Amplificadores Ópticos en Telecomunicaciones: Raman, EDFA y SOA ¿Qué son? ¿Cómo funcionan?

En Tecnologia de Telecomunicaciones y Fibra Optica, y mas especificamente, en el diesenio de redes opticas (Optical Networks), es muy comun escuchar hablar de los llamados Amplificadores Opticos (Optical Amplifiers).  Que son los amplificadores opticos y por que son tan necesarios?

 
Como su nombre indica, un Amplificador Óptico (Optical Amplifier), sirve para amplificar una señal óptica. Sucede que cuando se quiere enviar una una senial a travez de un Transmisor hacia un Receptor, pero la distancia es lo suficientemente larga como para que en el camino la senial se reduzca.

La reduccion de la senial se debe a diferentes fenomenos que suceden a travez del camino optico, como lo son: las perdidas debido a los conectores, a la dispersion en la fibra optica, a los splices, etc.

La siguiente imagen ejemplifica la perdida de senial debido a un camino optico largo entre la comunicacion de dos Data Centers.

Entonces, para evitar este tipo de reduccion de senial se utilizan los Optical Amplifiers (Amplificadores Opticos) que se encargaran de amplificar nuevamente la senial.

Para este caso NO es necesario conectar la señal óptica a una eléctrica y luego amplificarla, sino que la amplificación ocurre directamente a la señal óptica. Esta es una de sus principales ventajas, la ausencia de un intermediario eléctrico para su amplificación. Otra forma de decirlo es que la amplificación óptica sucede sin necesidad de otra conversión. La única señal amplificada es la óptica sin la ayuda de ninguna conversión eléctrica.

Los amplificadores ópticos pueden ponerse en cualquier lugar intermedio en un camino óptico.

Algo muy importante a mencionar es que la amplificación óptica puede ser bidireccional y de tipo multiplexor óptico. Lo anterior significa que puede aceptar diferentes longitudes ópticas de señal y proveer amplificación.

Tipos de Amplificadores

Existen tres tipos de Amplificadores Opticos: 

• Semiconductor Optical Amplification (SOA): Amplificacion Optica por Semiconductores.
• Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA): Amplificacion por Fibra Dopada con Erbium.
• Raman Amplifier: Amplificacion por Efecto Raman.
  
  
  
  

Debido a que sus nombres son muy comunmente usados en ingles, en este articulo los usaremos en ese idioma tambien. Veamos brevemente cada uno de ellos.

Semiconductor Optical Amplification (SOA).

Este tipo de amplificadores son pequeños en tamaño y usa emisión estimulada par su funcionamiento, similar al que usan los láseres. Como su nombre dice, utiliza un semiconductor para lograr este proposito, el cual es InGaAsP y por tanto un SOA es un diodo laser que usa este semicondutor. De hecho su construccion misma es similar a la de un diodo laser.

La ganancia de la amplificacion puede ser variada mediante cambios en la composicion del InGaAsP.  Con lo cual la maxima ganancia puede obtenerse al rededor de 1200 nm y 1700 nm. Y si la longitud del SOA es incrementada, la ganancia de la amplificacion tambien incrementa, en otras palabras la ganacia de la amplificacion es dependiente de la longitud del SOA.

Otra de las caracteristicas de este tipo de amplificadores es su comportamiento de Ganancia vs Longitud de onda y que puede verse en la siguiente grafica:

Ganancia vs Wavelength (Gain vs Wavelength).

Esta grafica indica que el pico de la ganancia, es decir, la maxima ganancia se obtiene al rededor de la longitud de onda 1530 nm. Esta ganancia es de al rededor de 25 dB, nada mal verdad? Veamos ademas, si nos enfocamos a un bandwith de 3 dB (linea naranja), este ocurre entre 1490 nm a 1570 nm.

Otra caracteristica importante es si la senial de entrada es muy baja entonces la amplificacion sera muy buena, en forma grafica esto se ve como muestra la siguiente imagen:

Ganancia vs Senial de entrada (Gain vs Input Signal)

Puede verse en la grafica que por ejemplo, una senial de -60 dBm puede amplificarse hasta 30 dB!!! Esto es algo asi como amplificarlo mil veces. Wow! Si nos concentramos en un bandwidth de unos 3 dB podemos ver que una muy buena amplificacion sucede en toda esa ventana (lineas naranjas en la imagen).

Por el lado contrario, si la senial de entrada es muy alta la amplificacion sera muy baja. Esto puede ser una ventaja para los dispositivos al tener una especie de limitacion en la maginitud de la senial a amplificar.

En resumen: la amplificacion es muy buena para seniales debiles, no para seniales fuertes.

Erbium Doped Fiber Amplification (EDFA).

Este es otro amplificador muy popular y ampliamente usado. Usa una fibra cuyo core esta ampliamente dopada con iones de Erbium (Er+3). Su funcionamiento esta basado en el concepto de emision estimulada. Opera en el C-band (1530 nm 1560 nm) y en el L-band (1570 nm - 1610 nm)

El mecanismo de funcionamiento del EDFA consiste en la inyeccion (pump) por medio de un laser de luz en 980 nm o 1480 nm. De esta forma la senial debil y la luz laser se convinan mediante un wavelength selective coupler o lo que es lo mismo, un coupler selectivo de longitud de onda. 

La alta energia emitida por el laser sera absorbida por los iones de Erbium y seran excitados a niveles mas altos de energia. Por otro lado la senial de entrada funcionara como estimulante para los iones de Erbium de tal forma que la combinacion laser y senial producira en la fibra una emision estimulada en la longitud de onda de la senial de entrada.

EDFA - Arquitecturas

Ahora veremos los tipos de arquitecturas que pueden utilizarse mediante el uso de EDFA.

Conclusión

En este artículo hemos revisado dos tipos de amplificadores ópticos comunes en telecomunicaciones. Sin embargo, aún existe uno muy importante que será revisado con mayor detenimiento en otro artículo. Pronto publicaremos el link.

Lo más importante con lo que debemos quedarnos es lo siguiente: las telecomunicaciones son muy importantes en nuestros días y para que puedas tener intercambio de información se trata de usar alta tecnología y no magia... al menos no solo eso. La tecnología no es perfecta, sufre de problemas que crean nuevas tecnologías para solucionarlas. Esto es muy interesante, en cierta forma es la creación de tecnología a partir de una tecnología fuente, como si se tratara de un árbol y sus ramas.