Transmisores en Comunicaciones Ópticas

Transcripción

1 Estructuras Láser Transmisores en Comunicaciones Ópticas AREA-ANCHA EMISIÓN DE BORDE Doble Heterounión Geometría de Tira (Cavidad Fabry-Perot) Reducir I th Eliminar modos laterales P o grande y estable Mayor enfoque posible Monofrecuencia Cavidad Selectiva en frecuencia Cavidad acoplada Red de Difracción EMISIÓN DE SUPERFICIE Cavidad Horizontal Cavidad Vertical Monofrecuencia Red de Difracción Paloma Rodríguez Horche Dpto. de Tecnología Fotónica E.T.S.I. Telecomunicación Universidad Politécnica de Madrid GUIADO POR GANANCIA DÉBIL Guiado por Índice Guiado Fuerte (Estructuras Enterradas) POZO CUÁNTICO (Quantum-Well) SIMPLE MÚLTIPLE 1 2

2 Estructuras Láser: Guiado Lateral Láseres de Pozo Cuantico (I) E c E c p-cladding n-cladding substrate metal contac oxide active p-cladding n-cladding substrate metal contac a active n p p n substrate n p metal contac oxide blocking layer confinement layer AlGaAs 25% GaAs AlGaAs 25% AlGaAs 60% 20% 20% GaAs AlGaAs 60% E v E v Guiado por ganancia: Fabricación sencilla Haz inestable Guiado débil por índice: Fabricación más compleja Control de modos laterales Menor volumen bombeado Guiado fuerte por índice (estructuras enterradas, HB) Fabricación muy compleja Confinamiento óptico y de portadores Mínimo volumen bombeado 3D Láser de Volumen (bulk) Zona activa: 0,2-0,5 µm 2D Láser de pozo cuántico (QW) Zona activa: 5-10 nm 3 4

3 Láseres De Pozo Cuántico (II) Láseres Monofrecuencia (Single Frequency) (I) n-cladding E Confinamiento C QW E ei ψ ei 2 Zona activa: 5-20 nm Confinamiento de e - y h + en sub-bandas de energía Ventajas: p-cladding Confinamiento Menor volumen + efectos 2D menor corriente umbral Más grados de libertad (long. onda) Más velocidad E ei-hj E V E hj ψ hj 2 y Desde 2000 (casi) todos los LD son de QW Futuro: Punto cuántico (QD)? Cascada cuántica (QC)? LÁSER FABRY-PEROT (LD-FP) SMSR = 3-20 db LÁSER MONOMODO SMSR = db Side Mode Supression Ratio (SMSR) = 10 log (P 0 /P s ) 5 6

4 Láseres Monofrecuencia (II) Láseres Sintonizables + + p-type grating p-type Láser de cavidad externa n-type Región activa DBR n-type DBR DFB: Distributed Feedback Laser - DBR: Distributed Bragg Reflector - Longitud de onda de Bragg: Λ = m λ B / 2 n eff Seleccionan un único modo longitudinal de la cavidad Tecnología muy compleja Alto precio Láser DBR multisección 7 8

5 Láseres De Emisión Superficial LED Principios de Funcionamiento y Estructuras Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) Pequeño volumen: menor ganancia, menor I th Alta densidad (producción) Posibilidad de arrays 2D Tecnología compleja Problemas térmicos LED: Motivación: Fortalecer la emisión espontánea Principios de funcionamiento Mecanismos de recombinación Ancho de Banda de Modulación Estructuras LED Bajo precio! 9 10

6 LED: Principios de funcionamiento Estructura basica: diodo p-n en material de gap directo Basado en emisión espontánea Característica P-I: aprox. Lineal Baja eficiencia de conversión (2-3 %) Incremento de Bombeo Emisión espontánea; Eficiencias r spon (hν) f c (E 2 ) [ 1 - f v (E 1 )] (nº de fotones por seg. Hz. y unidad de volumen) E fc f c (E 2 ) E fv 1 f v (E 1 ) Fortalece Em. Espontánea R tot (n) = R nrad (n) + R spon (n) = n/τ tot η in = R rad / R tot = τ nrad /(τ esp + τ nrad ) Eficiencia Interna P out hυ hυ = ηextpin = ηextη I = ηe I q q R nrad = n / τ nrad R rad = n / τ spt τ tot - 1 = τ nrad τ spt -1 En estacionario: I = e V act R tot (n) P in = V act (hν) R rad = η in (hν/e) I Se radian fotones es todas las direcciones P out = η extr P in = η extr η in (hν/e) I = η e (hν/e) I η extr = Eficiencia de la extracción 2 3 % (Máx 30 %) Mejora con Doble Heteroestructura nº de fotones salida ηe = n º de e inyectados Eficiencia externa Un emisor LED es básicamente un diodo de unión p-n fabricado sobre un semiconductor de gap directo y diseñado para facilitar al máximo la extracción al exterior de la emisión espontánea. La relación entre la potencia óptica emitida P out y la corriente inyectada I es aproximadamente lineal, salvo a muy altas corrientes en las que la emisión disminuye debido al autocalentamiento. Se define como eficiencia cuántica externa η e la relación entre el número de fotones extraídos y el numero de electrones inyectados. Salvo en algunas estructuras recientes, con valores de hasta el 22%, el valor típico de η e es bajo (1-3%), debido a las dificultades en la extracción de los fotones espontáneamente emitidos. La emisión espontánea del LED es incoherente, es decir, los fotones emitidos no tienen correlación entre sí. La frecuencia, polarizacción, dirección, y fase de cada uno de ellos es independiente de los demás

7 Mecanismos de Recombinación Respuesta Dinámica del LED E c E v E T e - h + N- Rad Rad hν No Radiativa: sin emisión de luz, por trampas (defectos) Radiativa: emitiendo luz (espontánea o estimulada) P 90 % 10 % 2.2 τ n t R nrad = n / τ nrad [cm -3 s 1 ] R rad = n / τ rad [cm -3 s 1 ] R tot = n / τ tot = R nrad + R rad τ tot -1 = τ nrad -1 + τ rad -1 η = R rad / R tot = τ nrad /(τ rad + τ nrad ) τ nrad τ rad τ tot η Si 10 ns 10 ms 10 ns 10-6 GaAs 10 ns 10 ns 5 ns 0,5 Filtro paso bajo: P( 0) P( ω) = [ 1+ ( ωτtot ) ] τ 22. τ rise, fall tot Producto Potencia-Ancho de banda = C te Compromiso potencia-velocidad Valores típicos: 10 MHz-1 GHz Al aplicar un escalón de corriente a un LED la potencia óptica aumenta de acuerdo con una función exponencial similar a la de un circuito RC. El tiempo característico τ tot corresponde al tiempo de vida de portadores, tomando valores entre 1 y 10 ns. La respuesta en frecuencia (modulación en pequeña señal) corresponde a un filtro paso bajo de polo simple, con ancho de banda (2πτ tot ) -1. Los valores típicos de ancho de banda en LEDs de comunicaciones varían entre 10 y 150 MHz, pudiéndose encontrarse algunos de mayor velocidad. Sin embargo, cuando la velocidad es mayor la potencia emitida disminuye en comparación con dispositivos más lentos

8 Estructuras LED Características de la Emisión n-gaas substrato Fibra Óptica Multimodo LED Emisión Superficial (SLED) epoxy adhesivo etched well Contacto metálico Región emisora de luz n-algaas p-gaas p-algaas SiO 2 Contacto metálico Contacto metálico Capa de Aislamiento (SiO) 2 p + -GaAs p-algaas p-gaas n-algaas Luz de salida GaAs-substrate Contacto metálico LED Emisión Lateral (ELED) LED Superluminiscente (SLD) Potencia Corriente Dependencia con la temperatura Espectro Variación del espectro con: Temperatura Corriente Diagramas de Radiación Existen muchas estructuras LED, dos de las cuales están representadas en las figuras. La de la izquierda corresponde a un LED de emisión superficial ( surface emitting LED, SLED), también llamado tipo Burrus, muy empleado en comunicaciones ópticas desde hace años. La estructura de capas corresponde a una unión p-n cuya zona activa es GaAs. Las capas epitaxiales se sueldan con la parte superior (p) hacia abajo sobre un sumidero de calor con el fin de facilitar la disipación. En el substrato se realiza un agujero mediante ataque químico hasta acercarse a la zona activa, en el que se coloca una fibra MM, buscando que la mayor parte de la luz emitida se acople a la fibra. La estructura de la derecha corresponde a un LED de emisión lateral ( edge emitting LED, ELED). En este caso la extracción de la luz y acoplo a la fibra se realiza por un lateral de la estructura de capas. El diseño de la estructura, al igual que en un LD, da lugar a un fenómeno de guiado óptico en la dirección de inyección de corriente, que aumenta la emisión en las caras laterales

9 P-I lineal (casi) Baja pend. (tip W/A en fibra ) Baja potencia (tip. 15 dbm) Potencia - Corriente LED DEPENDENCIA CON LA TEMPERATURA (pequeña) T η I SLD mayor dependencia con T por emisión estimulada Output power (µw) Característica Potencia-Corriente (P-I) LED Current (ma) -15 ºC 25 ºC 65 ºC P-I lineal (casi) Baja pendiente (típica 10-4 W/A en fibra) Baja potencia (tip. 15 dbm) Poca dependencia con temperatura (SLD mayor dependencia con T por emisión estimulada) Output power (mw) DIODO LÁSER Current (ma) 15 ºC 25 ºC 35 ºC 45 ºC 55 ºC P-I con umbral (típica 10 ma) Alta pendiente (típica W/A en fibra) Alta potencia (típica 0-10 dbm) Alta dependencia con temperatura Las figuras comparan curvas experimentales medidas en un LED y LD comerciales de 1300 nm acoplados a fibra. Puede observarse que la relación P-I en el LED es casi lineal con una cierta saturación causada por efectos de autocalentamiento. La potencia máxima acoplada a fibra MM es baja, siendo su valor típico -10 a 15 dbm. La dependencia de la potencia con la temperatura ambiente es pequeña. En el caso del LD puede observarse la existencia de un valor umbral altamente dependiente con la temperatura, según la expresión empírica: = 0 exp T I th I th T 0 donde T 0 se denomina temperatura característica y toma valores entre 50 y 150 K. La dependencia con la temperatura es más acusada en láseres de 2ª y 3ª ventana que en los de 1ª ventana. Los LDs acoplan alta potencia en fibra SM, típicamente entre 0 y 10 dbm para láseres de comunicaciones. La pendiente de la curva P-I es altamente lineal, hasta su potencia máxima de operación

10 LED: dependencia con la temperatura Espectro de Emisión Poca dependencia con temperatura T ηi SLD mayor dependencia con T por emisión T estimulada η I Power Intensity (a.u.) 1.0 LED Wavelength (nm) Power Intensity (dbm) 0 Fabry-Perot -10 laser diode Wavelength (nm) P (mw) SLED ELED SLD T ºC Power Intensity (db) (a) 125 DFB laser ºC Power Intensity (dbm) (b) 0-10 VCSEL Wavelength (nm) (c) Wavelength (nm) (d) En las figuras se comparan los espectros de emisión medidos experimentalmente de cuatro tipos de emisores: a) LED: Su espectro es habitualmente asimétrico y con un único lóbulo, de ancho a mitad de altura λ entre 30 y 150 nm. b) LD-FP: presenta diferentes picos correspondientes a los modos longitudinales. Cada pico es muy estrecho, y el ancho de la envolvente vale típicamente entre 0,5 y 2 nm. c) LD-DFB: presenta un único pico de emisión cuya anchura será comentada posteriormente. d) VCSEL: presenta también un único pico sin lóbulos secundarios, salvo a altas corrientes en las que los modos transversales desdoblan la emisión en varios picos muy cercanos

11 Espectro de Emisión (LED) ESPECTRO LASER FP: variación con I Dependencia con dopaje y temperatura: Chirp en frecuencia hν P = E g + (kt/2) (ev) λ 1,45 λ p2 (kt) ( λ, λp (µm)) Típico: nm P (mw) λ Espectro más ancho para materiales fuertemente dopados. T se desplaza el pico de emisión λ I (ma) 21 22

12 ESPECTRO LASER FP: variación con I Salto de modo ( mode hopping ) longitudinal, autocalentamiento: al aumentar la temperatura interna el gap del semiconductor se estrecha y el máximo del espectro de ganancia se traslada a longitudes de onda mayores. Adicionalmente también se aprecia un ligero desplazamiento de cada uno de los modos a longitud de onda más alta al aumentar la corriente; es debido a la dependencia con la temperatura del índice de refracción. ESPECTRO LASER DFB: variación con T Aumento de temperatura desplazamiento de la longitud de onda de emisión (variación del índice con la temperatura). Este fenómeno tiene como aplicación directa la selección de longitud de onda a partir del control de la temperatura ( temperature tuning ) 40 ma 35 ma 30 ma 25 ma 20 ma 16 ma Variación de longitud de onda: Cada modo n eff (I, T) Saltos: ganancia (T) efectos no lineales láser DFB I = 14 ma λ (nm) En la figura puede observarse la variación del espectro de un láser FP por encima de umbral al aumentar la corriente inyectada (la escala es lineal)

13 ANCHO DE LINEA Ancho de línea de emisión anchura a mitad de altura de cada uno de los modos longitudinales de láser FP o del único modo de un láser DFB o DBR. Diagrama de Radiación (Láser) El diagrama de radiación de un láser convencional (emisión lateral) es fuertemente asimétrico, dando lugar a un haz con forma elíptica. Típico (DFB): 1-10 MHz (10 mw) ( ) 2 1+ α υ = Rspon 4π P α: factor de ensanchamiento de línea 1 α 1-5 Originado por fluctuaciones de fase provenientes de diferentes fuentes de ruido, entre la que destaca el ruido de la emisión espontánea acoplada al modo láser. El ancho de línea disminuye al aumentar la potencia emitida. Medidas del mismo Láser en diferentes Laboratorios!!!! campo lejano (u.a.) ángulo (º) LD: depende de la estructura Θ Θ 5-15 Se denomina ancho de línea de emisión a la anchura a mitad de altura de cada uno de los modos longitudinales de láser FP o del único modo de un láser DFB o DBR. El ancho de línea está originado por fluctuaciones de la fase provenientes de diferentes fuentes de ruido, entre la que destaca el ruido de la emisión espontánea acoplada al modo láser. Su valor es muy diferente en función del dispositivo concreto y de su modo de operación, y suele expresarse en unidades de frecuencia, variando entre decenas de KHz y decenas de MHz. El ancho de línea disminuye al aumentar la potencia emitida. Su determinación experimental no es sencilla, y como ejemplo se adjunta un conjunto de medidas del ancho de línea del mismo láser DFB realizadas en laboratorios diferentes, en las que puede observarse una gran dispersión en los resultados. El valor típico del ancho de línea garantizado por los fabricantes en DFBs comerciales es de 1-10 MHz a 10 mw. El diagrama de radiación de un láser convencional (emisión lateral) es fuertemente asimétrico, dando lugar a un haz con forma elíptica. En la dirección perpendicular a la unión es altamente divergente, con anchuras variables entre 30 y 50, dependiendo de la estructura interna de capas. En la dirección paralela a la unión toma valores muy diversos en función de la estructura lateral y de las dimensiones de la zona activa, pudiendo valer entre 5 y

14 Diagrama de Radiación (VCSEL) Los VCSELs presentan habitualmente problemas de control de sus modos transversos. Debido a su simetría cilíndrica, a altos niveles de inyección, tienden a aparecer modos de tipo LP, similares a los de la fibra óptica. Diagrama de Radiación (LED) Los diagramas de radiación de un LED son muy anchos y siguen una ley lambertiana debido a la naturaleza incoherente de la radiación. Ancho teórico a mitad de altura de 120. En el caso de los ELED es mucho más estrecho (hasta 30 ) en la dirección perpendicular al plano de la unión. Este diagrama dificulta el acoplo a fibra. Campo lejano (u.a.) º ángulo (º) LED: lambertiano Θ 120 º (FWHM) Los VCSELs presentan habitualmente problemas en cuanto al control de sus modos transversos. Debido a su simetría cilíndrica tienden a aparecer modos de tipo LP, similares a los de la fibra óptica a altos niveles de inyección. En la figura pueden observarse los patrones de campo cercano de los cuatro primeros modos. Los diagramas o patrones de radiación de un LED son muy anchos y siguen una ley lambertiana debido a la naturaleza incoherente de la radiación. Ello da lugar a un ancho teórico a mitad de altura de 120. En la práctica el ancho es algo menor, y en el caso de los ELED es mucho más estrecho (hasta 30 ) en la dirección perpendicular al plano de la unión. Este diagrama dificulta el acoplo a fibra de la radiación

15 Ventajas y Desventajas del LD respecto al LED Ventajas LASER Frecuencia de modulación más alta Potencia óptica alta (LD: mw / LED: µw) Acoplamiento de la fibra a la fuente más eficiente Ancho espectral más estrecho (luego menor dispersión cromática) Desventajas LASER Efecto láser comienza desde un corriente umbral Electrónica más complicada Más caro Vida útil más corta (debido a las corrientes más altas) Módulo Transmisor Transmisión Binaria Respuesta dinámica del LD Modulación en frecuencia óptica (chirp) Modulación externa Acoplo láser fibra Circuitos de ataque y polarización Catálogos 29 30

16 Transmisión con Señales Binarias Respuesta Dinámica del Láser (gran señal) I ON I (Pmax.) Prepolarización I OFF I TH Al modular el láser en forma digital se aplica una corriente que varía entre un valor I OFF y un valor I ON, dando lugar a una potencia variable entre un mínimo y un máximo. Habitualmente se aplica como I OFF un valor cercano al umbral con el fin de evitar el tiempo de encendido a la vez que se minimiza la potencia en estado OFF. El valor de I ON se escoge para que aplique la máxima potencia a la fibra. t on τ T ln I 0 I + ( I 0 off I th ) t T e τ Tiempo de encendido: ns Oscilaciones de relajación: 1-20 GHz Anchos de banda (f 3dB ) > 1 GHz siempre > 25 GHz posible I o = I on -I off Al aplicar un escalón de corriente a un LD la respuesta es mucho más complicada que en un LED y puede verse esquematizada en la Figura. Durante un tiempo inicial, denominado tiempo de encendido, no se emite potencia. Posteriormente la potencia emitida aumenta muy abruptamente y presenta oscilaciones hasta que se relaja a su valor de equilibrio. El tiempo de encendido es el necesario para que el número de portadores en la zona activa llegue a su valor umbral. Este tiempo depende de la corriente inicial y de la corriente inyectada, siendo su valor típico entre 0,2 y 0,5 ns. Las oscilaciones de relajación tienen una frecuencia entre 1 y 20 GHz, dependiendo de la estructura del láser y del valor de la corriente. En décimas de ns se suele alcanzar el estado estacionario. El origen de estas oscilaciones es la interacción entre las poblaciones de portadores y fotones en el interior de la cavidad, que tienen un comportamiento resonante similar al de un circuito LCR. Si se evita el tiempo de encendido mediante prepolarización como veremos a continuación, la respuesta de casi todos los láseres es muy rápida, pudiendo llegar a anchos de banda entre 1 y 40 GHz. En aquellos láseres no diseñados para alta velocidad, el límite viene dado por los parásitos eléctricos del encapsulado

17 Dinamica en Láseres Multimodo Respuesta en régimen transitorio Concentración de Portadores Modulación en Frecuencia Modulación en AM (intensidad) Modulación en FM (frecuencia óptica) Chirp: variación en la frecuencia óptica de emisión causada por la modulación AM P ópt modo 0 P ópt modo ± 1 P ópt modo ± 2 Origen físico: I n (portadores) n eff ν Consecuencia: Ensanchamiento del espectro emitido Solución: Modulación Externa Uno de los mayores problemas en LDs en aplicaciones de alta velocidad y alta distancia es el fenómeno de la modulación en frecuencia que se produce al aplicar una modulación directa en intensidad. El origen físico de este fenómeno es la variación del índice de refracción con la concentración de portadores, que hace que varíe a su vez la frecuencia óptica de emisión. En el transitorio de encendido, las oscilaciones de relajación hacen que el número de portadores varíe con el tiempo y por tanto también lo hace la longitud de onda. Ello da lugar al denominado chirp del láser, ensanchamiento promedio del espectro en conmutación. El valor del ensanchamiento depende de un parámetro del semiconductor denominado α ( linewidth enhancement factor ), característico de cada dispositivo. Esta modulación de la frecuencia óptica puede ser aplicada en comunicaciones ópticas coherentes como técnica de modulación FM; sin embargo en la mayoría de las aplicaciones que utilizan modulación directa es un inconveniente que no puede ser evitado. Por ello a altas velocidades (> 1 Gbs) se utiliza en ocasiones un modulador externo en lugar de modulación directa

18 Modulación externa Objetivo: Modulación externa del láser para evitar cambios en la frecuencia emitida (chirp) y partición modal. Principio de operación: Generalmente, modulación de la luz por cambio en el índice de refracción. Tipos: Según el mecanismo utilizado para modular el índice de refracción se pueden clasificar en dos tipos: Electro-ópticos (EO): Indice de refracción modulado por una señal eléctrica. Acusto-ópticos (AO): Indice de refracción modulado por una onda acústica. Parámetro más importante: Relación de extinción Basado en un Interferómetro Mach-Zehnder Modulador Electro-Óptico Óptica Integrada (LiNbO3) 35 36

19 Modulador Electro-óptico SEED Acoplo Láser a Fibra Diodo Láser: Muy sensible a la realimentación óptica Necesidad de: Aisladores Ópticos Componentes poco reflexivos El acoplo de la potencia emitida por el láser a una Fibra SM tiene una gran dificultad debido a la alta divergencia de la fuente, que además es astigmática, y a las reducidas dimensiones del diámetro de la fibra. Lleva un complicado proceso de alineamiento y suele llevarse a cabo con diferentes tipos de lentes. Adicionalmente, debe minimizarse la reflexión de las lentes, o de cualquier otro punto del sistema, puesto que la emisión del láser se desestabiliza, incluso con niveles muy pequeños de reflexión. Esto se consigue mediante el uso de aisladores ópticos

20 Encapsulados/Acoplos Circuitos de Ataque y Polarizacion (I) Pigtailed FP-LD POF-receptacle LED Receptacle FP-LD V in Pigtailed DIL DFB Receptacle VCSEL Uncoupled FP-LD Existe una gran variedad de modelos comerciales de encapsulado, casi todos ellos modificaciones de los habituales en transistores y CI. El acoplo a fibra puede hacerse mediante un pigtail, tramo corto de fibra terminado en conector macho, o mediante un conector de fibra hembra (receptacle) Existen todo tipo de módulos comerciales LED y láser incluyendo en el encapsulado diversos accesorios además del propio emisor. Todos los láseres comerciales incluyen un fotodetector en el encapsulado que actúa como monitor de potencia emitida. Algunos incluyen adicionalmente un sensor de temperatura y un dispositivo tipo Peltier que permite variar la temperatura mediante un controlador externo. Los módulos de altas prestaciones pueden incluir también un aislador óptico. El acoplo a la fibra se realiza mediante una lente, habitualmente tipo GRIN

21 LED Circuitos de Ataque y Polarizacion (II) LASER Potencia en fibra Espectro Comparación de Emisores LED Baja Ancho LD-FP Alta Estrecho LD-DFB Alta Muy estrecho VCSEL Alta Muy estrecho Sens. Temper. Baja Alta Alta Alta Velocidad Baja-Media Alta-Muy Alta Alta-Muy Alta Alta-Muy Alta Acoplo a Fibra MM SM SM MM Ventana 1ª, 2ª 2ª, 3ª 2ª, 3ª 1ª Coste Bajo Medio Muy alto Bajo Aplicaciones B T Baja Corta distancia B T baja/media - Distancia: baja/media B T Alta - Larga distancia B T Alta - Corta distancia 41 42

22 Ejemplos de Catálogo LD-FP LD-FP 43 44

23 Ejemplos de Catálogo LD-DFB LD-DFB 45 46