Amplificadores Ópticos EDFA, SOA, SLA, Filtros Ópticos, Bragg Reflectors, Cavidades Fabry, Láser...

8/16/2019 Amplificadores Ópticos EDFA, SOA, SLA, Filtros Ópticos, Bragg Reflectors, Cavidades Fabry, Láser DFB, y VCSEL.

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Resumen — . El presente documento muestra la informaciónsobre el uso de distintos componentes dentro de la estructuracompleta de la red de fibra como los filtros, amplificadores yláseres que, gracias a su implementación en la fibra óptica, en lasredes y accesos al medio han permitido garantizar y consolidar la

fibra óptica en cuanto a las comunicaciones ópticas que se handado por la creciente demanda del usuario final, al quereralcanzar siempre mayores velocidades.

I. I NTRODUCCION

a implementación de la fibra óptica ha evolucionado elmercado y la conexión, ya que sus características como

transmitir varios canales sobre una misma fibra y la altavelocidad de interconexión, ha hecho de ella un mediotransmisión elemental para la cual se trabajan en dispositivosque permitan mejorar más todavía esta implementación.

Dispositivos como amplificadores, filtros, láseres, que permitengarantizar una excelente transmisión en cuanto a calidad yvelocidad. Por ejemplo, los amplificadores ópticos los cualesson unos dispositivos que amplifica el haz de luz óptico

proveniente de un láser, sin la necesidad de tener que convertiresta señal al domino eléctrico, amplificarlo en eléctrico y tenerque volver al dominio óptico.

Los componentes más importantes que se muestran en estedocumento 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 potenciade la señal, pero no generara una señal óptica, pese a ser

parecido a un láser, pero el amplificador no posee unarealimentación.

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

tercera ventana (1550nm), gracias a las propiedadesenergéticas del erbio.

AMPLIFICADOR OPTICO SLA

El amplificador laser semiconductor por sus siglas(Semiconductor Laser Amplifier) está basado en un láser desemiconductor SLD. El SLA amplifica la señal de entrada con

el uso, en la entrada y salida, de señales de luz.

AMPLIFICADOR OPTICO SOA

Un amplificador óptico semiconductor es un amplificadoróptico basado en un semiconductor de ganancia media. Es

parecido a un diodo laser, donde en los finales de las ventanastienen ventanas que han sido reemplazadas con una capa antireflectante, 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 tienendistintos filtros como:

Filtro de eliminación de ruido, el cual puede serintroducido 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 distintosíndices de refracción. Basados en la ley de Bragg la cual permiteestudiar las direcciones en las que la difracción de rayos sobreuna superficie de cristal produce interferencias constructivas.

CAVIDADES FABRY PEROTSe necesita una realimentación que devuelva los fotonesgenerados hacia el medio amplificador, así el número defotones se incrementa. Esto se consigue introduciendo el

Amplificadores ópticos EDFA, SOA, SLA,

Filtros ópticos, Bragg Reflectors, Cavidades

Fabry, Láser DFB, y VCSEL.

Guillermo Torres, [email protected]

L

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


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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 dael nombre de cavidad fabry perot, en el cual el coeficiente dereflexión debe ser elevado de manera que deje escapar hacia elexterior 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 dedifracción funciona como un reflector Bragg, este es unaestructura formada por varias capas de distintos materiales losen los cuales varían sus índices de refracción, lo cual es

básicamente un espejo. En esta estructura se crea unacoplamiento mutuo entre dos ondas, por esta razón laretroalimentación es distribuida a lo largo de la cavidad.

LASER VCSEL

Consta de dos espejos Bragg paralelos a la superficie de laoblea, y entre ambos una región activa que consiste de uno omás pozos cuánticos para la generación del haz laser.

O laser de emisión superficial con cavidad vertical, es un diodosemiconductor, el cual emite su luz en un haz cilíndrico verticalde la superficie en lo que parece ser una oblea. Este ofrece

pequeñas ventajas a comparación de los láseres de emisiónlateral en cuanto a su fabricación.

CARACTERÍSTICASAmplificadores ópticos:Se inician tras las desventajas de los repetidores eléctricos,

pues estos ya tienen sistemas con varias longitudes de onda yde alta velocidad, más baratos y sencillos.

[1] “Generan una réplica de la señal de entrada, pero conmayor nivel de potencia, operando completamente en eldominio óptico. Además, pueden emplearse en otros procesoscomo la conmutación, la demultiplexación, o bien en la

conversión de longitud de onda, aprovechando sucomportamiento no lineal.”

Ventajas con respecto a los repetidores:

Mayor simplicidad y por tanto menor probabilidad defallos y menor coste.

Permiten emplear reflectómetros ópticos para eltesteo y supervisión de las líneas de fibra óptica.

Pueden ser integrados. Funcionamiento independiente del tipo de

modulación de la señal.

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

Las limitaciones más importantes que supone su empleo son:

Al no regenerar la señal se produce un efectoacumulativo 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 elnúmero de canales en los sistemas WDM.

Introducen un ruido adicional que es amplificado junto con la señal.

Tipos de Amplificadores ópticos según su aplicación:

[2] “Fig.2.1 Tipos de amplificadores según su aplicación.a) Amplificador de línea:

En un enlace con fibra monomodo, como el que semuestra 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 encascada 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 señalruido.

c) Amplificador de potencia tras la fibra ópticad) Amplificador de potencia delante un divisor


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Situándose a continuación de la fuente láser, seemplea para elevar el nivel de potencia de la señal eincrementar la distancia de transmisión. En laconfiguración de la figura (c) su objetivo escompensar las pérdidas debidas al moduladorexterno. En la configuración de la figura (d) buscacompensar las pérdidas que sufre una señal alatravesar un divisor.”

Funcionamiento:Los amplificadores ópticos funcionan mediante un proceso deemisión estimulada por un láser con características diferentes

para garantizar este proceso, por ejemplo, el láser no poseeuna realimentación para evitar que el dispositivo oscile, deforma que puede elevar el nivel de potencia de la señal singenerar otra señal óptica coherente.Fig2.2 Funcionamiento de un amplificador óptico

La fuente de bombeo inyecta energía en la zona activa delamplificador. Esta energía es abosorvida por los electronesincrementando sus niveles de energía y produciendo lainversión de la población. Al ser alcanzados estos electrones

por los fotones de la señal óptica de entrada caen a unosniveles energéticos más bajos dando lugar a un nuevo fotón,esto es el proceso de emisión estimulada, produciéndose así laamplificación de la señal.La amplificación se produce dentro de un rango de frecuenciasque dependen del material, así como su estructura.

En los SOA la zona activa esta construida con aleaciones deelementos semiconductores como el fósforo, el indio, el galioy el arsénico. En los DFA es un núcleo de fibra óptica dopadacon iones de tierras raras como el Erbio (Er), el Praseodimio(Pr), el Iterbio (Yb) o el Neodimio (N

Tipos de Amplificadores:EDFAAmplificador dopado de fibra de erbio, es el más empleado en

la actualidad porque puede amplificar seáles ubicadas en latercera ventana (1550nm), gracias a las propiedadesenergéticas del erbio.

Niveles energéticos del ErbioFig.2.3 Diagrama de niveles del Erbio

[3]“Se puede ver en el diagrama de niveles de energía delerbio que la transición entre losniveles 4I13/2 y 4I15/2corresponde a una longitud de ondacomprendida entre 1530nm y 1560nm aproximadamente.Luego al provocar una inversión de población entre dichosniveles se puede amplificar señales en la tercera ventana. El

primer nivel excitado, 4I13/2, desde el que las frecuencias detransición se corresponden con la tercera ventana, tiene untiempo de vida medio de unos 10ms, mientras que en los dossuperiores es de 0.001ms, por lo que el nivel4I13/2 es un estadometa estable. Por lo tanto, todo ion que llegue a estos niveles

por medio del bombeo acabara cayendo al nivel 4I13/2 poremisión espontánea, y a su vez cara al nivel fundamental poremisión 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 elefecto secundario del ensanchamiento del rango longitudes deonda que puedan amplificarse. Este efecto puede mejorarseañadiendo al núcleo, aluminio y óxido de germanio.

Las dos longitudes de onda de bombeo más adecuadas son1480nm (mediante un diodo láser de InGaAsP) y 980nm(mediante un diodo láser de InGaAs). El empleo de una u otralongitud de onda depende de ciertas características del procesode absorción en cada uno de estos niveles, derivadas de losdiferentes tipos de ruido al que pueden originarse, de ladisponibilidad de las fuentes de bombeo o de la saturación de

ganancia. El bombeo a 1480nm supone un amplificador másruidoso, pero más inmune a la saturación de ganancia.Mientras que el bombeo a 980nm proporciona un amplificadorcon prestaciones de ruido excelentes, pero es más proclive a lasaturación de ganancia. En ambos casos es posible obtenerganancias entre 30 y 50 dB.Configuraciones de BombeoLos elementos básicos para implementar un EDFA son:

El medio activo donde se produce la inversión de población. Formado por un tramo de fibra óptica deSi0 2 con el núcleo dopado con iones de erbio.


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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 puedeobservar la señal de entrada ya la señal de bombeo e inyectanal EDFA combinadas por medio de un acoplador. El primeraislador se emplea para impedir la propagación hacia fuera delEDFA de la emisión espontánea (ruido ASE) que se genera yse propaga en sentido contrario al de la transmisión. El

bombeo y la amplificación se realizan en el mismo sentido quela propagación. A la salida se coloca otro aislador que evita laentrada al EDFA y por tanto su amplificación de cualquierseñal reflejada. Finalmente se emplea un filtro óptico parafiltrar el ruido ASE, generado en el amplificador, que seencuentre fuera de la banda de la señal útil.

La siguiente configuración se diferencia de la anterior en quela señal de bombeo se inyecta al EDFA en sentido contrario ala propagación. El aislador de la entrada además de cumplirlas funciones anteriores, tiene la misión de evitar la

propagación de la señal de bombeo fuera del amplificador. Laventaja de esta configuración es permite ganancias más altas,

pero sus características de ruido son peores.

La tercera configuración es una combinación de las dosanteriores. Consiste en un doble bombeo, por lo que sedenomina bombeo dual o bidireccional. La ganancia por tanto

puede llegar a duplicarse. Este esquema es muy empleado en

la implementación de amplificadores repetidores.

Ganancia de un EDFAGanancia de un EDFA en función de la longitud de onda paradiferentes valores de potencia de entrada, con una señal de

bombeo a 1480nm.[4] “El EDFA no presenta una ganancia uniforme con lalongitud 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 sealcanza alrededor de los 1530-1535nm. Como puede verse en

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

Características técnicas por las cuales el EDFA es el másempleado.

Como consecuencia de su geometría cilíndrica sus pérdidas de inserción en las uniones con la fibraóptica son muy reducidas.

Debido también a su geometría su ganancia es pocosensible 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 dopadoscon otros elementos que pueden operar en otra ventana. Otro

problema es que su ganancia no es uniforme para todas laslongitudes de onda, aunque esto se solventa trabajando cercade su saturación, pues la curva de ganancia es más plana.

Fig.2.6 Tabla de los parámetros típicos de un EDFA

Longitud de onda de bombeo 1480 nm 980 nm Eficiencia de bombeo (dB/mW) 5 10Figura de ruido (dB) 5.5 3-4.5Potencia de salida de saturación (dBm) 20 5

Ganancia (dB) 40 50Potencia de bombeo (mW) 50-200 10-20

SOAAmplificador óptico de semiconductorLa estructura evita oscila porque su láser semiconductor tieneesta configuración de sin retroalimentación, de acuerdo acómo se evite esta oscilación se tiene tres subtipos deamplificadores:

Amplificadores de enganche por inyección. Demenos empleo, tienen láseres de semiconductores


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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 suoscilación. Su principal inconveniente es su respuestaen frecuencia, que al igual que un filtro de Fabry-

Perot consiste en una serie de bandas de pasoespaciadas periódicamente. Amplificador de onda viajera (TWSLA,

Travelling Wave SLA ) . En el se eliminan lasreflectividades de los espejos de salida de la cavidad,evitando así la realimentación de la señal, por lo quela amplificación se produce por el paso de la señal unsola vez por el dispositivo. Este amplificador se suelealargar con respecto a los diodos laseresconvencionales para aumentar la ganancia.

El amplificador de onda viajera es el tipo SOA más empleadoen la actualidad debido a sus prestaciones en saturación, anchode banda y ruido. Su estructura consiste en una unión pn

polarizada en directa con los extremos de la zona activarecubiertos 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 izquierdael medio activo se sitúa de forma no ortogonal a las caras deentrada y salida; en la derecha las caras no son paralelas

En la configuración de la forma izquierda, la señal que incidesobre la superficie de salida no lo haga formando un ángulo de90º con ésta, de forma que la poca señal reflejada por la carade salida no se realimente.

En el otro esquema, tiene la misma misión que el anterior, lascaras 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 denaturaleza no lineal que producen distorsión y

diafonías. Por ejemplo, debido a la saturación de laganancia la señal de un canal puede modular laganancia instantánea del amplificador de forma quela información de esta señal pase a las señales delresto de canales, esto es la modulación cruzada deganancia (XGM, Cross-Gain Moulation). Otro efectosimilar al anterior que puede producirse en la fase esla modulación de cruzada de fase (XPM, Cross-Phase

Modulation. Su geometría rectangular produce pérdidas alacoplarlo con la fibra, y no amplifica por igual lasdos polarizaciones de las señales.

Los efectos debido a los fenómenos no lineales son útiles paraimplementar, a partir de los amplificadores ópticos,convertidores de longitud de onda. Se aprovechan estosfenómenos para pasar la información de una señal en unalongitud de onda a otra con distinta longitud de onda.SLAEstá basado en un láser de semiconductor SLD. El SLAamplifica 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 sonforzados a llegar al nivel del suelo, ocurre el proceso deamplificación. Aquí la faceta de reflectividad se encuentra entreel 30% y 35%.Se puede generalizar una estructura SLA que está compuesta

por una región activa incrustada con dos facetas (al inicio y alfinal) en la entrada y en la salida de la señal de luz. Loscoeficientes de potencia de reflexión (R1 y R2) son losresponsables de proporcionar la retroalimentación óptica en elamplificadorDebido a las discontinuidades del índice de refracción entre elsemiconductor y el aire, surgen reflexiones finitas. Por ultimo

cuando la señal pasa a través de la región activa G, estaaumentara.

Filtros ÓpticosEs un dispositivo capaz de seleccionar una banda delongitudes de onda y eliminar el resto. Es un dispositivo claveen el sistema de comunicaciones, sus principales aplicacionesson:

La ecualización de la respuesta de los amplificadoresópticos.

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 ladistorsión de la señal. Además, la banda de transición de surepuesta debe ser abrupta para evitar la diafonía (cross-talk)con los canales próximos. También es necesario que sucomportamiento sea independiente de la polarización de laseñal.”


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Filtros de InterferenciaSe construyen mediante un apilamiento de series de delgadascapas de dos materiales con distinto índice de refracción, dehorma alternativa, sobre un substrato de cristal. Estosmateriales suelen ser dieléctricos, por lo que también se lesconoce como filtros dieléctricos.

La diferencia en el índice de refracción entre dos capas

consecutivas provoca la reflexión. El fenómeno es el mismoque la reflexión de Fresnel que sucede en los conectores conun hueco de aire con la fibra.

Este dispositivo sólo permite un rango estrecho de longitudesde onda que se tramitan, las cuales están determinadas por las

propiedades del material, y refleje del resto. Las longitudes deonda 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 laluz con respecto a la normal.

Sólo aquellas longitudes de onda cuyo período coincida con lalongitud de dos capas de distinto índice de refracción sontransmitidas a través del filtro.Fig.2.9 Longitudes de onda seleccionadas en un filtro deinterferencia

Los filtros de interferencia transmiten un rango estrecho delongitudes de onda. Esto hace que los filtros de interferenciasean 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 unaradiación óptica entra en esta cavidad, aquellas longitudes deonda que cumplen una determinada condición se transmite a

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

2nDcosθ = Nλ donde N es un número entero.

Fig.2.10 Estructura de un filtro de Fabry-Perot y su función de

transferencia, donde TFP(f) es la expresión de la función detransferencia, FSR es el rango espectral libre.

Las frecuencias correspondientes a los picos de transmisiónson periódicas, siendo la separación entre dos picosconsecutivos, FSR (Free Sepectral Range). Como se observasegún aumenta el coeficiente de reflexión los picos se hacenmás 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 lafrecuencia. Este periodo es precisamente el rango espectrallibre (FSR) del filtro. Por lo tanto, a múltiplos del FSR serepite la función de transferencia.

Fig.2.11 Relación frecuencia/FSR

Fig2.12 Función de transferencia periódica


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FWHM (Anchura a media altura), FINURA y relación decontraste.

La función de transferencia del filtro es periódica con lafrecuencia. Este periodo es precisamente el rango espectrallibre (FSR) del filtro. Por lo tanto, a múltiplos del FSR serepite la función de transferencia como se observa en lasfiguras.Se concluye que al aumentar el valor de reflectividaddisminuye el valor de FWHM, por lo que el filtro es másselectivo. Esto se puede comprobar en la función detransferencia siguiente.

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

Fig. 2.14 Aumento de la selectividad al aumentar lareflectividad

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

De la expresión anterior, es claro que la finura del filtro(selectividad) será tanto mejor cuanto más cercana a la unidadeste el valor de la reflectividad de los espejos. Así que, cuantomayor sea la finura, mayor será la selectividad. Utilizando el

ejemplo de la figura anterior, se pueden comparar acontinuación diferentes funciones de transferencias, cada unade ellas con un valor de finura distinto.

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

A partir de la expresión de la FWHM y de la expresión de lafinura, se obtiene la relación de contraste del filtro, queexpresa la relación entre los valores máximo (en la resonancia)

y mínimo (entre resonancias) de T (f).

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

”.

Filtros de Mach-Zender

Filtros sintonizables acusto-ópticosSu funcionamiento se basa en el cambio de algunas

propiedades que experimentan ciertos materiales cuando sonatravesados por una onda acústica. Entre los materiales en losque este fenómeno es más significativo se encuentra el niobatode litio.


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Fig.2.16 Esquema de un filtro acusto-óptio sintonizable

[7] “Mediante un transductor piezoeléctrico se genera unaonda acústica de una frecuencia entorno a 100-200 MHz. Estaonda se propaga por el filtro y crea una red de difracción.Aunque esta onda se propaga a lo largo del material, la señalóptica que atraviesa el filtro la "ve" como si se mantuvieraestática. 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 deesta interacción es que el haz óptico de entrada aparece en lasalida dividido en un conjunto de nuevo haces debido alfenómeno de difracción.”

Acopladores

[8] “Los acopladores ópticos pueden separar longitudes deonda. La cantidad de luz que pueden transferir entre las fibrasfundidas depende de la longitud de la región de acoplamientoy de las longitudes de onda como se muestra en la siguientefigura. Este efecto se aprovecha para separar longitudes de

onda.” Fig.2.17

La luz entra por la fibra superior y gradualmente se transfierehacia la fibra inferior, de forma que si la longitud es losuficientemente larga toda la luz se transfiere a la fibrainferior.

En la figura la longitud de 980nm se desplaza hacia la fibrainferior antes que la longitud de 1550nm, según avanza por lafibra la longitud de 980nm vuelve a desplazarse a la fibra

superior de forma que al final de la fibra la longitud de 980nmsale 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 condiferentes índices de refracción, o por la variación periódica

de alguna característica (por ejemplo, altura) de una guía deonda dieléctrica, lo que resulta en la variación periódica en elíndice de refracción efectivo en la guía.”

Cada capa límite provoca un reflejo parcial de una ondaóptica. Para las ondas cuya longitud de onda está cerca decuatro veces el espesor óptico de las capas, las muchasreflexiones se combinan con interferencia constructiva, y lascapas actúan como un reflector de alta calidad. La gama delongitudes de onda que son reflejadas se llama fotónico bandade detención. Dentro de este rango de longitudes de onda, laluz 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 refraccióndel medio de origen, los dos materiales alternativos y el mediode terminación, N es el número de pares repetidos de bajo/altaíndice refractivo del material.

La frecuencia de ancho de banda de la banda dedetención fotónico se puede calcular

donde es la frecuencia central de la banda.

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

Los reflectores Bragg son componentes críticos en la superficiede cavidad vertical que emiten rayos laser y otros tipos dediodos laser. También son usados para formar parte delresonador 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

https://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Bandwidth_(signal_processing)&usg=ALkJrhghwIQQRC15_WakE4D21HCUQa4wgQhttps://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_dioxide&usg=ALkJrhgXR1EQ-sQhtA8tr6yPfFhBQebgCwhttps://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Silica&usg=ALkJrhjpc9U63spSGc75qXUX36deaRze-Qhttps://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Silica&usg=ALkJrhjpc9U63spSGc75qXUX36deaRze-Qhttps://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Silica&usg=ALkJrhjpc9U63spSGc75qXUX36deaRze-Qhttps://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Silica&usg=ALkJrhjpc9U63spSGc75qXUX36deaRze-Qhttps://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Titanium_dioxide&usg=ALkJrhgXR1EQ-sQhtA8tr6yPfFhBQebgCwhttps://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=search&rurl=translate.google.com.ec&sl=en&u=https://en.wikipedia.org/wiki/Bandwidth_(signal_processing)&usg=ALkJrhghwIQQRC15_WakE4D21HCUQa4wgQ


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otras guías de onda, basadas en, por ejemplo,estructuras de guías de ondas corrugadas que puedenser fabricados a través de la litografía.

Existen otros tipos de reflectores de múltiples capas que sedesvían del diseño simple, pero en general tienen unareflectividad más baja en comparación que los Bragg, peroestos 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 laheteroestructura entre dos espejos formados al cortar de formarecta y limpia el material a lo largo de los planos de corte desemiconductor. La reflexión se produce por la discontinuidadentre el medio semiconductor y el aire. La reflectividad de

potencia de dicho espejo se puede calcular aplicando lasfórmulas 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, elíndice de refracción de los materiales semiconductoresempleados ronda el valor next »3.5, por lo que R» 0.3, suficiente

para la mayoría de las aplicaciones.

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

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

de la unión pn y está físicamente localizada en la zona activadel semiconductor. Por otra parte, la inversión de poblaciónnecesaria en la zona activa se consigue inyectando electrones ala zona activa en dirección perpendicular al plano de la unión

pn. Las dimensiones típicas de la zona activa son, en cuanto alongitud de 100 a 500 m m, en anchura de 5 a 15 m m y engrosor de 0.1 a 0.5 m m. Por lo tanto, a todos los efectos, puedeconsiderarse 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 estacionariasformadas en la coordenada x de la zona activa, determinan laforma y el perfil del campo eléctrico en dicha dirección.

3. Modos longitudinales, son ondas estacionarias formadasen la coordenada z de la zona activa y determinan el espectro defrecuencias emitido por el láser.

De los tres modos, la combinación de 1 y 2 resultan en los perfiles modales espaciales del campo, similares a losmodos LP de una fibra óptica, mientras que los terceros,determinan las frecuencias propias de la cavidad que se emitiránen forma de radiación al exterior de ésta.

[10] “En la estructura de la cavidad Fabry-Perot, formada pordos espejos reflectantes separados una distancia L, el materialcomprendido 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 porabsorción y scattering en el material y b la constante de fase.Una onda óptica incidente (linealmente polarizada, por ejemploen dirección y) de amplitud de campo dada por E iy sufresucesivas reflexiones en los espejos que forman la cavidad, de

forma que la onda a la salida de la estructura está formada porla interferencia múltiple de aquellas que van saliendo de lacavidad después de cada tránsito como se muestra en la figura.” Fig2.20 Esquema y evolución de la señal en la zona activa deuna láser Fabry-Perot.”

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

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


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expresión anterior, con lo que se consigue:

Esta ecuación es compleja y puede desglosarse en una partereal 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 lacavidad: 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 lasfrecuencias propias de la cavidad Fabry-Perot o modoslongitudinales, ya que b depende de la frecuencia a través de laexpresión b = 2 npn´/c. Así pues, las posibles frecuencias deoscilación de la cavidad vienen dadas por:

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

donde τ L el tiempo de tránsito correspondiente a una vueltacompleta 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 explicagráficamente en la figura 2.21, donde se representan en elespectro las frecuencias propias de la cavidad Fabry-Perot juntocon la curva de ganancia del material y las pérdidas. Sóloaquellas frecuencias para las que g³ g th, o sea, en las que suganancia óptica sea mayor a la ganancia umbral, serán emitidas

por el láser.

Fig. 2.21 Espectro de emisión de un láser Fabry-Perot a partirdel producto de la curva espectral de ganancia que compone sumedio activo y del espectro periódico de la cavidad Fabry-Perot.

LASER DFB (DISTRIBUTED FEEDBACK)Los láseres DFB existe una capa ondulada periódicamentellamada capa de guía (Guiding Layer) a lo largo de la regiónactiva del dispositivo.Fig.2.22 Esquema de un láser DFB.

Las ondulaciones actúan como red de difracción a lo largo de lacavidad óptica del láser, por este se produce una interferenciaconstructiva entre las dos ondas en ciertas longitudes de onda,

lo cual permite la selección de longitudes de onda para lacavidad laser.

Para resonar, la longitud de onda tiene que encajar el periodode la red de difracción, siendo la siguiente la condición deresonancia 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 índicede refracción efectivo de la guía de ondas ópticas.

Existe también el DBR el cual es el reflector de Braggdistribuido, a diferencia de DFB, la rejilla esta fuera de la regióndel 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 elementoselectivo de distintas longitudes de onda y proveeráretroalimentación, reflejando la luz de nuevo a la cavidad óptica

para formar el resonador.

LASER VCSEL (VERTICAL CAVITY SURFACEEMITTING LASER)

Consta de dos espejos Bragg paralelos a la superficie de laoblea, y entre ambos una región activa que consiste de uno omás pozos cuánticos para la generación del haz laser.Para compensar la corta longitud del medio de ganancia senecesitan los espejos de alta reflectancia, los espejos de Braggestán hechos con capas de índices de refracción altos.El espesor de cada capa es ¼ de la longitud de onda del láser enel material, consiguiendo así una reflectancia mayor al 99%

Fig.2.24 Estructura de un VCSEL.

Los reflectores distribuidos de Bragg (DBRs), llegan a formarespesor usando entre 40 60 películas en cada DBR

produciéndose un espesor total de entre 40 y 60 películas encada DBR, produciéndose un espesor total de 6μm –8μm. Para

crear la unión p-n se necesita que un DBR este dopado parahacerlo 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.

Los espejos superior e inferior son materiales dopados de tipo p y n, respectivamente, que forman una unión PN. En algunosVCSEL más compleja, la p y n regiones pueden ser enterradosentre el espejo de Bragg; esto implica un proceso máscomplejo de hacer contacto eléctrico con el medio deganancia, pero limitar las pérdidas eléctricas en los espejos deBragg.

Los VCSELs tienen alto rendimiento y bajo costo, algunas desus 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 Laestructura puede ser integrada en una configuraciónde arreglos de 2 dimensiones.

Comercialmente la corriente de umbral de un VCSELes 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


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II. CONCLUSIONES

El erbio al núcleo de una fibra provoca unensanchamiento en el rango de longitudes de onda.

Los láseres VCSEL no solo están ligados a lascomunicaciones sino a distintos tipos de aplicaciones.

Los componentes, dentro una red de fibra óptica, secomportarán transparentemente ya que la finalidad

del uso de todo esto es brindar mejores servicios detelecomunicaciones.

En la estructura de la cavidad Fabry-Perot, formada por dos espejos reflectantes separados una distanciaL, el material comprendido entre ambos espejos es elmedio 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 paraaumentar la potencia óptica y que esta no se atenuéen los trayectos largos.

III. REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA

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

IV. R EFERENCIAS

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

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