La amplificación Raman es una tecnología todo-óptica que permite cubrir grandes distancias y que competirá en el futuro con los EDFAs en el mercado de la amplificación óptica. En este artículo se describen sus principales características y factores de diseño.

Básicamente, el fenómeno de amplificación Raman consiste en utilizar láseres de bombeo disponibles comercialmente para convertir a la fibra óptica en un medio de transmisión de banda ancha y ganancia distribuida. En otras palabras, la fibra actúa como un amplificador óptico de gran longitud, proporcionando ganancia sobre las señales que se propagan por su interior. Los amplificadores Raman suelen emplearse en una configuración de contra-propagación, es decir, las longitudes de onda de bombeo Raman se introducen desde el extremo final del tramo de fibra, viajando en sentido contrario al de las señales DWDM. De este modo se asegura que la mayor parte de la amplificación ocurra al final del trayecto de fibra, donde los niveles de señal son más bajos, evitando a su vez que los niveles de potencia a la salida de cada tramo de amplificación superen el umbral de efectos no lineales (figura 1).
Al igual que los EDFAs, la amplificación Raman distribuida contribuye a añadir ruido al sistema. No obstante, a diferencia de los primeros, en este caso se utiliza una definición distinta: la figura de ruido efectiva. Este concepto equivale a reemplazar la combinación de amplificación Raman distribuida + EDFA por un único amplificador discreto con su figura de ruido efectiva. Se puede pues comprobar que la amplificación Raman reduce los efectos del ruido ASE generado en los EDFAs, mejorando la relación señal a ruido óptica (OSNR) del sistema completo. Por ejemplo, se pueden obtener figuras de ruido efectivas inferiores a 3 dB o incluso negativas, valores que son imposibles de conseguir por separado en los EDFAs. En general, aumentando la ganancia Raman se consiguen figuras efectivas de ruido inferiores, si bien existe un límite. Si se aumenta en exceso la ganancia, se producen problemas en la fibra asociados al scattering de Raylegh. Conforme aumenta la ganancia, se dispersa mayor potencia de señal en el interior de la fibra, apareciendo señales que se propagan en sentido contrario. Éstas, a su vez, pueden volver a reflejarse y producir señales “fantasma” en el receptor que llegan con un cierto retardo respecto a la señal principal.

Adicionalmente, la amplificación Raman depende de la polarización, de tal modo que señales polarizadas ortogonalmente a la fuente Raman no experimentan ganancia. Por ello, los módulos amplificadores Raman deberían poseer una salida despolarizada para minimizar el ruido. Una fuente despolarizada proporciona la misma potencia en cada eje de polarización de la fibra, por lo que un canal WDM se amplifica en la misma cantidad independientemente de su estado de polarización. En la práctica, una fuente despolarizada se consigue multiplexando en polarización dos láseres de bombeo, a la vez que se asegura un balanceo preciso de la potencia de cada fuente. Otra posible opción consiste en el empleo de un despolarizador de fibra. Éstos funcionan separando la luz polarizada en sus dos componentes ortogonales por medio de una fibra mantenedora de polarización.

A pesar de que el principio fundamental de diseño de un amplificador Raman es sencillo – cada longitud de onda de bombeo Raman proporciona ganancia a una frecuencia 13,5 THz inferior – las interacciones entre las longitudes de onda Raman y las señales DWDM pueden resultar complicadas. La complejidad proviene del hecho de que los mismos canales DWDM pueden actuar como bombeos Raman para otras señales de longitudes de onda superiores, a pesar de su nivel de potencia óptica mucho más reducido. Esto crea múltiples regiones de ganancia Raman 13,5 THz por debajo de la frecuencia de cada señal (unos 100 nm en tercera ventana). En sistemas convencionales que solamente transportan tráfico en la banda C (1530-1560 nm), estas interacciones no tienen demasiada influencia. Sin embargo, la situación es distinta cuando se utiliza amplificación Raman en presencia de canales tanto en banda C como en banda L. En este caso, los bombeos Raman de banda C pierden mucha potencia en amplificar los bombeos Raman de banda L. Al mismo tiempo, los canales de banda C proporcionan cierta amplificación a los canales de banda L. El resultado es una cierta pendiente en la potencia óptica de los canales (menor potencia a longitudes de onda más cortas y mayor potencia a longitudes de onda más largas) que se necesita ecualizar.

Por ello, los bombeos Raman de banda C requieren una mayor potencia que los de banda L. Y esto se debe tener en cuenta incluso en el caso de un sistema que solamente transmita tráfico en banda C, pues en el futuro se limitaría la utilización de la banda L si las fuentes de bombeo no tuvieran capacidad para generar potencias superiores. Adicionalmente, la interrelación entre las potencias de los bombeos y las señales DWDM obliga a ajustarlas en el caso de modificar la potencia de alguno de los bombeos.

Efecto Raman
Cuando una señal óptica de bombeo encuentra una fibra óptica, experimenta un cierto grado de dispersión espacial causada por vibraciones moleculares (o fonones). Esta luz dispersada se encuentra desplazada en frecuencia un valor igual a la diferencia entre las frecuencias del bombeo y de la vibración molecular del cristal. La señal desplazada se conoce con el nombre de campo de Stokes, mientras que el efecto no lineal se denomina dispersión o scattering Raman. Este campo de Stokes puede mezclarse nuevamente con la señal óptica para proporcionar frecuencias adicionales. A su vez, estas señales dirigen las vibraciones del cristal. El resultado final es un campo de Stokes más intenso, y al proceso se le denomina dispersión estimulada de Raman.
El desplazamiento de Stokes determina la frecuencia (con respecto a la señal original) a la que se produce la ganancia Raman. Esta frecuencia depende del material, y en el caso de fibras de sílice es de aproximadamente 13,5 THz. Esto significa que un bombeo típico de 1440 nm producirá ganancia en torno a los 1550 nm. Debido a la estructura molecular del cristal, existen varias frecuencias de vibración molecular, por lo que la región de ganancia presenta un ancho espectral de unos 30 nm aproximadamente. De este modo, es posible conseguir ganancia para cualquier longitud de onda de una fibra estándar, simplemente escogiendo adecuadamente la longitud o longitudes de onda de bombeo. En la figura 2 se ilustra gráficamente esta cuestión de diseño.
El scattering no lineal que conduce a la amplificación Raman es débil en el caso de fibras ópticas de sílice, por lo que se necesitan grandes longitudes (varios kilómetros) para obtener un valor de ganancia razonable. Sin embargo, pueden utilizarse también otro tipo de fibras, como las de dispersión desplazada, en donde los efectos no lineales son más acusados.

Láseres de bombeo
El diseño de un módulo amplificador Raman es algo más simple que el de un EDFA de banda ancha. Una vez que se han escogido las longitudes de onda y las potencias de los bombeos, se reduce a una cuestión de cómo diseñar una unidad capaz de generar estas salidas y multiplexarlas en el interior de un sistema de fibra. El módulo se compone básicamente de una serie de fuentes láser, un esquema de multiplexación (longitud de onda y polarización), un sistema de monitorización óptica y un multiplexor de fibra (figura 3).
Las fuentes láser de bombeo son el principal motor del mercado de los amplificadores Raman. Se necesitan láseres de bombeo con altas potencias de salida en el margen de longitudes de onda de 14xx nm para la amplificación de señales en banda C y banda L. Múltiples fabricantes ofrecen láseres de bombeo de alta eficiencia con potencias entre 300 y 500 mW (figura 4). También se han demostrado láseres con más de 1 W de potencia a múltiples longitudes de onda y más de 700 mW en la fibra. Adicionalmente, algunas empresas comercializan módulos de bombeo con integración híbrida que proporcionan más de 400 mW. Por ejemplo, dos chips láser de bombeo de 400 mW multiplexados en polarización pueden proporcionar 720 mW a una única longitud de onda con un haz de salida despolarizado. Por último, pueden encontrarse también módulos con varios láseres de bombeo multiplexados en longitud de onda. La seguridad ocular (eye-safety) es una de las principales preocupaciones asociadas a los amplificadores Raman, ya que típicamente se trata de dispositivos láser de Clase 4 (potencias de salida superiores a los 500 mW).

Para evitar riesgos en el caso de una rotura de la fibra, se instala un monitor de reflexiones en el interior de las unidades.
Adicionalmente, resulta esencial una alta estabilidad y precisión de la longitud de onda de estos láseres, para lo cual se suelen emplear técnicas de enganche basadas en redes de Bragg. Como la temperatura tiene una alta influencia sobre las prestaciones, la temperatura de los chips láser se controla por medio de enfriadores termoeléctricos (TECs), que pueden disipar potencias superiores a los 10 W.
En definitiva, dado que las prestaciones y la fiabilidad de los amplificadores Raman depende en gran medida de los láseres de bombeo, y éstos constituyen una parte significativa del coste y del consumo de energía y de espacio, las nuevas generaciones de láseres de bombeo serán claves para el éxito de este tipo de amplificadores.

 

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Autor:

Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación

Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia