Amplificadores de laser de

semiconductorComunicaciones ópticas

Introducción :

• Actualmente , en los principales laboratorios de investigación en telecomunicaciones ,se esta trabajando con el objetivo de transportar la mayor cantidad de información en el menor tiempo posible , principalmente en los sistemas totalmente ópticos , los cuales permiten incrementar la capacidad de transmisión desde unos cientos de miles de GHz /kilómetros por segundo .el elemento fundamental dentro de este escenario es el amplificador óptico de semiconductor

Amplificador óptico :

•  es un dispositivo que amplifica una señal óptica directamente, sin la necesidad de convertir primero en una señal eléctrica. Un amplificador óptico puede ser pensado como un láser sin una cavidad óptica, o uno en el que se suprime la retroalimentación de la cavidad. Los amplificadores ópticos son importantes en la comunicación óptica y física del láser.

Nota:

• Hay varios mecanismos físicos diferentes que pueden ser utilizados para amplificar una señal de luz, que corresponden a los principales tipos de amplificadores ópticos. En los amplificadores de fibra dopada y láser a granel, la emisión estimulada en medio de ganancia del amplificador provoca la amplificación de la luz entrante. En los amplificadores ópticos semiconductores, se produce la recombinación electrón-hueco. En los amplificadores Raman, dispersión Raman de la luz entrante con fonones de la red del medio de ganancia produce fotones coherentes con los fotones entrantes. Amplificadores paramétricos utilizan amplificación paramétrica.

Amplificadores láser

• Casi cualquier medio de ganancia activa láser puede ser bombeado para producir ganancia para la luz en la longitud de onda de un láser de hecho con el mismo material que el medio de ganancia. Tales amplificadores se utilizan comúnmente para producir sistemas de láser de alta potencia. Los tipos especiales tales como amplificadores regenerativos y amplificadores de impulsos chirp-se utilizan para amplificar los pulsos ultracortos

Tipos de amplificadores en comunicaciones ópticas

• Los dos principales tipos de amplificadores ópticos son:

• SOAs, Semiconductor Optical Amplifiers,

• DFAs, Doped-Fiber Amplifiers.

El fundamento de un amplificador óptico es el proceso de emisión estimulada al igual que en un láser. Su estructura es similar a la de un láser salvo que no posee una realimentación para evitar que el dispositivo oscile, de forma que

puede elevar el nivel de potencia de la señal pero no generar una señal óptica coherente. En la siguiente figura se muestra un esquema del funcionamiento

de un amplificador básico.

Una fuente de bombeo inyecta una energía en la zona activa del amplificador. Esta energía es absorbida por los electrones que incrementan sus niveles de energía produciéndose la inversión de 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.

Amplificadores Ópticos de Semiconductor

• La estructura de un SOA Semiconductor Optical Amplifiers , es muy similar a la de un láser semiconductor pero sin la realimentación que hace que éste oscile. Según como se evite esta oscilación se tienen tres subtipos de amplificadores.

• Amplificadores de enganche por inyección . Son los menos empleados y consisten en láseres de semiconductor 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 Fabry-Perot 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 de 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 anti reflectante.

Otros esquemas son los siguientes dos esquemas.

Estructura de un SOA de onda viajera

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

El esquema de la izquierda consiste en situar el plano activo en una posición no ortogonal a las caras de entrada y salida. El objeto de esto es que la señal que incide sobre la superficie de salida no lo haga formando un ángulo de 90º con ésta, de forma que la poco señal reflejada por la cara de salida no se realimente. En el último esquema, que tiene la misma misión que el anterior, las caras extremas no están paralelas entre sí.

Problema chirp en SOA Sus principales ventajas son,

La posibilidad de integración por su reducido tamaño.La facilidad de construcción a distintas longitudes de onda variando la composición del material.

Sus principales inconvenientes son:

Su geometría rectangular produce pérdidas al acoplarlo con la fibra, y no amplifica por igual las dos polarizaciones de las señal.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 ).

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.

EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier

El EDFA es el amplificador de fibra dopada más

empleado en la actualidad, ya que es posible amplificar

señales en la tercera ventana (1550nm). El motivo puede deducirse del diagrama de

niveles del erbio.

Al dopar con iones de erbio el núcleo de una fibra óptica se provoca un ensanchamiento de las bandas de transición. Esto a su vez provoca un ensanchamiento considerable del rango de longitudes de onda que pueden ser amplificadas. Este efecto puede mejorarse añadiendo al núcleo, aluminio y óxido de germanio.

Erbio amplificador de fibra dopada