Filtros ópticos

Existen diversas aplicaciones de los modernos sistemas de comunicaciones ópticas para las que es necesario disponer de elementos capaces de discriminar y/o seleccionar determinado rango de frecuencias ópticas. Entre ellas podemos destacar la selección de canales en sistemas multicanal basados en la multicanalización por división de longitud de onda WDM, la eliminación de ruido producido por emisión espontánea amplificada en sistemas que empleen amplificadores ópticos como repetidores, la extracción de señales de control, el encaminamiento o conmutación de señales por su longitud de onda, etc. Esta tarea corresponde a los filtros ópticos, cuya misión es, precisamente, realizar dicha función en el dominio óptico sin conversiones intermedias de la señal en el dominio electrónico.

En todos los filtros siempre será necesario indicar algunas características que determinen sus posibles aplicaciones. Entre los parámetros que, en todo filtro, habrá que considerar están los siguientes:

o El ancho de banda que permita pasar deberá ser independiente de la temperatura. o Bajas pérdidas causadas por inserción y diafonía.

o Las pérdidas deberán ser independientes del estado de polarización de la luz. o Buen control del dispositivo.

3.5.8.1 Filtros Fabry-Perot

La base de un filtro Fabry-Perot (también conocido como filtro interferencial) fue vista cuando analizamos la cavidad Fabry-Perot (Figura 3.9) en la sección 3.3.2.1. Su principio de funcionamiento es muy simple: una parte de la luz incidente sobre el dispositivo en el primer espejo es reflejada por la cavidad, mientras que otra penetra dentro de ella propagándose a través de un medio amplificador hasta llegar al segundo espejo. De ésta, parte sale fuera de la cavidad

del medio de la cavidad (en sentido contrario) hacia el primer espejo. Así el rayo luminoso incidente sufre, al entrar en la cavidad, múltiples reflexiones. Las señales reflejadas a su vez interfieren con la señal incidente, y ahora éstas poseen una longitud de onda que será un múltiplo entero de la señal, sufriendo interferencia constructiva y transmitiéndose fuera de la cavidad, en caso contrario la interferencia es destructiva y la señal es atenuada.

Una cubierta anti-reflejante sobre la que incide una radiación óptica es capaz de permitir el paso de todas aquellas longitudes de onda que cumplan una determinada condición relacionada con el espesor de la cubierta y los índices de refracción de la misma y del medio que la rodea. Si a continuación de la cubierta que constituye el resonador se sitúa otra con, por ejemplo, un índice de refracción diferente, serán bloqueadas cierto número de longitudes de onda. Solamente pasarán aquellas que coincidan en ambas estructuras. Esta configuración con dos cubiertas anti- reflejantes puede repetirse un determinado número de veces configurando lo que se conoce como filtro interferencial o multicapa. Una consideración para tener en cuenta, es que las longitudes de onda ópticas que no son transmitidas, son reflejadas, como se muestra en la Figura 3.19 [11]. En ella puede verse la forma de separar cinco longitudes de onda mediante cuatro filtros interferenciales: para cada frecuencia óptica, cada uno de ellos es capaz de transmitir una determinada y reflejar las restantes. Esta forma de trabajo permite la adopción de arquitecturas de enrutamiento de longitudes de onda de acuerdo con los objetivos del sistema de comunicaciones.

Figura 3.19. Empleo de filtros Fabry-Perot para separar diferentes canales ópticos.

el mecanismo físico fundamental que utilizan. Hay entonces filtros de longitudes de onda fijas (como el descrito anteriormente) y filtros sintonizables. Algunas de las propiedades que se buscan en un filtro sintonizable incluyen un amplio rango de sintonización para maximizar el número de canales que pueden ser seleccionados, pero a la vez evitar las interferencias de canales adyacentes; rápida velocidad de sintonización para minimizar el tiempo de acceso y que generen pocas pérdidas por inserción (máximo 1.5 dB en la banda de paso y mínimo 40 dB en la banda de supresión). Este tipo de filtros desempeñan una importante función en los sistemas WDM y DWDM (multicanalización por longitud de onda densa).

3.5.8.2 Filtros Mach-Zehnder

La Figura 3.20 muestra la configuración de un filtro o interferómetro de doble haz, también conocido como Mach-Zehnder [5]. Está compuesto por dos acopladores y dos tramos de fibra de diferente longitud. Por las entradas 1 y 2 pueden introducirse dos radiaciones con longitudes de onda diferente. Ambas entradas se unen mediante un acoplador, de tal manera que a su salida, ambas señales aparezcan por las dos trayectorias posibles con igual intensidad, siendo la señal resultante en cada trayectoria, la semisuma de las intensidades a la entrada del dispositivo. Ambas señales recorren por el interior del interferómetro dos recorridos con trayectorias ópticas diferentes. A la salida, vuelven a unirse y el resultado dependerá de esa diferencia de trayectorias que haya recorrido cada señal. Si ambas trayectorias fueran idénticas, la superposición sería una superposición de señales en fase con lo que la intensidad resultante volvería a ser la de partida. Si, por el contrario, la diferencia de trayectorias es tal que las señales correspondientes a cada radiación óptica se encuentran desfasadas, la interferencia será destructiva y la resultante será nula. Resulta obvio que al ser las dos señales que hemos introducido de diferente longitud de onda, la diferencia de caminos ópticos para cada una de ellas, será distinta. Y así puede darse el caso, si el diseño se ha hecho a tal fin, que una de ellas tenga a la salida interferencia constructiva, con lo que la señal de salida será máxima, mientras que la otra experimente interferencia destructiva y no aparezca a la salida. La función realizada ha sido así la de filtrado

Figura 3.20. Esquema de un filtro óptico Mach-Zehnder.

El interferómetro Mach-Zehnder no es tan selectivo como el filtro Fabry-Perot ya que la salida del primero está compuesta por la interferencia entre dos señales, mientras que en el caso del segundo, la señal de salida se obtiene a partir de la interferencia de infinitas señales. No obstante, es posible implementar filtros ópticos muy selectivos a partir de interferómetros Mach-Zehnder con una configuración en cascada. Para conseguir filtros muy selectivos es importante, en primer lugar, que todos los acopladores empleados en la implementación sean de 3 dB (para evitar el efecto Brillouin), y en segundo lugar, que el periodo espectral de cada interferómetro corresponda a la banda útil del filtro Mach-Zehnder.