Publicado por: Departamento de Investigación y Desarrollo, Technologie Optic.ca Inc., octubre de 2025

Descripción general

Los amplificadores ópticos son esenciales en las redes modernas de fibra óptica, ya que aumentan la intensidad de la señal sin conversión eléctrica. Si bien los EDFA dominan las bandas C/L (~1530–1600 nm) y los amplificadores Raman mejoran el rendimiento a larga distancia, otros tipos de amplificadores amplían la cobertura y la funcionalidad. Este artículo se centra en los amplificadores ópticos de semiconductores (SOA), los amplificadores de fibra dopada con tulio (TDFA), los amplificadores de fibra dopada con praseodimio (PDFA) y los amplificadores híbridos.

Los SOA son dispositivos compactos de bombeo eléctrico (en esencia, diodos láser sin retroalimentación), ideales para la integración y enlaces de corto alcance. Los TDFA y los PDFA, basados en fibras dopadas con tierras raras, operan en la banda S (1450-1530 nm) y la banda O (1280-1330 nm), respectivamente, lo que permite acceder a nuevas regiones de longitud de onda más allá del rango del erbio. Los amplificadores híbridos combinan mecanismos como Raman + EDFA para lograr un mayor ancho de banda, menor ruido y mayor alcance. Las siguientes secciones describen los principios, las consideraciones de diseño y los ámbitos de aplicación de estos amplificadores, destacando cómo complementan las tecnologías EDFA/Raman tradicionales para ampliar la capacidad de la red y la eficiencia espectral.

Fundamentos

amplificador óptico semiconductor

Un amplificador óptico semiconductor es un amplificador óptico de estado sólido cuyo medio de ganancia es un material semiconductor (p. ej., InP/InGaAs o compuestos similares de banda prohibida directa). La Figura 1 (a) presenta un esquema de un SOA típico, mientras que la Figura 1 (b) ilustra su principio de funcionamiento. Estructuralmente, el SOA se asemeja a un diodo láser Fabry-Pérot, pero presenta recubrimientos antirreflectantes (AR) en sus facetas para suprimir la retroalimentación resonante y prevenir la oscilación láser. Cuando se aplica una polarización directa a través de la unión p-n, los electrones y huecos inyectados se recombinan dentro de la región activa. Un fotón entrante estimula la recombinación, generando un fotón coherente idéntico en fase y dirección, amplificando así la señal óptica mediante emisión estimulada.

Los SOA son compactos (de unos pocos milímetros de longitud), se bombean eléctricamente y se integran fácilmente en circuitos integrados fotónicos. Su amplio ancho de banda de ganancia (normalmente 80 nm en torno a 850, 1310 o 1550 nm) los hace versátiles, aunque presentan figuras de ruido más altas (7-10 dB) y efectos no lineales como la autoganancia y la modulación de fase cruzada debido a la dinámica ultrarrápida de las portadoras. A pesar de estos desafíos, los SOA son atractivos para la amplificación en chip y las aplicaciones de procesamiento de señales totalmente ópticas.

Amplificador de fibra dopada con tulio

Los amplificadores de fibra dopada con tulio (TDFA) emplean iones Tm³⁺ en el núcleo de la fibra para lograr una ganancia óptica en la banda S (1460–1530 nm), ampliando así el rango de transmisión más allá de la ventana EDFA convencional. El bombeo a 1,4 µm o 1,05 µm excita los iones Tm³⁺ mediante mecanismos distintos. En el esquema de bombeo a 1,4 µm, un diodo láser disponible comercialmente excita los iones mediante una absorción débil en el estado fundamental (³H₆→³F₄) y una absorción fuerte en el estado excitado (³F₄→³H₄). El ciclo de amplificación se desarrolla de la siguiente manera: una pequeña fracción de iones se eleva primero a ³F₄, luego se promueve fuertemente a ³H₄, desde donde emiten fotones a medida que regresan a ³F₄, repitiendo el ciclo sin regresar al estado fundamental, manteniendo así la inversión de población y la emisión estimulada cerca de 1470 nm.

Como alternativa, el bombeo de 1,05 µm, a menudo impulsado por láseres de fibra dopados con Yb de alta potencia, ofrece un mayor potencial de salida, pero una menor eficiencia cuántica debido a la mayor brecha energética entre los niveles de bombeo y de señal, lo que resulta en una mayor generación de calor. La Figura 2 (a, b) ilustra los esquemas de bombeo de 1,4 µm y 1,05 µm, mostrando las transiciones de nivel de energía y las vías de amplificación correspondientes en fibras dopadas con tulio.

Amplificador de fibra dopada con praseodimio

Los amplificadores de fibra dopada con praseodimio (PDFA) emplean iones Pr³⁺ para proporcionar ganancia óptica en la banda O (1280–1340 nm), valorada históricamente por su propiedad de dispersión cero en fibras de sílice estándar. Dado que las transiciones de praseodimio son altamente susceptibles a la desintegración no radiativa en sílice, debido a su alta energía fonónica, se prefieren fibras huésped basadas en fluoruro, como ZBLAN. Una bomba de 980 nm o 1020 nm excita los iones Pr³⁺ a estados de mayor energía, que emiten fotones de alrededor de 1,3 µm mediante un esquema de transición láser de cuatro niveles, logrando una ganancia de >20 dB con bajo ruido y un funcionamiento estable, comparable al de los EDFA.

Como se ilustra en la Figura 3 , el diagrama de niveles de energía de Pr³⁺ muestra las transiciones clave involucradas en la amplificación de la banda O. En el vidrio de sílice (izquierda), los iones excitados en el nivel ¹G₄ decaen rápidamente a ³F₄ mediante relajación multifonónica, liberando energía en forma de calor en lugar de fotones, lo que hace que la emisión sea ineficiente. Por el contrario, el vidrio de fluoruro (derecha) exhibe una energía de fonón mucho menor, lo que reduce significativamente la probabilidad de decaimiento no radiativo. Esto permite una emisión radiativa eficiente de ¹G₄ → ³H₅ y la subsiguiente amplificación a 1,3 µm.

Amplificadores híbridos

Los amplificadores híbridos combinan múltiples mecanismos de amplificación para lograr una cobertura espectral más amplia o un mejor rendimiento frente al ruido. Las configuraciones comunes incluyen híbridos Raman + EDFA, donde la ganancia Raman distribuida preamplifica la señal antes de que un EDFA la potencie a mayor potencia, mejorando así la figura de ruido y el alcance. Los híbridos multibanda, como las combinaciones TDFA + EDFA, extienden la amplificación a las bandas S, C y L. Otros prototipos de investigación integran etapas paramétricas de fibra y dopadas con tierras raras para cubrir el rango de 1460 a 1630 nm en una sola unidad. Los diseños híbridos exitosos requieren un balanceo preciso de la ganancia, aislamiento entre etapas y optimización del ruido para garantizar un funcionamiento fluido en todas las bandas.

Perspectivas técnicas

Desde una perspectiva industrial y práctica, estos tipos de amplificadores presentan características de rendimiento distintivas que influyen en cómo y dónde se implementan. A continuación, analizamos cada uno de ellos, centrándonos en consideraciones técnicas prácticas como la ganancia, el ruido, los efectos de polarización y la integración.

Amplificadores ópticos semiconductores: integración y caballos de batalla de corto alcance

• Factor de forma y función. Dispositivos de escala milimétrica con bombeo eléctrico en encapsulados modulares compactos o bloques integrados en el PIC; ideales como preamplificadores/amplificadores integrados, compensación de pérdida dividida en redes de conmutación o ganancia a escala de chip cercana a 1310 nm (LAN-WDM).
• Envolvente de rendimiento. Ganancia de señal pequeña: ~10–25 dB; Psat: ~+7 a +17 dBm; NF: ~6–8 dB. Generalmente, menor potencia de salida y mayor ruido que los amplificadores de fibra.
• Polarización. Las piezas antiguas presentan una PDG fuerte; los diseños modernos alcanzan una PDG de ≲1–1,5 dB. Si la PDG no es despreciable, utilice diversidad de polarización o garantice el control del SOP.
• Dinámica y no linealidades. Duración de la portadora en nanosegundos → efectos de patrón, modulación de ganancia cruzada/fase y mezcla de cuatro ondas; la distorsión DWDM multicanal es la principal limitación.
• Cuándo implementar. Costo, espacio e integración son prioritarios; enlaces de un solo canal o de pocos canales; receptores de clase 100GBASE-ER4; amplificación a nivel de PIC. Se prefiere EDFA/Raman para sistemas multicanal de larga distancia y críticos para OSNR.

Amplificadores de fibra dopada con tulio: expansión del espectro por debajo de la banda C

• Lo que permiten. Abre la banda S (~1460–1530 nm) para aumentar la capacidad junto con la relación C/L. Útil para bancos de pruebas de investigación o futuras redes troncales multibanda.
• Opciones de bombeo.
  • Bomba de ~1,4 µm: ciclo GSA/ESA hasta emisión de 1,47 µm; buena superposición espectral con la banda S.
  • Bomba de ~1,05 µm: aprovecha fuentes de Yb de alta potencia; mayor carga térmica debido a una brecha más grande entre la bomba y la señal.
• Vidrio huésped y eficiencia. Los huéspedes de fluoruro/telurito con bajo contenido de fonones maximizan la emisión de Tm³⁺; la sílice puede funcionar con dopaje optimizado, pero es menos eficiente para la transición clave.
• Especificaciones esperadas. Ganancia de ~15–25 dB en ~30–60 nm; NF de ~4–6 dB (similar a EDFA). Considere el aplanamiento de ganancia (GFF) o esquemas de bombeo múltiple para espectros de doble pico.
• Compatibilidad de la fibra. Compruebe si hay picos de agua residuales y mayor pérdida en la banda S (~0,25 dB/km frente a ~0,20 dB/km en la banda C). Valide con un OTDR de 1490 nm y las hojas de datos de fibra; es posible que sea necesario acortar los tramos o aumentar la frecuencia de amplificación.
• Cuándo implementar. Añadir capacidad de banda S una vez saturada la banda C/L; combinar con Raman para modelado/extensión; usar en ensayos multibanda S+C/L que avanzan hacia el transporte de banda ultraancha.

Amplificadores de fibra dopada con praseodimio: ganancia limpia de 1310 nm multicanal

• Lo que permiten. Amplificación de baja distorsión en la banda O (1260-1360 nm), atractiva para DCI, metro y acceso, donde la dispersión cero cerca de 1310 nm simplifica el procesamiento digital de señales (DSP).
• Vidrio anfitrión. Las fibras de fluoruro ZBLAN son estándar (la sílice anula la emisión de Pr³⁺ mediante la desintegración de multifonones). El paquete incluye aisladores/WDM similares a los módulos EDFA.
• Especificaciones esperadas. Ganancia >20 dB; Psat ~+15 a +17 dBm; NF ~5–7 dB; ganancia plana en ~1280–1330 nm (con GFF opcional). Fundamentalmente, sin patrones/XGM tipo SOA, por lo que la WDM multicanal de banda O se mantiene uniforme.
• Alcance real. La pérdida de fibra en banda O (~0,35 dB/km) limita la cobertura en comparación con la banda C; excelente para extender de ~10 km a ~40-50 km con amplificador y preamplificador, pero no para distancias ultralargas.
• Cuándo implementar. Actualizaciones de banda O DWDM/LAN-WDM en campus/metro, pruebas y mediciones de fotónica de silicio, y uso de acceso selectivo (por ejemplo, preamplificadores ascendentes con filtrado cuidadoso).

Amplificadores híbridos

• ¿Por qué hibridar? Ningún medio cubre simultáneamente el ancho de banda, la OSNR y la potencia. Los híbridos combinan ventajas: Raman+EDFA para una NF de menor amplitud y mayor alcance; TDFA+EDFA (o combinaciones más amplias) para una cobertura multibanda (S+C+L).
• Perillas de diseño.
  • Gestión de ganancia: aislamiento de etapa y GFF para ofrecer espectros compuestos planos.
  • Bombeo: Raman multibomba unidireccional/bidireccional para establecer compensaciones entre ancho de banda y eficiencia.
  • Controles: Manejo transitorio robusto para eventos de adición/eliminación para evitar inclinaciones o excursiones.
• Donde brillan.
  • Larga distancia/submarina: repetidores Raman-EDFA para alcances extendidos y OSNR superior en C+L (~1530–1625 nm).
  • Ensayos de banda ultra ancha: mezclas seriales/paralelas (por ejemplo, TDFA + EDFA, paramétrico + tierras raras + Raman) que demuestran cobertura S→L y escalamiento de capacidad futura.
• Cuándo implementar. Necesita alcance y ancho de banda superiores a los límites de EDFA y puede gestionar la complejidad adicional en bombas, controles y aplanamiento.

Lista de verificación rápida de diseño técnico

• El diseño de un enlace óptico mediante SOA, TDFA, PDFA o amplificadores híbridos requiere equilibrar la ganancia, el ruido, el ancho de banda y la compatibilidad del sistema. A continuación, se resumen las principales consideraciones de ingeniería:
• Compatibilidad de la banda de longitud de onda y la fibra: Seleccione el amplificador según la banda espectral objetivo: PDFA (banda O 1280-1330 nm), TDFA (banda S 1460-1530 nm), EDFA (bandas C/L) o Raman para un funcionamiento prolongado. Verifique la idoneidad de la fibra: las fibras con bajo pico de agua son esenciales para el uso en banda S. Las pruebas OTDR a 1310-1490 nm pueden confirmar una atenuación aceptable y detectar cualquier sección con alta pérdida.
• Ganancia, alcance y ruido: Calcule la pérdida total del tramo (fibra + conectores + divisores) y seleccione amplificadores con un margen adecuado. Los límites típicos para una sola etapa son SOA ≈ 20 dB, PDFA ≈ 25 dB, TDFA ≈ 20 dB y EDFA ≈ 30 dB. Para DWDM multitramo, priorice los amplificadores de bajo ruido (NF < 5 dB); EDFA, PDFA y TDFA alcanzan 4-6 dB, mientras que SOA presenta 7-8 dB. En enlaces en cascada, coloque primero la etapa con el NF más bajo. Los híbridos Raman + EDFA mejoran aún más la OSNR preamplificando las señales a lo largo del tramo.
• Potencia de salida, planitud de ganancia y polarización: Asegúrese de que la potencia de salida coincida con la carga total de WDM. Los SOA se saturan a +13 dBm (pocos canales), mientras que los EDFA superan los +17 dBm en redes DWDM completas. Utilice filtros de aplanamiento de ganancia (GFF) o ecualizadores para controlar una inclinación espectral de 1 a 5 dB. Los amplificadores de fibra óptica son insensibles a la polarización, pero los SOA pueden requerir controladores de polarización o diseños de doble ruta. Integre siempre aisladores para suprimir las reflexiones y mantener la estabilidad.
• No linealidad y formato de señal: La modulación de alto orden (p. ej., 16/64-QAM) requiere una ganancia lineal; los amplificadores de fibra óptica o Raman superan a los amplificadores de banda ancha (SOA), que pueden introducir distorsión de fase cruzada y de patrón. Para enlaces modulados por intensidad en banda O, los amplificadores PDFA conservan la fidelidad de la señal mucho mejor que los SOA.
• Integración de bombeo y red: Utilice láseres de bombeo redundantes (980 nm (EDFA/PDFA), 1050 nm (TDFA), 1480 nm (Raman) con gestión térmica y enclavamientos adecuados. Aproveche los datos del OTDR para optimizar la ubicación del amplificador y alinear las pendientes de ganancia entre etapas híbridas (p. ej., Raman + EDFA) para un rendimiento multibanda consistente.

Capacidad de amplificación y alcance

Dos parámetros principales determinan el rendimiento del amplificador en los sistemas de comunicación óptica: la capacidad (número de canales de longitud de onda admitidos) y el alcance (distancia alcanzable por tramo o acumulada). Los diferentes tipos de amplificadores equilibran estas métricas según sus mecanismos físicos de ganancia y las características del ruido.

EDFA y Raman (Bandas C/L: punto de referencia de la industria)

Los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) siguen siendo la referencia para sistemas de larga distancia. Un solo EDFA de banda C ofrece un ancho de banda útil de ~40 nm (1530-1570 nm), compatible con aproximadamente 80 canales DWDM con una separación de 50 GHz. Con una ganancia de ~20-25 dB y potencias de salida superiores a +20 dBm, soportan fácilmente tramos de 80 km (pérdida de ~16 dB) y pueden conectarse en cascada de 20 a 30 veces en sistemas coherentes, alcanzando los 1500-2000 km antes de que se requiera regeneración. La amplificación Raman, al combinarse con EDFA, amplía aún más el rendimiento. La ganancia Raman distribuida a lo largo de la fibra mejora la relación señal-ruido (OSNR) y permite tramos de 100 km con el mismo margen. Los sistemas híbridos Raman + EDFA cubren la totalidad de las bandas C + L (1530-1625 nm), duplicando la capacidad espectral y manteniendo un bajo nivel de ruido. Estos amplificadores siguen siendo el estándar para redes transoceánicas y troncales, proporcionando hasta 12 Tb/s por fibra.

amplificador óptico semiconductor

Los SOA son compactos y cuentan con bombeo eléctrico, pero están limitados por la salida de saturación (~+13 dBm) y un mayor nivel de ruido (NF ≈ 7 dB). Si bien ofrecen un ancho de banda de ganancia de 50-80 nm, las no linealidades, como la modulación de ganancia cruzada, los limitan a unos pocos canales (<8 WDM). Son ideales para aplicaciones de corto alcance (<40 km) o integradas en chip, como preamplificadores y conmutadores ópticos; sin embargo, la conexión en cascada de múltiples SOA degrada rápidamente la OSNR. Por lo tanto, rara vez se utilizan fuera de las redes de acceso metropolitano.

Amplificador de fibra dopada con praseodimio

Operando en la banda O (1280-1330 nm), los PDFA liberan nueva capacidad espectral en la región de dispersión cero del SMF estándar. Cada PDFA puede proporcionar una ganancia de 20-25 dB con figuras de ruido de 5-6 dB, lo que permite de 4 a 16 canales en CWDM o, potencialmente, más de 40 canales DWDM con óptica coherente. Son ideales para interconexiones de centros de datos o enlaces metropolitanos (30-60 km), donde la tolerancia a la dispersión y un alcance moderado son clave. Más allá de ~80 km, la dispersión y la atenuación de la fibra (0,35 dB/km) limitan el rendimiento.

Amplificador de fibra dopada con tulio

Los TDFA amplifican en la banda S (1460-1530 nm), añadiendo nuevo espectro adyacente a la banda C. Con una ganancia de ~15-20 dB en un ancho de banda de 40 nm, admiten hasta 80 canales DWDM. Sin embargo, la mayor atenuación de la fibra (~0,25 dB/km) reduce el alcance por tramo a 50-60 km, ligeramente por debajo de los estándares de la banda C. Los TDFA en cascada pueden alcanzar varios cientos de kilómetros, a menudo con la ayuda del bombeo Raman para mejorar la OSNR y la planitud de la ganancia. Por lo tanto, los TDFA representan una vía prometedora para futuros sistemas multibanda.

Sistemas híbridos y multibanda

Las configuraciones híbridas, típicamente Raman + EDFA o TDFA + EDFA, amplían tanto el alcance como el espectro. Los amplificadores híbridos C + L modernos alcanzan una planitud de ±1,5 dB en 100 nm, mientras que los sistemas experimentales S + C + L alcanzan ±2 dB en 170 nm, lo que representa casi toda la ventana de fibra de baja pérdida. Estos sistemas permiten la transmisión de banda ultraancha, con un ancho de banda óptico total superior a 50 THz, hasta tres veces la capacidad de un sistema solo de banda C.

Tabla 1: Comparación aproximada del rendimiento de los amplificadores ópticos

Escenarios de aplicación

Interconexión de centros de datos metropolitanos (O-Band WDM)

En interconexiones de centros de datos de corto alcance (~30 km), los sistemas WDM de banda O (1260-1360 nm) se benefician de una dispersión cromática nula, pero presentan una pérdida de fibra de ~10 dB. Los láseres de modulación directa por sí solos no pueden mantener estos enlaces. Los amplificadores de fibra dopada con praseodimio (PDFA) proporcionan una ganancia de ~20 dB, compensando las pérdidas de transmisión y acoplamiento, a la vez que amplifican los 8 canales WDM de manera uniforme. A diferencia de los SOA, que introducen distorsiones no lineales, los PDFA mantienen la integridad del canal, lo que permite la transmisión en banda O de 800 Gb/s para interconexiones de campus y empresas.

Extensión de red de acceso (SOA/PDFA híbrido)

En redes ópticas pasivas (PON) extendidas, las señales de bajada cerca de 1490 nm (borde de la banda S) y de subida a 1310 nm (banda O) requieren amplificación a más de 20 km. Un SOA de medio alcance o un TDFA compacto puede servir como amplificador de bajada, mientras que un preamplificador PDFA en la central optimiza las señales de subida débiles. Esta configuración híbrida, rentable, aprovecha los SOA para rutas de bajada menos sensibles al ruido y los PDFA para una recepción de subida con bajo ruido, validada mediante mapeo de pérdidas basado en OTDR para optimizar la colocación.

Red troncal de larga distancia (amplificadores híbridos C+L)

Para duplicar la capacidad de las redes troncales DWDM nacionales, los operadores amplían la banda C (1530-1565 nm) a la banda L (1565-1625 nm). Los amplificadores híbridos C+L, que incluyen dos EDFA o un EDFA combinado con preamplificación Raman, permiten más de 120 canales en tramos de más de 80 km. La asistencia Raman reduce las figuras de ruido de los canales de banda L, lo que garantiza una OSNR uniforme en ambas bandas. Este modelo híbrido alcanza más de 12 Tb/s por fibra, manteniendo la compatibilidad con la fibra tradicional de baja pérdida, verificada mediante pruebas OTDR de 1625 nm.

Nodo de procesamiento totalmente óptico (basado en SOA)

En redes ópticas reconfigurables, los amplificadores ópticos semiconductores (SOA) permiten funciones no lineales como la conversión de longitud de onda o la remodelación de señales mediante ganancia cruzada o mezcla de cuatro ondas. Los módulos SOA integrados actúan como amplificadores y medios no lineales activos, logrando una regeneración de señal óptica compacta y de baja latencia, una función única donde los SOA superan a los amplificadores de fibra óptica más voluminosos.

Investigación de sistemas de banda ultraancha (cascadas de múltiples amplificadores)

Sistemas experimentales de banda ultraancha que combinan PDFA (banda O), Raman (banda E), TDFA (banda S) y EDFA (bandas C/L) han demostrado una amplificación contigua en el rango de 1300 a 1600 nm, superando los 50 THz de ancho de banda utilizable. Estas configuraciones en cascada destacan futuros conceptos híbridos multibanda capaces de explotar prácticamente toda la ventana de baja pérdida de la fibra de sílice.

Estos casos de aplicación demuestran cómo cada tecnología de amplificador se optimiza para bandas de longitud de onda y escalas de red específicas, desde enlaces de centros de datos de corto alcance hasta sistemas experimentales de banda ultraancha. La Tabla 2 resume las principales bandas de comunicación óptica, sus rangos de longitud de onda, los tipos de amplificador correspondientes y su rendimiento o alcance típicos en redes de fibra modernas y emergentes.

Tabla 2: Bandas de comunicación óptica, aplicaciones típicas y tecnologías de amplificación

Parámetros críticos de telecomunicaciones

La evaluación de amplificadores ópticos para aplicaciones de telecomunicaciones implica equilibrar la ganancia, el ruido, el ancho de banda y la estabilidad para garantizar una transmisión multicanal confiable en diversas escalas de red.

Ganancia y ancho de banda:

La ganancia define cuánto aumenta un amplificador la potencia óptica (en dB), mientras que el ancho de banda de ganancia determina el rango espectral utilizable. Los EDFA suelen ofrecer una ganancia de 20-30 dB en ~35 nm (banda C o L), lo que los hace ideales para DWDM de larga distancia. Los PDFA y TDFA proporcionan una ganancia de 15-25 dB en ~40-60 nm (bandas O y S), adecuados para redes metropolitanas o de corta distancia. Los SOA pueden ofrecer una ganancia amplia (> 80 nm), pero están limitados por las no linealidades y la saturación. Los amplificadores Raman, que utilizan diseños multibomba distribuidos o discretos, pueden cubrir > 100 nm y son ajustables para regiones espectrales personalizadas. La planitud de ganancia (±1 dB típica) en la banda operativa es crítica para la uniformidad WDM: la ganancia desigual causa un desequilibrio OSNR entre canales. Los sistemas híbridos Raman + EDFA a menudo incluyen filtros de aplanamiento de ganancia (GFF) para garantizar la uniformidad espectral.

Figura de ruido:

El factor de ruido (NF) cuantifica la cantidad de ruido que un amplificador añade en relación con la señal. Un NF más bajo mejora la relación señal-ruido (OSNR), especialmente en tramos múltiples. Los amplificadores EDFA alcanzan un NF de ~4–6 dB; los PDFA ≈ 6 dB; los TDFA ≈ 3–4 dB en diseños optimizados. La amplificación Raman, en particular los esquemas distribuidos, puede alcanzar NF efectivos de tan solo 1–3 dB, ya que la amplificación se produce a lo largo de la propia fibra de transmisión. Por el contrario, los SOA presentan un NF más alto (~7–10 dB) debido a la emisión espontánea y las pérdidas de acoplamiento, lo que los hace inadecuados para enlaces en cascada. En cadenas largas de amplificadores, mejorar el NF incluso en 2 dB puede generar varios dB de ganancia de OSNR en el receptor.

Potencia de salida y saturación:

Esto define la salida óptica máxima antes de la compresión de ganancia. Los EDFA pueden generar de +20 a +23 dBm (200 mW en total), suficiente para 80 canales WDM a 0 dBm cada uno. Los PDFA y los TDFA suelen proporcionar de +15 a +17 dBm, mientras que los SOA se limitan a +10–13 dBm y son adecuados para sistemas de uno o varios canales. Los híbridos Raman + EDFA combinan la ganancia Raman distribuida con una etapa EDFA de alta potencia para soportar una salida > +20 dBm y un mayor alcance (hasta 100 km). Mantener la operación dentro del régimen lineal garantiza la ecualización del canal y evita el robo de ganancia entre canales.

Efectos de polarización:

Los amplificadores de fibra, como EDFA, PDFA y TDFA, son prácticamente insensibles a la polarización (PDG < 0,5 dB). Sin embargo, los SOA pueden mostrar una dependencia de la polarización de hasta 10 dB, a menos que se utilicen diseños insensibles a la polarización o controladores de polarización. La ganancia Raman en la fibra depende de la polarización, pero la birrefringencia natural de la fibra la promedia. En todos los casos, los aisladores ópticos en los puertos de entrada/salida son esenciales para evitar la retroalimentación y la inestabilidad de la polarización.

Respuesta transitoria y control de ganancia:

Las redes ópticas dinámicas exigen una ganancia estable al añadir o eliminar canales. Los amplificadores EDFA y de tierras raras tienen una vida útil de estado superior de escala ms y utilizan control automático de ganancia/potencia (AGC/APC) para estabilizar la salida. Los SOA reaccionan en ns y pueden producir picos de potencia durante las transiciones de canal; por lo tanto, son más adecuados para enlaces estáticos. Las etapas Raman responden rápidamente, pero dependen del control de bombeo externo. Los bucles de control coordinados en sistemas híbridos Raman-EDFA o TDFA son cruciales para evitar transitorios y oscilaciones.

Eficiencia energética e integración:

Los SOA destacan por su compacidad y eficiencia energética (<1 W de consumo eléctrico, a escala de chip). Los EDFA, PDFA y TDFA consumen varios vatios debido a los láseres de bombeo (980 nm para EDFA/PDFA, 1050 nm para TDFA). Las etapas Raman requieren bombas ópticas de varios vatios a 1420-1480 nm y un diseño térmico adecuado para garantizar la seguridad y la estabilidad.

Costo y vencimiento:

Los amplificadores de banda ancha (EDFA) siguen siendo la solución más madura y rentable para telecomunicaciones en banda C/L, ya que equilibran alta ganancia, baja frecuencia de falla (NF) y fiabilidad a largo plazo. Los amplificadores de banda ancha (SOA) son económicos y escalables para aplicaciones integradas o de corto alcance. Los PDFA y los TDFA amplían la capacidad a nuevas bandas, pero siguen siendo costosos debido a su bajo volumen de producción. Los sistemas Raman e híbridos ofrecen un rendimiento superior para la expansión multibanda y de larga distancia, aunque con mayor complejidad y coste. La Tabla 3, a continuación, resume los principales parámetros de rendimiento de estas tecnologías de amplificación, comparando su ganancia, ruido y potencia de salida.

Tabla 3: Rendimiento comparativo de las tecnologías de amplificadores ópticos en redes de telecomunicaciones

Conclusión

Las redes de comunicación óptica se están expandiendo rápidamente, superando los límites de los amplificadores Raman y EDFA de banda C tradicionales. Las tecnologías emergentes —SOA, TDFA, PDFA y sistemas híbridos— son ahora factores clave para la capacidad y flexibilidad de próxima generación. Las SOA ofrecen una amplificación compacta e integrable para circuitos de acceso y fotónicos, reemplazando el mayor ruido por un formato compacto. Los TDFA desbloquean la banda S (∼1500 nm), ampliando el espectro utilizable en más del 50 %, mientras que los PDFA abren la banda O (∼1310 nm) para enlaces de centros de datos y metro sin dispersión. Los amplificadores híbridos, que combinan etapas Raman y de tierras raras, logran un ancho de banda ultra amplio, bajo ruido y largo alcance, lo que los hace esenciales para las redes troncales nacionales y submarinas.

Las redes futuras adoptarán cada vez más arquitecturas multibanda (O + S + C + L), optimizadas mediante la adaptación de los tipos de amplificadores a la longitud de onda, la distancia y el coste. Los amplificadores EDFA seguirán siendo la herramienta principal, mientras que los SOA satisfacen las necesidades de integración, y los PDFA/TDFA amplían el espectro utilizable. Juntos, estos amplificadores forman un ecosistema completo, lo que permite sistemas ópticos de banda ultraancha y alta capacidad que llevan el rendimiento de la fibra a sus límites físicos.