Sistemas de comunicaciones opticos

SISTEMAS ÓPTICOS DE
COMUNICACIONES
DOCENTE:
CRISTÓBAL ESPINOZA
REPÚBLICA BOLIVARIANA DEVENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
EXTENSIÓN MATURÍN
ESTUDIANTE:
JOSÉ BELLO
C.I: 27.287.508
MATURÍN, JUNIO 2019

Breve reseña histórica de los sistemas de
comunicaciones por fibra óptica
Un sistema óptico de
comunicaciones es un sistema
electrónico de comunicaciones que
usa la luz como portador de
información. Sin embargo, es difícil
e impráctico propagar ondas
luminosas por la atmosfera
terrestre. En consecuencia, los
sistemas de comunicaciones con
fibra óptica usan fibras de vidrio o
de plástico para contener las ondas
luminosas y guiarlas en forma
similar a como las ondas
electromagnéticas son guiadas en
una guía de ondas.
Alexander Graham Bell, en 1880,
experimentó con un aparato al que
llamó fotófono. El fotófono era un
dispositivo formado con espejos y
detectores de selenio, que
transmitía ondas sonoras sobre un
rayo de luz.
Ese fotófono era muy malo, no
confiable y no tenía aplicación
práctica.
En 1951, A. C. S. van Heel de
Holanda, y H. H. Hopkins y N. S.
Kapany de Inglaterra
experimentaron con transmisión de
luz a través de haces de fibras. Sus
estudios condujeron al desarrollo
del fibroscopio flexible, que se usa
mucho en el campo de la medicina.
Kapany fue quien acuño el término
“fibra óptica” en 1956. El láser fue
inventado en 1960. La potencia
relativamente alta de salida del
láser, su alta frecuencia de
operación y su capacidad de portar
un ancho de banda
extremadamente grande, lo hacen
ideal para sistemas de
comunicaciones de gran capacidad
Los cables de fibra disponibles
en la década de 1960 tenían
pérdidas extremadamente grandes
(1000 dB/km), lo cual limitaba las
transmisiones ópticas a distancias
cortas. En 1970, Kapron, Keck y
Maurer, de Corning, desarrollaron
una fibra óptica con pérdidas
menores que 2 dB/km. Afines de la
década de 1970 el refinamiento de
los cables ópticos, y el desarrollo de
fuentes luminosas y detectores de
alta calidad y económicos abrió la
puerta al desarrollo de sistemas de
comunicaciones de alta calidad, alta
capacidad, eficientes y económicos,
con fibra óptica. A fines de la
década de 1980 las pérdidas en las
fibras ópticas se redujeron hasta
0.16 dB/km, y en 1988, NEC
Corporation estableció un récord de
transmisión a gran distancia, al
enviar 10 Gbits/s con 80.1 km de
fibra óptica.

TRANSMISORESY RECEPTORES ÓPTICOS
En las comunicaciones a
través de fibras ópticas los
transmisores y receptores
ópticos son los dispositivos
encargados de tomar la señal
eléctrica en forma de voltaje o
corriente y convertirla en una
señal luminosa con el objetivo
de transportar información a
través de la fibra. La
complejidad del transmisor y
receptor depende del tipo de
señal o información que se
quiere enviar, si es análoga o
digital, el tipo de codificación,
y de la clase de fuente
luminosa que se va a modular.
Los transmisores ópticos más
comúnmente utilizados son
dispositivos semiconductores
como, por ejemplo, diodos
emisores de luz (leds) y diodos
láser.
El principal componente
de un receptor óptico es
una célula fotoeléctrica, que
convierte la luz en electricidad
mediante el efecto
fotoeléctrico. El foto
detector es generalmente
un fotodiodo basado en
semiconductores.

TRANSMISORES Y RECEPTORES ÓPTICOS
La imagen de arriba muestra los tres
bloques principales que forman el sistema de
comunicación por fibra óptica: el transmisor,
el receptor y la guía de fibra o fibra guía.
El transmisor consiste en una
interconexión o interfaz analógica o
digital, un convertidor de voltaje a
corriente, una fuente luminosa y un
acoplador de luz de fuente a fibra. La
guía de fibra es una cable de vidrio o
de plástico ultrapuro. El receptor
comprende un dispositivo acoplador
de fibra a luz, un detector foto
eléctrico, un convertidor de corriente a
voltaje, un amplificador y una interfaz
analógica o digital.

TRANSMISORES ÓPTICOS
En un transmisor de fibra óptica, la
fuente luminosa se puede modular
mediante una señal digital o una
analógica. Para la modulación analógica,
la interfaz de entrada compensa las
impedancias y limita la amplitud de la
señal de entrada. Para la modulación
digital, la fuente original puede tener ya la
forma digital o bien, si está en forma
analógica, debe convertirse a una
corriente de pulsos digitales. En el último
caso se debe agregar un convertidor de
analógico a digital en la interfaz.
El convertidor de voltaje a corriente
sirve como interconexión eléctrica
entre los circuitos de entrada y la
fuente luminosa. Esta fuente luminosa
puede ser un diodo emisor de luz
(LED, de light-emitting diode) o un
diodo de inyección láser (ILD, por
injection laser diode). La cantidad de
luz emitida por un LED o un ILD es
proporcional a la cantidad de la
corriente de excitación. Así, el
convertidor de voltaje a corriente
convierte un voltaje de señal de
entrada en una corriente que se usa
para activar la fuente luminosa.

Diodo emisor de luz (LED)
Un LED es una fuente de luz
constituida por un material
semiconductor dotado de dos
terminales. Se trata de una unión
p-n que emite luz cuando está
activo. La energía luminosa
emitida por el LED es
proporcional al nivel de corriente
de la polarización del diodo.
En la siguiente figura se
puede apreciar la
representación característica
de potencia óptica-corriente
de polarización.
Los LEDs se utilizan
para enviar datos a
través de muchos tipos
de cables de fibra
óptica. Debido a que
los LEDs pueden
apagarse y encenderse
millones de veces por
segundo, requieren
disponer de un ancho
de banda muy alto para
la transmisión de
datos.

Oscilador laser
Oscilador óptico, también conocido
como oscilador láser, o simplemente láser,
es un dispositivo que utiliza un efecto de
la mecánica cuántica, la emisión inducida
o estimulada, para generar un haz de luz
coherente tanto espacial como
temporalmente. La coherencia espacial se
corresponde con la capacidad de un haz
para permanecer con un pequeño tamaño
al transmitirse por el vacío en largas
distancias y la coherencia temporal se
relaciona con la capacidad para
concentrar la emisión en un rango
espectral muy estrecho.
Un láser típico consta de tres elementos
básicos de operación. Una cavidad óptica
resonante, en la que la luz puede circular, que
consta habitualmente de un par de espejos de
los cuales uno es de alta reflectancia (cercana
al 100 %) y otro conocido como acoplador,
que tiene una reflectancia menor y que
permite la salida de la radiación láser de la
cavidad.

La Cavidad láser, existe en la gran
mayoría de los dispositivos láser y sirve
para mantener la luz circulando a
través del medio activo el mayor
número de veces posible.
Generalmente está compuesta de dos
espejos dieléctricos que permiten
reflectividades controladas que
pueden ser muy altas para
determinadas longitudes de onda.
Modos de la cavidad laser
en osciladores
Con dos espejos esféricos de radios de curvatura R1 y R2,
pueden ser realizadas muchas configuraciones de las cavidades. Si
ambos espejos tienen el mismo centro (R1 + R2 = L), se forma una
cavidad concéntrica. Mediante la sustitución de uno de los dos
espejos por un espejo plano se obtiene una cavidad semiesférica.
Una configuración importante y que se utiliza a menudo es la
cavidad confocal, donde los dos espejos son idénticos y cuyo radio
de curvatura coincide con la longitud de la cavidad (R 1 = R2 =L).
Este tipo de cavidad puede producir haces lo más finos posible.
También hay cavidades cóncavo-convexas que consisten en dos
espejos esféricos: uno cóncavo y otro convexo. Esto permite no
focalizar demasiado el haz, lo que a veces es importante en los
láseres de alta potencia a fin de no destruir el medio amplificador.
La imagen de la izquierda muestra las diferentes cavidades con
dos espejos, en donde 1 es plana, 2 céntrica, 3 hemisférica, 4
confocal y 5 cóncavo-convexa.

Tipos de transmisión por fibra óptica
Fibra monomodo
La fibra óptica monomodo (SMF) consta
de un núcleo muy pequeño y emplea
tecnología láser costosa para enviar un
único haz de luz. Se usa mucho en
situaciones de larga distancia que abarcan
cientos de kilómetros, como aplicaciones de
TV por cable y telefonía de larga distancia.
Fibra multimodo
la fibra óptica multimodo (MMF) consta de
un núcleo más grande y utiliza emisores LED
para enviar pulsos de luz. Específicamente, la
luz de un LED ingresa a la fibra multimodo en
diferentes ángulos. Se usa mucho en las redes
LAN, debido a que se puede alimentar
mediante LED de bajo costo. Proporciona un
ancho de banda de hasta 10 Gb/s a través de
longitudes de enlace de hasta 550 m.

En los lásers DBR sintonizables, la
longitud de onda se cambia dirigiendo la
corriente de excitación a diferentes partes
del resonador. Tales láseres tienen al
menos cuatro partes: usualmente dos
rejillas Bragg, un módulo de ganancia y un
módulo de fase con ajuste de longitud de
onda fina. Para este tipo de láser, habrá
muchas rejillas de Bragg en cada extremo.
En otras palabras, después de un cierto
grado de rejilla, hay un hueco, luego hay un
tono diferente de rejilla, luego hay un
hueco, y así sucesivamente. Esto produce
un espectro de reflexión similar a un peine.
Las rejillas de Bragg en ambos extremos
del láser generan diferentes espectros de
reflectancia en forma de peine. Cuando la
luz se refleja entre ellos, la superposición
de dos espectros de reflectancia diferentes
da como resultado un rango de longitud de
onda más amplio. El circuito de excitación
utilizado en esta tecnología es bastante
complejo, pero su velocidad de ajuste es
muy rápida. Así que el principio general
basado en la tecnología de control de
corriente es cambiar la corriente de FBG y
la parte de control de fase en diferentes
posiciones del láser sintonizable, de modo
que el índice de refracción relativo de FBG
cambie y se produzcan diferentes
espectros. Al superponer diferentes
espectros producidos por FBG en
diferentes regiones, se seleccionará la
longitud de onda específica, de modo que
se generará la longitud de onda específica
requerida.
Un reflector Bragg
distribuido ( DBR ) es
un reflector utilizado
en guías de onda ,
como las fibras
ópticas . Es una
estructura formada
por múltiples capas de
materiales alternos
con un índice de
refracción variable , o
por una variación
periódica de algunas
características de una
guía de onda
dieléctrica, que
produce una variación
periódica en el índice
de refracción efectivo
en la guía.

Longitud de onda
Se conoce como longitud de onda la distancia que recorre
una perturbación periódica que se propaga por un medio en un
determinado intervalo de tiempo. La longitud de onda, también
conocida como periodo espacial es la inversa de la frecuencia. La
longitud de onda se suele representar con la letra griega λ.
La longitud de onda se mide en múltiplos o submúltiplos
del metros en unidades del Sistema Internacional de Unidades.
La longitud de onda de la luz visible es del orden de nanómetros.
Los LED tienen una potencia disponible mucho
menor que los láser y su patrón divergente y amplio de
salida de la luz hace que sea más difícil que se acoplen
a las fibras, por lo que se pueden utilizar sólo con fibras
multimodo. Los láser tienen un patrón de salida de la
luz menor y más estrecho, por lo que se pueden acoplar
fácilmente a fibras monomodo, lo que los hace ideales
para transmisiones de alta velocidad en larga
distancia. Los LED tienen un ancho de banda menor
que los láser y su uso se limita a sistemas que operan a
250 MHz o 200 Mb/s aproximadamente. Por otro lado,
los láser tienen una capacidad de ancho banda muy
elevada, por lo que pueden ser útiles en 10 GHz o 10
Gb/s.

Rendimiento óptico
Es el ancho de banda, o la capacidad de transportar
información de la fibra y su velocidad se expresa en bits,
las señales se pueden enviar a distancia sin que un bit
interfiera con el bit anterior o posterior, el ancho de
banda se expresa en MHz por Km.
Los LEDs no se modulan rápido para transmitir los mil
millones o más de pulsos por segundo necesarios para
velocidades de datos Gbps. Una fuente de luz común para
soportar las velocidades de transmisión Gigabit en
aplicaciones de redes ópticas en edificios es la VCSEL
(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) a una longitud de
onda de 850 µm. A diferencia de un LED, la salida de luz
de un VCSEL no es uniforme, cambia de VCSEL a VCSEL a
través del extremo de la fibra óptica, como resultado, los
láseres no utilizan todos los modos en fibra multimodo
sino más bien un conjunto restringido de modos.
Tiempo de respusta
La "velocidad" es ancho de banda, es la
cantidad de bits que se pueden transmitir por un
medio (en este caso es la fibra óptica), y la
latencia representa el desfase temporal entre el
servidor y usuario, es decir, el tiempo que le toma
a la información ir a su destino y regresar. En la
siguiente figura se muestra las ventajas de la fibra
óptica frente al cableado UTP.

DETECTORES ÓPTICOS
El detector de luz es, con mucha frecuencia, un diodo
PIN (tipo p tipo n intrínseco) o un fotodiodo de avalancha
(APD, de avalanche photodiode). Tanto el diodo APD
como el PIN que convierte la energía luminosa en
corriente. En consecuencia, se necesita un convertidor de
corriente a voltaje. El convertidor de corriente a voltaje
transforma los cambios de la corriente del detector de
cambios en cambios de voltaje de la señal de salida.
La interfaz analógica o digital en la salida del receptor
también es una interconexión eléctrica. Si se usa
modulación analógica, la interfaz compensa las
impedancias y los niveles de señal con los circuitos de
salida. Si se usa modulación digital, la interfaz debe incluir
un convertidor analógico digital.
Principio de absorción óptica
La absorción de la radiación electromagnética es el
proceso por el cual dicha radiación es captada por la
materia. Cuando la absorción se produce dentro del rango
de la luz visible, recibe el nombre de absorción óptica.
Esta radiación, al ser absorbida, puede, bien ser reemitida
o bien transformarse en otro tipo de energía, como calor
o energía eléctrica.

DETECTORES ÓPTICOS
Receptores de detección directa
Una configuración básica es el receptor de detección
directa, el fotodetector convierte el flujo de los fotones
incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente es
amplificada y procesada. Existen dos tipos de fotodiodos
usuales para recepción óptica, fotodiodo PIN y fotodiodo de
avalancha APD.
Un diodo PIN es un fotodiodo de capa de
agotamiento, y es probable que sea el dispositivo
más usado como detector de luz en los sistemas de
comunicaciones con fibra óptica.
La luz que entra por la ventana de un diodo PIN se
absorbe en el material intrínseco y agrega la energía
suficiente para hacer que los electrones pasen de la
banda de valencia a la banda de conducción. El
aumento en la cantidad de electrones que pasan a la
banda de conducción produce un aumento en la
cantidad de huecos en la banda de valencia. Para
hacer que la corriente pase por un fotodiodo, se
debe absorber luz de la energía suficiente para
comunicar a los electrones de valencia la energía
suficiente para que salten la banda prohibida. La
banda prohibida, para el silicio, es 1.12 eV (electrón
volts).

DETECTORES ÓPTICOS
Fotodiodos de avalancha (APD)
Un APD es una estructura pipn. La
luz entra al diodo y se absorbe en la
capa n, delgada y muy dopada. Entre
la unión i-p-n se desarrolla una gran
intensidad de campo eléctrico, por
polarización inversa, que causa
ionización por impacto. Durante la
ionización por impacto, un portador
puede adquirir la energía suficiente
para ionizar otros electrones
enlazados. Estos portadores
ionizados, a su vez, provocan más
ionizaciones. El proceso continúa
como en una avalancha y es, de
hecho, equivalente a una ganancia o
multiplicación interna de portadores.
En consecuencia, los APD son más
sensibles que los diodos PIN y
requieren menos amplificación
adicional. Las desventajas de los
APD son los tiempos de tránsito
relativamente grandes, y ruido
adicional, generado internamente,
debido al factor de multiplicación por
avalancha.
Se denomina ruido a
toda señal no deseada que
se mezcla con la señal útil
que se quiere transmitir.
Es el resultado de diversos
tipos de perturbaciones
que tiende a enmascarar
la información cuando se
presenta en la banda de
frecuencias del espectro d
e la señal, es decir, dentro
de su ancho de banda.
Ruido eléctrico

DETECTORES ÓPTICOS
La corriente real generada en un fotodiodo es de carácter
aleatorio y su valor fluctúa entre el valor promedio definido
por la foto-corriente:
i ≡ i p = ℜP
Dichas fluctuaciones se consideran como ruido y se
caracterizan utilizando la desviación estándar .
σ𝑖
2
= [(𝑖 −/𝑖)2
]
Para un valor medio de corriente igual a cero, la desviación
estándar es igual al valor medio cuadrático (rms) de la
corriente, i.e.:
σ𝑖 = (𝑖2)1/2
Ruido eléctrico en los receptores
ópticos
Las fuentes de ruido inherentes al
proceso de detección de fotones son:
• Ruido de fotones: asociado con el ruido
aleatorio de los fotones al detector.
• Ruido foto-eléctrico: para un foto-
detector con n<1, un fotón tiene una
probabilidad n de generar un par foto-
electrón-hueco, y una probabilidad de 1-n
de fallar en la conversión. Dado que es de
carácter aleatorio, contribuye como
fuente de ruido.
• Ruido de ganancia: cada fotón detectado
genera un número aleatoria G de
portadores, i.e., el proceso de
amplificación es de carácter aleatorio.
• Ruido del receptor: contribución de los
componentes del circuito utilizado en el
receptor óptico.

DETECTORES ÓPTICOS
Está limitado por el tiempo requerido para
distribuir las cargas generadas por los fotones en la
superficie del detector (tiempo transitorio de
distribución), y por la resistencia y la capacitancia
del dispositivo además de los circuitos electrónicos
utilizados.
η = (1− R)ζ [1 − Exp(−α d )]
El efecto de reflexión en la superficie del
dispositivo (coeficiente de reflectividad R).
Puede reducirse utilizando recubrimientos
anti-reflejantes.
ζ es la fracción de pares electrón-hueco que contribuyen a la corriente eléctrica
generada por los fotones. Esta fracción es la que no se recombina en la superficie, y
puede aumentarse durante el proceso de fabricación del dispositivo.
El último factor representa la fracción de fotones que son absorbidos por el
material. El dispositivo debe tener una profundidad (d) lo suficientemente grande
para maximizar este factor en el cual α es el coeficiente de absorción del material.
La eficiencia cuántica depende de la longitud de onda principalmente por la
dependencia del coeficiente de absorción α con este parámetro
Sensibilidad
La sensibilidad aumenta con la longitud de onda porque
los detectores fotoeléctricos responden al flujo de fotones en
lugar de a la potencia óptica. Esto implica que al aumentar la
longitud de onda, la potencia óptica está distribuida entre más
fotones con lo que se producen más electrones en el
dispositivo. Esta dependencia está delimitada por la eficiencia
cuántica que es dependiente de la longitud de onda. La
sensibilidad puede degradarse si se aplica demasiada potencia
óptica al dispositivo (saturación del detector), lo que limita el
rango lineal dinámico del detector.
Tiempo de respuesta

DETECTORES ÓPTICOS
Fototransistor
Sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz
incide sobre la región de base, generando portadores en ella.
Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción.
El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto
de ganancia propio del transistor.
Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas,
lápices ópticos, etc. Para comunicaciones con fibra óptica se
prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se
pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando
forman parte de un sensor de proximidad.
Consideraciones de diseño de un
sistema de telecomunicación
Los elementos que integran telecomunicación son un
transmisor, una línea o medio de transmisión y posiblemente,
impuesto por el medio, un canal y finalmente un receptor. El
transmisor es el dispositivo que transforma o codifica los
mensajes en un fenómeno físico, la señal. El medio de
transmisión, por su naturaleza física, es posible que modifique o
degrade la señal en su trayecto desde el transmisor al receptor
debido a ruido, interferencias o la propia distorsión del canal. Por
ello el receptor ha de tener un mecanismo de decodificación
capaz de recuperar el mensaje dentro de ciertos límites de
degradación de la señal.
Posibles imperfecciones en un canal de comunicación son:
ruido impulsivo, ruido de Johnson-Nyquist (también conocido
como ruido térmico), tiempo de propagación, función de
transferencia de canal no lineal, caídas súbitas de la señal
(microcortes), limitaciones en el ancho de banda y reflexiones de
señal (eco). Muchos de los modernos sistemas de
telecomunicación obtienen ventaja de algunas de estas
imperfecciones para, finalmente, mejorar la calidad de
transmisión del canal

AMPLIFICADORES ÓPTICOS
Los Amplificadores
ópticos son aquellos que a
través de un proceso pueden
amplificar una señal de entrada
sin la necesidad de transforma
previamente en una señal
eléctrica, estos son usados en
conjunto con los láseres para
obtener la señal a amplificar.
Amplificadores de fibra dopada
Son amplificadores ópticos que
usan fibra dopada, normalmente
con tierras raras. Estos
amplificadores necesitan de un
bombeo externo con un láser de onda
continua a una frecuencia óptica
ligeramente superior a la que
amplifican. Típicamente, las
longitudes de onda de bombeo son
980 nm o 1480 nm y para obtener los
mejores resultados en cuanto a ruido
se refiere, debe realizarse en la
misma dirección que la señal.
Amplificador óptico de
semiconductor (SOA)
Los amplificadores ópticos de
semiconductor poseen un diseño y
estructura muy similar a los láseres
Fabru-Perot, sin embargo la diferencia
radica en que estos optoacopladores
poseen superficies antireflectantes en
sus extremos, esto es beneficioso ya
que al poseer un recubrimiento de ese
material se evita que el amplificador se
comporte como un láser.

En su momento este amplificador
llego para suplir a los amplificadores
EDFA, esto debido a su bajo costo, a su
tamaño reducido, a su tipo de bombeo
y puede ser combinado con otros
dispositivos para añadirle nuevas
características.
El amplificador óptico de
semiconductor suele ser de un tamaño
reducido y el bombeo se implementa de
forma eléctrica, además el costo es
mucho menor que un EDFA y puede ser
integrado con otros dispositivos
(láseres, moduladores).
Para alta potencia de salida, se
utilizan amplificadores ópticos con
estructura cónica. El rango de longitud
de onda es de 633 nm a 1480 nm.
Amplificador óptico de
semiconductor (SOA)
Estos dispositivos se basan en
amplificar la señal óptica mediante
el efecto Raman. A diferencia de los
EDFAs y de los SOAs, los amplificadores
Raman se basan en un una interacción
no lineal entre la señal óptica y la señal
de bombeo de alta potencia. De esta
forma, la fibra convencional ya instalada
puede ser usada como medio con
ganancia para la amplificación Raman.
Sin embargo, es mejor emplear fibras
especialmente diseñadas (fibra
altamente no lineal) en las que se
introducen dopantes y se reduce el
núcleo de la fibra para incrementar su
no linealidad.
La señal de bombeo se puede
acoplar a la fibra tanto en la misma
dirección en la que se transmite la señal
(bombeo codireccional) o en el sentido
contrario (bombeo contradireccional).
Es más habitual el bombeo
contradireccional para evitar la
amplificación de las componentes no
lineales.
El máximo de ganancia se consigue
13 THz (unos 100 nm) por debajo de la
longitud de onda de bombeo.
Para obtener una buena
amplificación es necesario usar
potencias de bombeo elevadas (de
hasta 1 W y hasta 1,2 W para
amplificación en banda L en fibra
monomodo estándar). Normalmente se
emplean más de dos diodos de bombeo.
El nivel de ruido que se obtiene es bajo
especialmente cuando se usa junto con
EDFAs.
Amplificadores Raman

Una vez fabricada la fibra, es
preciso considerar que la
optimización de la ganancia
depende de la aplicación concreta
que vaya a darse al amplificador,
debido a la dependencia de la
longitud óptima de la fibra con la
longitud de onda y potencia del
bombeo y la señal. Parece claro
que si la potencia de bombeo
aumenta, éste será capaz de
invertir la población en un trozo de
fibra más larga, lo que aumenta la
longitud óptima de ésta. Además,
la longitud óptima es menor para
las longitudes de onda en las que el
bombeo es más eficiente, puesto
que la potencia de bombeo es
absorbida más rápidamente a lo
largo de la fibra y pierde antes su
capacidad para invertir la
población. Si aumenta la potencia
de la señal, ésta es capaz de
provocar más emisiones
estimuladas, lo que contribuye a
disminuir la inversión de población
y, por tanto, a acortar la longitud
óptima. En este caso la ganancia es
menor, pero la potencia de salida
es mayor, lo cual tiene su utilidad
como veremos posteriormente. Al
cambiar la longitud de onda
cambia la probabilidad de emisión
estimulada y por tanto la ganancia,
de forma que cuando éstas son
mayores, la inversión de población
disminuye y con ella la longitud
óptima.
GANANCIAY RUIDO

GANANCIAY RUIDO
Otro parámetro importante del
amplificador es el ruido, que deteriora
la señal amplificada. Como hemos visto
anteriormente, la población del nivel
excitado de la transición láser origina la
fluorescencia amplificada, que es un
parásito que se superpone a la señal.
Considerando que la potencia de
bombeo se mantiene constante en el
tiempo, la potencia de la fluorescencia
debe ser en principio constante, lo que
supone añadir un nivel constante de
potencia parásita a la señal. Teniendo
en cuenta que las señales que se usan
en comunicaciones ópticas son
variables con el tiempo y de frecuencias
elevadas, esto no supondría un
problema importante. El verdadero
problema estriba en que, al superponer
ondas electromagnéticas con
frecuencias diferentes, aparece una
modulación sinuosidad de la intensidad
de la onda resultante, con una
frecuencia que es la diferencia entre las
frecuencias de las dos ondas. Por lo
tanto, a la salida del amplificador
aparecerán todas las modulaciones
debidas a la mezcla de la señal con cada
una de las frecuencias de la
fluorescencia, y de las distintas
frecuencias de la fluorescencia entre sí,
originando fluctuaciones temporales de
intensidad, que pueden ser de alta
frecuencia (debido a la considerable
anchura del espectro de fluorescencia)
y pueden dificultar el reconocimiento
de la señal. El ruido originado por estos
fenómenos se evalúa mediante la figura
de ruido, que expresa, en escala
logarítmica, la relación entre el cociente
señal/ruido a la entrada y a la salida del
amplificador. Existen modelos sencillos
que permiten obtener la figura de ruido
a partir de la medida de la
fluorescencia amplificada. Como ésta
puede ser simulada mediante los
modelos descritos anteriormente, éstos
permiten predecir la figura de ruido
además de la ganancia.

Aplicaciones en sistemas
los amplificadores de fibra óptica (y
en particular los de fibra dopada con
tierras raras) se desarrollaron para
tratar de sustituir los repetidores
eléctricos por repetidores ópticos, en
las redes de comunicaciones por fibra
óptica. En un repetidor se introduce la
señal que se ha debilitado, debido a la
atenuación experimentada en su
propagación por la red de fibra, para
volver a recuperar la potencia que
tenía al comienzo del recorrido. Por
tanto, el amplificador opera en
régimen de baja señal, en el cual se
consigue la ganancia suficiente
(típicamente entre 30 y 40 dB) para
que la señal amplificada pueda seguir
propagándose a lo largo de alrededor
de medio centenar de kilómetros,
antes de necesitar otro repetidor. Estos
repetidores, que son transparentes al
tipo de codificación, se usan tanto en
redes digitales (en telefonía,
transmisión de datos, transmisión de
vídeo digital, etc.) como en redes
analógicas (fundamentalmente para
transmisión de señales de audio y
vídeo analógicos). Su uso, de gran
utilidad en comunicaciones a larga
distancia, es vital en el caso de cables
submarinos, debido a su simplicidad y
buenas prestaciones. Para ilustrar los
resultados que se obtienen, cuando se
utilizan amplificadores de fibra dopada
con tierras raras, daré a continuación
dos ejemplos. El primero se refiere a un
experimento de laboratorio. Utilizando
varios carretes con fibra óptica
enrollada, unidos por amplificadores
de erbio, se ha llegado a conseguir la
propagación de una señal de 2.5 Gb/s a
lo largo de 21000 km. El segundo
ejemplo se refiere a pruebas en una
instalación de red de fibra, llevadas a
cabo por las empresas AT&T y KDD,
que consiguieron propagar una señal
de 5 Gb/s, a lo largo de 9000 km,
utilizando 274 amplificadores de erbio,
situados a una distancia media de 33
km. Estos ejemplos evidencian que los
citados amplificadores permiten cubrir
perfectamente las distancias
necesarias en nuestro planeta.

Aplicaciones en sistemas
En las redes de fibra, no solamente
se necesitan amplificadores ópticos
para ser usados como repetidores, sino
también para otras finalidades. Por
ejemplo, cuando se llega a una
ramificación en la red, la potencia en
cada rama puede quedar
considerablemente reducida. Este
problema puede solventarse poniendo
un repetidor en cada rama, o bien
poniendo un amplificador óptico antes
de la ramificación, que eleve la
potencia de la señal al nivel necesario
para que la potencia después de la
ramificación sea suficiente. Es
evidente que se ahorran dispositivos
utilizando esta última solución. Por
otra parte, en los cables submarinos es
preciso escatimar al máximo el número
de repetidores (por razones evidentes)
lo que puede llevarse a cabo utilizando
amplificadores de potencia antes del
extremo de entrada de la señal al
cable. En concreto, los amplificadores
de erbio son capaces de conseguir
señales amplificadas de varios vatios
de potencia, con la potencia de
bombeo adecuada. A estos niveles de
potencia hay que tener en cuenta que
los efectos no lineales que se producen
en las fibras pueden perturbar a las
señales que se propagan, por lo que es
preciso estudiar cuidadosamente el
valor máximo de potencia que cada
tipo de fibra permite.
Otra de las aplicaciones
importantes de los amplificadores que
estamos discutiendo, se basa en que la
colocación de un amplificador óptico
justo antes de un detector de señal,
produce un efecto de mejora de la
sensibilidad del detector, lo que
permite alargar la distancia que va
desde éste hasta el último repetidor.
En estas condiciones el amplificador
óptico actúa como preamplificador del
detector. Los preamplificadores
ópticos (colocados antes del detector)
tienen la ventaja de producir mucho
menos ruido que los preamplificadores
electrónicos (colocados después del
detector) para las altas frecuencias que
se utilizan en comunicaciones ópticas.

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