Circulador óptico

El circulador es un tipo de aislador óptico con varios puertos cuya funcionalidad es permitir el paso de toda la luz que entra por uno de sus puertos hacia el siguiente puerto. Como se muestra en el siguietne esquema la luz que entra por el puerto 1 se dirige al puerto 2, la entra por el puerto 2 se dirige al 3 y así sucesivamente.

Fig. 2.3.10. : Circulador óptico

En la siguiente figura se muestra el esquema de un circualdor de cuatro puertos, 3 de ellos de entrada/salida y el cuarto sólo de salida. El funcionamiento de este esquema se basa en el visto para el aislador óptico independiente de la polarización de la señal de entrada. Éste está formado por rotadores de Faraday, láminas en λ/2 y SWP Spatial Walk-off Polarizator. Como puede observarse la señal que entra por el puerto 1 se dirige únicamente al puerto 2, la señal que entra por el puerto 2 se dirige al 3 y así sucesivamente.

Fig. 2.3.1. : Esquema de un circulador.

Los circuladores son muy útiles para construir dispositivos ópticos Add/Drop junto con grating sde Bragg de fibra. Estos dispositivos permiten extraer añadir una longitud de onda. En la siguiente figura se muestra un ejemplo.

Fig. 2.3.12. : Dispositivo Add-Drop formado por un circulador, una gratign de fibra de Bragg y un acoplador

A la entrada del circulador llega una señal WDM que es transmitida hacia el puerto 2 del circuladro, donde hay un grating de bragg de fibra tal que refleja la señal en λ2 de forma que al volver al puerto 2 del circulador es dirigida al puerto 3 de éste, de forma que se ha extraido un canal concreto de la señal WDM de entrada. Para añadir a la señal WDM una nueva señal en λ2 se emplea un acoplador.

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Aislador Óptico

Los aisladores ópticos son dispositivos que transmiten la luz en una única dirección. Éstos son muy importantes en los sistemas de comunicaciones ópticos para evitar que las reflexiones de las señales alcancen a otros dispositivos y puedan dañarlos, como por ejemplo a los láseres.

La siguiente figura muestra un esquema con el funcionamiento de este dispositivo. Como se observa la luz puede entrar la dispositivo tanto por la derecha como por la izquierda. La luz de entrada no esta polarizada por lo que al encontrarse el primer polarizador sólo pasará la polarización vertical. Luego, el rotador de Faraday gira 45º a la derecha la polarización de la luz que lo atraviese independientemetne de la polarización de ésta. El segundo polarizador transmite la luz cuya polarización esté 45º desplazada hacia derecha respecto de la vertical. Como este es el caso la luz sale del aislador. Si se considera el caso de que la señal entre por la derecha del aislador óptico, como se ve esta no saldrá por el otro extremo ya que el polarizador número 1 transmite la luz polarizada verticalemente y la señal llega a éste con polarización horizontal, por lo que queda bloqueada.

Fig. 2.3.8. : Esquema básico de un aislador óptico

Este esquema provoca muchas perdidas en la señal de entrada pues sólo transmite la luz que este polarizada verticalemetne a su entrada, lo cual es muy dificil de controlar. Para ello surge otro esquema, que se muestra a continuación, independiente de la polarización de la señal de entrada.

Fig. 2.3.9. :Esquema de un aislador óptico independiente de la polarización de la señal de entrada

Cuando la luz atraviesa en SWP, Spatial Walk-off Polarizator , este envía cada polarización por un camino distinto, en este caso no desvía la polarización vertical y desvía unos grados hacia la derecha la polarizaión horizontal. En el caso (a), tras ser separadas las dos polarizaciones y atravesar el rotador de Faraday, que gira 45º hacia derecha la polarización de la señal que lo atrivesa, las dos polarizaciones atraviesan una lámina en λ/2. Este componente, a diferencia del rotador de Faraday, rota la polarización de la señal 45º pero el sentido de rotación depende del sentido de propagación de la señal. Finalmente al alcanzar el último SWP ambas polarizaciones se combinan a la salida del aislador. Por contra, cuando una señal reflejada entra al aislador por la salida de este, gracias al SWP las dos polarizaciones son desviadas sin alcanzar el otro extremos y por tanto la reflexión es bloqueda.

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Amplificador óptico de semiconductor (Semiconductor optical amplifier, SOA)

Los amplificadores ópticos de semiconductor tienen una estructura similar a un láser Fabry-Perot salvo por la presencia de un antireflectante en los extremos. El antireflectante incluye un antireflection coating y una guía de onda cortada en ángulo para evitar que la estructura se comporte como un láser.

El amplificador óptico de semiconductor suele ser de pequeño tamaño y el bombeo se implementa de forma eléctrica. Podría ser menos caro que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos (láseres, moduladores...).

Sin embargo, en la actualidad, las prestaciones no son tan buenas como las que presentan los EDFAs. Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son sensibles a la polarización, son muy no lineales cuando se operan a elevadas velocidades...

Su elevada no-linealidad hacen atractivos los SOAs para aplicaciones de procesado como la conmutación todo óptica o la conversión de longitud de onda. También se está estudiando su uso para implementar puertas lógicas.

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Amplificadores Raman

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.

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La atenuación de las fibras ópticas

Las pérdidas es considerado el factor fundamental que limita el rendimiento de los sistemas de comunicación por fibra óptica. Las pérdidas reducen el promedio de potencia que llega al receptor.

La distancia de transmisión es una limitante inherente del sistema de fibra óptica, si consideramos que los receptores requieren una cantidad mínima de potencia para reconocer la señal de transmisión.La Atenuación puede ser causada por varios factores los cuales pueden ser clasificados en dos categorías: Intrínsecos y Extrinsecos.

Atenuación Intrínseca

Ocurre debido a algo internos o inherente a la fibra, y esta causado por las impurezas del vidrio durante el proceso de fabricación. Las más precisa metodología de fabricación no a logrado eliminar todas las impurezas, a pesar que los adelantos tecnológicos han causado un decrecimiento dramático de la atenuación.

Si la señal de luz golpea con una impureza, pueden ocurrir dos cosas: puede esparcirse o puede ser absorbido.

El esparcimiento es la pérdida de la señal de luz en el núcleo debido a impurezas o cambios en el índice de refracción de la fibra. La luz es redireccionada por las propiedades moleculares de la fibra que da como resultado una fuga de señal dentro del cladding tambien pueden deberse a pérdidas en las uniones, o reflexiones hacia atrás. La dispersión de Raylegh representa mayoritariamente (cerca del 96%) la atenuación de una fibra óptica.

La luz viaja en el núcleo e interactua con los átomos en el vidrio. La onda de luz colisiona con los átomos, y da como resultado un esparcimiento La dispersión de Raileigh es el resultado de estas colisiones elásticas entre la onda de luz y los átomos de la fibra.

Si La dispersión de la luz mantiene un ángulo que soporta un viaje frontal dentro del núcleo, no ocurrirá atenuación, Si la luz es dispersada con un ángulo que no soporta un viaje frontal continuo, la luz es desviada fuera del núcleo y ocurre una atenuación.Algo de luz es reflejada hacia la fuente de luz. Esta propiedad es usada por el OTDR para realizar pruebas en la fibra

La absorción es el segundo tipo de de atenuación intríseca. La luz es absorbida debido a las propiedades químicas o impurezas naturales en el vidrio. De manera similar a la dispersión, la absorción puede ser limitada mediante el control de las impurezas durante el proceso de fabricación. Este tipo de absorción representa entre el 3-5% de la atenuación de una fibra.

Atenuación Extrínseca

Este tipo de atenuación puede ser causada por dos mecanismos externos : macrodoblado y microdoblado. Ambos causan una reducción de la potencia óptica.

Macrodoblado : La presencia de una curva en la fibra puede afectara el índice refractivo y el ángulo crítico del rayo de luz en esta área especifica. Como resultado, la luz que viaja en el núcleo puede refractarse, la pérdida es reversible una vez que desaparece el doblado. Para prevenir esto todos los cables de fibra tienen un mínimo ángulo de curvatura. La regla práctica para un cable monomodo es el de tener una curvatura mínima de 10 veces el diámetro externo para cables sin blindaje y 15 veces para cables con blindaje.

Microdoblado: Debido a un doblado a escala menor, generalmente debido a la presión sobre la fibra. Los microdoblados pueden ocasionarse debido a cambios en la temperatura, stress durante el jalado del cable, o alguna fuerza de rotura. Los microdoblados son localizados y la curvatura no puede se visto a simple vista en una inspección.

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Dispersión cromática.

La dispersión es el fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas.Cuando la luz blanca, compuesta por ondas de todas las frecuencias dentro de la gama visible, pasa a través de un bloque de vidrio, los diferentes colores son refractados o desviados en distinta medida. Si los lados del bloque no son paralelos, los diferentes colores de la luz se propagan con ángulos distintos, produciendo un espectro.

Así como la luz del Sol genera a menudo espectros al atravesar un vidrio tallado. También las gotas suspendidas en el aire pueden dispersar la luz solar, produciendo el arco iris.

La dispersión se debe a que la velocidad de una onda depende de su frecuencia. Por ejemplo, las ondas luminosas de diferente longitud de onda tienen velocidades de propagación distintas en el vidrio, por lo que son refractadas en diferente medida.

El resultado de la dispersión es un espectro, y su estudio es la base de la espectroscopía, una de las disciplinas que más ha contribuido al conocimiento actual del universo.

Cuando un pulso de luz está viajando a lo largo de una fibra, la señal no sólo se atenúa sino también se desvía o extiende en el tiempo. Esto es debido a la dispersión. Si se envían varios pulsos en una fibra a una velocidad alta, los pulsos se solaparán debido a la dispersión y el receptor ya no puede distinguir donde empieza el pulso y donde el otro acaba

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Regeneradores Ópticos 3R

3R están llamados a convertirse en elementos clave de las redes ópticas de larga distancia, como así lo confirman recientes noticias aparecidas en prensa. En esta serie de artículos analizaremos el estado de la tecnología.Las señales ópticas sufren múltiples degradaciones en su trayecto de transmisión, causadas por fenómenos tales como la dispersión cromática, la dispersión modal de polarización (PMD), los efectos no lineales o el ruido. Estas degradaciones son más importantes conforme aumenta la longitud de fibra, la tasa de bit o el número de canales. Las redes ópticas de larga distancia requieren pues mecanismos de regeneración de las señales que restauren la calidad de las mismas y aseguren una transmisión fiable y libre de errores. Hasta la actualidad, la regeneración de señales se ha venido realizando en el dominio electrónico, es decir, fotodetectando la señal como paso previo a la regeneración y posterior modulación de la portadora óptica con un nuevo transmisor. No obstante, en comparación con los conversores O/E/O, la tecnología de regeneración óptica permite un menor consumo de potencia y un tamaño de dispositivo más compacto, a la vez que puede proporcionar transparencia de protocolo y formato de señal. En esta serie de artículos se expondrá el estado de actual de la tecnología de regeneración óptica, especialmente de tipo 3R, la cual se caracteriza por tres tipos de procesado: Re-amplification, Re-shaping, Re-timing. la abreviatura 3R hace referencia a tres tipos de funciones distintas. La primera función (re-amplification) se realiza por medio de amplificadores ópticos. El proceso de amplificación no depende de la tasa de bit ni del formato de los datos, además de que varios canales WDM pueden amplificarse simultáneamente. No obstante, se amplifica también la diafonía (crosstalk) y se introduce ruido. Esto se corresponde con el nivel más básico de regeneración 1R. Para suprimir el ruido y la diafonía resulta necesario emplear un esquema de regeneración 2R, donde se utiliza un circuito de decisión o puerta óptica controlada por umbral. La regeneración 2R funciona tanto para señales NRZ como RZ y es transparente a la tasa de bit hasta el límite de velocidad impuesto por la puerta óptica. En este caso, los canales WDM deben regenerarse individualmente. Por último, la regeneración 3R requiere una señal de reloj óptica y una arquitectura de regenerador adecuada que realice la función de muestreo bajo el control de dicha señal de reloj (re-timing). Pero la función del reloj óptico no se limita simplemente a un re-muestreo o re-sincronización, sino que en la figura 1 puede apreciarse que la forma de los pulsos regenerados viene determinada por los pulsos de la señal de reloj. De este modo, la señal de reloj es parte esencial de la función de conformación (re-shaping).

Los regeneradores ópticos 3R están llamados a convertirse en elementos clave de las redes ópticas de larga distancia, como así lo confirman recientes noticias aparecidas en prensa. En esta serie de artículos analizaremos el estado de la tecnología.Las señales ópticas sufren múltiples degradaciones en su trayecto de transmisión, causadas por fenómenos tales como la dispersión cromática, la dispersión modal de polarización (PMD), los efectos no lineales o el ruido. Estas degradaciones son más importantes conforme aumenta la longitud de fibra, la tasa de bit o el número de canales. Las redes ópticas de larga distancia requieren pues mecanismos de regeneración de las señales que restauren la calidad de las mismas y aseguren una transmisión fiable y libre de errores. Hasta la actualidad, la regeneración de señales se ha venido realizando en el dominio electrónico, es decir, fotodetectando la señal como paso previo a la regeneración y posterior modulación de la portadora óptica con un nuevo transmisor. No obstante, en comparación con los conversores O/E/O, la tecnología de regeneración óptica permite un menor consumo de potencia y un tamaño de dispositivo más compacto, a la vez que puede proporcionar transparencia de protocolo y formato de señal. En esta serie de artículos se expondrá el estado de actual de la tecnología de regeneración óptica, especialmente de tipo 3R, la cual se caracteriza por tres tipos de procesado: Re-amplification, Re-shaping, Re-timing. la abreviatura 3R hace referencia a tres tipos de funciones distintas. La primera función (re-amplification) se realiza por medio de amplificadores ópticos. El proceso de amplificación no depende de la tasa de bit ni del formato de los datos, además de que varios canales WDM pueden amplificarse simultáneamente. No obstante, se amplifica también la diafonía (crosstalk) y se introduce ruido. Esto se corresponde con el nivel más básico de regeneración 1R. Para suprimir el ruido y la diafonía resulta necesario emplear un esquema de regeneración 2R, donde se utiliza un circuito de decisión o puerta óptica controlada por umbral. La regeneración 2R funciona tanto para señales NRZ como RZ y es transparente a la tasa de bit hasta el límite de velocidad impuesto por la puerta óptica. En este caso, los canales WDM deben regenerarse individualmente. Por último, la regeneración 3R requiere una señal de reloj óptica y una arquitectura de regenerador adecuada que realice la función de muestreo bajo el control de dicha señal de reloj (re-timing). Pero la función del reloj óptico no se limita simplemente a un re-muestreo o re-sincronización, sino que en la figura 1 puede apreciarse que la forma de los pulsos regenerados viene determinada por los pulsos de la señal de reloj. De este modo, la señal de reloj es parte esencial de la función de conformación (re-shaping).

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Detector Optico

En los sistemas de comunicación por fibra óptica se utilizan fundamentalmente dos tipos de detectores de luz en el extremo receptor. La débil señal óptica que llega al final de la fibra debe se convertida a una señal eléctrica, antes de que continúe su paso por etapas deamplificación, demodulación, demultiplexaje, etc. Un detector de luz es, entonces, el primer elemento de la cadena de dispositivos que propiamente conforman al equipo receptor.Los dos tipos de detectores que se emplean son, ambos, fotodiodos. De acuerdo con lo dicho, su función es transformar la potencia óptica de entrada a una corriente eléctrica de salida.Al igual que las fuentes luminosas, los detectores ópticos están fabricados con semiconductores de estado sólido, que en base a la teoríade las uniones P-N generan un flujo de corriente cuando captan un fotón; su grado de respuesta depende de los materiales empleados y de la longitud de onda de trabajo. La explicación de los principios físicos bajo los cuales funcionan los fotodiodos es un análisis amplio enelectrónica por lo que nos limitaremos simplemente a mencionar algunos aspectos relacionados con dichos detectores ópticos.Entre otros parámetros de operación, es deseable que los fotodiodos sean altamente eficientes, que tengan un bajo nivel de ruido, un amplioancho de banda (es decir, que respondan de manera uniforme y rápida en todas las longitudes de onda de la señal), que sean pocosensibles a las variaciones de temperatura, baratos, pequeños, etc.La eficiencia de un fotodiodo está relacionada con su responsividad, es decir, la cantidad de electrones que es capaz de generar en relación con los fotones recibidos. Dicho de otra forma, es la corriente eléctrica que entrega a la salida en relación con la potencia óptica de entrada.Los tipos de fotodiodos que se emplean son el fotodetector PIN y el fotodiodo de avalancha (APD). La responsividad de un fotodiodo de avalancha es mayor que la de un fotodector PIN. Sin embargo, el primero es más sensible a los cambios de temperatura y más caro que el segundo. El detector PIN se usa más comúnmente en enlaces de corta distancia y el ADP es muy útil en transmisiones de larga distancia, donde la señal óptica de llegada es muy débil y se requiere alta responsividad. Por lo que se refiere a la velocidad de respuesta, ambos fotodiodos pueden trabajar actualmente a velocidades muy altas de transmisión digital.

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Procesos de un Laser

Bombeo

Se provoca mediante una fuente de radiación como puede ser una lámpara, el paso de una corriente eléctrica, o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión. En el láser el bombeo puede ser eléctrico u óptico, mediante tubos de flash o luz.

Resonador óptico

Está compuesto por dos espejos que logran la amplificación y a su vez crean el haz laser. Dos tipos de resonadores: Resonador estable, emite un único haz laser, y Resonador Inestable, emite varios haces.

Emisión espontánea de radiación

Los electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente.

Emisión estimulada de radiación

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma, sino que también "amplifica" la emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado se genera otro fotón.

Absorción

Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

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Laser

Un láser (de la sigla inglesa LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(amplificación de luz por emisión estimulada de radiación)) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherentede un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.

Los láseres constan de un medio activo capaz de generar el láser. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.

En 1916, Albert Einstein estableció los fundamentos para el desarrollo de los lásers y de sus predecesores, los máseres (que emiten microondas), utilizando la ley de radiación de Max Planck basada en los conceptos deemisión espontánea e inducida de radiación.

En 1928 Rudolf Landenburg reportó haber obtenido la primera evidencia del fenómeno de emisión estimulada de radiación, aunque no pasó de ser una curiosidad de laboratorio, por lo que la teoría fue olvidada hasta después de la Segunda Guerra Mundial, cuando fue demostrada definitivamente por Willis Eugene Lamb y R. C. Rutherford.

En 1953, Charles H. Townes y los estudiantes de postgrado James P. Gordon y Herbert J. Zeigerconstruyeron el primer máser: un dispositivo que funcionaba con los mismos principios físicos que el láser pero que produce un haz coherente de microondas. El máser de Townes era incapaz de funcionar en continuo. Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov de la Unión Soviética trabajaron independientemente en el oscilador cuántico y resolvieron el problema de obtener un máser de salida de luz continua, utilizando sistemas con más de dos niveles de energía. Townes, Básov y Prójorov compartieron el Premio Nobel de Física en 1964 por "los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica", los cuales condujeron a la construcción de osciladores y amplificadores basados en los principios de los máser-láser.

Townes y Arthur Leonard Schawlow son considerados los inventores del láser, el cual patentaron en 1960. Dos años después, Robert Hallinventa el láser semiconductor. En 1969 se encuentra la primera aplicación industrial del láser al ser utilizado en las soldaduras de los elementos de chapa en la fabricación de vehículos y, al año siguiente Gordon Gouldpatenta otras muchas aplicaciones prácticas para el láser.

El 16 de mayo de 1980, un grupo de físicos de la Universidad de Hullliderados por Geoffrey Pret registran la primera emisión láser en el rango de los rayos X. Pocos meses después se comienza a comercializar eldisco compacto, donde un haz láser de baja potencia "lee" los datos codificados en forma de pequeños orificios (puntos y rayas) sobre un disco óptico con una cara reflectante. Posteriormente esa secuencia de datos digital se transforma en una señal analógica permitiendo la escucha de los archivos musicales. En 1984, la tecnología desarrollada comienza a usarse en el campo del almacenamiento masivo de datos. En 1994 en el Reino Unido, se utiliza por primera vez la tecnología láser encinemómetros para detectar conductores con exceso de velocidad. Posteriormente se extiende su uso por todo el mundo.

Ya en el siglo XXI, científicos de la Universidad de St. Andrews crean un láser que puede manipular objetos muy pequeños. Al mismo tiempo, científicos japoneses crean objetos del tamaño de un glóbulo rojo utilizando el láser. En 2002, científicos australianos "teletransportan" con éxito un haz de luz láser de un lugar a otro. Dos años después el escánerláser permite al Museo Británico efectuar exhibiciones virtuales. En 2006, científicos de la compañía Intel descubren la forma de trabajar con un chip láser hecho con silicio abriendo las puertas para el desarrollo de redes de comunicaciones mucho más rápidas y eficientes.

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