Láser de FO basados en
SOA y EDFA
Dr. Ing. Pablo A. Costanzo [email protected]
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: [email protected]
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
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