Emisores

Láser monomodo, modulación y ruido

Pozos cuánticos, DBR y DFB, modulación directa y externa, ruidos del láser

Idea clave. WDM mete muchos canales separados décimas de nanómetro en la misma fibra, así que cada láser tiene que emitir un solo modo y en una λ muy precisa y estable. Se consigue con pozos cuánticos (para ajustar el gap), redes de Bragg (DBR, DFB) para quedarse con un modo, sintonización fina y mucho control de la temperatura y de la corriente.

Por qué WDM necesita láseres tan precisos

WDM combina varias longitudes de onda portadoras en una única fibra: es una multiplexación en frecuencia, expresada en longitud de onda. Se trabaja en la ventana de 1550 nm, la de mínima atenuación, con canales separados solo décimas de nm (en DWDM, de 12,5 a 100 GHz; 100 GHz son ≈ 0,8 nm a 1550 nm). Con canales tan juntos:

un FP multimodo (≈ 4 nm) ocuparía varios canales a la vez;
la λ de cada láser tiene que estar controlada con fracciones de nm.

Por defectos de fabricación no hay dos láseres iguales: de una oblea salen muchos láseres pequeños, se comprueban y luego se ajusta de forma más fina la λ de cada uno según el sistema WDM en el que se vaya a usar. Los planes DWDM y CWDM se ven en el tema de WDM.

Cómo se fabrica un láser monomodo

1. Materiales

Se usan compuestos cuaternarios, o incluso de cinco elementos, de los grupos III y V: combinándolos se ajustan el gap y la constante de red.

2. Estructuras: heteroestructuras y pozos cuánticos

Heteroestructuras: en vez de un solo material, un emparedado de capas de materiales distintos, para sintonizar mejor el gap.
Pozos cuánticos: capas muy finas, del orden de la longitud de onda del propio electrón (≈ 1 nm), entre semiconductores distintos. El electrón queda confinado en un pozo de potencial y su función de onda forma una onda estacionaria, como la luz en una cavidad. Así su energía queda cuantizada: la diferencia de altura del pozo fija el salto de energía. Controlando la anchura del pozo se controla el gap y, por tanto, la λ emitida, con mucha precisión. Además estos láseres son más eficientes.

3. Filtrado: quedarse con un solo modo

Práctica 5 (Caracterización espectral de fuentes) · conviene dominarlo

Una vez que el medio activo emite en la λ adecuada, hay que quedarse con un solo modo, un único pico. Las dos formas se basan en redes de Bragg: capas cuyo índice de refracción varía de forma periódica y que, por eso, solo reflejan una λ concreta (la de Bragg).

DBR (Distributed Bragg Reflector): los espejos del Fabry-Pérot se sustituyen por dos redes de Bragg, filtros que solo realimentan una única λ.
DFB (Distributed Feedback): el propio medio activo hace de filtro. El semiconductor donde se generan los fotones está estructurado como un hojaldre, con capas de índice distinto: la red de Bragg va a lo largo de toda la cavidad. Es el más usado en DWDM.

⚠ Revisar. En tus apuntes ponías que «la propia cavidad del láser puede tener otra depresión, creando o suprimiendo modos». La frase no está clara. Quizá se refiere a los láseres de cavidad acoplada, que usan una cavidad externa con un ligero desfase para seleccionar el modo.

4. Sintonización

Por la temperatura u otros efectos, el láser puede quedar ligeramente desviado de la λ que necesitamos. El ajuste fino se hace modificando la cavidad con un actuador piezoeléctrico (cuarzo u otros) en uno de los extremos, que presiona el láser con precisión atómica y lo corrige justo las centésimas de nm necesarias.

Modulación del láser

Hay dos formas de imprimir los bits en la luz:

Directa: se varía la corriente que alimenta el propio láser, y con ella su potencia.
Externa: el láser funciona en régimen continuo (siempre la misma potencia) y un modulador externo varía la intensidad de la luz.

	Directa	Externa
Coste	Barata: no hace falta ningún elemento óptico más	Hace falta un modulador externo, costoso
Problemas	Retardo respecto al pulso eléctrico, chirp, algo de jitter y estrés térmico (el láser dura menos)	El láser no sufre: trabaja en continuo
Velocidad	Menor (del orden de 1 Gbps)	Mucho mayor (unos 100 Gbps)
Uso	Sistemas sencillos	La mayoría de los sistemas actuales

En la modulación directa el láser no se apaga del todo: siempre se mantiene un poco por encima de la corriente umbral (corriente de polarización o bias). Si se apagara, al volver a encenderlo tardaría en arrancar (tiempo de encendido) y aparecería el jitter. Por eso un 0 en comunicaciones ópticas no es «cero fotones», sino un nivel por encima del umbral; la diferencia entre el nivel del 1 y el del 0 es lo que lleva el bit.

La relación entre la potencia del 1 y la del 0 se llama relación de extinción.

Ruido en los láseres

La mayor parte de los defectos no vienen del láser, sino de lo que le pasa desde fuera:

Temperatura: si sube, la cavidad se dilata y la λ aumenta. Una temperatura que fluctúa hace que la λ oscile y que las líneas espectrales salgan mucho más anchas. Además el umbral crece exponencialmente con la temperatura. Hay que estabilizarla (refrigeración Peltier).
Corriente de la fuente: una fluctuación mínima de la corriente provoca grandes variaciones de la potencia del láser.

A partir de estas causas, los tipos de ruido son:

Ruido térmico: la temperatura que fluctúa hace oscilar la λ y la potencia del láser, como se ve arriba.
Ruido de intensidad relativa (RIN): fluctuaciones del nivel de potencia por vibraciones en la cavidad o fluctuaciones del medio activo. Valores típicos de −130 a −160 dB/Hz.
Ruido modal y salto de modos: interferencia entre modos próximos o con reflexiones externas (se evitan con un aislador), y saltos de un modo a otro (mode hopping) por cambios de temperatura que dilatan la cavidad.
Ruido shot (de Poisson): se debe a la naturaleza fotónica de la luz. A mayor potencia de emisión, menor ruido.
Ruido de modulación:
- Chirp: al aumentar la corriente disminuye el índice de refracción de la cavidad, y el espectro se ensancha al modular directamente. Soluciones: disminuir la relación de extinción o usar modulación externa.
- Jitter: retardo al modular directamente cuando se pasa de dejar el láser sin potencia a volver a encenderlo. Se evita polarizando por encima del umbral.

Se conecta con

12WDMDWDM necesita láseres monomodo con la λ controlada en fracciones de nm.
10Dispositivos ópticos pasivosEl aislador impide que las reflexiones vuelvan al láser y le causen ruido modal.
07LáserEl Fabry-Pérot oscila en varios modos (unos 4 nm); el DFB y el DBR filtran uno solo.
11Amplificadores ópticosEl SOA solo sirve para una λ, así que hay que estabilizarlo en temperatura.

Preguntas de examen

Tipos de modulación de un láser, con sus ventajas e inconvenientes.

Hay dos tipos básicos:

Directa: se varía la alimentación eléctrica del propio láser para construir la señal.
Externa: el láser trabaja en régimen continuo y un elemento óptico externo (modulador) varía la intensidad de la luz.

Directa. Ventajas: barata, sin elementos ópticos adicionales. El láser no se apaga del todo: siempre trabaja por encima del umbral para evitar el jitter. Inconvenientes: retardo de la señal respecto al pulso eléctrico, estrés térmico (el láser dura menos) y ruidos, sobre todo chirp y algo de jitter. Llega a unos 1 Gbps.

Externa. Ventajas: el láser no sufre gracias al régimen continuo, la velocidad de modulación es mucho mayor (unos 100 Gbps) y evita el chirp; por eso es la que se usa en la mayoría de los sistemas actuales. Inconveniente: hace falta un elemento externo costoso.

Tipos de ruido que puede sufrir un láser.

Las causas principales son externas: la temperatura (dilata la cavidad, mueve la λ y ensancha las líneas; sube el umbral) y las fluctuaciones de la corriente (grandes cambios de potencia). Los tipos de ruido:

Ruido térmico: la temperatura que fluctúa hace oscilar la λ y la potencia.
RIN (ruido de intensidad relativa): fluctuaciones de potencia por vibraciones en la cavidad o del medio activo; de −130 a −160 dB/Hz.
Ruido modal y salto de modos: interferencia entre modos próximos o reflexiones (se evitan con un aislador) y saltos de modo por cambios de temperatura.
Ruido shot: por la naturaleza fotónica de la luz; baja al subir la potencia.
Ruido de modulación: chirp (el índice cambia con la corriente y el espectro se ensancha; se evita con modulación externa) y jitter (retardo al encender; se evita polarizando por encima del umbral).

¿Por qué DWDM necesita láseres monomodo y cómo se consigue un solo modo?

Porque los canales DWDM están separados décimas de nm (100 GHz ≈ 0,8 nm): un láser Fabry-Pérot, con varios modos en unos 4 nm, ocuparía varios canales. Hay que quedarse con un único modo filtrando con redes de Bragg: en los DBR los espejos son redes de Bragg; en los DFB la red de Bragg va a lo largo de todo el medio activo (los más usados en DWDM). (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

¿Qué es un pozo cuántico y para qué sirve en un láser?

Una capa muy fina (≈ 1 nm, del orden de la longitud de onda del electrón) entre semiconductores distintos. El electrón queda confinado como una onda estacionaria y su energía se cuantiza. Variando la anchura del pozo se ajusta el gap efectivo y, con él, la λ emitida con mucha precisión: más estrecho, más energía y λ más corta. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

¿Por qué en comunicaciones ópticas un 0 no es «cero fotones»?

Porque en modulación directa el láser no se apaga del todo: se polariza siempre un poco por encima de la corriente umbral. Si se apagara, al volver a encenderlo tardaría en arrancar (tiempo de encendido) y aparecería jitter. El 0 es un nivel de potencia bajo pero por encima del umbral, y el bit es la diferencia entre ese nivel y el del 1. (Respuesta redactada a partir de los apuntes.)

Material del curso usado: Apuntes de clase (Javier) · Apuntes de Miguel · Comunicaciones Ópticas (PDF de clase), §5.2.3–5.2.5 · T22 – Emisores ópticos láser · T52 – WDM.