Transmisores Ópticos En las comunicaciones a través de fibras ópticas los transmisores y receptores ópticos son los dispositivos encargados de tomar la señal eléctrica en forma de voltaje o corriente y convertirla en una señal luminosa con el objetivo de transportar información a través de la fibra.  La complejidad del transmisor y receptor depende del tipo de señal o información que se quiere enviar, si es análoga o digital, el tipo de codificación, y de la clase de fuente luminosa que se va a modular. Emisores Ópticos Entre los emisores ópticos tenemos a los diodos LED y los diodos LASER.

1. “Nunca consideres el estudio
como una obligación, sino como
la oportunidad para penetrar en
el bello y maravilloso mundo del
saber”.
Albert Einstein
LaCienciadelaIngenieríaal
Descubierto.2daEdición.
FIBRA
ÓPTICA
Autor: Pamela Salazar.
C.I:27.710.053
Editorial: Santiago Mariño
Referencia: Electiva V

2. Oscilador Óptico
Un oscilador óptico,
también conocido
como oscilador láser,
o simplemente láser.
es un dispositivo que
emite luz (radiación
electromagnética) a
través de un proceso
conocido como
emisión estimulada.
El término láser es un
acrónimo para la
amplificación de luz
por emisión
estimulada de
radiación. La luz láser
es generalmente
coherente, lo que
significa que la luz es
emitida en un
estrecho de baja
divergencia del haz, o
se puede convertir en
una con la ayuda de
componentes ópticos
tales como lentes.
Cavidad Láser
-Sirve para mantener
la luz circulando a
través del medio
activo el mayor
número de veces
posible.
En las comunicaciones a través
de fibras ópticas los transmisores
y receptores ópticos son los
dispositivos encargados de tomar
la señal eléctrica en forma de
voltaje o corriente y convertirla en
una señal luminosa con el objetivo
de transportar información a
través de la fibra. La complejidad
del transmisor y receptor depende
del tipo de señal o información
que se quiere enviar, si es análoga
o digital, el tipo de codificación, y
de la clase de fuente luminosa que
se va a modular.
Emisores Ópticos
Entre los emisores ópticos
tenemos a los diodos LED y los
diodos LASER.
Diodos LED
Son fuentes de luz con emisión
espontánea o natural (no
coherente), son diodos
semiconductores de unión p-n que
para emitir luz se polarizan
directamente.
Transmisores Ópticos
1. Medio activo con
ganancia óptica
2. Energía de
bombeo para el
láser
3. Espejo de alta
reflectancia
4.Espejo de
acoplamiento o
salida
5. Emisión del haz
láser.
-Está compuesta de
dos espejos
dieléctricos que
permiten
reflectividades
controladas que
pueden ser muy altas
para determinadas
longitudes de onda.
-El espejo de alta
reflectividad refleja
cerca del 100% de la
luz que recibe y el
espejo acoplador o de
salida, un porcentaje
ligeramente menor.
-Según el tipo de
láser, estos espejos se
pueden construir en
soportes de vidrio o
cristales
independientes.

3. Es un tipo de fibra
óptica mayormente utilizada en
el ámbito de la comunicación en
distancias cortas, como por
ejemplo en un edificio o un
campus. Los enlaces multimodo
típicos tienen una velocidad de
datos desde los 10 Mbit/s a los
10 Gbit/s en distancias de hasta
600 metros (2000 pies). Las fibras
multimodo tienen un diámetro
de núcleo grande que le permite
a múltiples modos de luz ser
propagados y limita la longitud
máxima de transmisión debido a
la dispersión intermodal.
Fibra Óptica Monomodo
Es una fibra óptica diseñada para
transportar luz solo
directamente
a través de la fibra, el modo
transversal. Los modos son
soluciones posibles a laecuación
de Helmholtz para ondas, la cual
se obtiene al combinar
las ecuaciones de Maxwell y las
condiciones límite. Estos modos
definen la manera en la que las
ondas viajan a través del espacio,
es decir, cómo se distribuye en la
onda en el espacio. Las ondas
pueden tener el mismo modo
pero frecuencias diferentes.
Fibra Óptica
Multimodo
Diodo láser sintonizable DBR
El diodo DBR se adapta mejor a la sintonización de la longitud de onda,
esto debido a la separación de ía regíones activa y pasiva (grating)
dentro del láser. El método utilizado para este diodo láser es el de
inyección de corriente.
El mejor diseño del diodo DBR para esta función es el de 3 secciones
1. Núcleo 8 - 9 µm de diámetro
2. Revestimiento 125 µm dia.
3. Búfer 250 µm dia.
4. Funda 900 µm dia.

4. Amplificador de
radiofrecuencia
El amplificador de
radiofrecuencia,
cumple dos
funciones, por una
parte eleva el nivel
de la
portadora (a) genera
da por el oscilador y
por otra sirve
como amplificador
separador para
asegurar que el
oscilador no es
afectado por
variaciones de
tensión o impedancia
en las etapas de
potencia.
Amplificador de
potencia de RF
En este
amplificador se
produce la elevación
de la potencia de la
señal (b), generada en
la etapa precedente,
hasta los niveles
requeridos por el
diseño para ser
aplicada a la antena.
En esta etapa es
también donde se
aplica la señal
moduladora (e),
obtenida a la salida
del amplificador
modulador para
finalmente obtener la
señal de antena (f).
Rendimiento Óptico
El rendimiento de la fibra óptica es el ancho de banda, o la capacidad de
transportar información de la fibra y su velocidad se expresa en bits, las
señales se pueden enviar a distancia sin que un bit interfiera con el bit
anterior o posterior, el ancho de banda se expresa en MHz por Km.
Longitud de Onda Espectral.
Los transmisores ópticos más comúnmente utilizados son
dispositivos semiconductores como, por ejemplo, diodos emisores de
luz (leds o ledes, en plural) y diodos láser. La diferencia entre los diodos led
y el láser, es que los led producen una luz incoherente, la cual se dispersa,
y el láser produce una luz coherente, no dispersa. Para su uso en
comunicaciones ópticas los transmisores ópticos semicondutores deben
ser diseñados para ser compactos, eficientes y confiables, mientras se
opera en un rango de longitud de onda óptima y directamente modulada
en altas frecuencias.
En su forma más simple, un led es una unión de semiconductores
PN polarizada, emitiendo luz a través de emisiones espontáneas, un
fenómeno conocido como electroluminiscencia. La luz emitida es
incoherente, con un ancho espectral relativamente amplio de 30-60 nm,
aunque la transmisión de luz led es también ineficiente, con sólo el 1% de
la potencia de entrada. Sin embargo, debido a su diseño relativamente
sencillo los ledes son muy útiles para aplicaciones de bajo costo.
Fuente de
alimentación
La fuente de
alimentación es el
dispositivo encargado
de generar, a partir
del suministro
externo, las diferentes
tensiones requeridas
por cada una de las
etapas precedentes.

5. DETECTORES
ÓPTICOS
Receptores Ópticos
Los receptores ópticos son dispositivos que transforman las señales ópticas
en señales eléctricas, en concreto es el fotodetector el encargado de esta
transformación.
Una configuración básica es el receptor de detección directa, el
fotodetector convierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de
electrones. Después esta corriente es amplificada y procesada. Existen dos
tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica, fotodiodo PIN y
fotodiodo de avalancha APD
Receptor óptico con detección directa
En la práctica, para los receptores de detección directa con fotodiodos PIN,
el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido térmico,
generado en la salida del fotodiodo. Existe dos alternativas para superar
esta limitación, una es el uso de fotodiodo de avalancha APD, donde el
mecanismo de multiplicación de la corriente fotogenerada en el fotodiodo
amplifica la señal fotodetectado. La segunda alternativa es la utilización de
un pre-amplificador óptico antes del fotodetector, para amplificar la señal
óptica antes de la detección.
Receptor óptico con detección directa utilizando un pre-amplificador óptico

6. Principio de la absorción y la emisión de
un fotón. Si la energía implicada es
moderada, transiciones electrónicas se
producen sólo en las capas exteriores
de los átomos. Se corresponden con el
paso de un electrón de la sub-capa no
se cumple a una sub-capa desocupado
de energía superior (absorción) o al
regreso de un electrón en la sub-capa
de valencia (emisión). Si la energía
empleada es suficientemente alta (en
las muy altas frecuencias), hay
arrebatamiento de electrones.
El electrón es devuelto a su
capa original y recuperó su
energía de estado
fundamental transmitiendo la
energía que hubo recibido,
igual a la diferencia de
energía entre las dos capas
cuantificados.
Los desplazamientos de los
electrones de una capa a otra,
harán hincapié en las líneas
de absorción y emisión
espectral.
Luz, onda, partículas, energía
y materia están vinculados en
este fenómeno de absorción y
de emisión atómica. El átomo
es el resultado de la
interacción entre un núcleo y
los electrones, en otras
palabras, se trata de un
sistema enlazado de
partículas que tiene energía.
Cuando no hay entrada de
energía o pérdida de energía,
la materia reacciona
absorbiendo o emitiendo una
onda de luz.
Principio de Absorción Óptica.
En 1913, Niels Bohr (1885-1962) propuso la
estructura del átomo de hidrógeno, los
electrones se encuentran en las órbitas
cuantificadas (modelo de Bohr). El electrón
externo viaje a una cierta distancia, en las
capas de la piel de cebolla alrededor del
núcleo. Bohr muestra que este electrón
puede hacer ciertos pasos de una capa
cuantificada a otra. Para que el electrón
situado en la capa alta, salta en la capa
interior, necesita una energía igual a la
diferencia de energía entre las dos capas
cuantificadas. Si las energías implicadas son
moderados, sólo los electrones exteriores de
la nube de electrones son afectos. Un haz de
luz es una onda que se propaga como un
conjunto de partículas que se conoce como
fotones. La cantidad de energía transportada
por la energía del fotón se llama quanta de
energía. Cuando el fotón llega al átomo, el
átomo absorbe el fotón y vamos a ver una
línea de absorción.
El electrón que ha cambiado de capa no está
en un estado estable y se verá a volver a su
capa original.
Cuando el electrón vuelve a su capa original,
un fotón es emitido, el átomo pierde energía y
vamos a ver una línea de emisión.
Fotodiodo PIN
El fotodiodo PIN es uno de los fotodetectores más
comunes, debido a que la capa intrínseca se puede
modificar para optimizar su eficiencia cuántica y margen
de frecuencia, siendo así un material intrínseco
semiconductor. Viene dado por tres parámetros
característicos:
Eficiencia cuántica.
Velocidad de respuesta.
Ruido del dispositivo.

7. Fotodiodo de Avalancha.
Los fotodiodos de avalancha (APDs) son fotodetectores que se
pueden considerar como el equivalente semiconductor de
los fotomultiplicadores. Aplicando un alto voltaje en inversa
(típicamente 100-200 V en silicio), los APD muestran un efecto interno
de ganancia de corriente (aproximadamente 100) debido a
la ionización de impacto (Efecto avalancha). Sin embargo, algunos APD
de silicio emplean un dopaje alternativo y otras técnicas que permiten
aplicar un voltaje mayor (> 1500 V) antes de alcanzar el efecto de
avalancha y, por tanto, una ganancia mayor (> 1000). En general,
cuanto mayor es el voltaje en inversa, mayor es la ganancia. Entre las
distintas expresiones para el factor de multiplicación de los APD (M),
una expresión instructiva viene dada por la fórmula
donde L es el límite del espacio de carga para los electrones
y {displaystyle alpha } es el coeficiente de multiplicación de los
electrones (y agujeros). Este coeficiente tiene una fuerte dependencia
de la intensidad del campo eléctrico aplicado, de la temperatura, y del
perfil de dopaje. Puesto que la ganancia de los APD varía fuertemente
con la tensión en inversa aplicada y con la temperatura, es necesario
controlar esta tensión en inversa para obtener un valor estable de
ganancia. Los fotodiodos de avalancha son, por lo tanto, más sensibles
que otros fotodiodos semiconductores.
Sencibilidad del Receptor
Se dice que un receptor es más
sensible que otro si para un
mismo desempeño (BER),
necesita de menor potencia
recibida.
• Se define el BER como la
probabilidad de identificación
incorrecta de un bit por el
circuito de decisión del Rx.
• La sensibilidad de un receptor
(digital) se mide como la mínima
potencia óptica recibida (Prec)
para operar a un BER de 1x10-9.
• La siguiente figura muestra la
señal recibida por el circuito de
decisión:
a) Fluctuaciones de la señal
recibida en el receptor y b)
Densidades de probabilidad de
“1” y “0”
Recordando, la probabilidad de
error para una recepción digital:
•Donde p(1) y p(0) son las
probabilidades de recibir un “1” y
un “0”, respectivamente. P(1/0)
es la probabilidad de decidir un
“1” cuando se recibe un “0”, y
P(0/1)
es la probabilidad de decidir un
“0” cuando se recibe un “1”.
•Puesto que “1s” y “0s” son
igualmente probables de ocurrir
p(1)=p(0)=1/2. Entonces: BER =
P(1/ 2) [ p(1/0) + P(0 /1)]

8. Potencia Mínima en el Receptor Potencia Mínima en el Receptor
P(1/0) y P(0/1) depende de la FDP p(I) del valor muestreado. • p(I) depende de la
estadística del ruido (σT y σS), Gaussianas. • El valor muestreado tiene también una
FDP Gaussiana, con varianza: σ 2 = σ T2 + σ S2 . • Así, si σ 12 y σ o2 son las
correspondientes varianzas en torno de I1 e Io, respectivamente, entonces:
• Si se substituye P(1/0) y P(0/1) el BER se expresa como:
• Esta ecuación demuestra que el BER depende del umbral de decisión ID
. En la práctica ID es optimizado para minimizar el BER. Un mínimo BER
ocurre cuando ID se escoge tal que:
• En la mayoría de los casos, el último término a la derecha es despreciable.
Fototransistor
Sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la
región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el
transistor al estado de conducción.1 El fototransistor es más sensible que
el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor.
Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia que el
primero puede trabajar de 2 formas:
Como transistor normal con la corriente de base Ib (modo común).
Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las
veces de corriente de base. Ip (modo de iluminación).
Puede utilizarse de las dos en formas simultáneamente, aunque el
fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar.
En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base
como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5)
provistas de una lente.

9. Consideraciones de diseño de un sistema de
telecomunicación
Los elementos que integran telecomunicación son
un transmisor, una línea o medio de transmisión y
posiblemente, impuesto por el medio, un canal y
finalmente un receptor. El transmisor es el
dispositivo que transforma o codifica los mensajes
en un fenómeno físico, la señal. El medio de
transmisión, por su naturaleza física, es posible que
modifique o degrade la señal en su trayecto desde
el transmisor al receptor debido a ruido,
interferencias o la propia distorsión del canal. Por
ello el receptor ha de tener un mecanismo de
decodificación capaz de recuperar el mensaje
dentro de ciertos límites de degradación de la señal.
En algunos casos, el receptor final es el oído o el ojo
humano (o en algún caso extremo otros órganos
sensoriales) y la recuperación del mensaje se hace
por la mente.
AMPLIFICADORES
ÓPTICOS
Amplificador Óptico de Semiconductor (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 recubrimiento antirreflejos 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...).

10. Aplicaciones

11. Amplificadores de Fibra
Dopada
Amplificadores en fibra son
amplificadores ópticos que usan
fibra dopada, normalmente
con tierras raras. Estos amplificadores
necesitan de un bombeo externo con
un láser de onda continua a
una frecuencia óptica ligeramente
superior a la que amplifican.
Típicamente, las longitudes de onda
de bombeo son 980 nm o 1480 nm y
para obtener los mejores resultados
en cuanto a ruido se refiere, debe
realizarse en la misma dirección que
la señal.
Un amplificador óptico es capaz de
amplificar un conjunto de longitudes
de onda (WDM, wavelength division
multiplexing).
El amplificador de fibra dopada más
común es el EDFA (del inglés, Erbium
Doped Fiber Amplifier) que se basa en
el dopaje con erbio de una fibra
óptica.
-Algunas características típicas de los
EDFA comerciales son:
Frecuencia de operación: bandas C
y L (aproximadamente de 1530 a
1625 nm).
-Para el funcionamiento en banda S
(por debajo de 1480 nm) son
necesarios otros dopantes.
Bajo factor de ruido (típicamente
entre 3-6 dB).
-Ganancia entre (15-40 dB).
Baja sensibilidad al estado de
polarización de la luz de entrada.
Máxima potencia de salida: 14-25
dBm.
-Ganancia interna: 25-50 dB.
-Variación de la ganancia: +/- 0,5
dB.
-Longitud de fibra dopada: 10-60 m
para EDFAs de banda C y 50-300 m
para los de banda L.
-Número de láseres de bombeo: 1-
6.
-Longitud de onda de bombeo: 980
nm o 1480 nm.
-Ruido predominante: ASE
(Amplified Spontaneous Emission).

12. 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.

13. Amplificadores
Brillouin
La apariencia de
estos amplificadores
es similar a los
dopados con tierras
raras, aunque el
esquema de
funcionamiento es
distinto. Recordemos
los efectos Raman y
Brillouin. Son efectos
no lineales con la
potencia, en este caso
no se produce una
excitación electrónica
en el interior de la
fibra sino debido a la
interacción con
fonones. Cuando la
potencia supera una
determinada
magnitud los fotones
pueden ceder parte
de su energía a las
vibraciones de la red
(fonones) o bien
capturar esa energía.
Si la energía cedida es
pequeña (50GHz de
frecuencia, o sea,
0,2meV) tenemos el
efecto Brillouin, si es
grande (10meV)
tenemos el efecto
Raman. Para pasar de
energías a longitudes
de onda primero
habrá que sumar (o
restar) las energías a
la del haz. El
funcionamiento de
estos sistemas exige
el bombeo con luz de
una longitud de onda
que este separada de
la que nos interesa
amplificar la energía
citada en el parrafo
anterior, cuando esto
sucede la luz se
genera estimulada
por la que ya hay en
esas longitudes de
onda amplificándola.
Esta deducción nos
indica cual debe ser la
longitud de onda del
bombeo y cual es el
esquema de
funcionamiento.Los
amplificadores
Brillouin se utilizan
para aplizaciones
específicas como filtro
pasobanda, por
ejemplo, en la salida
de acopladores WDM.

14. Aplicaciones
Los anchos de banda de amplificación típicos son de 50MHz (para una
longitud de onda de emisión de 870nm es una anchura de 104 nm, esto
limita la aplicación a comunicaciones de baja velocidad y con espectros de
emisión muy estrechos, la ventaja es que con una potencia de bombeo de
10mW se pueden conseguir ganancias de 20dB. £Cuál es la utilidad de este
tipo deamplificadores?, pues la de filtros ópticos abruptos para WDM.
Ruido en Amplificadores.
Sea el amplificador del tipo que sea
(discreto, monolítico, un simple
transistor) se puede utilizar el
siguiente modelo:
En es una fuente de ruido de voltaje, e In es una fuente de ruido de corriente.
Normalmente los transistores bipolares tienen menos ruido de voltaje y
mayor ruido de corriente que los Jfet. Los mosfet tienen un ruido de corriente
ínfimo, pero un ruido de voltaje bastante elevado.
Ésto es un artificio para calcular luego todo el nivel de ruido de manera más
cómoda. Hay que recordar que el ruido se amplifica, y que acada elemento
aporta su parte de ruido, por lo que es mejor cuanto menos halla, y en
cuantas menos etapas se amplifique una señal.
Conviene comentar que el ruido de voltaje se divide por raíz de n, siendo n el
número de amplificadores colocados en paralelo. Como contrapartido, el
ruido de corriente se multiplica por raíz de n en ese mismo caso.
Esto se deduce de las leyes de Kirchoff y del circuito anterior, junto a la
suma de densidades de ruido.