Amplificadores ópticos Edfa, Soa, Sla, Filtros ópticos, Bragg Reflectors, Cavidades Fabry, Láser Dfb, Y Vcsel. 6521f

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Amplificadores ópticos EDFA, SOA, SLA, Filtros ópticos, Bragg Reflectors, Cavidades Fabry, Láser DFB, y VCSEL. Guillermo Torres, [email protected] 

tercera ventana (1550nm), gracias a las propiedades energéticas del erbio. AMPLIFICADOR OPTICO SLA

Resumen—. El presente documento muestra la información sobre el uso de distintos componentes dentro de la estructura completa de la red de fibra como los filtros, amplificadores y láseres que, gracias a su implementación en la fibra óptica, en las redes y s al medio han permitido garantizar y consolidar la fibra óptica en cuanto a las comunicaciones ópticas que se han dado por la creciente demanda del final, al querer alcanzar siempre mayores velocidades.

El amplificador laser semiconductor por sus siglas (Semiconductor Laser Amplifier) está basado en un láser de semiconductor SLD. El SLA amplifica la señal de entrada con el uso, en la entrada y salida, de señales de luz.

AMPLIFICADOR OPTICO SOA I. INTRODUCCION

L

a implementación de la fibra óptica ha evolucionado el mercado y la conexión, ya que sus características como transmitir varios canales sobre una misma fibra y la alta velocidad de interconexión, ha hecho de ella un medio transmisión elemental para la cual se trabajan en dispositivos que permitan mejorar más todavía esta implementación. Dispositivos como amplificadores, filtros, láseres, que permiten garantizar una excelente transmisión en cuanto a calidad y velocidad. Por ejemplo, los amplificadores ópticos los cuales son unos dispositivos que amplifica el haz de luz óptico proveniente de un láser, sin la necesidad de tener que convertir esta señal al domino eléctrico, amplificarlo en eléctrico y tener que volver al dominio óptico. Los componentes más importantes que se muestran en este documento son: Un amplificador óptico es capaz de amplificar un conjunto de longitudes de onda (WDM, wavelength division multiplexing), el fundamento de un amplificador es elevar el nivel de potencia de la señal, pero no generara una señal óptica, pese a ser parecido a un láser, pero el amplificador no posee una realimentación.

AMPLIFICADOR OPTICO EDFA Amplificador dopado de fibra de erbio, es el más empleado en la actualidad porque puede amplificar seáles ubicadas en la

Un amplificador óptico semiconductor es un amplificador óptico basado en un semiconductor de ganancia media. Es parecido a un diodo laser, donde en los finales de las ventanas tienen ventanas que han sido reemplazadas con una capa anti reflectante, pero sin realimentación que hace que este oscile.

FILTROS OPTICOS Un filtro óptico es un dispositivo que puede seleccionar una banda de longitudes de onda y eliminar el resto. Se tienen distintos filtros como:  Filtro de eliminación de ruido, el cual puede ser introducido por los amplificadores ópticos.  Filtro de selección de canales para sistemas WDM. BRAGG REFLECTORS Son espejos que en conjunto forman una estructura con múltiples capas que se alternan las cuales tienen distintos índices de refracción. Basados en la ley de Bragg la cual permite estudiar las direcciones en las que la difracción de rayos sobre una superficie de cristal produce interferencias constructivas. CAVIDADES FABRY PEROT Se necesita una realimentación que devuelva los fotones generados hacia el medio amplificador, así el número de fotones se incrementa. Esto se consigue introduciendo el

2 material amplificador en el interior de una cavidad resonante, esta consta de dos espejos en el cual la luz choca con ambos para que la luz resulte amplificada. A este dispositivo se le da el nombre de cavidad fabry perot, en el cual el coeficiente de reflexión debe ser elevado de manera que deje escapar hacia el exterior de la cavidad la potencia pretendida. LASER DFB O laser de alimentación distribuida, es un láser en la cual su parte superior consta de una rejilla de difracción. Esta rejilla de difracción funciona como un reflector Bragg, este es una estructura formada por varias capas de distintos materiales los en los cuales varían sus índices de refracción, lo cual es básicamente un espejo. En esta estructura se crea un acoplamiento mutuo entre dos ondas, por esta razón la retroalimentación es distribuida a lo largo de la cavidad.



Tiene un amplio ancho de banda, por lo que amplifica varias longitudes de onda simultáneamente.

Las limitaciones más importantes que supone su empleo son: 

Al no regenerar la señal se produce un efecto acumulativo de la dispersión.  Su ganancia no es uniforme en todo el rango de amplificación, por lo que debe ser ecualizada.  Su ancho de banda es finito por lo que limita el número de canales en los sistemas WDM.  Introducen un ruido adicional que es amplificado junto con la señal. Tipos de Amplificadores ópticos según su aplicación:

LASER VCSEL Consta de dos espejos Bragg paralelos a la superficie de la oblea, y entre ambos una región activa que consiste de uno o más pozos cuánticos para la generación del haz laser.

O laser de emisión superficial con cavidad vertical, es un diodo semiconductor, el cual emite su luz en un haz cilíndrico vertical de la superficie en lo que parece ser una oblea. Este ofrece pequeñas ventajas a comparación de los láseres de emisión lateral en cuanto a su fabricación.

CARACTERÍSTICAS Amplificadores ópticos: Se inician tras las desventajas de los repetidores eléctricos, pues estos ya tienen sistemas con varias longitudes de onda y de alta velocidad, más baratos y sencillos. [1] “Generan una réplica de la señal de entrada, pero con mayor nivel de potencia, operando completamente en el dominio óptico. Además, pueden emplearse en otros procesos como la conmutación, la demultiplexación, o bien en la conversión de longitud de onda, aprovechando su comportamiento no lineal.” Ventajas con respecto a los repetidores:    

Mayor simplicidad y por tanto menor probabilidad de fallos y menor coste. Permiten emplear reflectómetros ópticos para el testeo y supervisión de las líneas de fibra óptica. Pueden ser integrados. Funcionamiento independiente del tipo de modulación de la señal.

[2] “Fig.2.1 Tipos de amplificadores según su aplicación. a) Amplificador de línea: En un enlace con fibra monomodo, como el que se muestra en la figura (a), se emplea para elevar el nivel de potencia de la señal y compensar así las pérdidas sufridas por la propagación de la señal. Frecuentemente se instalan varios amplificadores en cascada a lo largo de la línea. b) Preamplificador: En un receptor, como muestra la figura (b), su misión es amplificar la señal antes de ser detectada por el fotodetector para mejora así la relación señal ruido. c) Amplificador de potencia tras la fibra óptica d) Amplificador de potencia delante un divisor

3 Situándose a continuación de la fuente láser, se emplea para elevar el nivel de potencia de la señal e incrementar la distancia de transmisión. En la configuración de la figura (c) su objetivo es compensar las pérdidas debidas al modulador externo. En la configuración de la figura (d) busca compensar las pérdidas que sufre una señal al atravesar un divisor.” Funcionamiento: Los amplificadores ópticos funcionan mediante un proceso de emisión estimulada por un láser con características diferentes para garantizar este proceso, por ejemplo, el láser no posee una realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que puede elevar el nivel de potencia de la señal sin generar otra señal óptica coherente. Fig2.2 Funcionamiento de un amplificador óptico

La fuente de bombeo inyecta energía en la zona activa del amplificador. Esta energía es abosorvida por los electrones incrementando sus niveles de energía y produciendo la inversión de la población. Al ser alcanzados estos electrones por los fotones de la señal óptica de entrada caen a unos niveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo fotón, esto es el proceso de emisión estimulada, produciéndose así la amplificación de la señal. La amplificación se produce dentro de un rango de frecuencias que dependen del material, así como su estructura. En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones de elementos semiconductores como el fósforo, el indio, el galio y el arsénico. En los DFA es un núcleo de fibra óptica dopada con iones de tierras raras como el Erbio (Er), el Praseodimio (Pr), el Iterbio (Yb) o el Neodimio (N Tipos de Amplificadores: EDFA Amplificador dopado de fibra de erbio, es el más empleado en la actualidad porque puede amplificar seáles ubicadas en la tercera ventana (1550nm), gracias a las propiedades energéticas del erbio. Niveles energéticos del Erbio Fig.2.3 Diagrama de niveles del Erbio

[3]“Se puede ver en el diagrama de niveles de energía del erbio que la transición entre los niveles 4I13/2 y 4I15/2corresponde a una longitud de onda comprendida entre 1530nm y 1560nm aproximadamente. Luego al provocar una inversión de población entre dichos niveles se puede amplificar señales en la tercera ventana. El primer nivel excitado, 4I13/2, desde el que las frecuencias de transición se corresponden con la tercera ventana, tiene un tiempo de vida medio de unos 10ms, mientras que en los dos superiores es de 0.001ms, por lo que el nivel 4I13/2 es un estado meta estable. Por lo tanto, todo ion que llegue a estos niveles por medio del bombeo acabara cayendo al nivel 4I13/2 por emisión espontánea, y a su vez cara al nivel fundamental por emisión estimulada, produciéndose así la amplificación.” Lo que hace el erbio cuando es dopado con iones en la fibra es provocar que las bandas de transición se ensanchen con el efecto secundario del ensanchamiento del rango longitudes de onda que puedan amplificarse. Este efecto puede mejorarse añadiendo al núcleo, aluminio y óxido de germanio. Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son 1480nm (mediante un diodo láser de InGaAsP) y 980nm (mediante un diodo láser de InGaAs). El empleo de una u otra longitud de onda depende de ciertas características del proceso de absorción en cada uno de estos niveles, derivadas de los diferentes tipos de ruido al que pueden originarse, de la disponibilidad de las fuentes de bombeo o de la saturación de ganancia. El bombeo a 1480nm supone un amplificador más ruidoso, pero más inmune a la saturación de ganancia. Mientras que el bombeo a 980nm proporciona un amplificador con prestaciones de ruido excelentes, pero es más proclive a la saturación de ganancia. En ambos casos es posible obtener ganancias entre 30 y 50 dB. Configuraciones de Bombeo Los elementos básicos para implementar un EDFA son:  El medio activo donde se produce la inversión de población. Formado por un tramo de fibra óptica de Si0 2 con el núcleo dopado con iones de erbio.

4 

La fuente de bombeo óptico a 1480 o 980nm, formada por un láser semiconductor.

Fig2.4 Configuraciones de EDFA.

La primera configuración es la más usada, como se puede observar la señal de entrada ya la señal de bombeo e inyectan al EDFA combinadas por medio de un acoplador. El primer aislador se emplea para impedir la propagación hacia fuera del EDFA de la emisión espontánea (ruido ASE) que se genera y se propaga en sentido contrario al de la transmisión. El bombeo y la amplificación se realizan en el mismo sentido que la propagación. A la salida se coloca otro aislador que evita la entrada al EDFA y por tanto su amplificación de cualquier señal reflejada. Finalmente se emplea un filtro óptico para filtrar el ruido ASE, generado en el amplificador, que se encuentre fuera de la banda de la señal útil. La siguiente configuración se diferencia de la anterior en que la señal de bombeo se inyecta al EDFA en sentido contrario a la propagación. El aislador de la entrada además de cumplir las funciones anteriores, tiene la misión de evitar la propagación de la señal de bombeo fuera del amplificador. La ventaja de esta configuración es permite ganancias más altas, pero sus características de ruido son peores.

la figura a potencias altas la respuesta de la ganancia en todo el rango de la banda C (1530-1565nm) es bastante plano lo cual no sucede a potencia de entrada más bajas. Esto es un grave inconveniente en los sistemas WDM, ya que no todos los canales se amplifican por igual”. Fig.2.5 Representación de la ganancia de un EDFA respecto a la longitud de onda.

Características técnicas por las cuales el EDFA es el más empleado.  Como consecuencia de su geometría cilíndrica sus pérdidas de inserción en las uniones con la fibra óptica son muy reducidas.  Debido también a su geometría su ganancia es poco sensible a la polarización de la señal.  El ruido que genera es bajo.  La saturación de la ganancia no ocasiona distorsión. Su principal inconveniente es que sólo opera en la tercera ventana, aunque se existen dispositivos similares pero dopados con otros elementos que pueden operar en otra ventana. Otro problema es que su ganancia no es uniforme para todas las longitudes de onda, aunque esto se solventa trabajando cerca de su saturación, pues la curva de ganancia es más plana. Fig.2.6 Tabla de los parámetros típicos de un EDFA

La tercera configuración es una combinación de las dos anteriores. Consiste en un doble bombeo, por lo que se denomina bombeo dual o bidireccional. La ganancia por tanto puede llegar a duplicarse. Este esquema es muy empleado en la implementación de amplificadores repetidores.

Longitud de onda de bombeo Eficiencia de bombeo (dB/mW) Figura de ruido (dB) Potencia de salida de saturación (dBm) Ganancia (dB) Potencia de bombeo (mW)

1480 nm 980 nm 5 10 5.5 3-4.5 20 5 40 50 50-200 10-20

Ganancia de un EDFA Ganancia de un EDFA en función de la longitud de onda para diferentes valores de potencia de entrada, con una señal de bombeo a 1480nm. [4] “El EDFA no presenta una ganancia uniforme con la longitud de onda. Debido a la saturación según crece la potencia de entrada la ganancia disminuye hasta llegar a un punto en que se mantiene constante. El máximo de ganancia se alcanza alrededor de los 1530-1535nm. Como puede verse en

SOA Amplificador óptico de semiconductor La estructura evita oscila porque su láser semiconductor tiene esta configuración de sin retroalimentación, de acuerdo a cómo se evite esta oscilación se tiene tres subtipos de amplificadores:  Amplificadores de enganche por inyección. De menos empleo, tienen láseres de semiconductores

5 polarizados por encima del umbral que se emplea para amplificar una señal óptica de entrada. 

Amplificador Fabry-Perot (FP) . Su estructura es básicamente como la de un láser de Fabry-Perot pero polarizado por debajo del umbral impidiendo así su oscilación. Su principal inconveniente es su respuesta en frecuencia, que al igual que un filtro de FabryPerot consiste en una serie de bandas de paso espaciadas periódicamente.  Amplificador de onda viajera (TWSLA, Travelling Wave SLA ) . En el se eliminan las reflectividades de los espejos de salida de la cavidad, evitando así la realimentación de la señal, por lo que la amplificación se produce por el paso de la señal un sola vez por el dispositivo. Este amplificador se suele alargar con respecto a los diodos laseres convencionales para aumentar la ganancia. El amplificador de onda viajera es el tipo SOA más empleado en la actualidad debido a sus prestaciones en saturación, ancho de banda y ruido. Su estructura consiste en una unión pn polarizada en directa con los extremos de la zona activa recubiertos con un material antirreflectante. Fig.2.7 Estructura de un SOA de onda viajera

Fig.2.8 Estructura de un SOA de onda viajera, en la izquierda el medio activo se sitúa de forma no ortogonal a las caras de entrada y salida; en la derecha las caras no son paralelas

En la configuración de la forma izquierda, la señal que incide sobre la superficie de salida no lo haga formando un ángulo de 90º con ésta, de forma que la poca señal reflejada por la cara de salida no se realimente. En el otro esquema, tiene la misma misión que el anterior, las caras extremas no están paralelas entre sí. Ventajas  La facilidad de construcción a distintas longitudes de onda variando la composición del material.  La posibilidad de integración por su reducido tamaño. Desventajas  Cuando las señales transmitidas poseen ciertos niveles de potencia aparecen fenómenos de naturaleza no lineal que producen distorsión y



diafonías. Por ejemplo, debido a la saturación de la ganancia la señal de un canal puede modular la ganancia instantánea del amplificador de forma que la información de esta señal pase a las señales del resto de canales, esto es la modulación cruzada de ganancia (XGM, Cross-Gain Moulation). Otro efecto similar al anterior que puede producirse en la fase es la modulación de cruzada de fase (XPM, Cross-Phase Modulation. Su geometría rectangular produce pérdidas al acoplarlo con la fibra, y no amplifica por igual las dos polarizaciones de las señales.

Los efectos debido a los fenómenos no lineales son útiles para implementar, a partir de los amplificadores ópticos, convertidores de longitud de onda. Se aprovechan estos fenómenos para pasar la información de una señal en una longitud de onda a otra con distinta longitud de onda. SLA Está basado en un láser de semiconductor SLD. El SLA amplifica la señal de entrada con el uso, en la entrada y salida, de señales de luz. La región activa tiene electrones excitados y cuando estos son forzados a llegar al nivel del suelo, ocurre el proceso de amplificación. Aquí la faceta de reflectividad se encuentra entre el 30% y 35%. Se puede generalizar una estructura SLA que está compuesta por una región activa incrustada con dos facetas (al inicio y al final) en la entrada y en la salida de la señal de luz. Los coeficientes de potencia de reflexión (R1 y R2) son los responsables de proporcionar la retroalimentación óptica en el amplificador Debido a las discontinuidades del índice de refracción entre el semiconductor y el aire, surgen reflexiones finitas. Por ultimo cuando la señal pasa a través de la región activa G, esta aumentara.

Filtros Ópticos Es un dispositivo capaz de seleccionar una banda de longitudes de onda y eliminar el resto. Es un dispositivo clave en el sistema de comunicaciones, sus principales aplicaciones son:  La ecualización de la respuesta de los amplificadores ópticos.  La eliminación del ruido, introducido por ejemplo por los amplificadores ópticos.  La selección de canales en sistemas WDM. [5] “Para realizar estas aplicaciones de forma óptima estos dispositivos deben tener unas pérdidas de inserción reducidas. Idealmente, su banda de paso debe ser plana para evitar así la distorsión de la señal. Además, la banda de transición de su repuesta debe ser abrupta para evitar la diafonía (cross-talk) con los canales próximos. También es necesario que su comportamiento sea independiente de la polarización de la señal.”

6 Filtros de Interferencia Se construyen mediante un apilamiento de series de delgadas capas de dos materiales con distinto índice de refracción, de horma alternativa, sobre un substrato de cristal. Estos materiales suelen ser dieléctricos, por lo que también se les conoce como filtros dieléctricos.

través de la cavidad FP. Esta condición está determinada por el espesor de la cavidad, D; el índice de refracción de ésta, n; el ángulo de incidencia de la luz, θ.

La diferencia en el índice de refracción entre dos capas consecutivas provoca la reflexión. El fenómeno es el mismo que la reflexión de Fresnel que sucede en los conectores con un hueco de aire con la fibra.

Fig.2.10 Estructura de un filtro de Fabry-Perot y su función de transferencia, donde TFP(f) es la expresión de la función de transferencia, FSR es el rango espectral libre.

2nDcosθ = Nλ donde N es un número entero.

Este dispositivo sólo permite un rango estrecho de longitudes de onda que se tramitan, las cuales están determinadas por las propiedades del material, y refleje del resto. Las longitudes de onda transmitidas vienen dadas por la siguiente expresión, Nλ = 2nDcosθ. donde N es un entero, n es el índice de refracción de la capa, D es el grosor de la capa y θ es el ángulo de incidencia de la luz con respecto a la normal. Sólo aquellas longitudes de onda cuyo período coincida con la longitud de dos capas de distinto índice de refracción son transmitidas a través del filtro. Fig.2.9 Longitudes de onda seleccionadas en un filtro de interferencia

Las frecuencias correspondientes a los picos de transmisión son periódicas, siendo la separación entre dos picos consecutivos, FSR (Free Sepectral Range). Como se observa según aumenta el coeficiente de reflexión los picos se hacen más estrechos, es decir, la selectividad del filtro aumenta. Los parámetros característicos de un filtro de Fabry-Perot son: FSR La función de transferencia del filtro es periódica con la frecuencia. Este periodo es precisamente el rango espectral libre (FSR) del filtro. Por lo tanto, a múltiplos del FSR se repite la función de transferencia. Fig.2.11 Relación frecuencia/FSR

Los filtros de interferencia transmiten un rango estrecho de longitudes de onda. Esto hace que los filtros de interferencia sean muy importantes en el diseño de demultiplexores ópticos. Filtro de Fabry-Perot Este dispositivo se basa en el resonador de Fabry-Perot, FP. Un resonador FP, es una cavidad de índice de refracción n, con dos espejos paralelos altamente reflexivos. Cuando una radiación óptica entra en esta cavidad, aquellas longitudes de onda que cumplen una determinada condición se transmite a

Fig2.12 Función de transferencia periódica

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FWHM (Anchura a media altura), FINURA y relación de contraste. La función de transferencia del filtro es periódica con la frecuencia. Este periodo es precisamente el rango espectral libre (FSR) del filtro. Por lo tanto, a múltiplos del FSR se repite la función de transferencia como se observa en las figuras. Se concluye que al aumentar el valor de reflectividad disminuye el valor de FWHM, por lo que el filtro es más selectivo. Esto se puede comprobar en la función de transferencia siguiente.

De la expresión anterior, es claro que la finura del filtro (selectividad) será tanto mejor cuanto más cercana a la unidad este el valor de la reflectividad de los espejos. Así que, cuanto mayor sea la finura, mayor será la selectividad. Utilizando el ejemplo de la figura anterior, se pueden comparar a continuación diferentes funciones de transferencias, cada una de ellas con un valor de finura distinto.

Fig. 2.15 Finura de diferentes filtros de Fabry-Perot.

Fig.2.13 Ancho de banda a -3dB del máximo

A partir de la expresión de la FWHM y de la expresión de la finura, se obtiene la relación de contraste del filtro, que expresa la relación entre los valores máximo (en la resonancia) y mínimo (entre resonancias) de T (f).

Fig. 2.14 Aumento de la selectividad al aumentar la reflectividad

CONFIGURACIÓN DEL FILTRO [6] “Para el correcto funcionamiento del filtro, el FSR tiene que ser mayor o igual a la banda que ocupan los canales que se quieren filtrar, de lo contrario al seleccionar un canal se estaría seleccionando también un canal situado en un periodo espectral adyacente. Visto de otro modo, el FSR tiene que ser mayor o igual que el número de canales (N) por el espaciado que hay entre ellos (Δf). ”.

Filtros de Mach-Zender La función roja es la más selectiva, ya que tiene la reflectividad mayor y por lo tanto el FWHM menor, es decir un menor ancho de banda a -3dB. Otra forma de medir la selectividad en el filtro de Fabry-Perot es por medio de la finura (F), definida por:

Filtros sintonizables acusto-ópticos Su funcionamiento se basa en el cambio de algunas propiedades que experimentan ciertos materiales cuando son atravesados por una onda acústica. Entre los materiales en los que este fenómeno es más significativo se encuentra el niobato de litio.

8 Fig.2.16 Esquema de un filtro acusto-óptio sintonizable

superior de forma que al final de la fibra la longitud de 980nm sale por la fibra superior y la de 1550nm por la inferior. Bragg Reflectors [9] “Es una estructura usada en las fibras ópticas formada a partir de múltiples capas de alternancia de materiales con diferentes índices de refracción, o por la variación periódica de alguna característica (por ejemplo, altura) de una guía de onda dieléctrica, lo que resulta en la variación periódica en el índice de refracción efectivo en la guía.”

[7] “Mediante un transductor piezoeléctrico se genera una onda acústica de una frecuencia entorno a 100-200 MHz. Esta onda se propaga por el filtro y crea una red de difracción. Aunque esta onda se propaga a lo largo del material, la señal óptica que atraviesa el filtro la "ve" como si se mantuviera estática. Como la frecuencia de la señal óptica es mucho mayor que la de la onda sonora, la interacción entre ambas se produce en un intervalo de tiempo muy corto. El resultado de esta interacción es que el haz óptico de entrada aparece en la salida dividido en un conjunto de nuevo haces debido al fenómeno de difracción.” Acopladores [8] “Los acopladores ópticos pueden separar longitudes de onda. La cantidad de luz que pueden transferir entre las fibras fundidas depende de la longitud de la región de acoplamiento y de las longitudes de onda como se muestra en la siguiente figura. Este efecto se aprovecha para separar longitudes de onda.” Fig.2.17

Cada capa límite provoca un reflejo parcial de una onda óptica. Para las ondas cuya longitud de onda está cerca de cuatro veces el espesor óptico de las capas, las muchas reflexiones se combinan con interferencia constructiva, y las capas actúan como un reflector de alta calidad. La gama de longitudes de onda que son reflejadas se llama fotónico banda de detención. Dentro de este rango de longitudes de onda, la luz es "prohibido" para propagar en la estructura. La reflectividad está dada por la siguiente formula:

Donde n0, n1, n2 y ns son los respectivos índices de refracción del medio de origen, los dos materiales alternativos y el medio de terminación, N es el número de pares repetidos de bajo/alta índice refractivo del material. La frecuencia de ancho de banda detención fotónico se puede calcular

donde

de la banda de

es la frecuencia central de la banda.

Aumentar el número de pares en un DBR aumenta la reflectividad espejo y aumentando el contraste de índice de refracción entre los materiales en los pares de Bragg aumenta tanto la reflectividad y el ancho de banda. Una opción común de materiales para la pila es dióxido de titanio (n ≈2.5) y de sílice (n ≈1.5). Sustituyendo en la fórmula anterior da un ancho de banda de aproximadamente 200 nm para la luz 630 nm.

La luz entra por la fibra superior y gradualmente se transfiere hacia la fibra inferior, de forma que si la longitud es lo suficientemente larga toda la luz se transfiere a la fibra inferior. En la figura la longitud de 980nm se desplaza hacia la fibra inferior antes que la longitud de 1550nm, según avanza por la fibra la longitud de 980nm vuelve a desplazarse a la fibra

Los reflectores Bragg son componentes críticos en la superficie de cavidad vertical que emiten rayos laser y otros tipos de diodos laser. También son usados para formar parte del resonador de cavidad en láseres de fibra y de electrones libres. Tipos de reflectores Bragg  Espejos dieléctricos.  Rejillas de fibras Bragg.  Existen varios tipos de reflectores Bragg utilizados en

9 otras guías de onda, basadas en, por ejemplo, estructuras de guías de ondas corrugadas que pueden ser fabricados a través de la litografía. Existen otros tipos de reflectores de múltiples capas que se desvían del diseño simple, pero en general tienen una reflectividad más baja en comparación que los Bragg, pero estos se pueden usar como espejos de variación de frecuencia para compensación de la dispersión. CAVIDADES FABRY PEROT Fig2.18 Cavidad Fabry-Perot

La cavidad Fabry-Perot se forma al introducir la heteroestructura entre dos espejos formados al cortar de forma recta y limpia el material a lo largo de los planos de corte de semiconductor. La reflexión se produce por la discontinuidad entre el medio semiconductor y el aire. La reflectividad de potencia de dicho espejo se puede calcular aplicando las fórmulas de Fresnel para incidencia normal.

donde next representa el índice de refracción del medio exterior, que en la mayoría de los casos será aire (next »1). En general, el índice de refracción de los materiales semiconductores empleados ronda el valor next »3.5, por lo que R» 0.3, suficiente para la mayoría de las aplicaciones.

de la unión pn y está físicamente localizada en la zona activa del semiconductor. Por otra parte, la inversión de población necesaria en la zona activa se consigue inyectando electrones a la zona activa en dirección perpendicular al plano de la unión pn. Las dimensiones típicas de la zona activa son, en cuanto a longitud de 100 a 500 m m, en anchura de 5 a 15 m m y en grosor de 0.1 a 0.5 m m. Por lo tanto, a todos los efectos, puede considerarse una guía de onda dieléctrica plana . En concreto, dentro de la estructura existen tres tipos de modos: 1. Modos laterales, que son ondas estacionarias formadas en la coordenada y de la zona activa, determinan la forma y el perfil del campo eléctrico en dicha dirección. 2. Modos transversales, que son ondas estacionarias formadas en la coordenada x de la zona activa, determinan la forma y el perfil del campo eléctrico en dicha dirección. 3. Modos longitudinales, son ondas estacionarias formadas en la coordenada z de la zona activa y determinan el espectro de frecuencias emitido por el láser. De los tres modos, la combinación de 1 y 2 resultan en los perfiles modales espaciales del campo, similares a los modos LP de una fibra óptica, mientras que los terceros, determinan las frecuencias propias de la cavidad que se emitirán en forma de radiación al exterior de ésta. [10] “En la estructura de la cavidad Fabry-Perot, formada por dos espejos reflectantes separados una distancia L, el material comprendido entre ambos espejos es el medio amplificador y posee una constante de propagación dada por g = (ac -g) /2+j b, donde g es la ganancia óptica del medio, a c las pérdidas por absorción yscattering en el material y b la constante de fase. Una onda óptica incidente (linealmente polarizada, por ejemplo en dirección y) de amplitud de campo dada por Eiy sufre sucesivas reflexiones en los espejos que forman la cavidad, de forma que la onda a la salida de la estructura está formada por la interferencia múltiple de aquellas que van saliendo de la cavidad después de cada tránsito como se muestra en la figura.” Fig2.20 Esquema y evolución de la señal en la zona activa de una láser Fabry-Perot.”

Fig2.19 Configuración geométrica de un láser de heteroestructura, mostrando sus dimensiones longitudinal, transversal y lateral

El campo eléctrico a la salida de la cavidad Fabry-Perot viene dado por:

a dirección en la que se forma la cavidad es paralela al plano

Las condiciones de oscilación del láser Fabry-Perot se consiguen al forzar el que haya salida en ausencia de señal de entrada a la cavidad, es decir, anulando el denominador de la

10 expresión anterior, con lo que se consigue: Esta ecuación es compleja y puede desglosarse en una parte real y otra imaginaria: · La parte real da la condición de ganancia umbral requerida para conseguir radiación láser:

La ganancia umbral es igual a la suma de las pérdidas de la cavidad: la intrínsecas del material de la cavidadac y las pérdidas en los espejos. · La parte imaginaria da la condición de fase: A partir de la condición de fase pueden obtenerse las frecuencias propias de la cavidad Fabry-Perot o modos longitudinales, ya que b depende de la frecuencia a través de la expresión b = 2 npn´/c. Así pues, las posibles frecuencias de oscilación de la cavidad vienen dadas por:

LASER DFB (DISTRIBUTED ) Los láseres DFB existe una capa ondulada periódicamente llamada capa de guía (Guiding Layer) a lo largo de la región activa del dispositivo. Fig.2.22 Esquema de un láser DFB.

Por lo tanto, las posibles frecuencias son infinitas, y están separadas entre sí una cantidad constante:

donde τL el tiempo de tránsito correspondiente a una vuelta completa a la cavidad, y vale aproximadamente 10 psg. Aunque se ha dicho que las posibles frecuencias son infinitas, no todas cumplen la condición de amplitud, por lo que el láser sólo emitirá un conjunto limitado de éstas. Esto se explica gráficamente en la figura 2.21, donde se representan en el espectro las frecuencias propias de la cavidad Fabry-Perot junto con la curva de ganancia del material y las pérdidas. Sólo aquellas frecuencias para las que g³ gth, o sea, en las que su ganancia óptica sea mayor a la ganancia umbral, serán emitidas por el láser. Fig. 2.21 Espectro de emisión de un láser Fabry-Perot a partir del producto de la curva espectral de ganancia que compone su medio activo y del espectro periódico de la cavidad FabryPerot.

Las ondulaciones actúan como red de difracción a lo largo de la cavidad óptica del láser, por este se produce una interferencia constructiva entre las dos ondas en ciertas longitudes de onda, lo cual permite la selección de longitudes de onda para la cavidad laser. Para resonar, la longitud de onda tiene que encajar el periodo de la red de difracción, siendo la siguiente la condición de resonancia de un láser DFB:

Donde λg es la longitud de onda de Bragg, Λ es el periodo de la red de difracción conocido como grating pitch y n es el índice de refracción efectivo de la guía de ondas ópticas. Existe también el DBR el cual es el reflector de Bragg distribuido, a diferencia de DFB, la rejilla esta fuera de la región del medio activo, en un lugar por el que no pasa corriente (parte pasiva de la cavidad). Fig.2.23 Diferencia entre esquemas DFB y DBR

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Por lo tanto, la red de difracción actuará como un elemento selectivo de distintas longitudes de onda y proveerá retroalimentación, reflejando la luz de nuevo a la cavidad óptica para formar el resonador. LASER VCSEL (VERTICAL EMITTING LASER)

CAVITY

SURFACE

Consta de dos espejos Bragg paralelos a la superficie de la oblea, y entre ambos una región activa que consiste de uno o más pozos cuánticos para la generación del haz laser. Para compensar la corta longitud del medio de ganancia se necesitan los espejos de alta reflectancia, los espejos de Bragg están hechos con capas de índices de refracción altos. El espesor de cada capa es ¼ de la longitud de onda del láser en el material, consiguiendo así una reflectancia mayor al 99% Fig.2.24 Estructura de un VCSEL.

Los espejos superior e inferior son materiales dopados de tipo p y n, respectivamente, que forman una unión PN. En algunos VCSEL más compleja, la p y n regiones pueden ser enterrados entre el espejo de Bragg; esto implica un proceso más complejo de hacer o eléctrico con el medio de ganancia, pero limitar las pérdidas eléctricas en los espejos de Bragg. Los VCSELs tienen alto rendimiento y bajo costo, algunas de sus características son:  Su ancho espectral (Dl) es de aproximadamente 1nm.  Su longitud de onda central es de aproximadamente 850 nm.  Alcanza potencias ópticas del orden de 10 mW.  Se puede aplicar un VCSEL en transmisión de datos en el rango de velocidad de 100 Mbs a 1 Gbs.  La estructura puede ser integrada en una configuración de arreglos de 2 dimensiones La estructura puede ser integrada en una configuración de arreglos de 2 dimensiones.  Comercialmente la corriente de umbral de un VCSEL es de aproximadamente 4 mA.  Su haz circular y baja divergencia eliminan la necesidad de óptica correctiva. Aplicaciones de este tipo de laser:  Transmisión de la señal de banda ancha Analog  Imágenes Tera hercios Activo  Espectroscopia de absorción  Impresoras Láser  Ratón óptico  La transmisión de datos por fibra óptica

Los reflectores distribuidos de Bragg (DBRs), llegan a formar espesor usando entre 40 60 películas en cada DBR produciéndose un espesor total de entre 40 y 60 películas en cada DBR, produciéndose un espesor total de 6μm –8μm. Para crear la unión p-n se necesita que un DBR este dopado para hacerlo semiconductor tipo n y el otro DBR tipo p. Fig.2.25 Estructura de un VCSEL (Izquierda) Implantación de protones (derecha) Mesa de óxido confinado.

12 II. CONCLUSIONES   

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El erbio al núcleo de una fibra provoca un ensanchamiento en el rango de longitudes de onda. Los láseres VCSEL no solo están ligados a las comunicaciones sino a distintos tipos de aplicaciones. Los componentes, dentro una red de fibra óptica, se comportarán transparentemente ya que la finalidad del uso de todo esto es brindar mejores servicios de telecomunicaciones. En la estructura de la cavidad Fabry-Perot, formada por dos espejos reflectantes separados una distancia L, el material comprendido entre ambos espejos es el medio amplificador y posee una constante de propagación dada. Las cavidades no son más que dos espejos colocados frente a frente con distintos tipos de reflexión para aumentar la potencia óptica y que esta no se atenué en los trayectos largos.

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III. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9],[10] (Nemesis, 2015).

IV. REFERENCIAS Nemesis, T. (20 de 01 de 2015). Componentes. (U. d. Catalunya, Productor, & UOC) Obtenido de Tutorial de Comunicaciones Ópticas: http://nemesis.tel.uva.es/images/tCO/index.htm