BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD
AUTÓNOMA DE PUEBLA
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA
“Diseño y desarrollo de un amplificador de fibra óptica
dopada con erbio sintonizable para las bandas C y L.”
TESIS PROPFESIONAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
LICENCIADO EN ELECTRÓNICA
PRESENTA
Daniel Julián Morales
ASESOR
Dr. Esteban Molina Flores
Puebla, Pue. Septiembre 2006.
ÍNDICE
Resumen……………………………………………………………….………………...…..1
Introducción…………………………………………………………………………………2
CAPÍTULO 1. AMPLIFICADORES DE FIBRA ÓPTICA DOPADA CON
ERBIO.………………………………………………………………………………………………4
1.1 Introducción………………………………………………....…………………………..4
1.2 Tipos de amplificadores…………………………………………………………………4
1.2.1 Amplificadores ópticos de semiconductor…………………..…………………….4
1.2.2 Amplificadores de fibras dopadas………………………..………………………..5
1.3 Propiedades del erbio……………………………………………………………………6
1.4 Ecuaciones de razón en la fibra dopada con erbio………………………………………7
1.4.1 Modelo del amplificador por fibra……………..………………………………….7
1.5 Descripción de la estructura de un amplificador de fibra dopada con erbio…………….9
1.5.1 Operación del amplificador óptico……..………………………………………….9
1.6 Descripción del funcionamiento de las distintas configuraciones de los EDFA’s……..10
1.7 Descripción de los espectros de absorción y de emisión de los EDFA’s……………....11
1.8 Características técnicas de los EDFA’s………………………………………………...12
1.9 Aplicaciones de los amplificadores ópticos……………………………………………12
CAPÍTULO 2. TEORÍA DEL INTERFERÓMETRO DE SAGNAC ESTIMULADO
TÉRMICAMENTE…………………………………………………………………………14
2.1 Introducción……………………………………………………………………………14
2.2 Interferómetro de Sagnac con espejos………………………………………………….14
2.3 Relaciones de fase en el interferómetro de Sagnac de fibra óptica
a temperatura del laboratorio……………….…………………………………………..15
2.3.1 Interferómetro de Sagnac de fibra óptica en la región lineal………..……………17
2.4 Birrefringencia...……………-…………………………………………………………19
2.4.1 Birrefringencia lineal……..………………………………………………………21
2.4.2 Birrefringencia circular……..…….……………………………………………....21
2.4.3 Fibras con alta y baja birrefringencia…….…………..…………………………...22
2.5 Interferómetro de Sagnac a temperatura constante…………………………………….22
2.6 Transmitancia del interferómetro de Sagnac dependiente de la temperatura…………..27
2.7 Relación entre un valor específico de  y el corrimiento espectral
en función de la temperatura inducida en un segmento Lh……………………………..28
2.7.1 Desempeño de la  en el desplazamiento espectral………..………………….28
2.7.2 Determinación de los términos de (T ) ……...………………...…………….29
2.8 Determinación del modelo matemático de la razón del desplazamiento
espectral del ISFO en nm/ °C…………………………………………………………..30
2.9 Determinación teórica de la birrefringencia del lazo en un
interferómetro de Sagnac………………………………………………………………32
CAPÍTULO 3. CONSTRUCCIÓN DEL FILTRO SINTONIZABLE MULTILONGITUD DE
ONDA TIPO PEINE………………………………………………………………………..34
3.1 Introducción……………………………………………………………………………34
3.2 Características principales de los filtros ópticos……………………………………….34
3.3 Diseño del interferómetro de Sagnac de fibra óptica…………………………………..36
3.3.1 Características requeridas………………..……………………………………….36
3.3.2 Cálculos y resultados físicos del diseño…….………….………………………...36
3.3.2.1 Cálculos y resultados para el nuevo diseño….. ……….………………...39
3.4 Descripción de la manufactura del interferómetro de Sagnac………………………….40
3.4.1 Características de los componentes de la instalación….…….…………………...40
3.4.2 Armado de interferómetro de Sagnac de fibra…..……………………………….44
3.5 Descripción de los procedimientos para caracterizar el interferómetro de Sagnac….…45
3.5.1 Caracterización del ISFO a temperatura ambiente…….…….…………………...45
3.5.2 Caracterización de la placa Pelthier……...........………………………………….46
3.5.3 Caracterización térmica del ISFO…….……..……………………………………47
CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN Y RESULTADOS DEL AMPLIFICADOR DE FIBRA
DOPADA CON ERBIO SINTONIZABLE……………………………….…………………50
4.1 Introducción……………………………………………………………………………50
4.2 Características del diodo láser de bombeo……………………………………………..50
4.3 Obtención del espectro de ganancia de la fibra dopada con erbio……………………..51
4.4 Medición de la ganancia efectiva de la fibra dopada con erbio………………………..52
4.5 Simulación del espectro de ganancia filtrado por el interferómetro de Sagnac………..53
4.5.1 Obtención de la función de fase del interferómetro de Sagnac….………….……53
4.5.2 Espectros sintonizados a distintas temperaturas……...………….……..………...54
4.6 Caracterización experimental de los espectros de ganancia sintonizados……………...56
4.7 Tabla de especificaciones y propiedades del amplificador sintonizable……………….61
4.8 Glosario………………………………………………………………………………………...63
Conclusiones………………………………………………………………………………………...65
Bibliografía………………………………………………………………………………………….66
Introducción
Un sistema de transmisión por fibra óptica multiplexado en longitud de onda está
limitado por pérdidas, ancho de banda, dispersión y atenuación. En los aspectos de
atenuación y pérdida es en donde tiene incidencia el presente proyecto de tesis. El principal
objetivo de esta tesis es diseñar y desarrollar un amplificador óptico sintonizable, que
permita amplificar una región espectral de interés de longitudes de onda discreta e
igualmente espaciada. Este amplificador será de gran utilidad en las etapas amplificadoras
y/o en los sistemas DWDM para grandes distancias. Su importancia reside en que este
sistema reemplaza a los repetidores optoelectrónicos, los cuales tienen que hacer una
conversión óptica-eléctrica, una amplificación y posteriormente una conversión eléctricaóptica para poder realizar la amplificación de la señal. Este proceso invierte intervalos de
fracciones de segundos que se van sumando por cada etapa amplificadora, por lo que se
produce un retardo considerable a la llegada de la señal en la etapa receptora. Dentro de los
objetivos en este proyecto de tesis se incluye que las longitudes de onda a amplificar estén
en el rango de la banda C y L, y que todos los componentes del amplificador sintonizable
sean totalmente de fibra óptica para evitar esos retardos por conversión.
El problema que se presenta al querer transmitir en una sola fibra óptica longitudes
de onda de la banda C y L al mismo tiempo, es que se necesita ampliar el rango de canales
disponibles, para sustentar esta creciente demanda de más canales multiplexados en una
fibra óptica aparece la tecnología de redes ópticas WDM (Wavelength Division
Multiplexing). Con esta tecnología es posible transportar grandes cantidades de información
digital, con esto, el espaciado entre dos longitudes de onda adyacentes puede ser de 1.6 nm,
pero cuando la separación espectral entre estas dos longitudes de onda es menor a 1.6 nm la
técnica WDM se considera densa (Dense Wavelength Division Multiplexing) y con esta
técnica se pueden conseguir espaciamientos de hasta 0.8 nm.
Debido a que las longitudes de onda adyacentes están muy cerca, se hace necesario
crear filtros sintonizables con una alta discriminación que sean capaces de permitir el paso
a las longitudes de ondas deseadas y suprimir las que no son de interés.
El filtro óptico que se desarrolla y ofrece en este proyecto de tesis, y como una
alternativa ofertada a los sistemas de fibra, está conformado por un acoplador 50/50 y un
lazo L de fibra birrefringente, formando en conjunto un interferómetro de Sagnac de fibra
óptica (ISFO). Este interferómetro posee una función de transmitancia de tipo cosenoidal y
es sintonizable para longitudes de onda dentro de la banda C y L.
La sintonización de este filtro se controla induciendo calor en una sección Lh de la
fibra birrefringente para así poder obtener corrimientos del espectro de transmitancia en 1
nm, y en donde las longitudes de onda que coinciden con los máximos de la función de
transmitancia cosenoidal del Sagnac son las que sí pasan por el filtro, mientras que las otras
se ven fuertemente suprimidas. La anteposición de esta respuesta de filtro tipo peine al
espectro de amplificación de la fibra dopada con erbio, nos permite obtener un amplificador
tanto multiplexado como sintonizado.
A la fibra dopada con erbio, que es el medio activo en nuestro amplificador, se le
introduce por un extremo un bombeo de 980 nm para excitar los iones de erbio y así poder
amplificar las señales que se le introducen en la entrada y que estén en el rango de 1520 a
1570 nm.