplificadores Raman es que el espectro de ganancia se puede adaptar ajustando las longitudes de onda de la bomba. Por ejemplo, se pueden usar varias líneas de bombeo para aumentar el ancho de banda óptico, y la distribución de bombeo determina la uniformidad de la ganancia. Otra ventaja de la amplificación Raman es que es un amplificador de banda relativamente ancha con un ancho de banda > 5 THz, y la ganancia es razonablemente plana en un amplio rango de longitudes de onda.

Sin embargo, varios desafíos para los amplificadores Raman impidieron su adopción anterior. En primer lugar, en comparación con los EDFA, los amplificadores Raman tienen una eficiencia de bombeo relativamente baja con potencias de señal más bajas. Aunque es una desventaja, esta falta de eficiencia de la bomba también facilita la sujeción de ganancia en los amplificadores Raman. En segundo lugar, los amplificadores Raman requieren una fibra de mayor ganancia. Sin embargo, esta desventaja se puede mitigar combinando la ganancia y la compensación de dispersión en una sola fibra. Una tercera desventaja de los amplificadores Raman es un tiempo de respuesta rápido, que da lugar a nuevas fuentes de ruido, como se analiza más adelante. Finalmente, existe la preocupación de la penalización no lineal en el amplificador para los canales de señal WDM.

Nota: El texto de una versión anterior de este artículo se tomó del estándar federal 1037C de dominio público.

Amplificador paramétrico óptico

Un amplificador paramétrico óptico permite la amplificación de una señal-impulso débil en un medio no lineal, como un medio no lineal no centrosimétrico (por ejemplo, borato de bario beta (BBO)) o incluso una fibra óptica de sílice fundida estándar a través del efecto Kerr. A diferencia de los amplificadores mencionados anteriormente, que se utilizan principalmente en entornos de telecomunicaciones, este tipo encuentra su aplicación principal en la expansión de la sintonizabilidad de frecuencia de los láseres de estado sólido ultrarrápidos (por ejemplo, Ti: zafiro). Mediante el uso de una geometría de interacción no colineal, los amplificadores paramétricos ópticos son capaces de anchos de banda de amplificación extremadamente amplios.

Logros recientes

La adopción de láseres de fibra de alta potencia como herramienta de procesamiento de materiales industriales ha estado en curso durante varios años y ahora se está expandiendo a otros mercados, incluidos los mercados médicos y científicos. Una mejora clave que ha permitido la penetración en el mercado científico han sido las mejoras en los amplificadores de fibra de gran finura, que ahora son capaces de ofrecer anchos de línea de frecuencia única (<5 kHz) junto con una excelente calidad de haz y una salida polarizada linealmente estable. Los sistemas que cumplen con estas especificaciones han progresado constantemente en los últimos años desde unos pocos vatios de potencia de salida, inicialmente a decenas de vatios y ahora al nivel de potencia de cientos de vatios. Esta escala de potencia se ha logrado con desarrollos en la tecnología de fibra, como la adopción de técnicas de supresión/mitigación de dispersión de Brillouin estimulada (SBS) dentro de la fibra, junto con mejoras en el diseño general del amplificador, incluidas fibras de área modal grande (LMA) con un núcleo de baja apertura, núcleo helicoidal de fibra tipo varilla microestructurada, o fibras de núcleo acopladas quiralmente, y fibras cónicas de doble revestimiento (T-DCF). La última generación de amplificadores de fibra pulsada, de alta potencia y alta delicadeza ahora ofrece niveles de potencia que superan lo que está disponible en fuentes comerciales de frecuencia única de estado sólido y están abriendo nuevas aplicaciones científicas como resultado de los niveles de potencia más altos y el rendimiento estable optimizado.

Implementaciones

Existen varias herramientas de simulación que se pueden utilizar para diseñar amplificadores ópticos. Optiwave Systems y VPI Systems han desarrollado herramientas comerciales populares.