Conversión de Longitud de Onda Usando la XPolM

Después del estudio teórico del efecto de la modulación cruzada de la polarización, es necesario plantear a priori un esquema general del convertidor de longitud de onda por

realizar.

Como ya se mencionó, el efecto de la XPolM incluye tres aspectos: la birrefringencia inducida, la diferencia de ganancias para los modos TE y TM, y la modificación de los ejes propios de la guía; estos efectos sumados, inducen un cambio de polarización en las señales ópticas que entran al AOS. El control óptico de dichos efectos puede ser aplicado para realizar la conversión de longitud de onda.

Bajo este contexto, se propone el arreglo de lafigura 25 con la finalidad de explicar el procedimiento que se usará para aprovechar la rotación no lineal del estado de po- larización de una señal óptica de prueba que atraviesa el AOS, cuando la potencia y polarización de otra señal óptica de control se introduce al mismo tiempo dentro del amplificador. En este caso, se pretende modificar la polarización de la señal de prueba, para después transferir la información de la señal de control con longitud de onda λ1 hacia la señal de prueba con una longitud de onda λ2.

En una situación real, por ejemplo en un nodo de interconexión WDM, la señal de control de lafigura 25, correspondería a la señal de información modulada en amplitud que arriba al convertidor de longitud de onda totalmente óptico, mientras que la señal de prueba es una señal CW (Continuous Wave) que forma parte del dispositivo convertidor.

control prueba Filtro AOS prueba CW λ1 λ2 λ2 compensador de polarización polarizador

Figura 25: Esquema del principio de operación de la conversión de longitud de onda basado en la XPolM.

Cuando la señal de información (control) con una potencia y una polarización de- terminada se encuentra dentro del amplificador (estado alto para una modulación en amplitud), inducirá un cambio en la polarización de la señal CW (prueba) que también está viajando dentro del dispositivo, obteniéndose a la salida del AOS una señal CW

con una polarización determinada (P ol1). En caso contrario, cuando la señal de infor- mación tiene una potencia despreciable o está ausente dentro del amplificador (estado bajo para una modulación en amplitud), la señal CW que atraviesa en ese momento al dispositivo no experimentará ningún cambio en su estado de polarización. De esta manera, se tendrá a la salida del AOS una señal CW con polarización P ol2 diferente a la polarizaciónP ol1 (ortogonal en el caso ideal).

Bajo estas condiciones, es posible aprovechar las variaciones de la polarización de la señal CW debidas a la presencia o ausencia de la señal de información para activar una conversión de longitud de onda. La función de conversión se logra colocando un compensador de polarización y un polarizador a la salida del amplificador50_{, y ajustando}

el compensador de polarización de manera que la polarización de la señal CW sea lineal y ortogonal al eje de transparencia del polarizador. Es decir, que el paso de la señal CW es impedido cuando su polarización de salida es igual aP ol2. En caso contrario, cuando la señal CW con polarizaciónP ol1 aparezca a la salida del amplificador, el polarizador permitirá el paso de cierta cantidad de potencia óptica que depende de la diferencia entre las polarizacionesP ol1 yP ol251.

Usando esta lógica, se realiza una conversión de longitud de onda en formato no invertido, esto es, que los valores de amplitud de la señal de información y de la señal de salida a la longitud de onda de la señal CW después del polarizador, coinciden en el tiempo. La tasa de extinción del convertidor depende directamente del cambio de polarización ejercido sobre la señal CW en presencia de la señal de información, así como de la saturación de ganancia ejercida por la señal de información, la cual, en este caso juega en contra de la eficiencia de conversión. Lo anterior es debido a que un nivel alto de la señal de información inducirá una reducción de la ganancia del AOS, que afecta la amplificación de la señal CW la cual experimenta menor ganancia, por lo tanto, a la salida del amplificador tenemos una señal CW débil coincidente, en el mejor

50_{Ver sección IV.7 para revisar la teoría de los dispositivos controladores de polarización.}

51_{Ley de Malus: Si un haz polarizado de intensidadI}

o incide sobre un polarizador, con un ángulo

θentre el plano de polarización y el eje de transmisión, el haz transmitido tiene una intensidad Io=

de los casos, con el eje de transparencia del polarizador. Por otro lado, cuando la señal de información presenta un nivel bajo o está ausente, se tiene una recuperación de la ganancia, un incremento en la emisión espontánea amplificada generada por el AOS, la cual es considerada como ruido para la señal resultante a la salida, y una amplificación mayor de la señal CW, la cual debería de tener una polarización ortogonal al eje de transparencia del polarizador.

Para la obtención de una conversión en formato invertido, basta con ajustar el compensador de polarización, de tal manera que la señal CW con polarización P ol1 sea rechazada por el polarizador, mientras que la señal CW con polarizaciónP ol2 sea transmitida. Bajo este esquema, se espera que la tasa de extinción del convertidor se incremente [Hyuekat al., 1999], debido a que en presencia de un nivel alto de la señal de información habrá una reducción de la emisión espontánea amplificada generada por el AOS. Esta reducción es debida a una saturación de ganancia producida por el fuerte consumo de portadores que provoca el nivel alto de la señal de información. La saturación de ganancia afecta también la amplificación de la señal CW, la cual experimenta menor ganancia, por lo tanto, a la salida del amplificador tenemos una señal CW débil con una polarización ortogonal al eje de transparencia del polarizador. Por otro lado, cuando la señal de información presenta un nivel bajo o está ausente, se tiene una recuperación de la ganancia y un incremento de la emisión espontánea amplificada, pero también, una amplificación mayor de la señal CW, esto provoca una señal CW potente con una polarización coincidente, en el mejor de los casos, con el eje de transparencia del polarizador.

El filtro colocado a la salida del esquema de la figura 25 es útil para eliminar la señal de información innecesaria a la salida del convertidor. Una manera de evitar el uso de estefiltro, es introduciendo en contra propagación las señales de información y CW dentro del amplificador [Domínguez, 2000].

La operación del convertidor basado en la XPolM, recae en las variaciones de la densidad de portadores en la región activa del AOS, debidas a la transferencia de por-

tadores entre la banda de conducción y la de valencia52. Por lo tanto, el ancho de banda del dispositivo está determinado por el tiempo de vida efectivo de los portadores en la banda de conducción de la región activa del AOS, el cual tiene un valor característico de pocos cientos de picosegundos para este tipo de amplificadores (limitando la operación del dispositivo a pocos Gb/s.) [Soto y Erasme, 1998] , sin embargo, se ha demostrado que este valor puede ser reducido incrementando la corriente de polarización del AOS y la potencia óptica entrante [Durhuuset al., 1996],[Manning et al., 1997].

Recientemente, se ha comprobado la operación de este dispositivo a velocidades de hasta 10 Gb/s, lo que indica que la densidad de portadores es capaz de seguir las variaciones de alta velocidad de la potencia de la señal de entrada, y de activar los efectos físicos que operan en la XPolM. Sin embargo, la operación del AOS a altas velocidades, implica una recuperación incompleta de la ganancia, y esto inevitablemente está acompañado de una reducción en la profundidad de modulación de la ganancia del amplificador. Trabajos anteriores han investigado la limitación de la velocidad asociada con los efectos interbanda. Desde un punto de vista práctico, en lugar del tiempo de vida efectivo de los portadores, el tiempo de recuperación de la ganancia puede ser usado [Girardin y Guekos, 1998],[Gutiérrezet al, 2000].

En artículos publicados anteriormente [Stephenset al., 1997] y [Liuet al., 2003 b], la operación del convertidor de longitud de onda basado en la modulación cruzada de la polarización (XPolM) fue demostrada. En estos trabajos, se obtuvieron tasas de ex- tinción aceptables para la señal convertida, cuando la señal de prueba fue introducida dentro del AOS con una polarización lineal a45◦_{. En el diseño de estos convertidores}

solamente la birrefringencia inducida fue considerada como el único fenómeno involu- crado en la rotación de la polarización de la señal de prueba cuando ésta atraviesa al AOS utilizado. Además, en estas implementaciones la dependencia a la polarización de los convertidores fue olvidada. En otro reporte [Wong y Tsang, 2003], una baja de- pendencia a la polarización es el principal objetivo, y es logrado con un esquema de

52_{Esto significa, que se basa en las variaciones de la densidad de portadores debidas al mecanismo}

diversidad de polarización [Maket al., 2000], pero esta implementación produce una degradación en la tasa de extinción para la señal convertida en estado dinámico. Es importante mencionar, que en nuestra implementación obtuvimos las condiciones es- pecíficas para realizar el convertidor de longitud de onda con una alta tasa de extinción y una baja dependencia a la polarización. Después de una exhaustiva caracterización de la rotación no lineal de la polarización experimentada por la señal de prueba, provocada por los tres fenómenos físicos antes mencionados, fuimos capaces de determinar el es- tado de polarización de la señal de prueba y las condiciones de ajuste del compensador de polarización y el polarizador, que permitieron lograr la mejor tasa de extinción del convertidor con una baja dependencia a la polarización,además de una implementación sencilla del dispositivo.

III.6

Resumen

Las redes WDM actuales, aún están limitadas por el número de longitudes de onda que pueden utilizarse, por la probabilidad de bloqueo y por la administración de longitudes de onda en los nodos de interconexión. La función de conversión de longitud de onda totalmente óptica, elimina estas restricciones proveyendo, transparencia, flexibilidad, escalabilidad y evolución hacia el establecimiento de redes totalmente ópticas. En este capítulo se han analizado las técnicas más importantes de conversión de longitud de onda que basan su operación en AOS’s. Se presentó su principio de operación, sus ventajas y limitantes. Finalmente, se expuso la técnica de conversión de longitud de onda basada en la XPolM dentro de un AOS, la cual ha sido recientemente estudiada pero no evaluada por completo. La comprensión de los fenómenos físicos involucrados en la XPolM, ha permitido plantear a priori un esquema experimental para la realización del convertidor de longitud de onda propuesto en este trabajo. El cual, a diferencia de lo reportado anteriormente sobre convertidores de longitud de onda basados en esta técnica, aborda un análisis conjunto de la tasa de extinción alcanzable por la señal convertida, y la dependencia a la polarización del dispositivo.

IV

CARACTERIZACIÓN DE LOS DISPOSI-

TIVOS UTILIZADOS EN LOS DIFERENTES

BANCOS EXPERIMENTALES

IV.1

Introducción

En la etapa de caracterización de los dispositivos usados en los diferentes bancos ex- perimentales, se realizó el montaje del AOS y se calcularon las pérdidas por inserción y por captura de las señales ópticas a la entrada y a la salida del amplificador para el esquema experimental usado, respectivamente. Se obtuvo el espectro de emisión espon- tánea amplificada del AOS y se midieron sus características principales. Por otra parte, se realizó la caracterización de un amplificador defibra contaminada con Erbio, de dos láseres sintonizables utilizados como señal de control y de prueba, así como de los ele- mentos utilizados para el control de la polarización. También se midió la dependencia a la polarización de la ganancia del AOS. Finalmente, se realizó la caracterización de un divisor de haz usado para acoplar en espacio libre las señales de control y de prueba.

Toda la etapa experimental de este trabajo se realizó en el Laboratorio de Comuni- caciones Ópticas del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones del CICESE.