Amplificación óptica y óptica integrada

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
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8.2. AMPLIFICADORES BASADOS EN LÁSERES DE SEMICONDUCTOR
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Figura 8.1: Características de amplificadores ópticos para la banda de 1.5m
utilizando la ganancia suministrada por la dispersión Raman o Brillouin1 . 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.
8.2.1 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.
8.3. AMPLIFICADORES DE FIBRA
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Figura 8.2: Bandas ópticas amplificadas en un FPA, el modo 0 es el de mayor ganancia. El eje x
representa frecuencias de emisión.
las bandas amplificadas puede obtenerse con la ecuación 8.1. Las condiciones de trabajo del FPA son la
inyección de corriente por debajo de Ith , 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.
8.2.2 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 10 3 . 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 Ith
se incrementa con lo que el punto de trabajo está muy lejos del inicio de la emisión láser propia.
8.3 Amplificadores de fibra
8.3.1 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.
8.3. AMPLIFICADORES DE FIBRA
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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.
8.4. ÓPTICA INTEGRADA
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8.3.2 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
8.4. ÓPTICA INTEGRADA
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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.
8.4.1 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 heff = h + x2 + x3 = 1:26 donde h es el espesor del núcleo y x2 y x3
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 n1 y n2 de 0.1 hasta 1cm para cambios de 0.01. Esta es otra importante limitación que nos
aleja de los circuitos integrados para componentes electrónicos.
8.4.2 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 0.5o
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.
8.4. ÓPTICA INTEGRADA
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Figura 8.5: Divisor de potencia pasivo del tipo Y
Figura 8.6: Direccionador electro-óptico tipo Y
8.4.3 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
1
2
n = n31 rE
(8.2)
donde n1 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.
8.4.4 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
8.4. ÓPTICA INTEGRADA
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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
VL
= n31 r
(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 180o (modulación DPSK) para longitudes del modulador de
centimetros.
8.4.5 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 n1 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 n2 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 n1 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.
8.4. ÓPTICA INTEGRADA
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Figura 8.8: Dispostivo óptico biestable generalizado: (a) estructura en forma esquemática; (b) curva de
transferencia.