Métodos de Modulación, Detección y Demodulación

Modulación

Modulación directa de un diodo láser

La capacidad de modulación directa de los diodos láser a través de la corriente aplicada es una de las principales ventajas de este dispositivo. En los siguientes apartados se analizan los formatos básicos de modulación directa del diodo láser.

Modulación OOK (On-Off Keying)

Este tipo de modulación consiste en suministrar al diodo láser una corriente, I_ON , superior a la corriente umbral del diodo láser para que tenga lugar la radiación, cuando se desea emitir el bit "1". En caso de transmitir el bit "0" la potencia óptica emitida por el láser debe ser nula, por lo que la corriente aplicada, I_OFF , debe ser menor que el umbral. Emplear una corriente I_OFF próxima a cero tiene como ventaja que la potencia residual asociada a los bits "0" debida a las emisiones espontáneas es mínima, incrementando el cociente de extinción y por tanto reduciendo la probabilidad de error.

La siguiente figura presenta un ejemplo de modulación OOK. Al comienzo de cada pulso óptico aparecen unas oscilaciones amortiguadas (oscilaciones de relajación) cuyo origen esta en el proceso por el cual los portadores y fotones tienden a sus valores de equilibrio.

Fig.3.5.1. : Modulación OOK

Como también se observa en la figura existe un retardo en cada conmutación ( retardo de encendido, t_D, ), debido a la lenta respuesta de los portadores de carga para que se inicie la oscilación del láser. Este retardo puede reducirse incrementando la cantidad de portadores existentes en el láser, lo cual supone emplear una corriente I OFF , cercana a la corriente umbral del diodo láser.

El valor concreto del retardo de encendido, t_D , puede calcularse como:

donde τ_e es el tiempo de vida de las recombinaciones espontáneas.

Pulsación mediante conmutación de la ganancia

Existen aplicaciones en las que el diodo láser debe genera unos pulsos ópticos muy estrechos, cuya duración sea menor que el intervalo entre pulsos consecutivos. En esta situación se aplica al láser un pulso de corriente que durante un breve intervalo de tiempo este por encima de la corriente umbral para la oscilación del láser. Si este pulso de corriente es lo suficientemente estrecho el pulso óptico emitido se corresponde con el primer pico de las oscilaciones de relajación vistas en la anterior figura. Este modo de operación se denomina conmutación de la ganancia .

Modulación de pequeña señal

Este esquema de modulación se emplea en sistemas analógicos. Consiste en amplicar al láser pequeñas variaciones de corriente alrededor de un valor de polarización de forma que se produzca la emisión de una potencia óptica que varia de la misma forma que la corriente aplicada, como muestra la siguiente figura.

Fig.3.5.2. : Modulación de pequeña señal de un láser

Para saber en que rango de frecuencias y bajo que condiciones es posible realizar esta modulación sin que se produzcan distorsiones se requiere conocer la respuesta en frecuencia del diodo láser. Ésta se define como el cociente entre la amplitud de las variaciones de la densidad de fotones y la amplitud de las variaciones de la corriente:

donde la densidad de fotones es,

Donde, G es el factor de confinamiento, I_U es la corriente umbral del láser, τ_e es el tiempo de vida de las recombinaciones espontáneas, q es la carga del electrón y V el volumen de la cavidad del láser.

Suponiendo que la corriente de modulación, expresada en forma fasorial, consiste en un solo armónico de frecuencia ω ,

donde I_O es la corriente de polarización.

Luego la densidad de portadores, N(t), y la densidad de fotones, S(t), en la cavidad del láser varían con la misma frecuencia ω ,

donde, N_U es la población umbral de electrones,

y S_O es la densidad de fotones asociada a la corriente de polarización I_O .

Por lo que se obtiene la siguiente expresión para la respuesta infrecuencia del láser:

Se observa una pico debido a las oscilaciones de relajación. La frecuencia en la que se sitúa este pico se considera como la máxima frecuencia de modulación, que se obtiene derivando e igualando a cero el módulo de H( ? ), obteniendo así:

Esta expresión puede ser aproximada por,

Modulación externa

La modulación externa consiste en un diodo láser emitiendo una potencia óptica continua seguido por un dispositivo externo que realiza la modulación deseada. Esto permite evitar los efectos que provoca el chirp de frecuencia generado al modular la amplitud de la potencia óptica generada por el láser, cuyo origen se encuentra en la dependencia existente entre el índice de refracción del material semiconductor y la densidad de electrones.

Otra aplicación es generar señales RZ. A partir de una secuencia de pulsos periódicos generados por un láser, por la aplicación una corriente pulsada, el modulador no dejar pasar los pulsos ópticos que se corresponden con el bit "0".

Actualmente los moduladores externos más empleados son:

Los moduladores basados en interferómetros de Mach-Zehnder (MZI) y en materiales electroópticos. El MZI es un dispositivo formado por un divisor, dos brazos de fibra óptica y un combinador, cuyo funcionamiento se basa en el fenómeno de interferencia entre ondas. La señal óptica de entrada se divide en dos parte iguales cada uno de las cuales recorre un camino óptico distinto para combinarse después. Esta combinación puede producir una interferencia constructiva si la diferencia de fase de las señales es nula, es decir si se produce una interferencia constructiva, recuperándose así la señal de entrada (generación de un bit "1"). Si la diferencia de fase de las señales combinadas es igual a p , estas señales interfieren de forma destructiva y a la salida no se obtiene señal óptica (generación de un bit "0").

Mediante el empleo en uno de los brazos del MZI de un material electroóptico (como el niobatio de litio), que tiene la propiedad de poder variar su índice de refracción según varía la tensión eléctrica que se le aplica, se controla el desfase entre las señales que son combinadas, controlándose así la modulación.

Los moduladores electro-absorbentes.

Un material electro-absorbente tiene la capacidad de absorber radicación, y por tanto permite controlar la cantidad de potencia que éste deja pasar por medio de la tensión existente entre sus extremos.

En los materiales semiconductores esta propiedad de controlar la radiación absorbida se conoce como el efecto Franz-Keldysh o efecto Stark . Según este fenómeno las longitudes de onda que pueden ser absorbidas varían con el campo eléctrico aplicado.

Los moduladores fabricados con este tipo de materiales semiconductores tiene la ventaja de su fácil integración junto al con el diodo láser, reduciéndose las perdidas de acoplamiento entre ambos.

Anderson J. Mariño O. CRF