Láser de FO basados en

SOA y EDFA

Dr. Ing. Pablo A. Costanzo Casopcostanzo@ib.edu.ar

LIAT (Laboratorio de Investigación Aplicada en Telecomunicaciones) CNEA

Instituto Balseiro (CNEA – UNCuyo)

CONICET

EEOF / TOPFOT

21 y 24 de Mayo de 2018

INTI, Buenos Aires, Argentina

LIAT (DIT-GDTyPE-GAIyANN)

LIAT - Estructura

Fotónica en Telecom. (FET) Resp. Dr. Pablo Costanzo

Electrónica, RF y MO (ERF) Resp. Dr. Laureano Bulus

Procesamiento de Señales (PS) Resp. Dr. Juan Pablo Pascual

Comunicaciones Ópticas

Sistemas de Radares

Sistemas Satelitales

PROYECTOS TRANSVERSALES

Líneas de I+D+i específicas de cada grupo del LAIT y líneas en colaboración.

Convenios con la industria

Desarrollo de tecnología

Algunas facilidades:

Osciloscopio E/O (muestreo) 100GHz, ESA y

VNA (40GHz), OSA, Láser fs, ps, y ns, FROG-fs,

Analizador de PMD, CD y BER 10Gb/s.

Interesados en Maestrías, Doctorandos y Posdoc, Colaboraciones. Escribirme sin problemas: pcostanzo@ib.edu.ar

Bioingeniería

Petróleo/energía

Otros

Resp. Dr. Pablo Costanzo

Integrantes:

3 Investigadores CONICET3 Profesionales2 Becarios doctorales5 Becarios de Maestría

Contenido

Interacción radiación materia

Introducción al Láser

Partes del Láser

• Amplificador óptico

o EDFA

o SOA

• Resonadores

Laser de fibra en anillo

Agradecimientos

Introducción a los experimentos

Procesos fundamentales

La absorción de un fotón resulta

en la generación de un par

electrón-hueco.(principio del PD)

Absorción

La recombinación electrón-hueco

inducida por un fotón resulta en

emisión estimulada de un fotón

idéntico (principio del LD, SOA)

Interacción radiación materia

Condición de Absorción y Emisión de un fotón hv>Eg (o <g)

Emisión

espontánea

La recombinación de un para

electrón-hueco resulta en la emisión

espontanea de un fotón (principio

del LED)

Emisión

estimulada

Conceptos Básicos

Emisión de luz puede ocurrir debido a dos procesos fundamentales:

► Emisión espontánea

► Emisión estimulada

Nota: Todos los láseres emiten luz mediante Emisión Estimulada y se dice que

la Luz es Coherente

► Para sistemas en equilibrio térmico, Emisión Espontanea es dominante

► La radiación es aleatoria y se dice Incoherente (Ej. LED)

► Para generar una fuente óptica coherente se requiere amplificación y la

emisión estimulada debe estar muy por encima del nivel de emisión

espontanea.

INVERSIÓN DE POBLACIÓN GANANCIA ÓPTICA

Interacción radiación materia

Principio de operación

El término LÁSER significa Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation.

El LÁSER es un oscilador Óptico.

Tres condiciones se requieren para generar Emisión LÁSER

• Amplificación (con mecanismo de saturación)

• Realimentación (con acoplamiento óptico)

• Filtro (mecanismo de selección de frecuencia)

LÁSER - Operación

LÁSER - Operación

Dos condiciones deben ser satisfechas para oscilar:

La ganancia del amplificador debe ser mayor que las pérdidas del sistema realimentado,

i.e. hay una ganancia neta en lazo.

El desplazamiento de fase en una vuelta completa debe ser múltiplo de 2 entonces la

señal de entrada se acopla en fase con la realimentada.

ENTONCES

El Sistema se convierte inestable y comienza la oscilación.

A medida que la potencia de oscilación crece, satura la ganancia del amplificador y

decrece respecto de su valor inicial.

Una condición estable se alcanza cuando la ganancia iguala las pérdidas.

LÁSER - Ejemplos

Un Láser consiste en un amplificador óptico (medio activo) ubicado dentro de un resonador. La

salida es obtenida de un espejo parcialmente reflectivo. La selección de frecuencia se logra por el

amplificador selectivo en frecuencia y los modos específicos admitidos por el resonador.

Titanio Safiro Neodimio

1064nm(doblado 532nm)

Láser de Fibra dopada(con Redes de Bragg)

532nm

700-1000nm

Tres condiciones se requieren para generar Emisión LÁSER

• Amplificación (con mecanismo de saturación)

• Realimentación (con acoplamiento óptico)

• Filtro (mecanismo de selección de frecuencia)

LÁSER - Partes

La creación de inversión de población hace que la emisión estimulada supere la absorción. Para un SOA, la inversión de población se logra mediante inyección de corriente en una

estructura p-n con polarización directa. Para un EDFA, la inversión de población se logra mediante el bombeo con luz de 980 o 1480

nm

Bombeo Óptico

Amplificación óptica

SOA

Inversión de PoblaciónExcitar átomos a un nivel de energía superior

Bombeo Eléctrico

Inversión de población y ganancia Óptica

EDFA

Medio en el cual mediante el bombeo un nivel de energía superior está

mas poblado que un nivel inferior.

Distribución de Boltzmann para un

sistema en equilibrio térmico.

Distribución fuera del equilibrio que

muestra inversión de población.

Absorción

estimulada

(Bombeo)

Población en

un sistema de

2 niveles

Inversión de población y ganancia Óptica

Un fotón incidente produce un fotón nuevo e idéntico mediante emisión

estimulada dando lugar a ganancia óptica.

Amplificación óptica

Gs: Ganancia; \g coeficiente de ganancia; gm: coeficiente de ganancia del material; : Factor de confinamiento;

\ pérdidas del material, I corriente de inyección; Is: corriente de saturación; 𝑛𝑠𝑝 factor de emisión espontanea

Amplificación óptica

Ganancia Óptica (Medio activo de longitud L)

Fase

Coeficiente de ganancia

Fase

Amplificación óptica - EDFA

Amplificadores de FO dopada con Erbio (EDFA)

• Comercialmente disponibles desde los ‘90.

• Amplifican en la banda C de 1530 a 1565 nm

• Ganancia hasta 30 dB

Copropagante

Bombeos

Contrapropagante Bidireccional

Estructura básica

3 niveles de energía

Tres condiciones se requieren para generar Emisión LÁSER

• Amplificación (con mecanismo de saturación)

• Realimentación (con acoplamiento óptico)

• Filtro (mecanismo de selección de frecuencia)

LÁSER - Partes

Resonador

𝜐𝑞 = 𝑞𝑐

2𝑛𝑑𝜐𝐹 =

𝑐

2𝑛𝑑

Frecuencias discretas de resonancia (modos longitudinales)

Separación de modos (o FSR)

Resonador – Fabry Perot

Finura

0<|r|<1, pérdidas

Intensidad a la salida

𝜐𝐹 =𝑐

2𝑛𝑑Anillo y su equivalencia con cavidad Fabry Perot

Separación de modos (o FSR)

Resonador – Anillo

1 − 𝑘

𝑗 𝑘

𝐸1 𝐸2

𝐸3

𝐸2

𝐸3

Pérdidas en la cavidad FP (o Anillo)

Existe un umbral para

empezar a lasear

c

2nL

f

f

Dos condiciones se requieren

►La condición de ganancia determina la mínima diferencia de

población (umbral de bombeo) requerida para lasear.

►La condición de fase determina la/las frecuencias de oscilación

f0

f0

Inversión de población no

es suficiente para lasear

Condiciones de estado estacionario se obtienen cuando la ganancia

iguala las pérdidas totales

LÁSER – Condición de funcionamiento

LÁSER de FO en Anillo

Láser de FO –SOA en Anillo Láser de FO –EDFA en anillo

Láser: Hacer un resonador en anillo de FO, en el cual se introduce el Amplificador (EDFA, SOA, u otro), el filtro y un acoplador de salida. El aislador óptico fuerza que la radiación circule en un único sentido.

Agradecimientos

► Organizadores EEOF

► Damian Presti (CIOp), Gustavo Torchia (CIOp), Leslie Cusato (Y-TEC)

► A mis colegas del LIAT por la colaboración

► Sofrecom Argentina SA, proveyeron el OSA y otros componentes

► A los asistentes

Experimentos

Medida y análisis de ganancia en función de la potencia de la señal y del bombeo.

Investigación y análisis de ganancia de pequeña y gran señal.

Investigación de la saturación de la ganancia y del bombeo.

Determinación de la potencia de salida saturada en función de la potencia del

bombeo.

Investigación de la emisión espontánea amplificada (ASE), el ruido ASE y su

dependencia de la potencia del bombeo y de la señal.

Investigación del ruido de batido Señal-ASE y ASE, y su influencia en la figura del

ruido del amplificador.

Construcción de un láser de EDF e investigación de su característica de salida

(eficiencia de umbral y pendiente) como una función de la relación de acoplamiento

de salida y la pérdida intracavidad.

SOA

Control IDRV , T

OSATBF

PM

LD

Experimentos

LD diodo láser; SOA semiconductor optical amplifier; OSA Optical Spectrum Analyzer; TBF: Tunable

bandpass filter; PM power meter; CPL coupler; Att attenuator, ISO Isolator

Att CPL

Amplificador

Láser

SOA

Control IDRV , TAtt

CPLOUT

TBF

ISO

Amplificación óptica - EDFA

𝐺0[𝑑𝐵] = 10 log ሻ𝐺0(𝑣 = 10 log 𝑒𝛾𝑙 = 4.34𝛾(𝑣ሻ𝑙

-- crece linealmente con el coef. de ganancia (luego de superar el punto de transparencia)

𝛾(υሻ =1

𝐼v

𝑑𝐼v𝑑𝑧

=𝐼𝑝∗ − 1 𝜎SE𝑁𝑡

1 − 2𝐼𝑣∗ + 𝐼𝑝

∗𝐼𝑝∗ = 𝐼p/𝐼p_sat y 𝐼𝑣

∗ = 𝐼v/𝐼v_sat

Ganancia de pequeña señal

Sin asumir señal y bombeo débiles

𝐼p fijo, aumentando 𝐼v por sobre 𝐼v_sat la ganancia disminuye -- Saturación de ganancia

𝐼v fijo, para 𝐼p chicas, G aumenta linealmente con 𝐼pcuando 𝐼p se aproxima a 𝐼p_𝑠𝑎𝑡 , G se aplana cuando aumenta 𝐼v -- Saturación de Bombeo

𝐼p intensidad de bombeo, 𝐼v intensidad de intrada, Nt es la densidad atómica del medio y SE es la sección cruzada

de emisión estimulada, L longitud del EDFA.

𝑆𝐴𝑆𝐸 = 𝑛𝑠𝑝ℎ𝑣 𝐺 − 1 𝑦 𝐹𝐸𝐷𝐹𝐴 ≈ 2𝑛𝑠𝑝

Amplificación óptica - EDFA

P_ASE G vs P_out

G vs I_drv G vs P_out

Amplificación óptica - SOA