Ruido de intensidad en láseres de semiconductor

Diodos Láser

El ruido de intensidad de los láseres degrada la calidad de los sistemas de comunicaciones ópticas, tanto analógicos como digitales. En este artículo se presentaran algunas técnicas para la medida y caracterización del mismo.

La portadora óptica a la salida de un láser de semiconductor presenta fluctuaciones de intensidad, fase y frecuencia incluso en el caso de estar polarizado con una corriente constante. Los dos mecanismos fundamentales de ruido son la emisión espontánea y la recombinación electrón-hueco (ruido shot), si bien el primero de ellos es dominante. Cada fotón emitido de forma espontánea se suma al campo coherente generado por emisión estimulada como una pequeña componente de campo con fase aleatoria. La tasa de emisión espontánea es muy alta (1012 s-1 aprox.), lo que provoca que la intensidad y la fase de la luz emitida exhiban fluctuaciones sobre una escala de tiempos de tan sólo 100 ps. Las fluctuaciones de fase conducen a un valor finito del ancho de línea del láser, mientras que las fluctuaciones de intensidad conducen a una relación señal a ruido (OSNR) limitada.

Esta reducción en la OSNR, y el consiguiente aumento de BER, pueden suponer una importante limitación en la transmisión de señales tanto analógicas como digitales. Luego para asegurar el buen funcionamiento de un enlace de comunicaciones ópticas se debe disponer de una caracterización precisa del ruido de intensidad del láser, con el fin de comparar su nivel de potencia con la señal y optimizar las prestaciones. En este artículo comentaremos los fundamentos básicos del ruido de intensidad de los láseres y presentaremos métodos para su medida y caracterización.

Ruido relativo de intensidad.

El ruido relativo de intensidad (RIN, Relative Intensity Noise) describe la contribución al ruido eléctrico del receptor de las fluctuaciones de intensidad del láser en relación con la potencia eléctrica de señal. En general, el ruido RIN se normaliza para un ancho de banda de 1 Hz, de tal forma que se pueda independizar del ancho de banda del receptor. Aunque se trata de un ruido óptico (fluctuaciones de la potencia óptica del láser), su definición se realiza en términos de potencias eléctricas a la salida del fotodetector. Más concretamente, éste se calcula como:

donde N es la potencia eléctrica de ruido, Pf es la potencia de la fotocorriente recibida y B es el ancho de banda de ruido. El correspondiente valor de RIN en dB/Hz se calcula finalmente aplicando 10log10(·).
La figura 1 muestra el espectro típico de ruido RIN de un láser de InGaAsP a 1550 nm y para distintos valores de potencia óptica.
Como se puede observar en dicha figura, no se trata de ruido blanco, sino que presenta un pico de gran intensidad para una frecuencia cercana a la de las oscilaciones de relajación del láser. Adicionalmente, éste decrece rápidamente para frecuencias mayores a la de las oscilaciones de relajación, actuando como un filtro paso-banda para las fluctuaciones debidas a emisión espontánea.
Por último, el RIN decrece como P-3 para potencias bajas, pasando a una dependencia como P-1 para potencias altas.
Basándonos en la definición anterior de ruido RIN, su medida requiere de un láser sin modular, o bien de un instrumento de laboratorio que pueda realizar la medida de ambas potencias en presencia de un determinado patrón de modulación. Precisamente por ello, la norma IEEE 802.3ae ("10Gb/s Ethernet Task Force") define el RIN OMA como el cociente entre la potencia eléctrica media de ruido normalizada a 1 Hz y la potencia eléctrica media de una onda cuadrada:

La diferencia entre ambas definiciones de ruido RIN se refleja en la figura 2. Si se mantiene la potencia óptica media y la relación de extinción es muy alta, entonces ambas definiciones proporcionan prácticamente el mismo resultado.

Medida del ruido RIN.

Para realizar medidas del ruido RIN de láseres pueden emplearse diferentes técnicas. Como primer ejemplo, una de ellas se basa en el empleo de un osciloscopio digital. El dispositivo bajo test (DUT) se alimenta con una señal cuadrada proveniente de un generador de patrones de modulación. Para medir el RIN, la salida del DUT se conecta directamente a un osciloscopio de entrada óptica, o bien a un fotodetector y osciloscopio de entrada eléctrica. A partir de la forma de onda capturada (figura 3), el nivel de ruido RIN OMA puede calcularse como:

donde N1 y N0 son las potencias ópticas de ruido de los niveles "1" y "0", respectivamente, y ModAmp hace referencia a la amplitud de la modulación. Opcionalmente, la medida puede realizarse incluyendo en el montaje de laboratorio un reflector variable, de tal forma que se modele el caso peor. Conviene matizar que el nivel de ruido RIN de los láseres empeora en presencia de reflexiones externas hacia el DUT.
A partir de los resultados de la figura 3 se obtiene un RIN OMA de -114,8 dB/Hz. El valor de RIN puede calcularse directamente a partir de los valores del nivel "1" de la señal cuadrada. El margen dinámico de la medida depende de la potencia de salida del DUT, del tipo de conversión O/E y del nivel de ruido eléctrico interno (térmico principalmente). Por ejemplo, para un módulo receptor Agilent 86116C de 43 Gbit/s (BN = 33 GHz), caracterizado por una potencia equivalente de ruido de -10 dBm y un nivel máximo de potencia óptica media de entrada de 10 dBm, se tiene un margen dinámico de medida de RIN de -143 a -119 dB/Hz.

Otro de los métodos de medida de ruido RIN hace uso de un analizador de espectros eléctrico. La medida consiste en analizar el espectro de RF, estimando los niveles de ruido y de señal (CW) con el fin de independizar las contribuciones de los distintos términos de ruido (térmico, shot y RIN). Por ejemplo, el ruido térmico interno del equipo de medida se puede estimar anulando la señal óptica de entrada, mientras que el ruido shot se puede calcular a partir de la potencia óptica media. En la figura 4 se muestra un ejemplo de medida empleando el equipo 71400C/71401C de Agilent.
Por último, el ruido RIN puede estimarse también a partir de medidas en el dominio óptico. Por ejemplo, el equipo BOSA de Aragón Photonics permite realizar medidas de ruido RIN de láseres DFB analizando su espectro óptico. Adicionalmente, este instrumento permite medir otros parámetros tales como el factor de ensanchamiento de línea o la frecuencia de pico de las oscilaciones de relajación. El montaje de laboratorio es como el mostrado en la figura 5. Al igual que antes, simplemente se conecta el DUT a la entrada del BOSA y se captura la traza del espectro óptico. Posteriormente, se ajusta al pico de emisión del láser una curva Lorentziana ideal que se sustrae de dicha traza, obteniéndose medidas del espectro de ruido RIN como las mostradas en la figura 6. En este caso concreto, se puede ver la influencia de la corriente de polarización del láser sobre los niveles de ruido RIN.

Técnicas para compensar ruido RIN.

El ruido RIN de los láseres limita la calidad de los sistemas de comunicaciones ópticas. Dependiendo de la aplicación, se requieren valores de RIN del orden de -160 a
-130 dB/Hz. Gracias a la instrumentación de laboratorio presentada con anterioridad, se pueden estimar con precisión los niveles de ruido RIN del sistema, incluso en presencia de reflexiones. En caso de que estos valores no cumplan con nuestras especificaciones, entonces habrá que emplear alguna técnica para reducir sus efectos. Entre las más conocidas, se encuentra el empleo de un fotorreceptor balanceado (figura 7). Se trata de un receptor óptico en el cual se integran dos fotodetectores de idénticas características y que funcionan con un esquema

diferencial. Es decir, las salidas de ambos fotodetectores se amplifican de forma diferencial con el fin de duplicar el nivel de señal y compensar en lo posible el nivel de ruido. Además del ruido RIN, también permite neutralizar el ruido shot. Con este esquema, se puede alcanzar reducciones de ruido RIN de hasta 20 dB.

Módulo láser analógico directamente modulado de 1550 nm

Diodos Láser

El fabricante francés 3S Photonics, especializado en componentes ópticos y optoelectrónicos para redes de telecomunicaciones, presenta la serie 1915 LMA de módulos láser de 1550 nm analógicos directamente modulados optimizados para los formatos de modulación FDM/QAM. Convertido específicamente por 3S Photonics para el proyecto de la telecomunicación de EPOD, patrocinado por la agencia nacional francesa de la investigación - ANR -,

este módulo láser 10mW 1550nm de bajo RIN (inferior a -160 dB /Hz para frecuencias hasta 18 GHz) permite la transmisión de señales analógicas dentro de una banda ultra-ancha de 10 MHz a 20 GHz. Este módulo está ideado para la distribución y/o la transmisión señales tipo radio con acoplamientos de banda ancha de la fibra tales como Radio-sobre-Fibra (RoF), RF sobre usos del vidrio (RFoG) o de la Fibra-a-Antena (FTTA). "Cuando está modulado directamente con la técnica de OFDM - la implementada en transmisión del xDSL -, los 1915 LMA representan a un candidato perfecto de transmisor de última generación de las redes ópticas de acceso de banda ancha, que cumplen los rigurosos requisitos fijados por la convergencia de redes metropolitanas y acceso, es decir, bajo costo, tecnología madura, alta velocidad de transmisión binaria y alcance extendido", comenta Yannick Bailly, vicepresidente de marketing y director de producto en 3S Photonics. "Hemos desarrollado este prototipo de 1915 LMA bajo proyecto de EPOD. El propósito era intentar imaginarse lo que las redes de acceso de última generación pueden o deben superar el embotellamiento previsto de la anchura de banda debido a la aparición de los nuevos servicios de Internet. Con nuestros socios dentro de EPOD, hemos explorado los funcionamientos de transmisión de nuestros módulos laser analógicos 1915 LMA con el uso del formato de la modulación OFDM. El objetivo es participar en la evolución de las redes de acceso que proporcionan las tecnologías optoelectrónicas baratas del alto rendimiento. El desarrollo de 1915 LMA es un paso principal el avance de este proyecto ", explica Desiderio Sauvage, miembro del Consejo y CTO de 3S Photonics.
Este módulo permite transmisiones que superan los 20 km en fibra monomodo.

Láser FemtoFiber pro

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Generación de láseres ultrarrápidos de fibra - el FemtoFiber pro. La manipulación sin manos con la máxima flexibilidad y alto rendimiento son los parámetros dominantes de este laser de fibra de siguiente generación.

El laser de fibra dopado con erbio emite pulsos de femtosegundos en 1550 nm con el pico de potencia más alto de su clase disponible en el mercado. La energía media de la salida fundamental (1550 nm) supera los 350 mW y la anchura de pulso está muy por debajo de 100 fs. El ratio de repetición se puede seleccionar entre 40, 80 y 100 MHz.
Todos los componentes vitales pueden beneficiarse de la última experiencia de la base de láser de fibra ultrarrápida instalada. En consecuencia, este láser satisface los requisitos de las aplicaciones más exigentes. Por ejemplo, el nuevo espejo saturable de absorción (SAM) asegura un bloqueo estable bajo todas las condiciones del laboratorio – incluso la humedad y temperatura derivada están bastante toleradas. Además, todos los componentes de la fibra mantienen la polarización. Esto aumenta perceptiblemente la robustez contra influencias ambientales. La operación también es más fácil: muchas funciones como el ajuste variable de la dispersión están ahora motorizadas y controladas por ordenador.

El FemtoFiber Pro se suministra en una caja sellada compacta con un tamaño huella A4. Las primeras entregas se programan para finales de 2009.
Tres opciones integradas estarán disponibles en la misma unidad laser: Salida fundamental a 1550 nm, segunda salida armónica a 780nm o una octava supercontinua con rango desde 980 hasta 2200 nm. Por primera vez, el cliente puede cambiar externamente entre 1550 y 780 nm sin la realineación – tan sólo apretando un botón externo. Hasta tres puertos "semilla" externos de fibra pueden convertir al FemtoFiber Pro en fiel maestro para experimentos complejos multihazcon pulsos de fase perfectamente sincronizados.
El sistema está equipado con interfaces Ethernet y USB.
El FemtoFiber Pro es el último producto de la series "pro". La etiqueta "pro" indica las especificaciones más altas con la mayoría de los uso de manipulación sin manos. Esta combinación hace del FemtoFiber Pro el láser ideal para aplicaciones ultrarrápidas de próxima generación, como es el caso de espectroscopia de THz, biofotónica, metrología y espectroscopia ultrarrápida

Módulo diodo láser de 325 nm tipo OEM

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También en el certamen Laser Worl of Photonics 2009, celebrado en Munich, se ha dado a conocer un módulo compacto diodo láser de 325 nm para OEM que suministra potencia de 50 mW.

Esta unidad ofrece una pulsación espectral inferior a 5 MHz (longitud de coherencia superior a 50 m, garantizada), en calidad de haz TEM00 y polarización lineal estable tan baja como 500:1. Como es de esperar de los módulos láser modernos, el nuevo módulo de Toptica viene en un formato altamente compacto comparado con los láseres tradicionales de HeCd. Además, requerimientos de baja potencia de alimentación (varios W) y ausencia de rigurosas exigencias de refrigeración (sin refrigeración por agua ni ventilador) son argumentos de peso a favor de este nuevo desarrollo.

El láser OEM 325 nm ha sido diseñado pensando en aplicaciones que necesiten máxima flexibilidad o sensibles a longitud de onda: ajustes de sintonización de
+/-1 nm, un nuevo estándar para láseres UV OEM.

Marcado de cables por láser UV

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La técnica del marcado por láser UV permite mantenerse a la vanguardia de la innovación en el campo del marcado de cables. Única empresa de diseño que fabrica desde el equipamiento de marcado hasta el láser, Laselec ofrece múltiples gamas evolutivas adaptadas a las necesidades de producción.

Especialista en máquinas que permiten realizar la identificación, corte y trazabilidad de los cables, es pionera en su marcado mediante láser UV, técnica que su equipo de I+D desarrolló hace más de 20 años. Tras haber sido probada en un sector tan exigente como es el aeronáutico, dicha técnica se utiliza actualmente en todos los ámbitos industriales: ferroviario, marítimo, espacial o incluso en Fórmula 1 y vehículos de rally, etc.

Algunas ventajas de este procedimiento forman parte de las normas obligatorias impuestas por el sector aeronáutico. Así el marcado láser no altera en modo alguno las propiedades físicas y eléctricas de los cables, al contrario que la "impresión en caliente". Además, es indeleble e inalterable, si la comparamos con la "impresión por inyección de tinta". Han diseñado máquinas destinadas a optimizar la productividad: velocidad de desarrollo adaptada y automatización del funcionamiento mediante programas informáticos específicos.

En función de las necesidades de los usuarios, la producción puede acondicionarse a pequeñas cantidades o alcanzar altos niveles industriales. Es por lo que Laselec ha ampliado su gama de máquinas y a precios muy competitivos. Existen tres gamas de productos disponibles:

- La gama MRO 200, completamente progresiva, está destinada a las series pequeñas y medias. En efecto, es posible transformar el modelo de base MRO 200-A hasta alcanzar otros modelos MRO 200-B y MRO 200-S que presentan una mayor productividad.

- La gama ULYS Modena, adaptada a las series grandes y muy grandes, también es evolutiva. Además de los modelos clásicos, ULYS 110, 220 y 330 Modena, incluye la máquina ULYS 990 Modena que, gracias a sus dos láseres, ofrece un rendimiento sin igual.

- La gama ULYS LINE responde a las necesidades de las industrias ferroviaria, marítima, automovilística, de fabricación de cables, etc. Además, se ofrece un probador de muestras que permite a los fabricantes de cables verificar el marcado UV de los cables en curso de desarrollo y realizar los controles periódicos de su producción. Este equipamiento incluye el sistema COMET, que facilita a todos los profesionales la comprobación del contraste del marcado realizado sobre sus cables.
Gracias a la implementación de una organización óptima de su servicio al cliente, cuyos valores son reactividad, trazabilidad y escalabilidad, se garantiza el mejor índice de disponibilidad de sus sistemas en todo el mundo.

Anderson J. Mariño O. CRF

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