tesis version final jazmín

Benemrita Universidad

Autnoma de Puebla

Facultad de Ciencias de la Electrnica

Amplificador de seal pulsada de alta potencia

de fibra dopada con erbio de dos etapas en

configuracin reflectiva

Tesis que para obtener el ttulo de:

Licenciada en Electrnica

Presenta:

Jazmn Torres Turijn

Asesores de Tesis:

Dr. Plcido Zaca Morn (ICUAP-BUAP)

Dr. Fernando Chvez Ramrez (ICUAP-BUAP)

Dr. Juan Castillo Mixcoatl (FCFM-BUAP)

Septiembre 2012

Resumen

En esta tesis se presenta el diseo y la implementacin de un amplificador

de fibra dopada con erbio de alta potencia con salida pulsada. El arreglo

presentado es un sistema de dos etapas de amplificacin en configuracin de

reflexin de seal a 1550 nm y con salida de potencia ajustable. El bombeo

ptico para estimular el medio activo de las dos etapas de amplificacin se

lleva a cabo mediante un lser a 980 nm. Las dos etapas de amplificacin del

sistema estn implementadas mediante, un circulador, 10 m de fibra dopada

con erbio, una rejilla de Bragg y un multiplexor por divisin de longitud de

onda (Wavelength Division Multiplexer, WDM). La seal a amplificar de 1550

nm se introduce por el circulador, se amplifica por medio de la fibra dopada

con erbio (Erbium Doped Fiber, EDF) y es seleccionada y reflejada a travs

de la rejilla de Bragg, esta seal entra a la segunda etapa siguiendo el mismo

proceso que la primera obteniendo en esta ltima etapa la salida del arreglo.

Previo a la implementacin del sistema se llevaron a cabo las caracterizaciones

de los lseres utilizados tanto el de bombeo como el de seal, as como la

caracterizacin por etapas del arreglo experimental, los resultados obtenidos

muestran que los parmetros de temperatura, potencia y longitud de onda

se mantienen estables durante su operacin. Con el sistema de amplificacin

se lograron obtener potencias de hasta 41 W con pulsos de 10 ns de ancho

temporal y 10 W con pulsos de 500 ns. Los niveles de potencia se mantienen

estables en longitud de onda, amplitud, frecuencia y ancho temporal, lo que lo

hace ideal a este arreglo para la utilizacin en el estudio de efectos no lineales

en el rea de las fibras pticas, en particular para aquellas localizadas en la

tercera ventana de las comunicaciones pticas.

Dedicatoria

A mis padres Honorio Torres Barreto y Floriberta Turijn Ocampo, por darme la vi-da y por el amor que me tienen, por el esfuerzo que han hecho para que yo pudiera

concluir mis estudios de licenciatura.

A mis hermanos Alhel y Omar, a mi sobrino Vladi y a mi cuado Freddy que es ya

parte de la familia, a ellos por su apoyo, cario y por todo lo que hemos vivido juntos.

A mis abuelitos que siempre estuvieron pendientes de m.

A mi novio Jorge por apoyarme y motivarme en los momentos difciles, por estar

conmigo siempre que lo necesit.

A toda mi familia y amigos por demostrarme siempre su apoyo.

Agradecimientos A Dios por darme la fortaleza para concluir mis estudios de licenciatura.

Al Dr. Plcido Zaca Morn por la confianza que deposit en m para realizar ste

proyecto, por el apoyo y paciencia que me tuvo, por los consejos y conocimientos

que me transmiti durante toda la tesis.

Al Dr. Fernando Chvez Ramrez y al Dr. Juan Castillo Mixcoatl, por su apoyo,

consejos, conocimientos y su colaboracin en sta tesis.

A los Dres. Luz del Carmen Gmez Pavn, Eduardo Ros Silva y Arnulfo Luis Ra-

mos por tomarse el tiempo necesario para revisar sta tesis, por las observaciones

y comentarios que hicieron.

A toda mi familia que siempre estuvo pendiente de m y por demostrarme su apoyo,

a todos mis amigos por su apoyo cuando los necesite y a todos los profesores que

han contribuido en mi formacin.

Al personal del Departamento de Fisicoqumica de materiales del ICUAP por las

atenciones recibidas mientras realic ah mi tesis.

A Alberto Lpez y a Gabriel Ortega por su apoyo y colaboracin.

Al CONACyT, a la VIEP de la Benemrita Universidad Autnoma de Puebla y al

programa de becas para la educacin superior de la SEP por su aporte econmico.

Y a todas las personas que de alguna manera me apoyaron para llevar a cabo sta

tesis.

ndice

ndice. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i

Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv

Acrnimos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix

1Captulo 1

Introduccin 11.1 Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Justificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Descripcin de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2Captulo 10

Amplificadores de fibra ptica 102.1 Amplificador ptico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Amplificadores de fibras pticas dopadas con tierras raras . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.1 Amplificador de fibra dopada con neodimio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.2 Amplificador de fibra dopada con tulio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

i

2.2.3 Amplificador de fibra dopada con iterbio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.4 Amplificador de fibra dopada con erbio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3 Principio de operacin de una fibra dopada con erbio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.1 Ecuaciones de razn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.3.2 Ecuaciones de propagacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3Captulo 24

Arreglo experimental 243.1 Descripcin del equipo electrnico y componentes pticos. . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.1 Equipo electrnico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.1.2 Componentes pticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 Generacin de la seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.1 Caracterizacin de lser de seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.3 Primera etapa de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.3.1 Caracterizacin del lser de bombeo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3.2 Caracterizacin del WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.4 Filtro de la seal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.5 Segunda etapa de amplificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.6 Control de potencia de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4Captulo 50

Resultados experimentales 504.1 Caracterizacin de la sensitividad del fotodetector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

ii

4.2 Resultados de la primera etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.3 Resultados de la segunda etapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.4 Amplificador de dos etapas de amplificacin modificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Apndice A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76A.1 Interfermetro de Sagnac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Apndice B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81B.1 Diodo lser DFB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

iii

Lista de Figuras

1.1 Espectro de absorcin tpico para fibras pticas en la regininfrarroja del espectro electromagntico [1]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Esquema bsico de un amplificador de fibra ptica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Arreglo experimental de un amplificador con dos etapasde amplificacin propuesto por J. L. Camas-Anzueto ycolaboradores [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.4 Configuracin del amplificador propuesto por Evgeny A. Kuzinycolaboradores [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5 Arreglo experimental de un EDFA propuesto por S. Mendozay colaboradores [21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Esquema que representa la amplificacin de una seal a travsde un EDFA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2 Sistema de dos niveles del proceso de absorcin de luz. . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3 Sistema de dos niveles del proceso de emisin espontnea de luz. . . . . . . . 14

2.4 Sistema de dos niveles del proceso de emisin estimulada de luz. . . . . . . . . 15

2.5 Representacin esquemtica del modelo de un EDFA en undiagrama de tres niveles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.6 Esquema de un sistema de tres niveles utilizado para elaborarlas ecuaciones de razn para el EDFA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.7 Dependencia de la inversin de poblacin fraccionaria con elbombeo [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

iv

3.1 Arreglo experimental del amplificador de seal pulsada defibra dopada con erbio de dos etapas de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 En el lado izquierdo se muestra un diodo lser de bombeo a980 nm y en el lado derecho se observa una fibra dopada conerbio cuando ha sido excitada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3 Circulador ptico: a la izquierda se encuentra su esquemabsico y a la derecha como es fsicamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4 Estructura interna y externa de un WDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.5 Rejilla de Bragg, a la derecha su forma fsica y en la izquierdasu forma interna. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.6 Estructura interna y externa de un acoplador ptico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.7 Arreglo experimental para generar la seal de 1550 nm usandoun lser DFB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.8 Seal obtenida a travs del osciloscopio de la etapa previa ala primera etapa de amplificacin. a) Forma de los pulsos, b)Tren de pulsos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.9 Espectro de emisin del lser de seal (DFB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.10 Relacin que existe entre la temperatura y la longitud de onda. . . . . . . . . 40

3.11 Diagrama para llevar a cabo la caracterizacin del diodo lserde seal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.12 Relacin entre longitud de onda y temperatura. Considerandouna corriente mxima de 14.5 mA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.13 Caracterizacin del lser de seal en funcin de su potencia desalida, considerando temperaturas a 5, 15, 25 y 35 C. . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.14 Primera etapa de amplificacin de la seal para el arregloexperimental. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

v

3.15 Diagrama para la caracterizacin del diodo lser de bombeo. . . . . . . . . . . . 44

3.16 Caracterizacin del lser de bombeo en funcin de la potenciade salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.17 Esquema que se muestra como se llev a cabo la caracterizacinde esta etapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.18 Potencia obtenida del lser de bombeo despus de serempalmado al WDM-3 comparado con la potencia inicial. . . . . . . . . . . . . . 47

3.19 Arreglo experimental para la supresin del ASE provenientede la primera etapa de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.20 Segunda etapa de amplificacin de la seal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.21 Arreglo experimental con control de potencia de salida. . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.22 Arreglo usado para el control de potencia de salida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.1 Diagrama de la caracterizacin del fotodetector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.2 Relacin voltaje contra potencia para obtener la sensitividaddel detector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.3 Diagrama que muestra como se obtuvieron los resultados de laprimera etapa de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.4 Relacin potencia de bombeo contra potencia de salida de laprimera etapa en funcin del ancho de los pulsos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.5 Potencia de salida alcanzada por pulsos de 10, 50, 100 y 500ns, en la primera etapa de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.6 Relacin potencia de bombeo contra potencia de salida parapulsos de 10 y 50 ns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.7 Relacin de la amplificacin de la seal contra potencia debombeo en la primera etapa de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

vi

4.8 Espectro de salida de la primera etapa de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.9 Diagrama a bloques de la primera etapa de amplificacinusando como filtro el interfermetro de Sagnac. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.10 Dependencia de la amplitud de salida del primer arregloexperimental en funcin de la posicin de placa /4. . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4.11 Esquema del arreglo experimental hasta la segunda etapa deamplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4.12 Relacin potencia de bombeo contra potencia de salida de lasegunda etapa en funcin del ancho de los pulsos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.13 Potencia de salida alcanzada por pulsos de 10, 50, 100 y 500ns, en la segunda etapa de amplificacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.14 Arreglo experimental final de dos etapas de amplificacin idnticas. . . . . . 63

4.15 Ganancia obtenida del amplificador para los pulsos de 10, 50,100 y 500 ns. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.16 Espectro de salida despus de la segunda etapa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.17 Pulsos de salida de 10, 50, 100 y 500 ns del arreglo experimental. . . . . . . . 66

4.18 Espectros de salida de los pulsos de 10, 50, 100 y 500 ns. . . . . . . . . . . . . . . 67

4.19 Fotografa que muestra el arreglo experimental fsicamente. . . . . . . . . . . . . 67

4.20 Fotografa que muestra otro perfil del arreglo experimental. . . . . . . . . . . . . 68

4.1 Estructura del interfermetro de Sagnac para el anlisis. . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2 Transmisin contra el ngulo de torsin de la placa retardadoraen el caso de que B1 = B2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

vii

4.3 Transmisin contra ngulo de torsin de la placa retardadoracuando ambos brazos tienen la misma torsin ( 1 = 2 = 6)y diferente birrefringencia (1,B1= 5/4 y 1,B2= /4). . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.4 Dependencia de la transmisin sobre el ngulo de rotacin dela placa retardadora, con alta birrefringencia en uno de losbrazos del acoplador (1,B1= 9 y 1,B2= /4). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.1 En el lado izquierdo se muestra la estructura de un lser DFBy a la derecha un lser DFB fsicamente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

viii

Acrnimos

WDM Multiplexor por divisin de longitud de onda

Wavelength Division Multiplexin

EDF Fibra dopada con erbio

Erbium Doped Fiber

ASE Emisin espontnea amplificada

Amplified Spontaneous Emission

EDFA Amplificador de fibra dopada con erbio

Erbium Doped Fiber Amplifier

DFB Retroalimentacin distribuida

Distributed Feedback

ZBLAN Composicin de: zirconio, bario, lantano, aluminio y sodio

Composition: zirconium, barium, lanthanum, aluminium and sodium

NDFA Amplificador de fibra dopada con neodimio

Neodimium Doped Fiber Amplifier

ppm Partes por milln

TDFA Amplificador de fibra dopada con tulio

Thulium Doped Fiber Amplifier

YDFA Amplificadores de fibra dopada con iterbio

ix

Ytterbium Doped Fiber Amplifier

LDC Controlador del diodo lser

Laser Diode Controller

TEC Controlador termoelctrico de temperatura

Thermoelectric Temperature Controller

TCLDM9 Control de temperatura, Montura del diodo lser

Temperature Controlled, Laser Diode Mount

RF Radiofrecuencia

Radio Frecuency

ITC Controlador del diodo lser

Laser Diode Combi Controller

SM Monomodo

Single Mode

GI ndice graduado

Graded Index

FC Conector de fibra

Fiber Conector

PC Contacto fsico (conector)

Phisical Pontact (connector)

x

RMS Raz cuadrtica media

Rote Mean Square

OSA Analizador de espectros pticos

Optical Spectrum Analyzer

u. a. Unidades arbitrarias

SMF Fibra estndar monomodo

Standar Single Mode Fiber

FBG Rejilla de Bragg de Fibra

Fiber Bragg Grating

LD Diodo lser

Laser Diode

xi

Captulo 1

Introduccin

La tecnologa de los sistemas lser aplicada a las comunicaciones va fibra p-

tica ha sido un rea en continuo desarrollo, especialmente para la tercera ventana

de las comunicaciones, correspondiente a la regin cercana a los 1550 nm [1]. La

razn por la cual sta parte del espectro electromagntico es ampliamente utilizada

se debe a que en sta regin las fibras pticas presentan las ms bajas prdidas por

absorcin y dispersin como se muestra en la Figura 1.1. Por otro lado, en los sis-

temas de comunicaciones pticas generalmente se considera que las prdidas de las

seales transmitidas presentan una dependencia lineal a bajas potencias, pero real-

mente existe una dependencia con la potencia de la seal transmitida con el ndice

de refraccin y como resultado de esta dependencia se generan fenmenos no lineales

que han sido aplicados para la compresin de pulsos [2, 3], propagacin de solitones

[4-6], absorbedores saturables [7-9], entre otras.

Para el estudio de estos efectos no lineales es necesario utilizar sistemas de

amplificacin con la capacidad de proporcionar potencias suficientemente altas para

obtener tales efectos [10]. El principio de operacin de estos sistemas de amplificacin

son semejantes a los sistemas lser excepto por la retroalimentacin, es decir que es

necesario un mecanismo de excitacin, para llevar a cabo el proceso de amplificacin

de la luz por la emisin estimulada. El resultado final es la obtencin de una ganancia

ptica a travs de un bombeo. Recientemente, los dispositivos de amplificacin para

fibras pticas han sido desarrollados, mediante tcnicas basadas en el dopamiento de

fibras con tierras raras [11].

Una caracterstica importante de un amplificador ptico es la facilidad que tiene

de amplificar una seal ptica directamente, sin la necesidad de convertirla al dominio

elctrico y volver a pasar a ptico. Entre los amplificadores de fibra ptica se encuen-

1

1 Introduccin

Longitud de onda (m)

Figura 1.1. Espectro de absorcin tpico para fibras pticas en la regin infrarrojadel espectro electromagntico [1].

tran los del ncleo dopado con iones de tierras raras, en estos amplificadores la accin

lser se obtiene por emisin estimulada, correspondiente a la transicin entre dos

niveles del ion de tierra rara y las longitudes de onda de bombeo y de amplificacin

quedan fijas por la estructura de niveles de dichos iones. La longitud de la fibra am-

plificadora necesaria es de unas decenas de metros y la potencia de bombeo tpica es

de varias decenas o centenas de mW, dependiendo del ion dopante [12, 13]. En la

Figura 1.2 es mostrado un esquema bsico de un amplificador de fibra ptica.

2

1.1 Antecedentes

Figura 1.2. Esquema bsico de un amplificador de fibra ptica.

1.1 Antecedentes

A partir de los aos 60 ya se conoca la capacidad de amplificacin de las fibras

pticas impurificadas con tierra raras. En 1961 Snitzer [14, 15] propuso usar una fibra

ptica como medio amplificador y como cavidad resonante. En 1964 se obtuvieron

los primeros resultados de amplificacin en una fibra ptica dopada con neodimio y

en 1965 en una fibra dopada con erbio (aunque el bombeo se haca con una lmpara

que rodeaba a la fibra y era muy poco eficiente). Durante los aos posteriores se

sigui avanzando en esta idea, pero las fibras utilizadas presentaban muchas prdidas

a medida que atenuaban, a razn de 1000 dB/km [13].

A mediados de los aos 80, cambios en los procesos de fabricacin permitieron,

por una parte, una gran disminucin en las prdidas de propagacin y, por otra,

incorporar iones de tierras raras en el ncleo de la fibra ptica. En 1985 un grupo

de la Universidad de Southampton, Inglaterra [14], consigui el primer lser de fibra

usando neodimio emitiendo algunos mili watts de potencia de salida, con una emisin

alrededor de 1080 a 1090 nm [16]. Pronto se observ que el ion de erbio tiene una

transicin hacia 1550 nm, que coincide con la ventana de transmisin con menos

prdidas en las fibras basadas en silicio. La fibra una vez dopada o impurificada con

erbio permite confinar una gran potencia en poco espacio, por lo que se consigue una

alta densidad de energa logrando amplificacin con potencias de bombeo muy bajas.

3

1.1 Antecedentes

En 1986 el mismo grupo de Southampton realiz el primer lser de fibra dopada

con erbio y fue el primero de tres niveles operando en modo continuo y a temperatura

ambiente. Este principio de operacin indicaba el potencial de estos lseres [17, 18].

El desarrollo continuo del estudio de los amplificadores pticos a base de fibra

dopada con erbio ha tomado gran importancia para los sistemas de transmisin a

grandes distancias, principalmente en la sustitucin de repetidores electrnicos, los

cuales limitan el ancho de banda. Actualmente en el rea de las comunicaciones

pticas se lleva a cabo la transmisin simultnea a grandes distancias de seales

multiplexadas, por lo que es necesario el desarrollo de dispositivos que tengan la

capacidad de recuperar la seal y despus amplificarla para su retransmisin. Hoy en

da los EDFA no solo son utilizados en el rea de las comunicaciones sino que tambin

son parte fundamental para el estudio de fenmenos no lineales en fibra ptica para su

aplicacin en lseres. Para llevar a cabo procesos como los mencionados anteriormente

se han desarrollado trabajos como los que se mencionan a continuacin.

J. L. Camas-Anzueto y colaboradores [19], en el ao 2004 desarrollaron un

arreglo experimental de un amplificador pulsado de alta potencia, que consisti en la

amplificacin de una seal pulsada a 1550 nm con dos etapas de amplificacin. La

primera etapa de este amplificador fue construida con una configuracin en reflexin

de seal, la cual funciona como un amplificador de bajas potencias. La segunda etapa

del amplificador funciona como un amplificador de potencia. La potencia mxima de

salida de este arreglo es de 50 W con una entrada de 1 mW, la medicin de esta

potencia se llev a cabo conectando la salida del arreglo a un fotodetector, el cual es

conectado a un osciloscopio. La desventaja de este arreglo es el uso de dos fuentes de

corriente para el bombeo, una para cada etapa de amplificacin, as como una salida

de potencia no ajustable. El arreglo es mostrado en la Figura 1.3.

Evgeny A. Kuzin y colaboradores [20] en el ao 2007 realizaron otro arreglo

de un amplificador pulsado de fibra dopada con erbio, dicho arreglo consista en

dos etapas de amplificacin con un solo bombeo para ambas etapas, con un medio

amplificador de fibra dopada con erbio, al arreglo se introduce un interfermetro

4

1.1 Antecedentes

Figura 1.3. Arreglo experimental de un amplificador con dos etapas de amplificacinpropuesto por J. L. Camas-Anzueto y colaboradores [19].

de Sagnac para reducir la emisin espontnea amplificada (Amplified Spontaneous

Emission, ASE) ruido, proporcionando una mejora significativa en el rendimiento

del amplificador. El diseo permite una salida de longitud de onda ajustable entre

1530 y 1550 nm mediante un interfermetro de Sagnac localizado entre la segunda

y la primera etapa de amplificacin. Los resultados experimentales muestran que

con una configuracin simple, se obtiene hasta 53 dB de amplificacin con slo 73

mW de potencia de bombeo. La desventaja de este arreglo es que la potencia de

salida depende de la polarizacin dentro del interfermetro de Sagnac, por lo que

requiere constantes ajustes para obtener una mxima transmisin y por consecuencia

una mxima potencia de salida. El arreglo es mostrado en la Figura 1.4.

S. Mendoza y colaboradores [21] en 2009 realizaron un arreglo de un amplificador

de fibra dopada con erbio (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA) utilizando 10 m

de fibra dopada con erbio y una rejilla de Bragg a una longitud de onda de 1549.1 nm

y un lser de retroalimentacin distribuida (Distributed Feedback, DFB) sintonizado5

1.1 Antecedentes

HiBi

Figura 1.4. Configuracin del amplificador propuesto por Evgeny A. Kuzin ycolaboradores [20].

a 1550 nm con un enfriador y un controlador de temperatura integrado. Su diseo en

configuracin reflectiva permite la reflexin de la seal dos veces, uno cuando viaja

por primera vez en la fibra dopada con erbio y la segunda cuando es reflejada por

medio de la rejilla colocada al final de la EDF. La reflexin de la seal, es llevada

a cabo con una rejilla de Bragg. El cambio en longitud de onda se hace mediante

el cambio de temperatura en el lser a travs de una etapa de enfriamiento. Con

este arreglo lograron amplificar 2500 veces una seal, es decir 33 dB, utilizando una

potencia de bombeo a 25 mW. La Figura 1.5 muestra este arreglo.

En este trabajo se propone el diseo y construccin de un amplificador pulsado

de alta potencia a 1550 nm de dos etapas de amplificacin en configuracin reflectiva

y de salida ajustable. El arreglo propuesto consiste en un sistema de amplificacin de

fibra dopada con erbio con dos etapas de amplificacin que al final cada una tiene un

reflector a 1550 nm basado en una rejilla de Bragg. El bombeo utilizado para excitar

el medio activo se realiza mediante un diodo lser en 980 nm, el cual es nico para

ambas etapas. Con el arreglo propuesto se espera obtener una potencia pico de los

6

1.2 Justificacin

Figura 1.5. Arreglo experimental de un EDFA propuesto por S. Mendoza y colabo-radores [21].

pulsos con un mximo de potencia de salida a 50 W, ajustable a 1 W a travs de un

control de salida.

La utilidad de este amplificador ser destinada como fuente de bombeo para el

estudio de fenmenos no lineales que se presentan en una fibra estndar a potencias

pticas altas, as como la caracterizacin no lineal de nanoestructuras depositadas en

fibras pticas.

1.2 Justificacin

Con el descubrimiento de la absorcin saturable en materiales nanoestructurados

como los basados en nanotubos de carbono para la regin infrarroja ha mostrado

tiempos de recuperacin de saturacin ultrarrpida del orden de ps. Debido a que

estos materiales presentan novedosas propiedades no lineales como la absorcin satu-

rable, los nanotubos han sido utilizados recientemente para la generacin de pulsos

ultra cortos en lseres de amarre de modos [22-24]. Por lo anterior y por la necesidad

de caracterizar y estudiar los efectos no lineales en fibra ptica, se tiene la necesidad

de contar con un sistema de alta potencia con la finalidad de llevar a cabo pruebas

7

1.4 Descripcin de la Tesis

experimentales de las propiedades de absorcin de saturacin no solo para los nano-

tubos de carbono, sino en general para diferentes materiales nanoestructurados que

puedan ser depositados en una fibra ptica.

Recientemente en el laboratorio de Fisicoqumica de Materiales del ICUAP se

desarrollan trabajos de deposicin de algunos materiales nanoestructurados sobre fi-

bras pticas tales como nanoesferas de zinc, tungsteno y oro, nanotubos de carbono y

titanio etc., por lo que el sistema de amplificacin que se desarrollar en ste trabajo

ser empleado para el estudio de los efectos no lineales que presenten stos mate-

riales ya que de que de una u otra forma dichos efectos pueden alterar las seales

transmitidas.

1.3 Objetivos

General Disear y construir un amplificador pulsado de alta potencia de salidaajustable a base de fibra dopada con erbio

Particular Disear y construir un sistema de amplificacin pulsado de fibra dopada conerbio

Caracterizar las etapas del arreglo experimental Implementar una etapa adicional al arreglo para el control de potencia


En el Captulo 1 se describieron los antecedentes sobre los sistemas de amplificacin,

as como algunos arreglos experimentales que se han llevado a cabo en aos recientes,

destacando las ventajas y desventajas que tienen ante el amplificador que se presenta

8


en esta tesis. Finalmente se describe el diseo del arreglo experimental que se propone,

los objetivos generales y particulares.

En el Captulo 2 se describe la teora bsica de un amplificador ptico y su

clasificacin de acuerdo al tipo de tierras raras utilizadas. En este captulo tambin

se describe el principio de operacin de una fibra dopada con erbio as como las

ecuaciones de razn y las de propagacin que describen la inversin de poblacin del

erbio y los flujos de seal y de bombeo a lo largo de la fibra ptica respectivamente,

estas ecuaciones son deducidas a partir de un sistema de tres niveles.

En el Captulo 3 se describen los componentes pticos utilizados para el arreglo

a implementar, el equipo electrnico utilizado, las caracterizaciones de operacin de

los lseres. Adicionalmente se presenta la descripcin del arreglo experimental por

secciones. La primera se refiere a la generacin de la seal de 1550 nm y la inter-

conexin del lser DFB con el arreglo. La segunda consiste en la primera etapa de

amplificacin y su interconexin con la rejilla de Bragg, el medio de amplificacin y

el bombeo. La tercera consiste un una etapa similar a la primera etapa de amplifi-

cacin y finalmente la colocacin de un atenuador variable con la finalidad de tener

una salida de potencia ajustable.

En el Captulo 4 se presentan los resultados obtenidos del arreglo experimental

propuesto as como la caracterizacin de los dispositivos utilizados en forma individual

y por etapas. Finalmente se presenta un resumen de las caractersticas generales que

describen el arreglo.

Posterior al ltimo captulo se hace un resumen sobre las conclusiones derivadas

de este trabajo de tesis.

9

Captulo 2

Amplificadores de fibra ptica

En este captulo se describe el concepto bsico de un amplificador de fibra ptica

cuyo proceso de amplificacin est basado en fibras dopadas con tierras raras, como

por ejemplo los de neodimio, tulio, iterbio, erbio, por mencionar algunos. Adems del

concepto bsico, tambin se describe el principio de operacin de la fibra dopada con

erbio mediante el estudio de las ecuaciones de razn y de propagacin considerando

un sistema de tres niveles.

2.1 Amplificador ptico

Un sistema de comunicacin es aquel que transmite informacin de un lugar a otro y

es separado por algunos kilmetros o por distancias transocenicas. Cuando se llevan

a cabo procesos de transmisin de seales a grandes distancias se hace necesario

llevar a cabo un proceso de amplificacin de la misma. Por ejemplo en el rea de las

comunicaciones pticas anteriormente se empleaban amplificadores optoelectrnicos,

es decir, se converta la seal ptica a elctrica y nuevamente era regresada a una

seal ptica despus de su amplificacin, estos eran colocados a intervalos de distancia

como repetidores para restaurar la potencia de la seal. La velocidad electrnica de

los repetidores es limitada, esto restringe la velocidad de transferencia del enlace

con repetidores. Est visin ha sido ahora radicalmente transformada, debido a la

utilizacin de amplificadores pticos en combinacin con la tecnologa lser.

En el caso de los sistemas de comunicacin ptica, donde la transmisin de la luz

es realizada a travs de fibras pticas, la seal portadora sufre una atenuacin de su

potencia debido a las prdidas intrnsecas del material con que se fabrica. Esta seal

portadora va atenundose hasta el punto de quedar por debajo del lmite de recep-

10


cin al trasmitirse por grandes distancias, necesitando de esta forma ser amplificada.

Recientemente, gracias al desarrollo de las fibras pticas y de los diodos lser, la re-

duccin de las prdidas en las fibras para telecomunicaciones se han minimizado a 0.2

dB/km en la regin de 1500 nm, permitiendo as, un espaciamiento mucho mayor en-

tre los amplificadores pticos [10]. Estos avances han tenido un importante impacto

en el campo de telecomunicaciones tales como sistemas de transmisin submarina,

redes telefnicas, internet y televisin por cable, etc. [25]. En la actualidad, la am-

plificacin ptica ha sido perfeccionada por los grandes avances en la fabricacin de

fibras pticas con diferentes dopajes y concentraciones de iones de tierras raras como

erbio, neodimio, iterbio, etc., obtenindose amplificadores con salidas desde algunos

mW hasta varios W de potencia y para las diferentes ventanas de transmisin.

Los amplificadores pticos de tierras raras han sido utilizados en las comuni-

caciones pticas pero recientemente son de gran inters en la investigacin para ser

aplicados como fuente de bombeo para el estudio de efectos no lineales que se pre-

sentan en fibra ptica, soluciones y otros materiales, debido a las altas potencias

que se obtienen en ellos, especialmente los de fibra dopada con erbio. Debido a las

caractersticas que presentan los EDFAs tales como la anchura espectral y el alto nivel

de potencia proporcionada, se ha tenido un gran progreso en el estudio de los efec-

tos no lineales que aparecen durante la generacin de supercontinuo (GS) en fibras

pticas. Actualmente existe un aumento de trabajos de los EDFAs destinados como

fuentes de bombeo utilizados en la GS [26]. Entre algunos efectos no lineales que se

presentan en la fibra ptica se encuentran los de variacin del ndice de refraccin

en la fibra con relacin a la potencia ptica: automodulacin de fase, modulacin de

fase cruzada y mezcla de cuatro ondas; as como los causados por la interaccin de

los fotones incidentes con algunos de los modos de vibracin del material: dispersin

estimulada de Raman y dispersin estimulada de Brillouin [27].

En la Figura 2.1 se presenta un esquema bsico de amplificacin con un EDFA,

que consiste en introducir una seal ptica al amplificador y en la salida se espera la

misma seal pero amplificada, es decir, el proceso consiste en incrementar la seal ya

11


que es un dispositivo que opera en un dominio ptico y aumenta a un nivel alto de

potencia de dicha seal.

EDFA

Figura 2.1. Esquema que representa la amplificacin de una seal a travs de unEDFA.

Los amplificadores pticos se asemejan al principio fsico de un lser: pero

sin retroalimentacin y cuyos portadores excitados amplifican la seal incidente. El

mecanismo de amplificacin de la luz incidente se realiza a travs de la emisin es-

timulada, similar al mecanismo de los lseres. La ganancia ptica se logra cuando

el amplificador es bombeado (pticamente o elctricamente) para llevar a cabo la in-

versin de poblacin que depende no slo de la frecuencia (o longitud de onda) de

la seal incidente, sino tambin de la intensidad del haz local en cualquier punto del

amplificador [28].

Los amplificadores pticos pueden usarse para compensar la atenuacin de la

seal, prdidas de transmisin, etc., pero no pueden ser dispositivos ideales, por lo

que presentan algunas restricciones tales como: el ruido que es generado por ellos

mismos es sumado a la seal en la salida y la ganancia espectral no es constante

sobre una regin en la cual las seales pueden ser transmitidas, por lo que la seal

que llega al amplificador ptico no es detectada y despus regenerada, sino que es

amplificada directamente. Estos amplificadores pticos tienen mayor confiabilidad

que un amplificador electrnico ya que son de naturaleza puramente ptica y no

requieren de circuitera de alta velocidad.

12


Existen dos ventajas bsicas en los amplificadores de fibra ptica, respecto a

los amplificadores convencionales: una es que la potencia de bombeo que requieren

es mucho menor, y la segunda es que la fibra ptica puede enrollarse fcilmente,

ocupando poco volumen, lo que permite utilizar amplificadores muy largos, para

conseguir la mxima ganancia compatible con la potencia de bombeo utilizada.

Los mecanismos de absorcin y emisin son explicados de los postulados de

Einstein. Donde la absorcin consiste en la interaccin entre un fotn y un electrn

que inicialmente se encuentra en su estado base. El resultado de esta interaccin es

que el electrn absorbe al fotn y usa su energa para pasar de un estado base a un

estado superior o estado excitado. Este proceso de absorcin se representa mediante

el diagrama mostrado en la Figura 2.2.

Figura 2.2. Sistema de dos niveles del proceso de absorcin de luz.

El electrn no puede permanecer en un estado superior un tiempo demasiado

grande, sino que tiende a caer al estado inferior, emitiendo un fotn en una direccin

totalmente aleatoria, despus de un tiempo muy corto, menor que un microsegundo,

al que se denomina vida media del estado. A este proceso de emisin se le conoce

como proceso de emisin espontnea y se muestra en la Figura 2.3.

La energa que necesita un electrn para subir al estado superior no necesaria-

mente se manifiesta bajo la forma de fotn. Tambin puede absorber la energa que

se le comunique mediante otros mecanismos, como por ejemplo, una colisin con otro

tomo. Si los electrones de un sistema estn subiendo constantemente al estado su-

13


Figura 2.3. Sistema de dos niveles del proceso de emisin espontnea de luz.

perior mediante un mecanismo cualquiera, stos caern espontneamente al estado

inferior emitiendo no slo fotones sino que tambin fonones (calor). A este proceso

se le conoce con el nombre de bombeo ptico. La emisin de luz es entonces un pro-

ceso en el que todos los electrones del material del nivel superior participan, pero en

forma independiente y desincronizada. Dicho de otro modo, las fases de las ondas no

tienen ninguna relacin entre s, o lo que es lo mismo, las crestas de estas ondas no

estn alineadas.

Existe una segunda forma de emisin de luz por un electrn, llamada emisin

estimulada. Si un electrn est en un estado superior de energa y recibe un fotn de

la misma frecuencia del que emitira si bajara al nivel inferior, desestabilizar a este

electrn, inducindolo a emitir inmediatamente. Despus de esta emisin estimulada

existirn dos fotones en lugar de uno, el que estimul y el estimulado. Naturalmente,

para que la emisin estimulada tenga lugar se requiere que el electrn permanezca en

el estado superior un tiempo suficientemente largo para darle oportunidad al fotn

estimulador a que llegue al electrn. Por esta razn, el proceso de emisin estimulada

es ms fcil si el nivel superior tiene una vida media relativamente larga. Este proceso

puede verse en la Figura 2.4.

Como los electrones tienden constantemente a caer al estado o nivel inferior, la

mayora de ellos en un momento dado estarn ah. Lo que logra el bombeo ptico

es que la mayora de los electrones estn constantemente en el nivel superior. Este

14

2.2 Amplificadores de fibras pticas dopadas con tierras raras

Figura 2.4. Sistema de dos niveles del proceso de emisin estimulada de luz.

proceso se denomina inversin de poblacin, y es indispensable para que se produzca

la emisin lser [29, 30].


Las fibras dopadas con tierras raras son un medio excelente para desarrollar dispo-

sitivos pticos que estn basados en el fenmeno de amplificacin, ya que combinan

la ganancia ptica de los iones de tierras raras con las bajas prdidas de propagacin

que caracterizan a las fibras pticas, estos dispositivos han sido desarrollados me-

diante tcnicas basadas en el dopamiento de fibras con tierras raras [11], que consisten

bsicamente en la impurificacin de una fibra estndar de SiO2 con pequeas partes

de iones de tierras raras depositadas durante el proceso de fabricacin. Los iones

de tierras raras, tales como erbio, neodimio, tulio, praseodimio, iterbio, etc., son los

ms utilizados en el dopamiento de fibras para lograr una amplificacin en diferentes

regiones de longitudes de onda cubriendo la regin desde el visible hasta la regin del

infrarrojo (menores de 2800 nm) [31]. Estas fibras son de gran inters para una gran

variedad de aplicaciones incluyendo lseres de fibra y sensores. Algunos amplificadores

de fibras dopadas son descritos a continuacin.

15


2.2.1 Amplificador de fibra dopada con neodimio

El neodimio es un elemento qumico que puede ser usado como medio activo en

amplificadores de fibra con emisiones en un rango de 1060 a 1350 nm particularmente

en 1310 nm en vidrio ZBLAN (composicin de: zirconio, bario, lantano, aluminio y

sodio) [32]. En un amplificador de fibra dopada con neodimio (Neodimium Doped

Fiber Amplifier, NDFA) se requiere de bombeos pticos de 795 y 810 nm. Estos

amplificadores han sido investigados para aplicaciones de medicin de temperatura

empleando la tcnica del cambio de la razn de intensidad de fluorescencia [33]. Las

razones de ruido de un NDFA son adecuadas, pero no tan buenas como en un EDFA

[19].

2.2.2 Amplificador de fibra dopada con tulio

Los amplificadores de fibra dopada con tulio (ThuliumDoped Fiber Amplifier, TDFA)

operan en la banda S (1460-1530 nm). Los bombeos utilizados en un TDFA son

lseres de semiconductor con longitudes de onda de 1050 y de 1400 nm, lo que los

hace econmicos y compactos en su diseo. Un aspecto que se tiene en cuenta para la

investigacin, es la de cubrir la banda de amplificacin que abarca el EDFA y el TDFA.

La solucin para ello es la de fabricar fibras dopada con altas concentraciones de tulio

(mayores a 8000 ppm) y utilizar dos fuentes de bombeo [34, 35]. Un problema que

existe en estos amplificadores al usar fibra de slice es que la eficiencia de amplificacin

ptica entre los niveles deseados no es ptima, as que se debe tomar en cuenta que

un TDFA tiene un mejor rendimiento en fibra fluorozirconada o ZBLAN [36].

2.2.3 Amplificador de fibra dopada con iterbio

Existen tambin los amplificadores de fibra dopada con iterbio (Ytterbium Doped

Fiber Amplifier, YDFA), estos amplificadores emiten entre 1070 y 1090 nm y requieren

de un bombeo alrededor de 950 nm. El uso del iterbio como medio de ganancia

tiene varias ventajas como la ausencia como estado excitado de absorcin, la amplia

16


ganancia, el espectro de absorcin y la posibilidad de obtener altos niveles de potencia.

En aos recientes, la bsqueda para altas potencias ha hecho un rpido desarrollo

en el estudio de amplificadores de fibra dopada con iterbio y lseres [37]. Algunas

aplicaciones que ha tenido el iterbio es que ha sido utilizado para ayudar en el proceso

de absorcin para el bombeo del erbio hacindolo a ste ms eficiente para el proceso

de amplificacin [38].

2.2.4 Amplificador de fibra dopada con erbio

El desarrollo de los EDFAs surgi con la necesidad de desarrollar un amplificador p-

tico para la regin de menor atenuacin para las fibras pticas (menor a 0.25 dB/Km

entre 1530-1620 nm). En la actualidad, los EDFAs son una parte fundamental para

el desarrollo de lseres de fibra ptica y amplificadores de alta potencia para el estu-

dio de fenmenos no lineales. Por lo tanto, la caracterizacin de estos amplificadores

es un proceso importante que permite conocer la ganancia del amplificador.

Desde su invencin a finales del ao de 1980, la fibra dopada de erbio ha

demostrado ser un material verstil con una amplia gama de aplicaciones, incluyendo

dispositivos pticos, amplificadores pticos de banda ancha y lser sintonizable.

Fuentes pticas de banda ancha se han aplicado en diversas reas como caracteri-

zacin de dispositivos pticos, giroscopios y la tomografa de coherencia ptica. La

ASE de la fibra dopada de erbio se ha utilizado para la construccin de fuentes de

luz con ventajas de alta potencia de salida y amplio ancho de banda ptico [39].

Existen tres tipos de EDFAs de acuerdo a su potencia:

Amplificadores de potencia: Son colocados justo despus de la etapa de multi-plexado, a la salida del sistema transmisor. La limitacin de estos amplificadores

es por lo general la potencia total de salida.

Amplificadores de lnea: Reciben un nivel relativo de seal bajo y deben am-plificarlo por el mayor nmero de dB posible. Las limitaciones de estos ampli-

ficadores son la ganancia, el ruido que introducen y la potencia total de salida.

17

2.3 Principio de operacin de una fibra dopada con erbio

Pre-Amplificadores: Estos amplificadores son bastante sensibles con un bajonivel de ruido y una ganancia alta debido a que generalmente no necesitan

una seal de alta potencia a la salida. Una salida de -20 dBm por canal es

normalmente una potencia de salida suficiente [40, 41].


El principio de la amplificacin se basa principalmente en las transiciones de energa

que sufren los electrones, producto de la absorcin o emisin de energa por parte

del tomo al cual pertenecen. En un EDFA, el medio activo que proporciona la

amplificacin, est constituido por los iones Er3+. Este es un sistema de tres niveles,

lo que significa que los iones se pueden encontrar en tres niveles de energas distintas.

Estos incluyen un nivel bsico fundamental E1 de mnima energa que es ocupado

por la mayora de los iones en ausencia de excitacin, un nivel excitado superior E3

y un nivel metastable E2. Este sistema de bombeo de tres niveles se muestra en la

Figura 2.5 [42].

Los EDFAs se bombean pticamente, esto significa que el bombeo, que propor-

ciona la energa para lograr la amplificacin de la seal, se presenta tambin como un

haz luminoso que se introduce en la fibra. Cuando se inyecta una seal de bombeo a

la fibra dopada, puede ser un lser operando en una de las bandas de absorcin del

ion Er3+ (980 1480 nm), los fotones incidentes son absorbidos por los iones de erbio,

provocando de esta forma una transicin de electrones desde el nivel bsico, al nivel

de energa superior. Tomando en cuenta que la vida media en el nivel E1 tiene una

duracin de 1s, en comparacin con la vida media del nivel E2 (10 ms), se tieneque los electrones decaern a este nivel, a travs de una transicin no radiativa. En

cambio, dada que la duracin es muy grande en el nivel E2, si la seal de bombeo se

mantiene en el tiempo, es decir, si el bombeo eleva a este nivel ms electrones de los

que quedan en el nivel fundamental, se llegar a producir una inversin de poblacin

entre los niveles de energa E2 y E1, la cual es necesaria para lograr la amplificacin.18


Figura 2.5. Representacin esquemtica del modelo de un EDFA en un diagrama detres niveles.

Es a partir de esa energa almacenada que se produce la amplificacin mediante

la emisin estimulada (fotones con la misma energa de transicin radiativa), sta es

iniciada por un fotn incidente, en este proceso el fotn emitido conserva las mismas

propiedades del fotn incidente, no solo en energa, sino tambin en fase, direccin

y polarizacin. Sin embargo, adems de producirse la emisin estimulada, tambin

se produce el fenmeno de emisin espontnea (decaimiento natural del electrn ex-

citado), producto de que algunos fotones decaen en forma espontnea desde el nivel

metaestable al nivel bsico, en este proceso los fotones son emitidos en direcciones

aleatorias y sin relacin de fase alguna entre ellos; los fotones producidos de esta

manera no tienen las propiedades de los fotones de la seal, y por eso no contribuyen

a su amplificacin, por lo cual dicha emisin espontnea es tambin amplificada, lo que

origina ruido ASE. Este efecto, adems de introducir ruido a la seal que se propaga,

dado que disminuye la poblacin en el nivel metaestable, tambin hace disminuir la

ganancia que proporciona el EDFA. La expresin general de la ganancia est dada

por g = (N1-N2), donde corresponde a la seccin transversal de transicin y N1

19


y N2 corresponden a las densidades atmicas de los niveles E3 y E2, respectivamente

[43, 44].

Por consiguiente, una amplificacin de la seal slo puede producirse si el

nmero de electrones elevados al nivel metastable supera el nmero de electrones

del nivel fundamental, lo que corresponde a la condicin de inversin de poblacin.

2.3.1 Ecuaciones de razn

Los modelos de un amplificador ptico o lser se basan en las ecuaciones de razn y

de propagacin basados en un sistema de tres niveles como se describi en la seccin

anterior.

Las ecuaciones de razn, describen la inversin de poblacin del erbio a lo largo

de la fibra ptica [45].

Se define Ni(m3) cmo la poblacin (concentracin, nmero de electrones por

unidad de volumen) de erbio en el nivel i, ij(s1) como la probabilidad (inverso del

tiempo de vida) de transicin espontnea del nivel i al nivel j, s y p (m2s1)

como los flujos (nmero de fotones por unidad de tiempo y superficie) de seal y de

bombeo, respectivamente, y s y p (m2) cmo las secciones eficaces de las transiciones

1-2 (seal) y 1-3 (bombeo), siendo consideradas iguales las secciones de absorcin y

emisin en ambos casos. Las probabilidades de cada transicin estn indicadas en la

Figura 2.6. Las transiciones espontneas (3-2 y 2-1) pueden incluir una contribucin

no radiativa (los electrones de relajan emitiendo fonones, o vibraciones de la red

cristalina) y una contribucin radiativa (los electrnes emiten un fotn). En el caso

del erbio, 32 es tpicamente no radiativa, mientras 21 es mayoritariamente radiativa.

Las probabilidades de las transiciones estimuladas se obtienen por el producto del flujo

de fotones con la seccin eficaz correspondiente, as que las ecuaciones de razn se

pueden escribir como

dN3dt

= 32N3 + (N1 N3)p p , (2.1)20


Figura 2.6. Esquema de un sistema de tres niveles utilizado para elaborar las ecua-ciones de razn para el EDFA.

dN2dt

= 21N2 + 32N3 (N2 N1)s s , (2.2)

dN1dt

= 21N2 (N1 N3)p p + (N2 N1)s s . (2.3)

En estado estacionario, las derivadas valen 0

dN1dt

=dN2dt

=dN3dt

= 0, (2.4)

y la poblacin total N (o concentracin de erbio, que es constante) es la suma de las

poblaciones de cada nivel energtico

N = N1 +N2 +N3. (2.5)

De la ecuacin 2.1 se puede obtener la poblacin del nivel 3 quedando de la

siguiente forma21


N3 =N1

1 + 32p p. (2.6)

Los electrones del nivel 3 bajan muy rpidamente al nivel 2, as que N3 0, y32 es tpicamente mucho ms grande que la probabilidad de transicin estimulada:

32 p p . Entonces, utilizando la ecuacin 2.6 y sustituyendo en 2.2, se obtiene

N2 =N1(p p + s s )

21 + s s. (2.7)

Esta ecuacin permite calcular N2N1 y N2+N1. Considerando que N3 = 0, dela ecuacin 2.5 se deduce que N2+N1 =N, y se obtiene finalmente

N2 N1N

=p p 21

21 + 2s s + p p. (2.8)

2.3.2 Ecuaciones de propagacin

Las ecuaciones de propagacin, describen la evolucin de los flujos de seal y de

bombeo a lo largo de la fibra.

Se considera que la seal y el bombeo se propagan en el mismo sentido. Sus

evoluciones estn gobernados por efectos de absorcin por parte de los electrones en

el nivel fundamental y de emisin estimulada de parte de electrones en su estado

excitado (2 y 3, respectivamente). Por consiguiente, las ecuaciones de propagacin

de los flujos de seal y bombeo se escriben

dsdz

= (N2 N1)s s , (2.9)

dpdz

= (N3 N1)p p . (2.10)

22


Figura 2.7. Dependencia de la inversin de poblacin fraccionaria con el bombeo [45].

Existe amplificacin de la seal slo si ds/dz > 0, es decir, segn la ecuacin

2.9, si N2N1 > 0. Esta condicin es conocida como condicin de inversin depoblacin, y significa que se necesitan ms electrones en el nivel metaestable que en

el nivel fundamental para que la seal sea amplificada. En efecto, slo en este caso

habr mas emisiones estimuladas que absorciones de fotones de la seal. Analizando

la ecuacin 2.8, se nota que esta condicin slo puede estar cumplida si el bombeo es

suficientemente fuerte. A la inversin lmite N2N1 = 0 corresponde el valor umbral

th =21p

=1

p , (2.11)

donde es el tiempo de vida del nivel metaestable. La amplificacin de la seal

slo puede ocurrir si el bombeo es superior a th. Si p < th, no hay inversin de

poblacin y la seal sufre atenuacin a lo largo del EDFA. Esto puede verse en la

Figura 2.7.

23

Captulo 3

Arreglo experimental

En este captulo se presenta el arreglo experimental del EDFA mostrado en la

Figura 3.1, las partes que lo integran, como componentes pticos y especificaciones

del equipo electrnico utilizado. Se describe el principio de operacin del sistema por

etapas.

Se describen la caracterizacin de los dos principales lseres utilizados, el de

bombeo y el de seal, su dependencia entre la potencia, corriente, longitud de onda

y temperatura.

Figura 3.1. Arreglo experimental del amplificador de seal pulsada de fibra dopadacon erbio de dos etapas de amplificacin.

3.1 Descripcin del equipo electrnico y componentes pticos

En la implementacin de este sistema fue necesario utilizar un lser DFB controlado

por corriente y temperatura a travs de una montura, el cual es modulado por un

24


generador de pulsos, al igual que un lser de bombeo con sus respectivos controladores,

para llevar a cabo la caracterizacin y el monitoreo de la seal, se utilizaron un

analizador de espectros ptico, un osciloscopio y un fotodetector. Tambin se llev

a cabo la descripcin de los componentes pticos que integran el sistema tales como,

rejillas de Bragg, lseres, circuladores pticos, acopladores, etc., como se describe a

continuacin.

3.1.1 Equipo electrnico

El lser DFB de este arreglo utiliza un controlador de corriente que permite prote-

ger y limitar su corriente para descartar una posible sobrecarga, con esto tambin

se evita que el dispositivo se dae y aumenta su tiempo de vida. Con este contro-

lador de corriente se puede obtener una potencia estable en el lser de seal, cuyas

caractersticas principales se describen a continuacin.

Controlador de corriente: El controlador de corriente utilizado es un modeloLDC (Laser Diode Controller) 500 de la compaa THORLABS. El control de

corriente se puede programar en un rango de 0 a 500 mA con un ajustede precisin de 0.2 mA, un rango de potencia de 20 mW/200 mW, cuyorango de operacin ptimo se encuentra entre 0 a 40 C. Este equipo cuenta

con una salida DB9F para ser conectada al lser DFB a travs de una montura

que ser mencionada posteriormente. Este controlador se program a 15 mA

correspondientes a la corriente de operacin del lser de seal.

Un controlador de temperatura es necesario para desplazar la longitud de onda

del lser DFB. La importancia del controlador de temperatura es fundamental ya

que esto permite elegir una temperatura para obtener la longitud de onda deseada

en el lser de seal que en ste caso debe ser de 1550 nm. La razn principal por la

que se necesita elegir una longitud especfica en el lser DFB es por la necesidad de

seleccionar una longitud de onda que sea igual al de la rejilla de Bragg utilizada el

25


cual es a 1550 nm, en caso de que la longitud de onda en el lser DFB sea distinta a

la de reflexin de la rejilla, no habr seal reflejada.

Controlador de temperatura: Se utiliz un modelo TEC (Thermoelectric Tem-perature Controller) 2000 de la compaa THORLABS. Este equipo opera en

un rango de corriente de 0 a 2 A y a una temperatura de operacin de 0 a 40C, tiene un sensor de temperatura AD590, con un tiempo de estabilizacin de

10 min. En este arreglo la temperatura del controlador se debe programar entre

6 y 8 C, ya que en este rango de temperatura el lser DFB emite a 1550 nm.

Tambin cuenta con una salida DB9 y al igual que el controlador de corriente,

este equipo debe conectarse al lser DFB por medio de la montura.

Una montura para diodos lser es el accesorio ideal para llevar a cabo la interfaz

entre el lser de seal y los controles de corriente y temperatura. La conexin con

estos dispositivos es a travs de las entradas DB9F y DB9. El diodo es insertado en

el zcalo de la montura de acuerdo a la asignacin del pin impreso.

Montura para el diodo lser: La montura es un modelo TCLDM9 (TemperatureControlled, Laser Diode Mount) de la compaa THORLABS, es ideal para la

operacin del control de temperatura y corriente en diodos lser. El TCLDM9

es compatible para una amplia variedad de diodos lser hasta de cuatro pines,

incluye una entrada para seal de radiofrecuencia para modular el lser con una

fuente de RF externa de hasta 500 MHz. Esta montura cuenta con entradas

DB9F y DB9 para los controladores de corriente y temperatura.

Debido a que el lser DFB es de modo continuo y este debe operar en forma pul-

sada, es necesario usar un generador de pulsos en el que se pueda operar la frecuencia

y la amplitud, adems de que pulsado se puede obtener una potencia pico mayor.

El generador de pulsos es conectado a la montura del DFB a travs de la entrada de

radiofrecuencia. Con este generador se podrn introducir los pulsos necesarios para

obtener altas potencias.

26


Generador de pulsos: Este equipo es un modelo 6040 marca Universal PulseGenerator de la compaa BNC, opera en un rango de frecuencia comprendido

entre 0.01 Hz a 100 MHz y con precisin de ajuste de 0.01 %, anchos de pulso

que van desde los 3 ns hasta 640 s con una precisin de 0.2 %. Los pulsos

generados para este arreglo varan desde 10 hasta 500 ns.

Para el bombeo de la fibra dopada con erbio se utiliza un lser a 980 nm con

un controlador de corriente y uno de temperatura. Estos controladores suministran

la potencia y la proteccin necesarias al lser de bombeo. Este dispositivo se puede

programar para su correcta operacin.

Controlador del LD: Este controlador es un modelo ITC 510 (Laser DiodeCombi Controller) de la compaa THORLABS. El rango de operacin de este

dispositivo se puede programar entre 0 y 1 A de corriente en el LD con una

precisin de 1mA, el control de potencia va de 5 A a 2 mA con una precisinde 2 A, cuenta con un control de temperatura a base de un termistor queopera en un rango de 10 a 199.9 k, un rango de ajuste del TEC de 0 a 4 A.

En este arreglo experimental para el control de temperatura se usan 10 k que

corresponden a 25 C, ya que a esta temperatura se obtiene una mejor potencia

del diodo lser de bombeo y con el control de corriente se le proporcionan

corrientes desde 0 hasta 400 mA.

La montura para el diodo lser de bombeo es de tipo mariposa, muy distinta a

la configuracin de la montura del lser DFB y con diferentes caractersticas, cuenta

con driver de entrada DB9 para los controladores de temperatura y corriente respec-

tivamente.

Montura para el LD de bombeo: Esta montura es un modelo LM14S2 de lacompaa THORLABS para lseres de mariposa de 14 pines, soporta 5 A de

corriente mxima tanto en el control de corriente como el de temperatura y ste

ltimo resiste temperaturas de 0 a 70 C.

27


Los analizadores de espectros pticos como su nombre lo dice sirven para obtener

los espectros de diferentes dispositivos pticos, en este arreglo experimental es uti-

lizado para ver algunos espectros como el del lser DFB y el de la fibra dopada con

erbio, tambin es usado para caracterizar los lseres de bombeo y de seal.

Analizador de espectros ptico: El equipo es un modelo MS9740A de la com-paa ANRITSU. Este dispositivo soporta fibras pticas monomodo (Single

Mode, SM) de 10 m/125 m e ndice graduado (Graded Index, GI) 50 m/125

m, es compatible con conectores de tipo FC, tiene un rango de operacin en

longitud de onda de 600 a 1750 nm.

El osciloscopio sirve para medir el potencial elctrico de una seal, en este dispo-

sitivo no pueden ser ledas seales pticas, por lo que es necesario usar un fotodetector

para que convierta la seal elctrica a seal ptica. En este arreglo experimental el

osciloscopio junto con el fotodetector se usan para monitorear la seal de algunos

dispositivos pticos tales como los lseres cuando se lleve a cabo su caracterizacin y

cuando se mide la potencia de la seal al final de cada etapa. La salida del dispositivo

ptico a medir se conecta a la entrada del fotodetector y la salida de ste se conecta

al osciloscopio.

Osciloscopio: El osciloscopio es un modelo DPO3014 de la compaa TEK-TRONIX, cuenta con 4 canales de entrada, con impedancias de 1 M con 300

VRMS de voltaje mximo, 50 y 75 con estas dos ltimas impedancias se pueden

suministrar hasta 5 V de voltaje mximo y 20 de voltaje pico.

Fotodetector: Este dispositivo es un modelo DET01CFC de la compaa THOR-LABS el cual tiene un ancho de banda de 1.2 GHz, usa un detector de InGaAs

que es sensible a una longitud de onda de 800 a 1700 nm con una responsitivi-

dad de 0.95 A/W y tiempos de subida y cada de 100 ps, es alimentado por

una batera de 12 V. Cuenta con una entrada FC/PC que proporciona un fcil

acoplamiento a fuentes de luz a base de fibra ptica y la salida tiene un conector

28


SMA para minimizar el tamao y maximizar la respuesta de frecuencia la cual

es conectada al osciloscopio para visualizar ah la seal que est detectando.

Un medidor de potencia est diseado para medir la potencia ptica de una

fuente de radiacin ya sea de onda continua o pulsada. En este trabajo se necesita

un dispositivo como ste para medir las potencias del lser DFB y el de bombeo

para llevar a cabo su caracterizacin. Para monitorear la potencia, este medidor de

potencia requiere de un fotodetector compatible a este equipo.

Medidor de potencia: El dispositivo es un modelo PM100D de la compaaTHORLABS, es compatible con fotodetectores de la serie C tales como S100C,

S300C, ES100C, ES200C y S145C. El sensor de entrada opera en un rango de

medicin de 50 nA a 5 mA con una precisin de 0.2 %. El sensor de salidacuenta con un rango de medicin de 1 mV a 1 V con una precisin de 0.5 %.Las unidades en las que mide tanto el sensor de entrada como el de salida estn

dadas en W, dBm, W/cm2. El ancho de banda en el que mide es hasta de 100

kHz y cuenta con una salida analgica, el rango de medicin en potencia es de

100 pW a 200 W. El fotodetector que usa este dispositivo es un S145C.

Fotodetector del medidor de potencia: El fotodetector es un modelo S145C de lacompaa THORLABS permite medir la potencia ptica a base de un detector

de InGaAs que mide en un rango de longitud de onda de 800 a 1700 nm y

mide potencia desde 1 W hasta 3 W con tiempos de respuesta menores a 200

ns, cuenta con entrada a fibra ptica y una salida con un conector DB9 que

proporciona una mejor transmisin de datos (por medio de un chip interno) lo

cual facilita su uso y a travs ste conector de salida es conectado a el medidor

de potencia PM100D. Este fotodetector se us par medir la potencia de salida

en cada etapa de amplificacin.

29


3.1.2 Componentes pticos

El arreglo experimental propuesto se compone de EDFs, WDMs, circuladores pticos,

acopladores y una rejilla de Bragg. Cada uno de estos componentes juega un papel

importante en el arreglo, ya que individualmente tienen funciones diferentes y todos

ellos juntos en una configuracin formarn el amplificador de fibra dopada con erbio.

La descripcin y algunas caractersticas de estos componentes pticos se mencionan

a continuacin.

Un lser DFB es utilizado para generar una seal ptica en este arreglo ex-

perimental, con este lser se tiene la posibilidad de manipular la longitud de onda

mediante un cambio de temperatura en l. La longitud de onda de emisin del lser

DFB debe ser a 1550 nm para que coincida con la longitud de onda de reflexin de

la rejilla de Bragg, si esto no sucede la seal no ser reflejada.

Diodo lser DFB: El lser de seal es un modelo DFB DL-5335-VXS de lacompaa OPTOWAY el cual tiene una corriente umbral (Ith) tpica de 9.8 mA,

el rango de operacin mximo de voltaje es de 1.5 V, su potencia de salida es

de 2 mW, su longitud de onda central es de 1550 nm con tiempos de cada y

subida de 150 ps y su corriente de operacin es de Iop = Ith + 20 mA. Este lser

tiene una etapa de enfriamiento que ser controlada mediante el controlador de

temperatura, la cual es el medio por el que se lleva a cabo la seleccin de la

longitud de onda. Se tiene la necesidad de pulsar este lser para obtener una

potencia pico mayor, as que a este lser DFB de onda continua se le introducirn

pulsos cortos a partir del generador de pulsos.

El sistema de amplificacin consiste en una EDF y un lser de bombeo. En este

arreglo experimental es indispensable el diodo lser de bombeo, ya que va a servir

como bombeo ptico para excitar las dos secciones de la fibra dopada con erbio que

se usarn como medio de amplificacin. Un lser de este tipo se puede encontrar a

diferentes longitudes de onda, pero en este arreglo se usa un bombeo a 980 nm.

30


Diodo lser de bombeo: El diodo lser es un modelo PL980P330J de la compaaTHORLABS, es de tipo mariposa de 14 pines, su longitud de onda central es de

975 nm, opera en un rango de corriente de 600 a 720 mA, la potencia de salida

mxima que brinda es de 330 mW, cuenta con ancho de banda espectral de 0.5

a 1.0 nm, la corriente umbral tpica es de 75 mA y la mxima de 90 mA. Este

diodo lser de bombeo es mostrado en el lado izquierdo de la Figura 3.2.

Figura 3.2. En el lado izquierdo se muestra un diodo lser de bombeo a 980 nm y enel lado derecho se observa una fibra dopada con erbio cuando ha sido excitada.

Fibra dopada con erbio: Para este trabajo se usan dos secciones de 10 m deEDF modelo M12-980-125 de la compaa THORLABS y cada una est dopada

en una proporcin de 1000 ppm [46]. Una fibra dopada con erbio es una fibra

estndar de slice, en cuyo ncleo se introdujeron iones de erbio en su fabricacin,

el medio activo que proporcionar la amplificacin sern precisamente los iones

Er3+. Para que este tipo de fibra lleve a cabo el proceso de amplificacin se

necesita un bombeo externo con un lser de onda continua a una frecuencia

ptica ligeramente superior a la que amplifican. Tpicamente, las longitudes de

onda de bombeo son 980 1480 nm [12]. En el lado derecho de la Figura 3.2 se

muestra una EDF cuando se le ha aplicado un bombeo a 980 nm.

31


La seal a 1550 nm es introducida a las etapas de amplificacin a travs de

un circulador ptico, puesto que esta seal no debe regresar a la etapa anterior es

necesario usar este dispositivo porque tiene la capacidad de hacer pasar una seal

por uno de sus puertos hacia el puerto siguiente sin que esta seal pueda regresar por

alguno de ellos. En este caso se usa un circulador ptico de tres puertos.

Circulador ptico: Los circuladores pticos son modelo 6015-3 de la compaaTHORLABS, operan en un rango de longitud de onda de 1525 a 1610 nm, tiene

prdidas por insercin tpica de 0.8 dB y mxima de 1.0 dB, una prdida por

retorno de 50 dB, funciona en un rango de temperatura desde los 0 hasta los 70C y su potencia mxima de operacin es de 50 mW. El circulador es un tipo

de aislador ptico con varios puertos cuya funcionalidad es permitir el paso de

toda la luz que entra por uno de sus puertos hacia el puerto siguiente, siempre

siguiendo el sentido de las manecillas del reloj. En el esquema de la Figura 3.3

se muestra como viaja la luz en este dispositivo y se puede ver que cuando sta

entra por el puerto 1 se direcciona al puerto 2, una ves que pas por ese puerto

es dirigida ahora al puerto 3, esta seal nunca puede regresar por el puerto

anterior.

Figura 3.3. Circulador ptico: a la izquierda se encuentra su esquema bsico y a laderecha como es fsicamente.

Un WDM tiene la capacidad de combinar diferentes seales a diferentes longi-

tudes de onda, y esto permite que en un amplificador de fibra dopada con erbio existan32


configuraciones de bombeo en copropagacin (misma direccin) y contrapropagacin

(direccin opuesta). Los WDMs tienen los mismos principios fsicos que un acoplador

de seal que es descrito ms adelante, nada ms que en estos dispositivos existe la

dependencia en longitud de onda [19, 40]. La alternativa de multiplexacin por longi-

tud de onda consiste en propagar por una misma fibra seales de distintas longitudes

de onda. En este arreglo experimental son usadas dos, la de bombeo y la que se va a

amplificar, as que se requiere del uso de dos dispositivos pticos como este que se ha

mencionado. Un WDM es mostrado en la Figura 3.4.

Figura 3.4. Estructura interna y externa de un WDM.

WDM: EL multiplexor por divisin de longitud de onda utilizado es un modeloWPN052407 de la compaa THORLABS. Este dispositivo opera en un rango

de longitud de onda de 980 a 1550 nm, tiene una prdida por insercin de 0.55

dB y tiene un ancho de banda en longitud de onda de 10 nm.

La rejilla de Bragg es un dispositivo con una variacin peridica del ndice de

refraccin, que se introduce longitudinalmente a lo largo del ncleo de la fibra y que

acta como una estructura de reflexin mltiple. Las rejillas que se usan en sta

arreglo experimental reflejan a 1550 nm.

Las rejillas de Bragg reflejan y transmiten selectivamente algunas longitudes

de onda dependiendo del espaciamiento en el patrn de franjas, generado por la

modulacin peridica del ndice de refraccin efectivo de la fibra ptica. Una rejilla

33


de Bragg reflejar luz con una longitud de onda correspondiente a dos veces el periodo

de la rejilla por el ndice de refraccin efectivo, Bragg = 2nefectivo, donde es el

periodo de la rejilla y nefectivo es el ndice de refraccin efectivo.

Una caracterstica importante que tienen las rejillas de Bragg es que al tensarlas

o al cambiarles la temperatura, cambian su longitud de onda de reflexin. Este cambio

en la longitud de onda va a proveer informacin sobre la variable aplicada (presin

o temperatura) y por consecuencia un sensado [47-49]. En la Figura 3.5 se muestra

una rejilla de Bragg en su forma fsica e interna.

Figura 3.5. Rejilla de Bragg, a la derecha su forma fsica y en la izquierda su formainterna.

Debido a que en el proceso de amplificacin no slo se amplifica la seal a 1550

nm sino que tambin se amplifican otras longitudes de onda y estas generan ruido, se

necesita una rejilla de Bragg que funcione como un filtro, as que para llevar a cabo

el filtrado y la reflexin de la seal a 1550 nm se usar este componente ptico. De

esta forma las longitudes de onda que se amplifiquen y sean diferentes de 1550 nm

sern transmitidas y no reflejadas.

Rejilla de Bragg: Estos dispositivos son modelo FOSS2CX6166 de la compaaAVENSYS, se usan dos rejillas de Bragg que reflejan a una longitud de onda

central de 1550 nm, ambas con un ancho de banda de 0.21 nm, una de ellas

tiene una reflectividad del 96 % y la otra de 97 %.

34


Un acoplador de fibra ptica es un dispositivo pasivo que puede distribuir laseal ptica de una fibra entre dos o ms fibras, adems, puede ser utilizado

de manera recproca, es decir, combinar dos seales pticas de dos o ms fibras

a una sola fibra ptica [19]. Los acopladores pticos se usan para ramificar o

combinar seales pticas. Se usan en redes pblicas y privadas de fibra ptica

para proporcionar una distribucin pasiva y unin de puntos para la transmisin

de datos pticos. Los acopladores se caracterizan por las siguientes propiedades:

Todos los componentes de fibra tienen bajas prdidas de insercin. Altas prdidas de retorno y directividad. Buen comportamiento en longitud de onda selectiva o banda ancha. Alta estabilidad trmica y mecnica. Libre eleccin de razn de acoplamiento (1-50 %).

Existen acopladores con diferentes propiedades de transmisin y acoplamiento.

Hay acopladores para aplicaciones en el rango de longitudes de onda de telecomunica-

ciones desde 1200 a 1700 nm, as como acopladores para longitudes de onda ms corta

[50]. En la Figura 3.6 se muestra como est compuesto internamente un acoplador

ptico. Los acopladores usados son dos, uno 50/50 modelo CWD07080917 y el otro

acoplador es un 99/1 modelo CWD07008404 ambos de la compaa THORLABS. El

50/50 es usado para introducir el bombeo a ambas etapas de amplificacin al mismo

tiempo y por separado, el 99/1 es usado para hacer el monitoreo de la seal de la

primer etapa de amplificacin.

Debido a que los dispositivos de fibra ptica utilizados en este trabajo no cuen-

tan con conectores FC, es necesario hacer una conexin entre ellos con un empalme

por fusin. Los empalmes por fusin mejoran la unin que con conectores debido

a que los resultados experimentales son ms precisos. Actualmente estos empalmes

se hacen a travs de empalmadoras de fusin automticas por descarga de arco y

consisten en fundir los extremos de las fibras para unirlas en forma automtica y

35

3.2 Generacin de la seal

Figura 3.6. Estructura interna y externa de un acoplador ptico.

permanentemente, pueden empalmarse fibras de diferentes tamaos de ncleo. Se us-

aron dos empalmadoras en este arreglo experimental la primera es un modelo Splicer

Type-25e de la compaa SUMITOMO ELECTRIC y otra modelo S178A de la com-

paa FITEL, la primera se ocupa para llevar a cabo empalmes de fibras monomodo

y la segunda para fusiones ms complejas de fibras, como por ejemplo al empalmar

la EDF con el WDM. El empalme, se lleva a cabo con una excitacin radiante en las

dos terminales de fibra mediante una descarga elctrica, empujando la terminal de

una fibra hacia la otra y fusionndolas, para que esto suceda las fibras pticas deben

estar lo mejor posible alineadas. Antes de retirar la fibra ptica ya empalmada este

equipo hace una prueba de tensin para verificar la calidad del empalme, una vez que

se retir hay que poner una proteccin para evitar que se rompa.

El equipo electrnico y los componentes pticos descritos anteriormente estn

disponibles en el Laboratorio de Fisicoqumica de Materiales de la Benemrita Uni-

versidad Autnoma de Puebla (ICUAP-BUAP).


La etapa previa a la primera etapa de amplificacin inicia con la generacin de la seal

a travs de un lser DFB que emite a una longitud de onda de 1550 nm el cual utiliza

un controlador de corriente y uno de temperatura, una montura y un generador de

pulsos como se muestra en la Figura 3.7. En el arreglo se puede observar que el gene-

36


Figura 3.7. Arreglo experimental para generar la seal de 1550 nm usando un lserDFB.

rador de pulsos, el controlador de corriente y el control de temperatura, son conectados

al diodo lser a travs de la montura. Una vez que es implementado el arreglo se

conecta la salida del lser DFB al fotodetector y posteriormente al osciloscopio para

caracterizar la seal de esta etapa.

El arreglo es implementado para tener controlada la longitud de onda del lser

DFB mediante una temperatura y su corriente para el control de potencia, as como

la disponibilidad de tener un control adecuado de la amplitud de voltaje y frecuencia

de la seal. En la Figura 3.8 son mostrados los pulsos obtenidos en esta etapa de la

seal, en el inciso a) se observa un tren de pulsos y en el inciso b) la forma de los

pulsos, son obtenidos a una temperatura de 5 C, corrientes menores a 14.5 mA.

El espectro de emisin, el cual presenta un ancho de banda muy angosto, cen-

trado en la longitud de onda 1549.9 nm del diodo lser de seal se visualiza en la

Figura 3.9 mientras que en la Figura 3.10 se muestran los espectros de este mismo

lser con respecto a la temperatura aplicada. En la grfica se observa que a mayor

temperatura el espectro alcanza un mayor desplazamiento en longitud de onda, en

ste trabajo la longitud de onda ideal es a 1550 nm debido a que a sta longitud de

onda refleja la rejilla de Bragg, por lo tanto se usar la temperatura de 5 C, adems

de que a sta temperatura se obtiene ms potencia de salida.

37


200 400 600 800 1000

0

2

4

6

8

Am

plitu

d (u

.a)

Tiempo (s)-200 -100 0 100 200

0

1

2

3

4A

mpl

itud

(u.a

.)

Tiempo (ns) a) b)

Figura 3.8. Seal obtenida a travs del osciloscopio de la etapa previa a la primeraetapa de amplificacin. a) Forma de los pulsos, b) Tren de pulsos.

3.2.1 Caracterizacin de lser de seal

El lser de seal se caracteriz mediante el uso de un control de temperatura y un

control de corriente conectados a un diodo lser de seal a travs de una montura, y

un analizador de espectros ptico. El arreglo experimental usado para llevar a cabo

la caracterizacin del lser de seal se muestra en la Figura 3.11 que consiste en el

control de corriente y temperatura para tomar los parmetros de potencia y longitud

de onda. Una vez que se conectan los equipos al lser DFB, se controla la temperatura

al lser en un rango de 0 a 35 C, limitando la corriente a 14.5 mA, y se toma la

longitud de onda que mide y la potencia en mW, estas mediciones se realizan por

cada grado que se varia iniciando en 5 C. La Figura 3.12 muestra la dependencia que

hay entre longitud de onda y la temperatura, se visualiza que al ir incrementando la

temperatura la longitud de onda aumenta en forma lineal. Tambin se puede observar

que entre 5 y 35 C es posible desplazar 2 nm en longitud de onda de emisin del

lser DBF y en potencia tan slo se tiene una prdida de 0.71 mW.

38


1547.5 1550 1552.50.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Am

plitu

d (u

.a)

Longitud de onda (nm)

Figura 3.9. Espectro de emisin del lser de seal (DFB).

Usando el arreglo anterior con el medidor de potencia se realizaron mediciones

adicionales para la caracterizacin del diodo de seal. Las condiciones del equipo

para este arreglo consistieron en variar la corriente desde 0 a 14.5 mA para cuatro

diferentes temperaturas, los incrementos de corriente fueron programados cada 0.5

mA, por su parte las temperaturas se tomaron en incrementos de 10 C a partir de 5

hasta 35 C.

Los resultados obtenidos de esta caracterizacin son mostrados en la Figura 3.13.

En la grfica se observan las dependencias de la potencia a diferentes temperaturas.

Los resultados muestran que a temperaturas bajas se obtiene una potencia de salida

mayor y un umbral de corriente menor, por otra parte se observa que a temperaturas

mayores la potencia de salida es menor y el umbral de corriente se incrementa.

39

3.3 Primera etapa de amplificacin

1549 1550 1551 1552 15530.2

0.4

0.6

0.8

1.0 5 C 15 C 25 C 35 C

Am

plitu

d (u

.a)

Longitud de onda (nm)

Figura 3.10. Relacin que existe entre la temperatura y la longitud de onda.


Como se mencion anteriormente en un proceso de amplificacin de una seal es

necesario tener un medio de ganancia para amplificarla. En este arreglo experimental

se tiene como medio de ganancia una EDF y una seal pulsada a 1550 nm para ser

amplificada en esta primera etapa la cual fue generada anteriormente en una etapa.

El arreglo est formado por un circulador ptico de tres puertos, 10 m de fibra dopada

con erbio, una rejilla de Bragg y un WDM por el cual es introducido el bombeo ptico

a 980 nm, como se muestra en la Figura 3.14.

Este arreglo presenta una configuracin convencional de doble paso de la seal

empleado como un preamplificador ptico para proporcionar una alta ganancia y un

bajo ruido, mediante el uso de una rejilla de Bragg. En este caso la rejilla utilizada

tiene una reflectividad del 96 % para un longitud de onda de 1550 nm y estar

situada en un extremo de salida del WDM-1 para permitir que la seal amplificada

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Figura 3.11. Diagrama para llevar a cabo la caracterizacin del diodo lser de seal.

sea reflejada. La seal que es reflejada a travs de la rejilla es nuevamente amplificada

y redireccionada, ahora del puerto 2 del circulador al puerto 3. Una ventaja adicional

de usar este arreglo es la eliminacin de posibles reflexiones parsitas que retornan

hacia el diodo lser.

3.3.1 Caracterizacin del lser de bombeo

La amplificacin en la fibra dopada con erbio slo se pude llevar a cabo excitando los

tomos del erbio y esto se puede hacer mediante un bombeo ptico a 1480 980 nm,

en este caso la fuente de bombeo es el lser que emite a 980 nm.

Para llevar a cabo la caracterizacin del diodo lser de bombeo se utiliz el

siguiente material: el lser de b

tesis version final jazmín

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