Un amplificador óptico es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin necesidad de convertirla primero en una señal eléctrica. Se puede considerar 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 del 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 luminosa, que corresponden a los principales tipos de amplificadores ópticos. En los amplificadores de fibra dopada y los láseres masivos, la emisión estimulada en el medio de ganancia del amplificador provoca la amplificación de la luz entrante. En los amplificadores ópticos 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 amplificación paramétrica.
El principio de amplificación óptica fue inventado por Gordon Gould el 13 de noviembre de 1957. [2] Presentó la patente estadounidense 804.539 el 6 de abril de 1959, titulada "Amplificadores de luz que emplean colisiones para producir inversiones de población" [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 a partir 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 ópticos de telecomunicaciones, Optelecom Inc. , que ayudó a iniciar Ciena Corp con su ex director 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 la tecnología óptica. redes. [3] Su importancia fue reconocida en su 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 Era de la Información” [4] y Gilder comparó la amplificador óptico al 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 una base de redes informáticas modernas ).
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. Estos amplificadores se utilizan habitualmente para producir sistemas láser de alta potencia. Para amplificar pulsos ultracortos se utilizan tipos especiales, como amplificadores regenerativos y amplificadores de pulso chirriado .
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 señales ópticas. La variedad de materiales permite la amplificación de diferentes longitudes de onda mientras que la forma del medio permite distinguir entre escalas de energía más adecuadas para potencias medias. [10] Además de su uso en investigaciones fundamentales, 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 necesaria ]
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 bomba se multiplexan en la fibra dopada y la señal se amplifica mediante 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 descomponerse mediante 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 desintegrarse espontáneamente (emisión espontánea) o incluso mediante procesos no radiativos que implican interacciones con fonones de la matriz vítrea. Estos dos últimos mecanismos de desintegración 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 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 aumento de los niveles de energía se produce cuando los iones se incorporan al vidrio de la fibra óptica y, por tanto, también se amplía la ventana de amplificación. Este ensanchamiento es tanto homogéneo (todos los iones exhiben el mismo espectro ampliado) 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 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 (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 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 desdibujados por los mecanismos de ampliación anteriores. El resultado neto es un espectro muy amplio (normalmente 30 nm en sílice). El amplio ancho de banda de ganancia de los amplificadores de fibra los hace particularmente útiles en sistemas de comunicaciones multiplexadas por división de longitud de onda, ya que se puede utilizar un único amplificador para amplificar todas las señales que se transportan por 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 potente haz de luz 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 a la 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. Por lo tanto, la señal se amplifica únicamente en su dirección de viaje. Esto no es inusual: cuando un átomo "dispara", 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 conduce en el mismo modo de fibra que la señal entrante. Generalmente se coloca un aislador óptico en la salida para evitar que los reflejos regresen de la fibra conectada. Tales reflexiones perturban 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 DFA es la emisión espontánea amplificada (ASE), que tiene un espectro aproximadamente igual al espectro de ganancia del amplificador. El factor de ruido en un DFA ideal es de 3 dB, mientras que los amplificadores prácticos pueden tener un factor de ruido de entre 6 y 8 dB.
Además de desintegrarse mediante emisión estimulada, los electrones en el nivel de energía superior también pueden desintegrarse mediante emisión espontánea, que ocurre al azar, 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 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 tanto, ser amplificados por emisión estimulada. Por 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 sólo el ASE directo es una preocupación directa para el rendimiento del sistema, ya que ese ruido se propagará conjuntamente con la señal al receptor, donde degradará el rendimiento del sistema. Sin embargo, la contrapropagación del ASE puede provocar una degradación del rendimiento del amplificador, ya que el ASE puede agotar el nivel de inversión y, por tanto, reducir la ganancia del amplificador y aumentar el ruido producido en relación con la ganancia de la señal deseada.
La figura de ruido se puede analizar tanto en el dominio óptico como en el dominio eléctrico. [13] 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 calcular 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 una medición del factor de ruido. Generalmente, 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 de trayectorias múltiples (MPI). En ambos métodos, la atención a efectos como la emisión espontánea que acompaña a la señal de entrada es fundamental para una medición precisa de la figura de ruido.
La ganancia se logra en un DFA debido a la inversión poblacional 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 se operan bajo una cantidad significativa de compresión de ganancia (normalmente 10 dB), ya que eso reduce la tasa de emisión espontánea, reduciendo así 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 flanco anterior 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 se produce, en 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 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 de la potencia de la señal encendida, pero normalmente miden menos de 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 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 vidrio produce un medio macroscópicamente isotrópico, pero un láser de bomba potente induce una distribución anisotrópica excitando selectivamente aquellos iones que están más alineados con el vector del campo óptico de la bomba. Además, esos iones excitados alineados con el campo de 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 bomba y de señal, es decir, si los dos láseres interactúan con el mismo subconjunto de iones dopantes o no. En una fibra dopada ideal sin birrefringencia , el PDG sería inconvenientemente grande. Afortunadamente, en las fibras ópticas siempre están presentes 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 el 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).
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 puede bombearse eficientemente con un láser en o cerca de longitudes de onda de 980 nm y 1480 nm, 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 oscilar entre unos pocos nm y ~80 nm. Uso típico de EDFA en llamadas de telecomunicaciones para amplificadores convencionales o de banda C (de ~1525 nm a ~1565 nm) o amplificadores largos o de banda L (de ~1565 nm a ~1610 nm). Ambas bandas pueden amplificarse mediante 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 L es que en los amplificadores de banda L se utiliza una longitud más larga de fibra dopada. La longitud más larga de la fibra permite utilizar un nivel de inversión más bajo, lo que genera emisiones en longitudes de onda más largas (debido a la estructura de bandas del erbio en sílice) y al mismo tiempo proporciona una cantidad útil de ganancia. [ cita necesaria ]
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 usa cuando se requiere un rendimiento de bajo ruido. La banda de absorción es relativamente estrecha y, por lo tanto, normalmente se necesitan fuentes láser de longitud de onda estabilizada. La banda de 1480 nm tiene una sección transversal de absorción más baja, pero más amplia, y generalmente se usa para amplificadores de mayor potencia. En los amplificadores generalmente se utiliza una combinación de bombeo de 980 nm y 1480 nm.
La ganancia y el efecto láser en fibras dopadas con erbio fueron demostrados por primera vez en 1986-87 por dos grupos; uno que incluye a David N. Payne , R. Mears , IM Jauncey y L. Reekie, de la Universidad de Southampton [15] [16] y uno de AT&T Bell Laboratories, formado por E. Desurvire, P. Becker y J. Simpson. . [17] El amplificador óptico de dos etapas que permitió la multiplexación por división de onda densa (DWDM) fue inventado por Stephen B. Alexander en Ciena Corporation. [18] [19]
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 experimentado ningún uso comercial significativo hasta el momento, por lo que 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 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 antirreflectantes en las caras extremas. Los diseños recientes incluyen revestimientos antirreflectantes y regiones de ventana y guía de ondas inclinadas que pueden reducir la reflexión 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, impide 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 semiconductores normalmente se fabrican a partir de semiconductores compuestos del grupo III-V, como GaAs /AlGaAs, InP / InGaAs , InP /InGaAsP e InP /InAlGaAs, aunque es posible utilizar cualquier semiconductor de banda prohibida directa, como II-VI. Estos 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 tamaño pequeño y está 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 al del EDFA. El SOA tiene mayor ruido, menor ganancia, dependencia moderada de la polarización y alta no linealidad con un 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. [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 potencia de la señal o de la bomba 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 comunicaciones ópticas. Sin embargo, ofrece la posibilidad de ganar en regiones de longitud de onda diferentes a las 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 el procesamiento de señales ópticas, como la conmutación totalmente óptica y la conversión de longitud de onda. Se han realizado muchas investigaciones sobre amplificadores ópticos semiconductores como elementos para el procesamiento de señales ópticas, conversión de longitudes de onda, recuperación de reloj, demultiplexación de señales y reconocimiento de patrones.
Una incorporación reciente a la familia SOA es la SOA de cavidad vertical (VCSOA). Estos dispositivos son similares en estructura y comparten muchas características con los láseres de emisión superficial 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 los VCSOA, es necesaria 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 un solo paso muy baja (generalmente 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 el funcionamiento del VCSOA a la amplificación de un solo canal. Por tanto, los VCSOA pueden verse como 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 en superficie de los VCSOA conlleva una serie de ventajas, entre las que se incluyen un bajo consumo de energía, un bajo factor de ruido, una ganancia insensible a la polarización y la capacidad de fabricar matrices bidimensionales con un alto factor de llenado en un único chip semiconductor. . Estos dispositivos aún se encuentran en las primeras etapas de investigación, aunque se han demostrado resultados prometedores con el preamplificador. 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. [22] Los SOA tienen una respuesta de ganancia más rápida, que es del orden de 1 a 100 ps.
Para obtener una alta 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 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 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 amplificador Raman: distribuido y agrupado. 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 bomba con una longitud de onda de 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 la señal y las longitudes de onda de la bomba y, por lo tanto, reducir la longitud de fibra requerida.
La luz de bombeo puede acoplarse a la fibra de transmisión en la misma dirección que la señal (bombeo codireccional), en la dirección opuesta (bombeo contradireccional) o 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 el 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 implicaciones de seguridad por 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, aumentando así la longitud de los tramos entre el amplificador y los sitios de regeneración . El ancho de banda de amplificación de los amplificadores Raman está definido 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 puede ser posible con otros tipos de amplificadores que dependen de dopantes y el diseño del dispositivo para definir la "ventana" de amplificación.
Los amplificadores Raman tienen algunas ventajas fundamentales. En primer lugar, existe ganancia Raman en cada fibra, lo que proporciona un medio rentable de actualización desde los extremos de los 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, en un rango de 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 múltiples líneas de bomba para aumentar el ancho de banda óptico y la distribución de la bomba determina la planitud de 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 con potencias de señal más bajas. Aunque es una desventaja, esta falta de eficiencia de la bomba también facilita la fijación de ganancia 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, lo que da lugar a nuevas fuentes de ruido, como se analiza más adelante. Finalmente, existe preocupación por la penalización no lineal en el amplificador para los canales de señal WDM. [24]
Nota: El texto de una versión anterior de este artículo se tomó del dominio público Federal Standard 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 mediante el 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 ampliación de la sintonizabilidad de frecuencia de láseres de estado sólido ultrarrápidos (p. ej. Ti:zafiro ). Al utilizar una geometría de interacción no colineal, los amplificadores ópticos paramétricos son capaces de alcanzar anchos de banda de amplificación extremadamente amplios.
En el siglo XXI, los láseres de fibra de alta potencia se adoptaron como herramienta de procesamiento de materiales industriales y se estaban expandiendo a otros mercados, incluidos los 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 pudieron ofrecer anchos de línea de frecuencia única (<5 kHz) junto con una excelente calidad del haz y una salida polarizada linealmente estable. Los sistemas que cumplían estas especificaciones progresaron constantemente desde unos pocos vatios de potencia de salida inicialmente hasta decenas de vatios y luego cientos de vatios. Este aumento de potencia se logró con avances en la tecnología de la fibra, como la adopción de técnicas de supresión/mitigación de la dispersión estimulada de brillouin (SBS) dentro de la fibra, y mejoras en el diseño general del amplificador, incluidas fibras de área de modo grande (LMA) con baja apertura. núcleo, [25] fibra tipo varilla microestructurada [26] [27] núcleo helicoidal, [28] o fibras de núcleo acopladas quiralmente, [29] y fibras cónicas de doble revestimiento (T-DCF). [30] A partir de 2015 , los amplificadores de fibra pulsada[actualizar] y de alta delicadeza entregaron niveles de potencia que superaban los disponibles en fuentes comerciales de frecuencia única de estado sólido y un rendimiento estable y optimizado, lo que abrió 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.