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Comunicaciones Ópticas

Láser Semiconductor

El término láser se utiliza como sustantivo, pero originalmente era un acrónimo de “light amplification by stimulated emission of radiation” (amplificación de la luz por emisión inducida de radiación). Un láser es una pieza fundamental en cualquier transmisor óptico, ya que es el generador de la portadora óptica. En las comunicaciones ópticas, la localización espectral de una portadora suele indicarse en longitudes de onda (normalmente nm) en lugar de frecuencias.

Este artículo repasa los conceptos fundamentales de los láseres empleados en las comunicaciones ópticas, con el siguiente índice:

1. La Física del Láser

Esta sección describe brevemente los principios físicos que explican el funcionamiento de las fuentes ópticas [1]. La energía de un electrón depende de la posición de su órbita con respecto al núcleo. Se requieren energías más altas para las órbitas más alejadas del núcleo.

1.1 Absorción

Si el electrón se encuentra en una órbita interna de baja energía E1, puede absorber la energía de una fuente de luz (fotón) y desplazarse a la órbita con mayor energía E2. Este proceso, denominado absorción, se ilustra en la Figura 1(a). La energía proporcionada por el fotón es igual a ΔE=E2E1=, donde h es la constante de Planck y ν es la frecuencia de la luz incidente.

Fundamental processes ocurring in laser atoms and associated spectra. (Procesos fundamentales que ocurren en los átomos láser y espectros asociados.)
Figura 1. Procesos fundamentales que tienen lugar entre los estados energéticos de un átomo: (a) absorción, (b) emisión espontánea y (c) emisión estimulada. Espectros asociados de dos fuentes de luz comerciales.

1.2 Emisión Espontánea

También se produce el proceso contrario, denominado emisión. Un electrón en una órbita externa E2 tiende a volver a la órbita interna E1 emitiendo un fotón con energía ΔE, como puede verse en la Figura 1(b). Cuando este fenómeno se produce de forma aleatoria se denomina emisión espontánea.

Si se generan múltiples fotones de esta forma, presentan fases y direcciones diferentes y aleatorias produciendo luz incoherente, como en un diodo emisor de luz (LED). Aunque todos los fotones tienen la misma frecuencia, la suma de múltiples tonos con fases arbitrarias se traduce en una modulación aleatoria que dispersa significativamente el espectro. Como consecuencia, el rendimiento de los LED en comunicaciones es muy limitado. En la Figura 1(b) también se muestra un ejemplo de espectro de un LED comercial.

1.3 Emisión Estimulada

En cambio, los láseres se basan en la emisión estimulada. Si un electrón ocupa el nivel excitado E2 y un fotón con energía ΔE entra en el átomo, el electrón volverá al nivel E1 pero liberando un nuevo fotón que está en fase y tiene la misma dirección que el incidente, como se ilustra en la Figura 1(c). Cuando se generan múltiples fotones de esta forma, se produce una fuente coherente de luz con un rango espectral estrecho, como también se muestra en la Figura 1(c) para un dispositivo comercial.

Un láser está formado por un material cuyos electrones son excitados continuamente, por una fuente exterior de luz o por un campo eléctrico, para ocupar niveles energéticos superiores en un proceso conocido como inversión de población. Una estructura basada en espejos con diferente reflectividad garantiza que múltiples fotones viajen repetidamente a través del medio, generando más fotones coherentes estimulados en una reacción en cadena [1].

1.4 Ruido de Intensidad Relativa y Ruido de Fase del Láser

La luz es un campo electromagnético y los láseres son fuentes de portadoras a frecuencias ópticas. Los láseres empleados en comunicaciones suelen basarse en semiconductores. Al igual que un oscilador eléctrico, el espectro de un láser no es un delta perfecto correspondiente a un tono puro.

Como en el interior de un láser también se producen emisiones espontáneas no deseadas, al tono coherente se añaden continuamente pequeños campos aleatorios con fases arbitrarias. Este efecto perturba la amplitud y la fase de la salida generando Ruido de Intensidad Relativa (RIN) [1] y ruido de fase respectivamente. El RIN suele medirse en dBc/Hz y el ruido de fase en términos de anchura de línea espectral (Hz). Obviamente, ambos efectos pueden repercutir en el rendimiento de los sistemas de comunicación óptica.

2. Modulación Directa de un Láser

2.1 Conceptos Básicos

Los láseres semiconductores pueden considerarse diodos láser cuya amplitud y potencia de salida dependen de la corriente de conducción. Despreciando el RIN y el ruido de fase, el campo eléctrico a la salida de un láser monocromático puede escribirse como:

\begin{equation} E(t) = E_p(t)\cos(\omega_ct) \end{equation}

donde Ep(t) es la amplitud de pico y ωc es la frecuencia de la portadora óptica.

El término Ep(t) es una función del tiempo que refleja el hecho de que la amplitud depende de la corriente que acciona el diodo láser. Obsérvese que Ep(t) sólo puede variar al ritmo de una señal eléctrica y, en consecuencia, la frecuencia de cambio es varios órdenes de magnitud inferior a la frecuencia óptica ωc. Así, a la salida del láser, la potencia media P (también llamada intensidad) con respecto a las frecuencias ópticas es:

\begin{equation} P(t) = \langle E^2(t) \rangle = \langle E^2_p(t)\cos^2(\omega_ct) \rangle = \cfrac{E^2_p(t)}{2} \end{equation}

Es evidente que un enlace de comunicación óptica puede establecerse modulando la potencia o intensidad de la portadora con la información que se desea transmitir. Desde el punto de vista de la señal, este proceso se denomina modulación de intensidad (IM). Desde el punto de vista del dispositivo también se denomina modulación directa, en contraste con la modulación externa que se realiza con dispositivos adicionales.

2.2 Función de Transferencia del Láser

Como se ilustra en la figura 2, la función de transferencia de un diodo láser presenta una zona aproximadamente lineal en la que la potencia de salida P es proporcional a la corriente de conducción i(t). Esta zona comienza para una corriente superior a un umbral determinado ith, por lo que el láser debe estar polarizado con una corriente mayor ib que produce una potencia continua Pb para garantizar un funcionamiento lineal.

Direct Modulation of Laser or Intensitiy Modulation Transfer Function
Figura 2. Función de transferencia típica de un diodo láser.

Matemáticamente, suponiendo un factor de proporcionalidad m:

\begin{equation} P(t) = P_b + m·i(t) \end{equation}

\begin{equation} E(t) = \sqrt{2P(t)}\cos(\omega_ct) \end{equation}

2.3 Rendimiento y Limitaciones

El rendimiento de la modulación directa está limitado por varios conceptos:

  • En primer lugar, la RIN degrada la relación señal/ruido (SNR) de la señal de potencia a la salida del láser [1].
  • En segundo lugar, las diferentes potencias ópticas producen una desviación de frecuencia en la longitud de onda de salida en un fenómeno conocido como chirp. En consecuencia, los láseres modulados directamente presentan un ensanchamiento en el espectro de salida que se traduce en deficiencias en las señales recibidas debido a la dispersión de la fibra.
  • En tercer lugar, el ancho de banda de la modulación es limitado [1] por lo que los láseres de banda ancha son difíciles y costosos de construir.
  • Por último, no es posible realizar una modulación directa del campo eléctrico y de la fase del láser. La modulación de fase es necesaria para los sistemas coherentes y también para producir señales ópticas de banda lateral única (OSSB).

Mientras que el RIN y el ancho de línea espectral son propiedades inherentes al láser que no se pueden evitar, se puede emplear modulación externa para superar el resto de limitaciones.

3. Clasificación de los Láseres de Comunicaciones

3.1 Longitud de onda

En las comunicaciones ópticas se suelen emplear tres regiones espectrales:

  • La primera ventana corresponde al rango de 800-900 nm. Los primeros enlaces ópticos utilizaban estas longitudes de onda porque la fibra primitiva presentaba pérdidas mínimas en esa región. Aunque las pérdidas en esa zona son elevadas en la actualidad, estas longitudes de onda se siguen utilizando para distancias cortas debido al bajo coste de los láseres y detectores.
  • La segunda banda de interés se sitúa en torno a los 1310 nm. Esta banda es atractiva porque se dispone de fibra de dispersión cero, aunque las fuentes y los detectores son más costosos.
  • Por último, la última banda de interés se sitúa en torno a los 1550 nm, ya que en ella las pérdidas de la fibra son las más bajas. Aunque la dispersión de la fibra no es nula, puede compensarse electrónica u ópticamente para lograr distancias de transmisión más largas.

3.3 Estructura

Según su estructura interna, en las comunicaciones se suelen emplear varios tipos de láseres semiconductores monocromáticos [1]: Láseres de realimentación distribuida (DFB), láseres de cavidad externa (ECL) y láseres de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL), menos costosos. Sus parámetros típicos se muestran en la Figura 3.

Laser classification according to internal structure
Figura 3. Parámetros típicos de los láseres empleados habitualmente en comunicaciones

Bibliografía
[1] Fiber-Optic Communication Systems, Govind P. Agrawal


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