Los amplificadores ópticos de semiconductores son empleados para el procesado de la señal óptica en aplicaciones tales como conversión en longitud de onda o regeneración “todo-óptica”. De hecho, el SOA con su capacidad para alta velocidad (> 100Gbit/s), alta ganancia (hasta 30dB) y baja energía de conmutación, ofrece características únicas para la conversión de longitud de onda en alta velocidad, y aplicaciones para interferometría óptica, mediante la modulación cruzada de fase. Hay también un interés creciente en el uso del SOA para la transmisión por fibra, en particular para Redes de Acceso y Metro, debido a los avances notables en su diseño y en las técnicas de fabricación, que han conducido a parámetros ópticos del dispositivo excelentes, obteniendo un buen funcionamiento como un amplificador lineal óptico, como post- amplificador “booster” en transmisión y preamplificador en recepción [Connelly 02].
5.1.1. Características principales
Las características principales del SOA son: - Ganancia Fibra a Fibra, G,
- Rizado de Ganancia, RG
- Ganancia dependiente de la Polarizacion, PDG - Ancho de banda óptico, BW,
- Factor de ruido, NF,
- Potencia de Salida en Saturación, Psat, - Tiempo de recuperación de la Ganancia, tr.
El uso específico del SOA impondrá cuál es el parámetro más importante del dispositivo a considerar. (n1,n2,n3,n4) λin λin (n1,x1) λin (n4,x4) X1 X4 Fin F1 F4
El nivel de ganancia requerido es particularmente dependiente de la aplicación. De hecho una ganancia media alrededor 15dB es deseable para un amplificador “booster” para neutralizar la pérdida de unas decenas de kilómetros de fibra monomodo para redes Metro o de Acceso, mientras una ganancia elevada, sobre 30dB, es ideal para aplicaciones no lineares. El rizado de ganancia tiene que ser pequeño, es decir, la ganancia para un rango de longitudes de onda no debería variar con cambios pequeños de la longitud de onda, como podría pasar con un láser no refrigerado en sistemas CWDM.
Una pequeña ganancia dependiente de la polariazación, PDG, es generalmente deseable, ya que el estado de polarizacion de cualquier componente en la linea es desconocido y la fibra instalada no lo conserva.
La anchura de banda óptica es, otra vez, dependiente de la aplicación: una banda amplia es deseable para un amplificador en redes transparentes. La figura de ruido, NF, es un parámetro crucial sólo para usos lineares donde la relación señal ruido a lo largo del sistema tiene que ser mantenida tan alta como sea posible.
La potencia de saturación alta, Psat, es deseable para un amplificador de linea que tiene que funcionar en su régimen linear para un amplio rango de potencias de entrada óptica. Por otra parte, valores de Psat bajos son necesarios para usos no lineares, cuando el dispositivo necesita estar en su régimen saturado.
Finalmente, un dispositivo de respuesta rápido es una característica deseable cuando necesitamos que la ganancia responda rápidamente a cualquier variación de la señal de entrada como en aplicaciones de canal dinámicas, cuando algunos canales son extraidos o añadidos a frecuencias de kHz o superiores, o en el tratamiento de señales “todo- óptico”.
5.1.2. SOAs basados en estructuras de “quantum dots”
La idea de explotar efectos cuánticos, en láseres de semiconductor con heteroestructuras, para producir sintonización en longitud de onda y obtener bajos umbrales de emisión láser mediante el cambio en la densidad de estados que resulta de reducir los grados de libertad en las transiciones de los portadores fue originalmente introducido por Dingle and Henry en 1976. La ventaja principal de utilizar heteroestructuras cuantizadas en tamaño en dispositivos ópticos, es el incremento de la densidad de estados originado por los portadores de carga cerca de los bordes de las bandas (Fig. 5.4). Para estructuras cuantizadas en tamaño en más de una dirección,
como los “quantum dots”, (QD) , ocurre una singularidad en la densidad de estados cerca de los bordes de las bandas, por lo que los efectos positivos señalados anteriormente son mejorados comparados con el caso de láseres de “quantum well”, (QW) [Bimberg 99].
Los láseres de punto cuántico (QD) ofrecen ventajas adicionales para láseres de alta potencia debido a la dimensión “cero” de los portadores y de su difusión. Al reducir la superficie de recombinación no radiativa decrecen las paredes con dimensiones diferentes y por lo tanto se obtiene un mayor umbral para llegar al calentamiento del láser. La tecnología de QD se puede utilizar para fabricar láseres de emisión lateral o de emisión superficial, en ambos casos con densidades de corrientes umbral tan pequeñas como 20 A.cm-2.
Fig. 5.4. Densidad de estados de portadores en estructuras cuánticas con diferentes dimensiones (volumen, pozo, hilo y punto) [Bimberg 99]
Aplicaciones para CWDM
No sólo el aumento esperado de la capacidad de los sistemas DWDM, sino también el empleo creciente de sistemas CWDM, más económicos, ha acelerado el desarrollo de varios amplificadores ópticos para longitudes de onda fuera de la banda de operación del amplificador de fibra dopada de erbio (EDFA). Los amplificadores ópticos de semiconductor (SOAs) son adecuados para llenar el hueco de las bandas de longitud de
onda no cubierto por los amplificadores EDFA, teniendo un alto grado de libertad en la elección de la longitud de onda.
En SOAs, la pérdida de acoplo de fibra de entrada, así como el grado de inversión de portadores y la relación de la pérdida interna a la ganancia, ha sido el origen principal de una figura de ruido, NF, grande. Actualmente, no es difícil reducir esta pérdida de acoplo menor a 1 dB. Para mejorar la distorsión de señal, la potencia de salida tiene que ser, típicamente, al menos 4 dB debajo de la potencia de salida en saturación a -3dB, para ser inmune al efecto “pattern” que limita la potencia de salida utilizable.
Para aumentar la potencia de salida libre del efecto “pattern”, se utiliza un diseño donde el material activo son puntos cuánticos (QDs). Teniendo en cuenta la exigencia de cubrir un amplio margen de banda de transmisión con el número mínimo de amplificadores ópticos, los diseños con QDs son también eficaces en el aumento de la anchura de banda de los SOAs [Park 05]. En la Fig. 5.5 se indican los anchos de banda disponibles para diferentes tipos de amplificadores ópticos.
1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650
O E S C L
QD SOA
Raman Fluoride PDFA Fluoride TDFA Telluride EDFA