Láser de realimentación distribuida (DFB)

Desde el punto de vista de operación del dispositivo, los láseres de semiconductor que utilizan el mecanismo de realimentación distribuida se pueden clasificar en dos grupos: láseres DFB y láseres de reflexión de Bragg distribuida DBR (distributed Bragg reflector). La estructura de ambos láseres aparece en la Figura 3.11 [2].

Figura 3.11. Estructuras de láser DFB y DBR.

La realimentación en un láser DFB (distributed feedback laser), como su nombre lo indica, se realiza de manera continua a lo largo de toda una determinada zona del láser. La manera de conseguir la realimentación ya no consiste en los espejos que formaban la cavidad de Fabry- Perot, sino ahora es mediante una rejilla de difracción de Bragg11 localizada en la región activa del dispositivo. Toda rejilla de difracción tiene unas características de trabajo que dependen de la relación existente entre la longitud de onda de la luz que incide sobre ella y del tamaño de los surcos que forman la rejilla. Para unos ciertos valores de ambos parámetros, sólo una parte de la radiación incidente puede ser reflejada, con lo que se obtiene así un fenómeno de avance y retroceso simultáneo en la onda. Si al mismo tiempo que se produce este hecho, tiene lugar       

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Una rejilla de difracción de Braga, en un medio material, se configura mediante la variación periódica de su índice  de refracción a través de diferentes mecanismos. En algunos casos esta estructura que se forma puede ser estable, 

también el de la emisión estimulada, se habrá conseguido una realimentación distribuida [11]. El láser DFB lleva incorporado elementos selectivos de longitud de onda, que separan dos de las capas de la estructura del láser, lo que provoca una variación periódica del índice de refracción. Al variar este índice, se refleja una parte de la potencia óptica, con lo que se ven favorecidas unas longitudes de onda con respecto a otras. Aquellas que interfieran de modo que estén en fase, se verán reforzadas y escaparán de la zona activa.

Un láser DFB puede ser desestabilizado por pequeñas cantidades de realimentación de la luz (incluso menores al 1%) que pueden afectar el desempeño del sistema. Esta realimentación puede reducirse usando capas antireflejantes, cortes angulares en el extremo de la fibra o instalando aisladores entre el láser y el conector de fibra.

Para asegurar un óptimo desempeño de un láser DFB, se le agregan diversos componentes como fotodiodos PIN para monitorear su salida, dispositivos de calentamiento o enfriadores termoeléctricos para controlar la temperatura de la unión del láser y circuitos de realimentación para controlar y mantener la frecuencia deseada. El principal objetivo de un láser de este tipo es atenuar los modos subsidiarios y obtener la potencia máxima en el modo dominante (con diferencias de nivel de 20 dB), para transmitir una señal de luz con un ancho espectral muy angosto (menor a 0.1 nm); lo que la convierte en la fuente óptica con el menor ancho espectral de todos los tipos de láseres en el mercado, resultando en un láser costoso [3]. Fue desarrollado durante la década de los ochentas y es utilizado en sistemas WDM.

El láser DBR es similar al láser Fabry-Perot, con la diferencia de que incorpora espejos selectivos en frecuencia implementados por medio de reflectores de Bragg a ambos lados de la cavidad. En este tipo de láseres, la realimentación sigue siendo continua, pero no tiene lugar ya al mismo tiempo que tiene lugar la emisión estimulada. Ambas regiones se encuentran separadas físicamente y cada fenómeno tiene lugar de manera aislada.

3.3.2.3.1 Láser DFB con modulador externo

Las fuentes ópticas anteriores funcionan a base de modulación directa, que consiste básicamente en ‘prender’ y ‘apagar’ el láser para representar al bit 1 o al bit 0. Otra manera de modulación consiste en usar un modulador externo, el cual se coloca en la interfaz de salida entre la fuente láser de la onda portadora y el cable de fibra. Un modulador óptico actúa como una compuerta. La compuerta se cierra para un 0 binario y se abre para un 1 binario. Ambos conceptos de modulación se presentan en la Figura 3.12 [3].

Figura 3.12. Concepto de una fuente óptica utilizando (a) modulación directa y (b) un modulador externo.

Los moduladores ópticos se encuentran diseñados para controlar la cantidad de potencia óptica transmitida a la fibra y reducir el ensanchamiento del pulso a causa del chirp. El desempeño de este tipo de moduladores se mide a partir de su tasa de extinción12 y su ancho de banda de modulación. La modulación externa consiste en hacer pasar la onda luminosa por una guía de onda que al aplicar un voltaje externo varía sus propiedades refractivas y se altera la fase de la onda, con lo cual se puede modular la fase de la misma, todo sin manipular la fuente luminosa.

El modulador Mach-Zehnder (MZ) es un tipo de interferómetro que hace uso del material LiNbO3 y esquemas que aprovechan el fenómeno del mezclado de cuatro ondas. El índice de refracción de materiales de este tipo puede variarse aprovechando el efecto Kerr que ocurre al inducirse un campo eléctrico, obteniendo tasas de extinción superior a 20 (13 dB) y un ancho de banda de modulación de 75 Gb/s. En los moduladores de electroabsorción, una capa transparente de semiconductor absorbe luz cuando se aplica un voltaje externo permitiendo una tasa de extinción de 15 dB o superior y un ancho de banda de modulación entre 20 y 60 Gb/s [3].

3.3.2.3.2 Láser DFB sintonizabe

La longitud de onda (o si se prefiere la frecuencia) puede cambiarse si se modifica la temperatura de un medio mediante cambios en la corriente o a través de controladores de temperatura. Estos controladores modifican el índice de refracción de los materiales con los que se fabrica un láser, para que sea capaz de generar un ancho espectral pequeño a la salida. El rango de sintonización de un láser DFB está limitado a aproximadamente 5 nm, y si la temperatura de sintonización se incrementa, la eficiencia en la potencia de salida del láser disminuye. Utilizando comúnmente tres de estos dispositivos acoplados a una sola salida, se puede mejorar el rango de sintonización [3].