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 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 láser . Se utilizan como repetidores ópticos en los cables de fibra óptica de larga distancia que transportan gran parte de las comunicaciones de telecomunicaciones del mundo.

Existen diversos mecanismos físicos que pueden utilizarse para amplificar una señal luminosa, los cuales corresponden a los principales tipos de amplificadores ópticos. En los amplificadores de fibra dopada y los láseres de volumen, la emisión estimulada en el medio de ganancia del amplificador provoca la amplificación de la luz incidente. En los amplificadores ópticos semiconductores (SOA), se produce la recombinación electrón - hueco . En los amplificadores Raman , la dispersión Raman de la luz incidente con los fonones en la red del medio de ganancia produce fotones coherentes con los fotones incidentes. Los amplificadores paramétricos utilizan la amplificación paramétrica.

El principio de amplificación óptica fue inventado por Gordon Gould el 13 de noviembre de 1957. ^{[ 2 ]} Presentó la patente estadounidense US80453959A el 6 de abril de 1959, titulada "Amplificadores de luz que emplean colisiones para producir inversiones de población" ^{[ 3 ]} (posteriormente modificada como una continuación parcial y finalmente emitida como patente estadounidense 4,746,201A el 4 de mayo de 1988). La patente cubría "la amplificación de la luz por 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 antiguo 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 longitud de onda densa (DWDM), que lanzaron en junio de 1996. Esto marcó el comienzo de las redes ópticas. ^{[ 3 ]} Su importancia fue reconocida en ese momento por la autoridad en óptica, Shoichi Sudo y el analista tecnológico, George Gilder en 1997, cuando Sudo escribió que los amplificadores ópticos “darán paso a 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 preferida 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 para láser puede ser bombeado para producir ganancia para luz a la longitud de onda de un láser fabricado con el mismo material que su medio de ganancia. Estos amplificadores se utilizan comúnmente para producir sistemas láser de alta potencia. Tipos especiales, como los amplificadores regenerativos y los amplificadores de pulsos modulados en frecuencia, se utilizan para amplificar pulsos ultracortos .

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. ^{[ 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 mediante la interacción con los iones dopantes .

La amplificación se logra mediante la emisión estimulada de fotones provenientes de iones dopantes en la fibra dopada. El láser de bombeo excita los iones a un nivel de energía superior, desde donde pueden decaer a un nivel de energía inferior mediante la emisión estimulada de un fotón a la longitud de onda de la señal. Los iones excitados también pueden decaer espontáneamente (emisión espontánea) o incluso mediante 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 el cual el amplificador proporciona una ganancia útil. Esta ventana está determinada por las propiedades espectroscópicas de los iones dopantes, la estructura vítrea de la fibra óptica y la longitud de onda y potencia del láser de bombeo.

Aunque las transiciones electrónicas de un ion aislado están muy bien definidas, se produce un ensanchamiento de los niveles de energía cuando los iones se incorporan al vidrio de la fibra óptica, lo que también amplía la ventana de amplificación. Este ensanchamiento puede ser tanto homogéneo (todos los iones presentan el mismo espectro ensanchado) como inhomogéneo (diferentes iones en diferentes ubicaciones del vidrio presentan espectros diferentes). El ensanchamiento homogéneo surge de las interacciones con los fonones del vidrio, mientras que el ensanchamiento inhomogéneo se debe a las diferencias en los sitios del vidrio donde se alojan los diferentes iones. Los diferentes sitios exponen a los iones a diferentes campos eléctricos locales, lo que desplaza los niveles de energía mediante el 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 divide en J + 1/2 = 8 subniveles con energías ligeramente diferentes. El primer estado excitado tiene J = 13/2 y, por lo tanto, un conjunto 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 presenta varios picos que se difuminan debido a los mecanismos de ensanchamiento mencionados. El resultado es un espectro muy amplio (  típicamente de 30 nm en sílice). 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 un solo amplificador puede utilizarse para amplificar todas las señales que se transmiten por la fibra y cuyas longitudes de onda se encuentran dentro de la ventana de ganancia.

Un amplificador de guía de ondas dopado con erbio (EDWA, por sus siglas en inglés) es un amplificador óptico que utiliza una guía de ondas para potenciar una señal óptica.

Principio básico del EDFA

Un haz de luz de alta potencia, conocido como luz de bombeo, se mezcla con la señal de entrada amplificada mediante un acoplador. La señal de entrada y la luz de bombeo deben tener longitudes de onda significativamente diferentes. La luz resultante se guía a través de una sección de fibra con iones de erbio en su núcleo. Este haz de luz de alta potencia excita los iones de erbio a un estado de mayor energía. Cuando los fotones de la señal, con una longitud de onda distinta a la de la luz de bombeo, inciden sobre los iones de erbio excitados, estos experimentan emisión estimulada y regresan a su estado de menor energía.

Un aspecto importante es que el erbio cede su energía en forma de fotones adicionales que se encuentran exactamente en la misma fase, frecuencia y dirección que la señal que se está amplificando. Por lo tanto, la señal se amplifica únicamente en su dirección de propagación. Esto no es inusual: cuando un átomo emite un láser, siempre cede su energía en la misma dirección y fase que la luz incidente. Así, toda la potencia de señal adicional se guía en el mismo modo de fibra que la señal incidente. La luz de bombeo puede enviarse a la fibra en la misma dirección (bombeo directo) o en la dirección opuesta a la de la señal (bombeo inverso). Generalmente, se coloca un aislador óptico en la salida para evitar reflexiones que regresan de la fibra conectada. Dichas reflexiones interrumpen 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.

Ruido

La principal fuente de ruido en los amplificadores de fibra dopada con fibra (DFA) es la emisión espontánea amplificada (ASE), cuyo espectro es 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 alcanzar valores 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 aleatoriamente, dependiendo de 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. Estos fotones capturados pueden interactuar con otros iones dopantes y, por lo tanto, se amplifican por emisión estimulada. La emisión espontánea inicial se amplifica de la misma manera que las señales, de ahí el término emisión espontánea amplificada ( ASE). El amplificador emite ASE tanto en la dirección directa como en la inversa, pero solo la ASE directa es una preocupación directa para el rendimiento del sistema, ya que ese ruido se propagará junto con la señal hasta el receptor, donde degrada el rendimiento del sistema. Sin embargo, la ASE que se propaga en sentido contrario 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.

La figura de ruido puede analizarse tanto en el dominio óptico como en el 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 mediante un analizador de espectro óptico permite calcular la figura de ruido. Para el método de medición eléctrica, el ruido de la fotocorriente detectada 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 sencillo, aunque no incluye los efectos de ruido adicionales capturados por el método eléctrico, como la generación de ruido por interferencia multitrayecto (MPI). En ambos métodos, prestar 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.

Saturación de ganancia

La ganancia en un amplificador de fibra dopante (DFA) se logra mediante la inversión de población de los iones dopantes. El nivel de inversión de un DFA está determinado 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 reduce y, por lo tanto, la ganancia del amplificador disminuye. 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, por lo que la ganancia disminuye. La saturación también se conoce comúnmente como compresión de ganancia.

Para lograr un rendimiento óptimo en cuanto a ruido, los amplificadores de fibra dopada con dímero (DFA) se operan con una compresión de ganancia significativa (  normalmente 10 dB), ya que esto reduce la tasa de emisión espontánea y, por lo tanto, la emisión espontánea amplificada (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 señales de entrada de menor potencia experimentan una ganancia mayor (menos saturada), mientras que las de mayor potencia experimentan una ganancia menor.

El frente del pulso se amplifica hasta alcanzar la energía de saturación del medio de ganancia. En ciertas condiciones, el ancho ( FWHM ) del pulso se reduce. ^{[ 14 ]}

Efectos de ensanchamiento no homogéneos

Debido a la porción no homogénea del ensanchamiento de línea de los iones dopantes, el espectro de ganancia presenta un componente no homogéneo y la saturación de ganancia se produce, en menor medida, de manera no homogénea. Este efecto se conoce como " quemado 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 dicha señal debido a la saturación de los iones ensanchados de forma no homogénea. El ancho de los agujeros espectrales varía según las características de la fibra óptica en cuestión y la potencia de la señal de quemado, pero suele ser inferior a 1  nm en el extremo de longitud de onda corta de la banda C y de 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

Si bien el DFA es esencialmente un amplificador independiente de la polarización, una pequeña proporción de los iones dopantes interactúa preferentemente con ciertas polarizaciones, lo que puede generar una ligera dependencia de la polarización de la señal de entrada (normalmente < 0,5  dB). Esto se conoce como ganancia dependiente de la polarización (PDG).

Las secciones transversales de absorción y emisión de los iones pueden modelarse como elipsoides con los ejes mayores alineados aleatoriamente en todas las direcciones en diferentes puntos del vidrio. La distribución aleatoria de la orientación de los elipsoides en un vidrio produce un medio macroscópicamente isótropo, 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 del bombeo. Además, los iones excitados alineados con el campo de señal producen una mayor emisión estimulada. Por lo tanto, el cambio en la ganancia depende de la alineación de las polarizaciones de los láseres de bombeo y de señal, es decir, si ambos láseres interactúan con el mismo subconjunto de iones dopantes o no. En una fibra dopada ideal sin birrefringencia , el PDG sería excesivamente 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, longitud suficiente 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 los láseres de señal y bombeo 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).

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 la de los diodos láser Fabry-Pérot , pero con elementos de diseño antirreflectantes en las caras finales. Los diseños recientes incluyen recubrimientos antirreflectantes y regiones de guía de onda y ventana 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 suelen estar fabricados con semiconductores compuestos del grupo III-V, como GaAs /AlGaAs, InP / InGaAs , InP /InGaAsP e InP /InAlGaAs, aunque también podrían utilizarse semiconductores de banda prohibida directa, como los del grupo II-VI. Estos amplificadores se emplean frecuentemente en sistemas de telecomunicaciones como componentes integrados en fibra óptica, operando en longitudes de onda de señal entre 850  nm y 1600  nm y generando ganancias de hasta 30  dB.

El amplificador óptico semiconductor es de tamaño reducido y bombeado eléctricamente. Puede ser potencialmente menos costoso que el EDFA y puede integrarse con láseres semiconductores, moduladores, etc. Sin embargo, su rendimiento aún no es comparable al del EDFA. El SOA tiene mayor ruido, menor ganancia, dependencia de polarización moderada y alta no linealidad con un tiempo de transición rápido. La principal ventaja del SOA es que puede 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 puede funcionar con un láser de baja potencia. ^{[ 21 ]} Esto se origina en la corta vida útil del estado superior (de nanosegundos o menos), por lo que la ganancia reacciona rápidamente a los cambios de potencia de bombeo o 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, ofrece la posibilidad de ganancia en diferentes regiones de longitud de onda que el EDFA. Se han desarrollado "amplificadores ópticos lineales" que utilizan técnicas de fijación de ganancia.

La elevada no linealidad óptica hace que los amplificadores semiconductores resulten atractivos para el procesamiento de señales totalmente ópticas, como la conmutación óptica y la conversión de longitud de onda. Se han realizado numerosas investigaciones sobre amplificadores ópticos semiconductores como elementos para el procesamiento de señales ópticas, la conversión de longitud de onda, la recuperación de reloj, la demultiplexación de señales y el reconocimiento de patrones.

En un amplificador Raman, la señal se intensifica mediante amplificación Raman . A diferencia del EDFA y el 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. Existen dos tipos de amplificadores Raman: distribuidos y concentrados. Un amplificador Raman distribuido utiliza la fibra de transmisión 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 un segmento de fibra más corto y específico 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 las longitudes de onda de la señal y del bombeo, reduciendo así la longitud de fibra necesaria.

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 en ambas. El bombeo contradireccional es más común, ya que reduce la transferencia de ruido del bombeo a la señal.

La potencia de bombeo necesaria para la amplificación Raman es mayor que la requerida por el EDFA, necesitando más de 500  mW para alcanzar niveles de ganancia útiles en un amplificador distribuido. Los amplificadores concentrados, donde la luz de bombeo puede confinarse de forma segura para evitar riesgos de seguridad derivados de altas potencias ópticas, pueden consumir más de 1 W de potencia óptica.

La principal ventaja de la amplificación Raman reside en su capacidad para proporcionar amplificación distribuida dentro de la fibra de transmisión, lo que permite aumentar la longitud de los tramos entre los sitios de amplificación y regeneración . El ancho de banda de amplificación de los amplificadores Raman viene definido por las longitudes de onda de bombeo utilizadas, por lo que la amplificación puede abarcar regiones más amplias y diversas que las que se pueden obtener con otros tipos de amplificadores, que dependen de dopantes y del diseño del dispositivo para definir la "ventana" de amplificación.

Los amplificadores Raman presentan algunas ventajas fundamentales. En primer lugar, la ganancia Raman está presente en todas las fibras, lo que proporciona un medio rentable para actualizar desde los extremos terminales. En segundo lugar, la ganancia no es resonante, lo que significa que está disponible en toda la región de transparencia de la fibra, que abarca desde aproximadamente 0,3 hasta 2  μm. Una tercera ventaja de los amplificadores Raman es que el espectro de ganancia se puede ajustar modificando 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 del bombeo determina la planitud de la ganancia. Otra ventaja de la amplificación Raman es que se trata de 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. Primero, en comparación con los EDFA, los amplificadores Raman tienen una eficiencia de bombeo relativamente baja a bajas potencias de señal. Si bien esta falta de eficiencia de bombeo es una desventaja, también facilita la limitación de ganancia en los amplificadores Raman. Segundo, los amplificadores Raman requieren una fibra de ganancia más larga. Sin embargo, esta desventaja puede mitigarse 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 sobre la 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 1037C, de dominio público .

Un amplificador paramétrico óptico permite amplificar 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 sintonización de frecuencia de 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 lograr anchos de banda de amplificación extremadamente amplios.

En el siglo XXI, los láseres de fibra de alta potencia se adoptaron como herramienta para el procesamiento industrial de materiales y se expandieron a otros mercados, incluidos el médico y el científico. Una mejora clave que permitió su penetración en el mercado científico fue el perfeccionamiento de los amplificadores de fibra de alta finura, que lograron 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 progresivamente, pasando de unos pocos vatios de potencia de salida inicialmente a decenas de vatios y, posteriormente, 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 la dispersión de Brillouin estimulada (SBS) dentro de la fibra, y mejoras en el diseño general del amplificador, incluyendo fibras de área modal grande (LMA) con un núcleo de baja apertura, ^{[ 25 ]} fibra microestructurada tipo varilla ^{[ 26 ] [ 27 ]} núcleo helicoidal, ^{[ 28 ]} o fibras de núcleo acoplado quiralmente, ^{[ 29 ]} y fibras de doble revestimiento cónicas (T-DCF). ^{[ 30 ]} A partir de 2015Los amplificadores de fibra pulsada , de alta finura y alta potencia proporcionaron niveles de potencia superiores a los disponibles en las fuentes comerciales de estado sólido de frecuencia única, y un rendimiento estable y optimizado, lo que abre nuevas aplicaciones científicas. ^{[ 31 ]}

Existen diversas herramientas de simulación que pueden utilizarse para diseñar amplificadores ópticos. Algunas de las herramientas comerciales más populares han sido desarrolladas por Optiwave Systems y VPI Systems.

• Teoría no lineal de los láseres semiconductores
• Amplificación regenerativa

• Descripción general de los amplificadores cónicos semiconductores disponibles comercialmente.
• Descripción general de los amplificadores de estado sólido disponibles comercialmente.
• Enciclopedia de RP Photonics sobre amplificadores de fibra y amplificadores Raman.
• Tendencias actuales en sistemas sin repetidores, incluido el amplificador de bombeo óptico remoto (ROPA).