Un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin necesidad de convertirla primero en una señal eléctrica. Un amplificador óptico puede considerarse 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 los amplificadores de fibra dopada y los láseres en masa, 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 la recombinación electrón - hueco . 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 la amplificación paramétrica.
El principio de amplificación óptica fue inventado por Gordon Gould el 13 de noviembre de 1957. [2] El 6 de abril de 1959 presentó la patente estadounidense US80453959A, titulada "Light Amplifiers Employing Collisions to Produce Population Inversions" [3] (posteriormente modificada como continuación en parte y finalmente emitida como patente estadounidense 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". [4] En total, Gould obtuvo 48 patentes relacionadas con el amplificador óptico [5] que cubrían el 80% de los láseres en el mercado en el momento de su emisión. [6]
Gould cofundó una empresa de equipos de telecomunicaciones ópticas, Optelecom Inc. , que ayudó a iniciar Ciena Corp con su ex jefe de Light Optics Research, David Huber y Kevin Kimberlin . Huber y Steve Alexander de Ciena inventaron el amplificador óptico de doble etapa [7] ( patente estadounidense 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 inicio de las redes ópticas. [3] 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" [4] y Gilder comparó el amplificador óptico con el circuito integrado en importancia, prediciendo que haría posible la Era de la Información. [8] Los sistemas WDM de amplificación óptica son la base común de todas las redes de telecomunicaciones locales, metropolitanas, nacionales, intercontinentales y submarinas [9] 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 ).
Casi cualquier medio de ganancia activa 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 utilizan comúnmente para producir sistemas láser de alta potencia. Se utilizan tipos especiales, como amplificadores regenerativos y amplificadores de pulsos chirped, para amplificar pulsos ultracortos .
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, placa, varilla) para amplificar señales ópticas. La variedad de materiales permite la amplificación de diferentes longitudes de onda, mientras que la forma del medio puede distinguir entre los más adecuados para la energía de la escala de potencia promedio. [10] Además de su uso en la investigación fundamental, desde la detección de ondas gravitacionales [11] hasta la física de alta energía en la Instalación Nacional de Ignición, también se pueden encontrar en muchos de los láseres de pulsos ultracortos actuales . [ cita requerida ]
Los amplificadores de fibra dopada (DFA) son amplificadores ópticos que utilizan una fibra óptica dopada como medio de ganancia para amplificar una señal óptica. [12] Están relacionados con los láseres de fibra . La señal que se va 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 nuevo 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 implican 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 cuales el amplificador produce una ganancia utilizable. La ventana de amplificación está determinada por las propiedades espectroscópicas de los iones dopantes, la estructura vítrea 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, también se ensancha la ventana de amplificación. Este ensanchamiento es tanto homogéneo (todos los iones exhiben el mismo espectro ensanchado) como no homogéneo (diferentes iones en diferentes ubicaciones del 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 diferencias en los sitios del vidrio donde se alojan diferentes iones. Diferentes sitios exponen a los 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 (Er 3+ ) tiene un estado fundamental con J = 15/2, y en presencia de un campo eléctrico se divide en J + 1/2 = 8 subniveles con energías ligeramente diferentes. El primer estado excitado tiene J = 13/2 y, por lo tanto, una variedad de 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 difuminados por los mecanismos de ensanchamiento anteriores. El resultado neto es un espectro muy amplio (30 nm en sílice, típicamente). El amplio ancho de banda de ganancia de los amplificadores de fibra los hace particularmente útiles en sistemas de comunicaciones multiplexados por división de longitud de onda , ya que se puede utilizar un solo amplificador para amplificar todas las señales que se transportan en una fibra y cuyas longitudes de onda caen 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 amplificar una señal óptica.
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 tener longitudes de onda significativamente diferentes. La luz mezclada se guía hacia una sección de fibra con iones de erbio incluidos en el núcleo. Este haz 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 bombeo se encuentran con los iones de erbio excitados, estos 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 está amplificando. Por lo tanto, la señal se amplifica solo en su dirección de viaje. Esto no es inusual: cuando un átomo "efectúa un láser", siempre cede su energía en la misma dirección y fase que la luz entrante. De este modo, 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 regresen reflexiones de la fibra conectada. Dichas reflexiones alteran el funcionamiento del amplificador y, en casos extremos, pueden hacer que el amplificador se convierta en un láser.
El amplificador dopado con erbio es un amplificador de alta ganancia.
La principal fuente de ruido en los amplificadores de frecuencias digitales es la emisión espontánea amplificada (ASE), que tiene un espectro aproximadamente igual al espectro de ganancia del amplificador. El factor de ruido en un amplificador de frecuencias digitales ideal es de 3 dB, mientras que los amplificadores prácticos pueden tener un factor de ruido de hasta 6-8 dB.
Además de desintegrarse mediante emisión estimulada, los electrones en el nivel de energía superior también pueden desintegrarse mediante emisión espontánea, que se produce de forma aleatoria, dependiendo de la estructura del vidrio y del nivel de inversión. Los fotones se emiten espontáneamente en todas las direcciones, pero una proporción de ellos se emitirá en una dirección que se encuentre dentro de la apertura numérica de la fibra y, por lo tanto, son capturados y guiados por la fibra. Esos fotones capturados pueden interactuar con otros iones dopantes y, por lo tanto, son amplificados por 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 la ASE directa es una preocupación directa para el rendimiento del sistema, ya que ese ruido se copropagará con la señal al receptor, donde degrada el rendimiento del sistema. Sin embargo, la ASE contrapropagada puede provocar una 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.
El factor de ruido se puede analizar tanto en el dominio óptico como en el dominio eléctrico. [13] En el dominio óptico, la medición de la ASE, la ganancia de la señal óptica y la longitud de onda de la señal utilizando un analizador de espectro óptico permite el cálculo del factor 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 una medición del factor de ruido. En general, la técnica óptica proporciona un método más simple, aunque no incluye los efectos de ruido excesivo capturados por el método eléctrico, como la generación de ruido de interferencia por trayectos múltiples (MPI). En ambos métodos, la atención a los efectos, como la emisión espontánea que acompaña a la señal de entrada, es fundamental para una medición precisa del factor de ruido.
La ganancia se logra en un amplificador de amplificación digital debido a la inversión de la población de iones dopantes. El nivel de inversión de un amplificador de amplificación digital se establece, principalmente, por la potencia de la longitud de onda de bombeo y la potencia en las longitudes de onda amplificadas. A medida que aumenta la potencia de la señal, o disminuye la potencia de bombeo, 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 óptimo en cuanto al ruido, los amplificadores de frecuencia de entrada (DFA) se utilizan 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 la ASE. Otra ventaja de utilizar 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 experimentan una ganancia menor.
El borde delantero del pulso se amplifica hasta que se alcanza la energía de saturación del medio de ganancia. En algunas condiciones, el ancho ( FWHM ) del pulso se reduce. [14]
Debido a la parte no homogénea del ensanchamiento 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 una 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 mediante la saturación de los iones ensanchados de manera no homogénea. Los agujeros espectrales varían en ancho dependiendo de las características de la fibra óptica en cuestión y la potencia de la señal de quema, pero típicamente son menores 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.
Aunque el DFA es esencialmente un amplificador independiente de la polarización, una pequeña proporción de los iones dopantes interactúan preferentemente con ciertas polarizaciones y puede producirse una pequeña dependencia de la polarización de la señal de entrada (normalmente < 0,5 dB). Esto se denomina 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 vidrio produce un medio macroscópicamente isotrópico, pero un láser de bombeo potente induce una distribución anisotrópica al excitar selectivamente aquellos iones que están más alineados con el vector del campo óptico de la bomba. Además, los iones excitados alineados con el campo de señal producen una emisión más estimulada. El cambio en la ganancia depende, por tanto, de la alineación de las polarizaciones de los láseres de bombeo y de señal, es decir, de 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 longitud de la fibra. Un DFA típico tiene varias decenas de metros, lo suficientemente largo como para mostrar ya 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 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 es perceptible en enlaces con varios amplificadores en cascada).
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 a base de sílice. El núcleo de una fibra de sílice está dopado con iones de erbio trivalentes (Er 3+ ) 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 la región de 1550 nm. La región de amplificación de EDFA varía de una aplicación a otra y puede ser desde unos pocos nm hasta ~80 nm. El uso típico de EDFA en telecomunicaciones requiere amplificadores convencionales o de banda C (de ~1525 nm a ~1565 nm) o amplificadores de banda larga o L (de ~1565 nm a ~1610 nm). Ambas bandas se pueden amplificar con EDFA, pero es normal utilizar dos amplificadores diferentes, cada uno optimizado para una de las bandas.
La principal diferencia entre los amplificadores de banda C y banda L es que en los amplificadores de banda L se utiliza una longitud mayor de fibra dopada. La mayor longitud de fibra permite utilizar un nivel de inversión más bajo, lo que permite obtener una emisión en longitudes de onda más largas (debido a la estructura de banda del erbio en sílice) y, al mismo tiempo, proporcionar una cantidad útil de ganancia. [ cita requerida ]
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 absorción más alta y generalmente se utiliza cuando se requiere un rendimiento de bajo ruido. La banda de absorción es relativamente estrecha y, por lo tanto, normalmente se necesitan fuentes 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 utiliza para amplificadores de mayor potencia. En los amplificadores, generalmente se utiliza una combinación de bombeo de 980 nm y 1480 nm.
La ganancia y la emisión láser en fibras dopadas con erbio fueron demostradas por primera vez en 1986-87 por dos grupos; uno que incluía a David N. Payne , R. Mears , IM Jauncey y L. Reekie, de la Universidad de Southampton [15] [16] y otro de AT&T Bell Laboratories, que constaba de E. Desurvire, P. Becker y J. Simpson. [17] El amplificador óptico de doble etapa que permitió la multiplexación por división de onda densa (DWDM) fue inventado por Stephen B. Alexander en Ciena Corporation. [18] [19]
Los amplificadores de fibra dopada con tulio se han utilizado en la banda S (1450-1490 nm) y los amplificadores dopados con praseodimio en la región de 1300 nm. Sin embargo, estas regiones no han tenido ningún uso comercial significativo hasta ahora y, por lo tanto, estos amplificadores no han sido objeto de tanto desarrollo como el EDFA. Sin embargo, los láseres y amplificadores de fibra dopada con iterbio , que operan cerca de una longitud de onda de 1 micrómetro, tienen muchas aplicaciones en el procesamiento industrial de materiales, ya que estos dispositivos pueden fabricarse con una potencia de salida extremadamente alta (decenas de kilovatios).
Los amplificadores ópticos semiconductores (SOA) son amplificadores que utilizan un semiconductor para proporcionar el medio de ganancia. [20] Estos amplificadores tienen una estructura similar a los diodos láser Fabry-Pérot pero con elementos de diseño antirreflejo en las caras de los extremos. Los diseños recientes incluyen revestimientos antirreflejo y regiones de ventana y guía de ondas inclinadas que pueden reducir la reflexión de la cara del extremo 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 faceta de salida.
Los amplificadores ópticos de semiconductores suelen estar fabricados a partir de semiconductores compuestos del grupo III-V, como GaAs /AlGaAs, InP / InGaAs , InP /InGaAsP e InP /InAlGaAs, aunque también se podría utilizar cualquier semiconductor de banda prohibida directa, como los de II-VI. Estos amplificadores se utilizan a menudo en sistemas de telecomunicaciones en forma de componentes trenzados con fibra óptica, que funcionan en longitudes de onda de señal entre 850 nm y 1600 nm y generan ganancias de hasta 30 dB.
El amplificador óptico de semiconductores es de tamaño pequeño y está bombeado eléctricamente. Puede ser potencialmente menos costoso que el EDFA y se puede integrar con láseres de semiconductores, moduladores, etc. Sin embargo, el rendimiento aún no es comparable con el EDFA. El SOA tiene mayor ruido, menor ganancia, dependencia moderada de la polarización y alta no linealidad con tiempo transitorio rápido. La principal ventaja del 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, el SOA se puede ejecutar con un láser de baja potencia. [21] Esto se origina en la corta vida útil del estado superior de nanosegundos o menos, de modo que la ganancia reacciona rápidamente a los cambios de bombeo o potencia de señal y los cambios de ganancia también causan cambios de fase que pueden distorsionar las señales. Esta no linealidad presenta el problema más grave para las aplicaciones de comunicación óptica. Sin embargo, brinda la posibilidad de ganancia en diferentes regiones de longitud de onda del EDFA. Se han desarrollado "amplificadores ópticos lineales" que utilizan técnicas de fijación de ganancia.
La alta no linealidad óptica hace que los amplificadores semiconductores sean atractivos para todo tipo de procesamiento de señales ópticas, como la conmutación totalmente óptica y la conversión de longitudes de onda. Se han realizado muchas investigaciones sobre los amplificadores ópticos semiconductores como elementos para el procesamiento de señales ópticas, la conversión de longitudes de onda, la recuperación de reloj, la demultiplexación de señales y el reconocimiento de patrones.
Una reciente incorporación a la familia SOA es el SOA de cavidad vertical (VCSOA). Estos dispositivos son similares en estructura a los láseres de emisión superficial de cavidad vertical ( VCSEL ) y comparten muchas características con ellos. La principal diferencia al comparar los VCSOA y los VCSEL es la reflectividad reducida del espejo que se utiliza en la cavidad del amplificador. Con los VCSOA, se necesita una retroalimentación reducida para evitar que el dispositivo alcance el umbral 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 (normalmente del orden de un pequeño porcentaje) y también un rango espectral libre (FSR) muy grande. La pequeña ganancia de paso único 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 el gran FSR de la cavidad óptica, esto limita efectivamente el funcionamiento del VCSOA a la amplificación de un solo canal. Por lo tanto, los VCSOA pueden considerarse filtros amplificadores.
Dada su geometría de cavidad vertical, los VCSOA son amplificadores ópticos de cavidad resonante que funcionan con la señal de entrada/salida entrando/saliendo normal a la superficie de la oblea. Además de su pequeño tamaño, el funcionamiento normal a la superficie de los VCSOA conduce a una serie de ventajas, incluyendo bajo consumo de energía, baja figura de ruido, ganancia insensible a la polarización y la capacidad de fabricar matrices bidimensionales de alto factor de relleno en un solo chip semiconductor. Estos dispositivos aún están 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 por 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. [22] Los SOA tienen una respuesta de ganancia más rápida, que es del orden de 1 a 100 ps.
Para lograr una mayor potencia de salida 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 una 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: [23]
En un amplificador Raman, la señal se intensifica mediante la amplificación Raman . A diferencia del 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 concentrados. 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 concentrado utiliza una longitud de fibra dedicada y más corta para proporcionar amplificación. En el caso de un amplificador Raman concentrado, se utiliza una fibra altamente no lineal con un núcleo pequeño para aumentar la interacción entre la señal y las longitudes de onda de bombeo y, por lo tanto, reducir la longitud de fibra necesaria.
La luz de bombeo puede estar acoplada 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 desde la bomba a la señal.
La potencia de bombeo necesaria para la amplificación Raman es mayor que la requerida por el EDFA, ya que se requieren más de 500 mW para lograr niveles útiles de ganancia en un amplificador distribuido. Los amplificadores concentrados, en los que la luz de bombeo se puede contener de forma segura para evitar las implicaciones de seguridad de las altas potencias ópticas, pueden utilizar más de 1 W de potencia óptica.
La principal ventaja de la amplificación Raman es su capacidad de proporcionar una amplificación distribuida dentro de la fibra de transmisión, aumentando así la longitud de los intervalos 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 bombeo utilizadas, por lo que la amplificación se puede proporcionar en regiones más amplias y diferentes de las que se pueden lograr con otros tipos de amplificadores que dependen de dopantes y del diseño del dispositivo para definir la "ventana" de amplificación.
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 terminales. 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 que va 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 bombeo. Por ejemplo, se pueden utilizar múltiples líneas de bombeo para aumentar el ancho de banda óptico, y la distribución de bombeo determina la planicidad 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. [24]
Sin embargo, una serie de desafíos para los amplificadores Raman impidieron su adopción temprana. En primer lugar, en comparación con los EDFA, los amplificadores Raman tienen una eficiencia de bombeo relativamente pobre a potencias de señal más bajas. Aunque es una desventaja, esta falta de eficiencia de bombeo también hace que la fijación de ganancia sea más fácil en los amplificadores Raman. En segundo lugar, los amplificadores Raman requieren una fibra de ganancia más larga. 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, existen preocupaciones de penalización no lineal en el amplificador para los canales de señal WDM. [24]
Nota: El texto de una versión anterior de este artículo fue tomado de la Norma Federal de dominio público 1037C .
Un amplificador paramétrico óptico permite la amplificación de un impulso de señal 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 principal aplicación en la expansión de la capacidad de ajuste de frecuencia de láseres de estado sólido ultrarrápidos (por ejemplo, Ti:zafiro ). Al utilizar una geometría de interacción no colineal , los amplificadores paramétricos ópticos son capaces de anchos de banda de amplificación extremadamente amplios.
En el siglo XXI, los láseres de fibra de alta potencia se adoptaron como una herramienta de procesamiento de materiales industriales y se expandieron a otros mercados, incluidos los mercados médicos y científicos. Una mejora clave que permitió la penetración en el mercado científico fue la mejora de los amplificadores de fibra de alta finura, que se volvieron 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 cumplían con estas especificaciones progresaron de manera constante desde unos pocos vatios de potencia de salida inicialmente, a decenas de vatios y luego a cientos de vatios. Este aumento de potencia se logró con avances en la tecnología de fibra, como la adopción de técnicas de supresión/mitigación de dispersión estimulada de brillouina (SBS) dentro de la fibra, y mejoras en el diseño general del amplificador, incluyendo fibras de área de modo grande (LMA) con un núcleo de baja apertura, [25] fibra de tipo varilla microestructurada [26] [27] núcleo helicoidal, [28] o fibras de núcleo acoplado quiralmente, [29] y fibras de doble revestimiento cónico (T-DCF). [30] A partir de 2015, los amplificadores de fibra pulsada[actualizar] de alta finura y alta potencia entregaron niveles de potencia que excedían los disponibles de las fuentes comerciales de frecuencia única de estado sólido y un rendimiento optimizado estable, abriendo nuevas aplicaciones científicas. [31]
Existen varias herramientas de simulación que se pueden utilizar para diseñar amplificadores ópticos. Optiwave Systems y VPI Systems han desarrollado herramientas comerciales populares.