ES2259565B1 - Dispositivo amplificador optico de semiconductor. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo amplificador óptico de semiconductor. El amplificador óptico de semiconductor que se propone está construido basándose en la fabricación de los láseres de semiconductor y se estructura en múltiples etapas, comprendiendo al menos dos zonas activas (1, 2) con ganancia, entre las que se dispone una zona pasiva (3) de pérdidas controladas mediante una corriente continua (10) inyectada por el electrodo (6). Por la primera zona activa (1) se introduce una señal eléctrica (5) de modulación con una frecuencia (f1), que se mezcla con la señal óptica de entrada (4) al dispositivo y es amplificada. La zona pasiva (3) atenúa la señal óptica de salida de la primera etapa (11), resultando una segunda señal óptica (12) que entra a la segunda zona activa (2) para mezclarse con la señal eléctrica (5) a una segunda frecuencia (f2). Finalmente se obtiene la señal óptica de salida (13) con frecuencias suma (f1+f2), resta (f1-f2) o doble de cada frecuencia (2f1, 2f2).
Description
Dispositivo amplificador óptico de
semiconductor.
La presente invención tienen su aplicación en la
fabricación de mezcladores ópticos y fuentes generadoras de señales
ópticas, en general, destinadas a ser utilizadas en numerosos
servicios de telecomunicaciones y aplicables particularmente a
multitud de sectores: militar, medicina, astronomía,
entretenimiento,...
En definitiva, se concibe para la transmisión de
información dentro del dominio óptico en un amplio ancho de banda,
en concreto, para señales de radiofrecuencia, microondas y ondas
milimétricas, a frecuencias de trabajo que van entre los 900 MHz a
los 60 GHz.
El objeto de la invención es proporcionar un
dispositivo activo con una respuesta no lineal que es capaz de
generar y/o mezclar señales en la banda de frecuencias indicada,
que se construye con la misma tecnología de fabricación de los
láseres de semiconductor conocidos, con más de una etapa y con
ganancia interna global, siendo fácil y barato de producir además
de trabajar con mayor eficacia porque amplifica las señales ópticas
a altas velocidades de transmisión.
Hoy en día, es bien sabido que los láseres de
semiconductor representan la fuente óptica más empleada actualmente
en las comunicaciones ópticas, aparte de ser los únicos osciladores
ópticos conocidos capaces de poder soportar elevadas velocidades de
modulación, por encima del Gbit por segundo.
La tecnología de fabricación de los láseres de
semiconductor se basa en dispositivos constituidos por dos
elementos claves: un medio con ganancia y unos espejos
semitransparentes que hacen que parte de la luz se emita, saliendo
fuera de la cavidad del dispositivo, mientras que parte permanece
en la cavidad, realimentándose y generando luz. Básicamente, el
láser de semiconductor genera luz en su interior en ausencia de
cualquier estímulo de luz externo, con una velocidad de hasta 40
Gbs. Su principio de funcionamiento es el mismo que el de cualquier
oscilador, para lo cual se necesita que haya amplificación y
realimentación de la señal.
Se conocen varios tipos de láseres de
semiconductor, como son el láser de Fabry-Perot y
el de realimentación distribuida o láser DFB (Distributed
Feed-Back). Los láseres DFB son monomodo, sirven
para distancias de hasta 70 km aproximadamente sin amplificación
óptica y presentan una menor intensidad de ruido relativa que los
de Fabry-Perot.
Para optimizar su respuesta, se diseñan láseres
con más de una etapa, donde hay varias zonas de amplificación o
ganancia separadas de las zonas donde están los espejos
parcialmente transparentes, según indica, citándose como ejemplo
referente, el autor L.A. Coldren en el libro "Diode lasers and
photonic integrated circuits" de la editorial John Wiley &
Sons, editado en 1995, o bien, en su artículo "Tunable
Semiconductors Lasers: A Tutorial" de la publicación "IEEE/OSA
Journal of Lightwave Tecnology", volumen 22, número 1, año
2004.
A partir de los láseres de semiconductor, se
desarrollan los amplificadores de semiconductor, cuyo principio de
funcionamiento es amplificar la señal óptica de entrada. Para ello,
necesitan una estructura en la que haya amplificación/ganancia,
pero no deben tener realimentación de la señal en su interior, ya
que de este modo podrían distorsionar la señal.
La diferencia fundamental entre un láser de
semiconductor y un amplificador de semiconductor es la ausencia de
realimentación o reflexión de la luz en la cavidad del
amplificador. Por este motivo, los amplificadores de semiconductor
utilizados en la actualidad poseen una sola etapa.
Los láseres de múltiples etapas o multielectrodo
son sintonizables, es decir, permiten el control de la longitud de
onda de emisión.
Por otra parte, los amplificadores de
semiconductor pueden fabricarse con longitudes de onda de
amplificación considerables, mayores de 1 mm, consiguiendo unos
grandes valores de ganancia, superiores a 25 dB, sin linealidad
óptica, pues para potencias ópticas de entrada menores a los -5 dBm
se comportan como dispositivos no lineales.
La no linealidad de estos dispositivos se
aprovecha para implementar convertidores de longitudes de onda, que
mezclan las señales en el dominio óptico.
Hasta la fecha, los mezcladores ópticos se
construyen a partir de dispositivos fotónicos integrados, tales
como moduladores de electroabsorción o electroópticos, pero la
naturaleza pasiva del proceso de mezcla entre señales conlleva
siempre unas pérdidas de conversión a la salida.
Una solución alternativa sería pues la
utilización de dispositivos optoelectrónicos de semiconductor, que
son activos, para mitigar las limitaciones comentadas en los
mezcladores existentes.
Además, como es requisito en muchas aplicaciones
actuales, se exige un amplio ancho de banda también para los
dispositivos usados en el procesamiento de señales ópticas.
Así, en el campo de las telecomunicaciones, la
generación y manipulación de señales de radiofrecuencia, microondas
y ondas milimétricas, con frecuencias entre 900 MHz a 60 GHz, se ve
avanzada de una importante manera con el empleo de técnicas todo
ópticas.
En particular, las redes de telefonía móvil
transmiten señales que están en torno a los 980 MHz, con el sistema
GSM, pasando a los 1,9 GHz hasta 2,1 GHz de los sistemas UMTS.
Tales señales se transmiten desde una antena hasta el usuario a
través de las ondas, pero también se tienen que transmitir entre
las antenas y las centrales de telefonía, normalmente a través de
un cable, resultando la fibra óptica el mejor medio.
Otro estándar bajo desarrollo que emplea
frecuencias muy altas, a partir de 10 GHz, para transmitir señales
de telefonía es, entre otros, el HYPERLAN/2. El empleo de la fibra
óptica es todavía más ventajoso aquí, en la transmisión de las
señales desde las estaciones base hasta las antenas.
La misma filosofía puede aplicarse a la
transmisión de canales de televisión y, en general, datos
multimedia a un número muy elevado de usuarios, como ocurre en los
sistemas LMDS, donde se trabaja con señales de 28 ó 30 GHz. A
medida que la frecuencia central de la información a transmitir es
más alta, más ventaja tiene la fibra óptica como medio de
transmisión y, por tanto, un mezclador/amplificador óptico que
proporcione la unión mecánica y de luz necesaria entre los puntos
remotos de transmisión/recepción de las señales.
En definitiva, cuanto más alta es la frecuencia
a la que se transmiten las señales más ventajoso es utilizar la
fibra óptica y los dispositivos ópticos afines, precisando un
mezclador/oscilador/amplificador óptico.
La transmisión de señales en un amplio ancho de
banda y de alta calidad se extiende a otros ámbitos y otras
tecnologías, como la realización del protocolo IP directamente sobre
la capa física óptica, creando una red óptica de paquetes que da
lugar a una nueva Internet óptica con mayores prestaciones que la
implantada actual y popularmente, así como es extensible a la
transmisión de señales espaciales, en aplicaciones militares de
telecontrol y telemando, radioastronomía, radares de alta calidad,
etc.
Otro sector de interés es el de la medicina, no
tanto por la necesidad de enviar señales a frecuencias elevadas,
sino por el hecho de que por cuestiones de seguridad es preferible
el envío de datos como señales ópticas en vez de eléctricas.
Servicios tales como la telemedicina o los aparatos de
bioingeniería requieren un procesado de señales con una alta
calidad, siendo la fibra óptica y los elementos ópticos afines muy
recomendables para garantizar la seguridad en el paciente y los
especialistas que manejan estos
datos.
datos.
Todos los sistemas anteriormente mencionados se
caracterizan por permitir a los usuarios intercambiar un flujo
considerable de datos u obtener información multimedia de alta
calidad en un gran ancho de banda. Particularmente, las redes de
comunicación óptica generan los paquetes de información en la
denominada banda base y transportan los datos sobre una portadora,
una señal milimétrica o de microondas que asegura una transmisión
fiable.
En consecuencia, se hace necesario la
incorporación de un dispositivo que genere tales señales
milimétricas y traslade la información desde la banda base a la
región de las ondas milimétricas, lo que se conoce como conversión
ascendente (up-conversion). Cuando la información
llega al usuario de destino, se debe proceder al proceso inverso de
conversión descendente (down-conversion).
El amplificador óptico de semiconductor objeto
de la invención es un dispositivo capaz de realizar los procesos de
conversión ascendente y descendente de las señales ópticas que se
quieren transmitir, configurándose con más de una etapa, que
combina zonas de amplificación de la señal de entrada con zonas de
atenuación, para mejorar la eficiencia de generación de la señal
óptica a la salida.
La presente invención se construye materialmente
siguiendo los mismos principios de la técnica para la fabricación
de láseres de semiconductor con múltiples etapas, como la usada
para los láseres DFB, a la vez que mantiene las longitudes de onda
de amplificación logradas en los amplificadores de semiconductor
construidos con una única etapa.
Las múltiples etapas del amplificador óptico de
la invención no sirven para la realimentación de la señal entre
etapas, sino para adaptar los niveles de potencia de una etapa a
otra, con alternancia de zonas de amplificación y atenuación,
obteniendo finalmente una ganancia global con un comportamiento no
lineal del dispositivo que favorece la mezcla entre señales.
Las ventajas del dispositivo propuesto frente a
los antecedentes que se describen en la literatura científica o los
mezcladores fotónicos para señales de radiofrecuencia y microondas
que se encuentran en el mercado actual son las siguientes:
- -
- Amplio ancho de banda de mezcla, superior a los 40 GHz.
- -
- Ganancia interna que ofrece un aprovechamiento más eficiente de la potencia suministrada, obteniendo un mezclador fotónico con amplificación en vez de pérdidas.
- -
- Económico, ya que al realizarse con la tecnología de semiconductores y óptica integrada permite unos bajos costes de producción.
- -
- Fácilmente fabricable e integrable, con una estructura y configuración basada en el láser DFB.
- -
- Diseño compacto y con flexibilidad para añadir varias etapas si los requisitos de potencia exigen una mayor ganancia para la señal de mezcla a la salida.
Más concretamente, el amplificador óptico de
semiconductor que aquí se describe presenta una estructura con dos
o más zonas de amplificación o activas separadas por sendas zonas
pasivas de pérdidas, compuesto por el mismo material
semiconductor.
En las zonas pasivas la absorción de potencia se
controla mediante la inyección de una corriente continua externa, a
través de un contacto metálico que hace de electrodo.
Para cada zona activa, se incorpora en la
superficie superior del semiconductor un electrodo de onda viajera,
constituido por una línea de transmisión, a través del cual se
introduce la señal de radiofrecuencia o microondas que modula la
ganancia óptica de esa zona activa.
El dispositivo puede contar con múltiples etapas
que actúan como amplificadores/atenuadores de señal o correctores
de desfases/ganancia, intercalando en todo caso al menos una zona
pasiva entre cada dos zonas activas. Los electrodos usados en las
zonas de amplificación son diferentes a los de las zonas pasivas.
Estas zonas de pérdidas no requieren electrodos con elevadas
prestaciones, ya que sólo se utilizan para corrientes de control
continuas, no van a ser sometidos a señales de modulación como las
líneas de transmisión que se disponen en las zonas activas.
La señal óptica de entrada al dispositivo es una
onda continua, en el sentido de que no está modulada, es decir, se
trata de una senoide cuya amplitud es constante, por lo cual la
potencia óptica de entrada no varía. A la salida del dispositivo,
la señal óptica resultante es la mezcla de las distintas señales de
modulación, preferentemente ondas de radiofrecuencia, aplicadas
sobre tales líneas de transmisión o electrodos de las zonas
activas.
Los datos que se quieren transmitir pueden ser
introducidos por cualquiera de los electrodos de las zonas de
amplificación, o bien directamente junto con la señal óptica de
entrada. Con cualquier opción, el resultado es similar, si bien,
controlando el nivel de potencia óptica a la entrada del
dispositivo, las potencias de las señales eléctricas inyectadas por
los electrodos y las características físicas del amplificador óptico
de semiconductor propiamente dicho, se favorece la generación de
una determinada frecuencia armónica de las posibles frecuencias
resultantes: suma, resta o múltiplos de cada una de las frecuencias
de modulación a las que se someten las zonas activas.
Estas zonas de amplificación proporcionan
ganancia en el interior de la cavidad que constituye el dispositivo
y son fuertemente no lineales. Precisamente, es la no linealidad en
la respuesta del dispositivo una propiedad ventajosa que se emplea
para lograr la mezcla o multiplicación de señales de
radiofrecuencia en el dominio óptico, como se ha explicado
anteriormente.
La zona de pérdidas que se interpone entre cada
pareja de zonas activas está concebida para rebajar el nivel de
potencia óptica a la salida de la zona activa que encuentra primero
la señal, a fin de que disminuya a un nivel tolerable por parte de
la siguiente zona activa a la que debe entrar dicha señal.
Para evitar que el dispositivo deje de
comportarse en régimen no lineal porque la ganancia proporcionada
por una zona activa, elevando el nivel de potencia de la señal
óptica a su salida, puede saturar la ganancia de la siguiente zona
activa, es necesario al menos una zona de pérdidas intercalada que,
bajo la inyección de una pequeña corriente continua, atenúe la
señal que se propaga a través de la zona pasiva, entre un par de
zonas de amplificación. Por lo tanto, la zona pasiva intermedia es
imprescindible para mantener la no linealidad, sin la cual la mezcla
entre las señales de radiofrecuencia introducidas por las zonas
activas no se efectuaría de forma adecuada. La atenuación a la que
las somete esa zona pasiva se controla variando el nivel de
corriente continua inyectada al electrodo.
Al ser un dispositivo activo, el amplificador
óptico de semiconductor provoca ruido de emisión espontánea
amplificada, el cual se mitiga sencillamente incorporando un filtro
óptico pasivo a la salida.
El inconveniente de una limitación en la
frecuencia máxima de modulación permitida en las zonas activas se
resuelve, aparte de con la utilización de electrodos de onda
viajera de radiofrecuencia, por medio de un ajuste del índice de
refracción de la línea de transmisión al índice de refracción del
material de semiconductor empleado, que suele estar cercano a un
índice de 3,5.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, una hoja de planos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra una sección transversal
del dispositivo amplificador láser de semiconductor, según una
realización preferente de la invención, que comprende dos etapas
activas y una pasiva entre medias, ilustrando las señales que
intervienen en el proceso de amplificación óptica y modulación para
obtener la mezcla de señales a la salida, de acuerdo al objeto de
la invención.
La figura 2.- Muestra una representación gráfica
en ejes de coordenadas de la potencia de la señal de salida del
dispositivo, según la realización con dos etapas activas de la
figura anterior, correspondiente a una frecuencia de salida suma de
las frecuencias de las dos portadoras de entrada (f1 = 3,4 GHz; f2
= 3,5 GHz), representando en el eje de ordenadas el nivel de
potencia en dBm y en las abscisas la atenuación en la etapa pasiva,
para una corriente de alimentación de 450 mA en ambas etapas
activas, mientras que en la etapa pasiva los niveles de
alimentación están en el intervalo de 0 a 50 mA para una variación
de la atenuación desde 20 dB hasta 0 dB (sin pérdidas).
A la vista de las figuras reseñadas, la
invención que se propone consiste en un dispositivo amplificador
óptico de semiconductor dividido en dos etapas, que comprende una
primera zona activa (1) y una segunda zona activa (2), entre las
que se dispone una zona pasiva (3).
Según se representa en la Figura 1, en la
primera zona activa (1) se introduce una señal óptica de entrada
(4), la cual es una onda continua habitualmente a una frecuencia
muy elevada, por ejemplo unos 193 THz, sin modular, a la vez que
por el primer electrodo (8) de dicha primera zona activa (1) se
suministra una señal eléctrica (5), para que se amplifique la señal
óptica de entrada (4).
Tal señal eléctrica (5) lleva incorporados los
datos que se desean transmitir, modulándolos por una portadora
óptica de frecuencia intermedia (f1), que los baja o sube a la
banda de las ondas milimétricas o de microondas. De este modo, la
señal óptica de salida de la primera etapa (11) contiene los datos
trasladados a una frecuencia intermedia (f1), la de la portadora
óptica de la señal eléctrica (5) que modula la amplitud, al mismo
tiempo que se amplifica dicha señal óptica (11) debido a la ganancia
del medio semiconductor. La señal eléctrica (5) de modulación más
polarización no sobrepasa típicamente niveles comprendidos entre 250
mA y 500 mA.
Al alimentar a través de un segundo electrodo
(9) la segunda zona activa (2) con otra señal eléctrica (7), que es
un tono a una frecuencia (f2), preferiblemente de radiofrecuencia,
actuando a modo de oscilador local, se produce la mezcla con la
señal óptica de la primera etapa (11).
Pero previamente, la señal óptica (11)
procedente de la salida de la primera zona activa (1) pasa a través
de la zona pasiva (3) intermedia, que atenúa su amplitud hasta
adaptarla a los niveles de potencia óptimos con los que debe entrar
a la segunda zona activa (2). La atenuación en la zona pasiva (3)
se regula mediante la baja inyección por el electrodo (6) de una
corriente continua (10) para el control de pérdidas, que
preferiblemente no supera valores de 50 mA.
Así, a la entrada de dicha segunda zona activa
(2) se tiene una segunda señal óptica (12), resultado de la
atenuación sobre la primera señal óptica (11). La no linealidad de
esta segunda zona activa (2) favorece altamente la mezcla de la
señal óptica (12) con la portadora a la segunda frecuencia (f2) de
su señal eléctrica (7) de modulación.
Al final, a la salida de la segunda zona activa
(2) se obtiene una señal óptica de salida (13), mezcla óptica de
las señales eléctricas (5, 7), que contiene los datos modulando una
frecuencia que es la suma (f1 + f2), la resta (f1 - f2) o el doble
del valor de cada una de las frecuencias (2f1, 2f2). En la Figura
1, se ilustran sólo la señal óptica de salida suma (14) y la señal
óptica de salida resta (14'), siendo las otras dos señales
resultantes con frecuencias dobles (2f1, 2f2) muy similares, en
este ejemplo particular, a la señal óptica de salida suma (14).
Para potenciar la generación de un determinado
armónico de las cuatro posibles frecuencias resultantes a la salida
(f1+f2, f1-f2, 2f1, 2f2), aparte de una variación en
las propiedades físicas del amplificador óptico de semiconductor,
basta con variar los niveles de potencia de la señal óptica de
entrada (4) o de las señales eléctricas (5, 7) a las que se someten
correspondientemente las zonas activas (1, 2).
Al igual que habitualmente se utiliza en los
láseres DFB, las superficies de entrada y salida del amplificador
óptico de semiconductor están rematadas por respectivos
recubrimientos antirreflejantes (15, 15'), cuya finalidad es
impedir las oscilaciones láser en el dispositivo.
En definitiva, el dispositivo de la invención
trabaja globalmente como un mezclador óptico con ganancia, gracias
a la estructura en cascada de zonas activas (1, 2) con zona pasiva
(3) entre medias, comportándose como un amplificador en las zonas
activas (1, 2), mientras que actúa como un atenuador en la zona
pasiva (3), para finalmente generar determinados armónicos a la
salida.
En la Figura 2, se muestra la importancia de la
zona pasiva (3), representando en el eje de abscisas la atenuación
que se controla mediante la variación de los niveles de la
corriente continua (10), que en este ejemplo van entre los 0 y los
50 mA, obteniendo una atenuación óptima en torno a los 10 dB,
puesto que para ese valor se consigue un nivel de potencia máximo
de la señal óptica de salida suma (14), representado en el eje de
ordenadas de la gráfica.
Los términos con que se ha redactado esta
memoria deberán ser tomados siempre en sentido amplio y no
limitativo.
Claims (5)
1. Dispositivo amplificador óptico de
semiconductor al que se introduce una señal óptica de entrada (4)
más una señal de datos que se desea modular en la banda de las
señales de radiofrecuencia, milimétricas o microondas por medio de
al menos dos señales eléctricas (5, 7), caracterizado porque
comprende al menos dos zonas activas (1, 2) que amplifican la señal
óptica que las atraviesa, entre las cuales se dispone de al menos
una zona pasiva (3) que atenúa la señal óptica que la atraviesa
para adaptar el nivel de potencia de la señal óptica de salida de la
primera zona activa (1) a la entrada de la segunda zona activa (2),
generando una señal óptica de salida (13) que es la mezcla
amplificada entre la señal óptica de entrada (4), la señal de datos
y dichas señales eléctricas (5, 7).
2. Dispositivo amplificador óptico de
semiconductor según reivindicación 1 caracterizado porque la
zona pasiva (3) dispone de un electrodo (6) a través del que se
introduce una corriente continua (10) para el control de la
atenuación en dicha zona pasiva (3).
3. Dispositivo amplificador óptico de
semiconductor según reivindicación 1 caracterizado porque
las zonas activas (1, 2) disponen de respectivos electrodos (8, 9)
a través de los que se introducen las correspondientes señales
eléctricas (5, 7) de modulación que se mezclan con la señal óptica
de entrada (4).
4. Dispositivo amplificador óptico de
semiconductor según reivindicación 3 caracterizado porque
dichos electrodos (8, 9) de las zonas activas (1, 2) son de
radiofrecuencia.
5. Dispositivo amplificador óptico de
semiconductor según reivindicación 1 caracterizado porque
las superficies de entrada y salida del dispositivo incorporan
sendos recubrimientos antirreflejantes (15, 15') que impiden una
oscilación de las señales ópticas que lo atraviesan.
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