Amplificación óptica y óptica integrada

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1 Capítulo 8 Amplificación óptica y óptica integrada En el transcurso de esta asignatura hemos visto el sistema de transmisión, sus características y el emisor y el receptor. Cuando una conexión tiene una longitud tal que la atenuación hace que la señal esté por debajo del límite de recepción se necesita amplificar la señal, con nuestros conocimientos actuales parece que la solución a esto sería la recepción de la señal con un fotodetector, la amplificación de la señal de forma eléctrica y su reemisión. El método descrito se utiliza, pero es un factor limitante en el desarrollo de los sistema de fibra. La conversión de la señal de óptica a eléctrica y viceversa suele ser un cuello de botella y restringe tanto el ancho de banda operativo como la calidad de la señal. Si estas operaciones pudieran realizarse sin transformar la señal óptica parece claro que sería de gran importancia para este campo. De hecho hay numerosos componentes, aunque algunos en estado de desarrollo, que cumplen las premisas anteriores. La idea de este capítulo es hacer un resumen de estos componentes y su forma de funcionamiento y uso. 8.1 Amplificadores ópticos Los amplificadores ópticos como su nombre indica operan haciendo uso sólo de fotones, sin necesitar la interacción de electrones. De esta forma no es necesario colocar amplificadores optoelectrónicos entre tramos de fibra, los amplificadores ópticos consiguen una amplificación lineal de la señal óptica en determinados tramos de longitudes de onda. El amplificador óptico proporciona una solución más simple al problema de la atenuación y puede ser usado independientemente del tipo de modulación y del ancho de banda, además es un dispositivo bidireccional y permite el trabajo en sistemas con multiplexación de longitud de onda. Particularizando en sistemas monomodo donde la dispersión temporal es pequeña la simple amplificación es suficiente para un enlace de fibra, sin embargo, para sistemas con dispersiones elevadas puede que la amplificación no sea suficiente y se necesite la regeneración de la señal y en este caso ya será necesario el interfaz optoelectrónico. Los amplificadores ópticos han resultado tener más útilidades que su uso como repetidores lineales y se estudia su uso como preamplificadores de recepción, como puertas lógicas ópticas, conformadores de pulsos y direccionadores. Los dos sistemas más utilizados para amplificación óptica son los basados en láseres de semiconductor que utilizan la generación estimulada por la luz que deseamos amplificar y los basados en fibra 82

2 8.2. AMPLIFICADORES BASADOS EN LÁSERES DE SEMICONDUCTOR 83 Figura 8.1: Características de amplificadores ópticos para la banda de 1.5m utilizando la ganancia suministrada por la dispersión Raman o Brillouin 1. Ambos tipos de amplificadores producen ganancias elevadas para anchos de banda ópticos elevados lo que los hace muy útiles. En la figura 8.1 podemos ver las características de amplificación de un amplificador de onda viajera basado en láser semiconductor (TWSLA), el amplificador de fibra dopada con Erbio, el amplificador de fibra de efecto Raman y el de efecto Brillouin. Los tres primeros tienen anchos de banda grandes y el último pequeño. Los amplificadores Brillouin se utilizan para aplizaciones específicas como filtro pasobanda, por ejemplo, en la salida de acopladores WDM. 8.2 Amplificadores basados en láseres de semiconductor Los SLAs (Semiconductor Laser Amplifier) se basan en la estructura convencional de un láser con reflectividades en los espejos menores de lo habitual. Pueden utilizarse tanto en modo lineal como no lineal. Hay varios tipos dentro de los SLAs entre los que cabe destacar los de cavidad resonante (Fabry-Perot o FPA), los de onda viajera (travelling wave o TWA) y los cuasi onda viajera (near traveling waveo NTWA) que son amplificadores sin cavidad resonante. Estos dispositivos son capaces de amplificar la señal óptica (entre 15 y 35dB) con poco consumo de potencia y son adecuados para uso con fibra monomodo. La clasificación de los amplificadores láser se basa en las reflectividades de sus espejos, por ello se dividen en los FPA por un lado y los TWA y NTWA por otro Amplificadores Fabri-Perot Cuando los espejos que forman una cavidad láser tienen unas reflectividades de alrededor del 30% se obtiene un FPA. Como la reflectividad es suficiente se produce resonancia óptica en su interior, pero sólo para las longitudes de onda que cumplen q =2Ln (8.1) por lo que las características de transmisión tienen la forma de la figura 8.2 donde el espaciado entre 1 Las vimos durante la descripción de motivos para la dispersión (nodeseada) espacial en fibras a partir de determinados niveles de potencia.

3 8.3. AMPLIFICADORES DE FIBRA 84 Figura 8.2: Bandas ópticas amplificadas en un FPA, el modo 0 es el de mayor ganancia. representa frecuencias de emisión. El eje x las bandas amplificadas puede obtenerse con la ecuación 8.1. Las condiciones de trabajo del FPA son la inyección de corriente por debajo de I th, no hay generación óptica interna para emisión láser aunque ya hay inversión de población y por tanto la emisión estimulada es generada por los fotones que penetran en la estructura desde la fibra. La luz es amplificada aunque además de la amplificación se genera un ruido debido a la emisión de luz propia de FPA. Otro aspecto que cabe resaltar es el filtrado de longitudes de onda que aunque útil en determinadas aplicaciones tiene el problema de que será muy sensible a fluctuaciones térmicas Amplificadores de onda viajera Uno de estos dispositivos se consigue eliminando la reflectividad de los espejos al aplicar capas antirreflectantes sobre éstas. Depositando una capa delgada de dioxido o nitruro de silicio se puede reducir la reflectividad por debajo de La eliminación de la cavidad resonante convierte a estos dispositivos en sistemas en que los fotones atraviesan la estructura estimulando la emisión de nuevos fotones coherentes con ellos y al llegar a la otra cara de la estructura la atraviesan. Este tipo de dispositivo tendrá una ganancia menor ya que no se aprovecha la resonancia de la cavidad, pero la eliminación de la resonancia también consigue que su amplificación sea prácticamente plana en función de la frecuencia del fotón evitando lo que se aprecia en la figura 8.2. También se elimina la dependencia frente a la temperatura o cualquier otro factor externo. Así pues los TWA son superiores a los FPA en aplicaciones lineales y en cuanto a menor ruido. En estos dispositivos al reducir tan fuertemente la resonancia de la cavidad la I th se incrementa con lo que el punto de trabajo está muy lejos del inicio de la emisión láser propia. 8.3 Amplificadores de fibra Amplificadores de fibras dopadas con tierras raras Los amplificadores de fibra se basan en láseres de bombeo óptico. Este tipo de emisores funcionan consiguiendo la inversión de población apartir de la energía cedida por fotones en lugar de por electrones.

4 8.3. AMPLIFICADORES DE FIBRA 85 Figura 8.3: Aplicaciones de un amplificador de fibra: (a) amplificador de potencia para el emisor; (b) repetidor óptico; (c) preamplificador en receptor.} Supongamos una estructura que tenga tres niveles energéticos, los electrones en su estado relajado están en el inferior, cuando se excitancon la energía suficiente pueden pasar al nivel superior, en este nivel los electrones tienen un tiempo de vida corto y se relajan cayendo al nivel intermedio (idealmente de forma no radiativa), el tiempo de vida en este nivel intermedio es elevado con lo que tenemos muchos electrones en el nivel intermedio y pocos en los otros dos niveles. Si hay una cavidad láse rpodemos conseguir resonancia y por tanto amplificación óptica en la energía que separa el nivel intermedio y el inferior, ya que el tiempo de vida para radiación estimulada es pequeño. Podemos apreciar que el modo de funcionamiento de este tipo de amplificadores es muy similar al de los TWA. Consideremos una fibra monomodo en la que se intercala un trozo de fibra (10m) con una estructura fuertemente absorbente a una determinada longitud de onda y transparente a la longitud de onda de transmisión. Sino hay más elementos tenemos una transmisión normal, ahora en este trozo de fibra pongamos un acoplador para multiplexación en longitud de onda (figura 8.3) e inyectemos por la entrada de bombeo fotones conla energía necesaria para llevar los electrones del nivel inferior al superior, el acoplador hará que parte de la luz de bombeo pase a la fibra de transmisión donde será absorbida, ahora el funcionamiento es idéntico al de un TWA. Se pueden conseguir ganancias muy grandes, superiores a los 40dB, aunque no en cualquier banda, bien es verdad que en la actualidad se han conseguido para las bandas de interés. Este tipo de fibras son fibras de silice normales salvo que dopadas con Er o Nd, que suministran los niveles de interés para la generación de emisión estimulada.

5 8.4. ÓPTICA INTEGRADA Amplificadores de fibra a partir de los efectos Raman o 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 Raman tienen anchuras espectrales de hasta 40nm para las longitudes de onda de interés y ganancias que alcanzan los 40dB. Las aplicaciones de estos amplificadores pueden llegar a los sistemas de WDM. La potencia óptica de bombeo necesaria para producir a ganancia está alrededor de 1W (una potencia óptica muy elevada) aunque para ganancias menores (5dB) puede bajar hasta los 50mW. La otra variable es el tamaño del amplificador, para ganancias ópticas respetables se hacen necesarias longitudes de fibra del orden de 50Km (es la zona en la que aún no se ha absorbido totalmente la potencia del láser de bombeo). Por el contrario los amplificadores basados en la dispersión Brillouin tienen características muy distintas. Los anchos de banda de amplificación típicos son de 50MHz (para una longitud de onda de emisión de 870nm es una anchura de 10 4 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. 8.4 Óptica integrada La multitud de aplicaciones potenciales en el campo de las comunicaciones ópticas empujó el desarrollo de la óptica integrada y a su vez de los circuitos integrados optoelectrónicos. El concepto de óptica integrada implica la existencia de dispositivos ópticos y electro-ópticos que puedan hacerse en gran número en un sustrato único. De momento lo que vamos a ver es que tipo de dispositivos existen y a describir su forma de funcionamiento, entre ellos vamos a analizar Las guías ópticas planas Los divisores de potencia Los acopladores direccionales Los interruptores Los moduladores Los biestables

6 8.4. ÓPTICA INTEGRADA 87 Figura 8.4: Corte transversal de una guía onda plana: (a) guía externa (b) guía interna (c) sobreguía Con este conjunto de dispositivos y los vistos anteriormente se podría realizar cualquier función que pudiera llevarse a cabo mediante un circuito electrónico convencional. La ventaja sería que las frecuencias de reloj alcanzables serían mucho mayores ya que la limitación física impuesta por los desplazamientos electrónicos pierde aquí su sentido Guías ópticas planas Son el sustituto de las pistas metálicas en los circuitos electrónicos. Ya hemos visto sus características cuando analizamos las fibras ópticas, la gran diferencia es la forma, ya que las fibras son cilíndricas, y además las guías planas que se pueden conseguir en un circuito son asimétricas. Sin entrar en análisis electromagnéticos debemos decir que la diferencia geométrica implica cambios en las consideraciones para la fibra óptica, ya que en ésta el modo fundamental se transmite independientemente del radio del núcleo, recordemos que cuando en una fibra cilíndrica el radio del núcleo disminuía V disminuía y el número de modos guiados disminuía hasta que por debajo de V=2.405 sólo se transmitía el modo fundamental. En las guiaondas planas asiméricas no sucede esto y hay un límite inferior para el espesor del núcleo por debajo del cual no se transmite nada por la guía. Como dato estimativo el espesor efectivo límite para la transmisión es h ef f = h + x 2 + x 3 = 1:26 donde h es el espesor del núcleo y x 2 y x 3 los espesores de los campos evanescentes, para una longitud de onda de 0.8m se necesita un espesor mínimo de 1m, y mayor para longitudes de onda mayores. Esto fija una limitación inexistente en los circuitos eléctricos. El siguiente problema es que una guía plana sólo confina la luz en una dirección por lo que habrá que limitar una de las otras dos direcciones, de hecho la forma final de una guía es como se aprecia en la figura 8.4 Otro problema viene en los cambios de dirección. Cual es la curvatura mínima posible para una atenuación aceptable? Este problema también es debido a que tenemos una guía plana asimétrica. Para que nos hagamos una idea los radios varían entre 1mm para cambios de índice entre compuestos n 1 y n 2 de 0.1 hasta 1cm para cambios de Esta es otra importante limitación que nos aleja de los circuitos integrados para componentes electrónicos Divisores de potencia Los divisores de potencia son dispositivos básicos que ya hemos descrito en capítulos anteriores a partir de fibra óptica. Su paso a óptica integrada tiene los mismos condicionantes que las guías, un divisor pasivo tiene la forma de la figura 8.5 este tipo de dispositivo tiene su función en la división pasiva de potencia al 50%. Su fabricación con pérdidas pequeñas necesita que el semiángulo de apertura nosupere los 0.5 o lo que dificulta la separación de los brazos, de hecho se necesita para que estos estén a una distancia de 30m (suficiente para que puedan utilizarse de forma independiente) una longitud de 3.5mm. Este tamaño abunda en los problemas de integración ya citados.

7 8.4. ÓPTICA INTEGRADA 88 Figura 8.5: Divisor de potencia pasivo del tipo Y Figura 8.6: Direccionador electro-óptico tipo Y Acopladores direccionales e interruptores Además de los divisores de potencia se necesitan mecanismos de direccionamiento del haz, lo que sería el equivalente a un demultiplexor eléctrico. Estos dispositivos son guías con una forma igual que los divisores de potencia con la salvedad que llevan acoplados unos dispositivos que pueden de forma externa modificar el índice de refracción de uno de los brazos forzando a que la luz sólo tome uno de los caminos. En la figura 8.6 se aprecia la estructura del dispositivo. Hay dos electrodos metálicos que van a generar un campo eléctrico que modificarán el índice de refracción, como simple curiosidad está modificación está ligada a la siguiente fórmula n = 1 2 n3 1rE (8.2) donde n 1 es el índice de refracción inicial de la guía, r es el coeficiente electro-óptico y E el campo eléctrico aplicado. Se suelen utilizar guías de niobatio de litio y las tensiones aplicadas son de unos 30V. Los interruptores ópticos son una variante de los acopladores direccionales ya que si uno utiliza como vía de transmisión el ramal superior (figura 8.6) y dirige la luz hacia el inferior equivale a una desconexión de un interruptor Moduladores Otro apartado importante es la modulación de la luz, es posible generar un buen láser con grandes características de emisión pero que no pueda variar sus características con frecuencia elevada, para ello se utilizanlos moduladores. Son dispositivos que siguiendo con el apartado anterior son capaces de modificar su índice de refracción. Al cambiar el índice de refracción y como la transmisión es lineal (ver figura 8.7) el único efecto es la variación de la velocidad de la onda. Esta variación de velocidad equivale

8 8.4. ÓPTICA INTEGRADA 89 Figura 8.7: Modulador de fase para guía onda plana a modificar la fase de la onda, esta modificación es linealmente dependiente de la longitud de la zona en la que se produce el cambio según = n3 1 r VL (8.3) d donde L es la longitud de los electrodos, d la separación entre ellos (ver figura 8.7) y V la tensión aplicada. Se pueden conseguir desfases de 180 o (modulación DPSK) para longitudes del modulador de centimetros Biestables Para conseguir lógica mediante circutos ópticos lo que necesitamos es un dispositivo biestable, a partir del cual podemos conseguir puertas lógicas y memoria. Un dispositvo biestable se basa en conseguir que el material tenga alguna de sus propiedades que no sea lineal, por ejemplo el índicede refracción respecto a la potencia óptica que haya que se bombee hacia el dispositivo de forma que al cambiar esta de forma brusca cambiase la potencia óptica que sale del dispositivo (ver figura 8.8). Vamos a describir el proceso, supongamos un índice de refracción del material no lineal n 1 de forma que el camino óptico en la cavidad no es el adecuado para que se produzca amplificación óptica y por tanto la salida de potencia es pequeña (rama inferior de la figura 8.8), cuando la potencia de entrada supera un determinado valor cambia el índice de refraccióna n 2 y cambia el camino óptico de forma que ya hay amplificación subiendo fuertemente la potencia óptica de salida. Ahora y partiendo del extremo superior izquierdo empezamos a disminuir la potencia de entrada hasta que el índice de refracción vuelve a cambiar a n 1 y volviendo a la situación inicial (rama inferior de la figura 8.8). Si los puntos de conmutación son para una potencia de entrada fija tendremos la figura típica de un amplificador entre corte y saturación, si como en el caso de la figura 8.8 los puntos de cambio son a potencias ópticas distintas tenemos un dispositivo con histéresis (lo más normal). A partir de estos dispositivos se puede realizar cualquier puerta lógica, recordemos el álgebra de Boole que nos dice que con una puerta NAND se puede hacer cualquier función lógica. Aunque todos estos dispositivos existen y parece factible la realización de computación óptica esta no es factible por que no es posible (al menos de momento) conjuntar todas estas funciones en una escala lo suficientemente grande como para que sea realmente útil.

9 8.4. ÓPTICA INTEGRADA 90 Figura 8.8: Dispostivo óptico biestable generalizado: (a) estructura en forma esquemática; (b) curva de transferencia.

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