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Proyecto Fin de Carrera Diseño y Caracterización de un Conversor de Longitud de Onda basado en un Interferómetro Mach-Zenhder y Amplificadores Ópticos de Semiconductor Autor José Antonio Altabás Navarro Director Juan Ignacio Garcés Gregorio Escuela de Ingeniería y Arquitectura Febrero 2013 Diseño y Caracterización de un Conversor de Longitud de Onda basado en un Interferómetro Mach-Zenhder y Amplificadores Ópticos de Semiconductor - Resumen Este proyecto forma parte del proyecto PEGASO (Matrices de puertas lógicas basadas en amplificadores ópticos de semiconductor) del Grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF) del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). El proyecto consiste en la caracterización lineal y no lineal de un Amplificador Óptico de Semiconductor No Lineal (SOA-NL) y el diseño de un conversor de longitud de onda basado en un Interferómetro Mach-Zehnder con Amplificadores Ópticos de Semiconductor (SOA-MZI). En primer lugar, se realiza un análisis teórico de los SOAs y de los interferómetros. El estudio de los SOAs se basa en la descripción de sus características básicas así como de las no linealidades más importantes que se presentan en el mismo, las cuales son la Modulación de Ganancia Cruzada (XGM), la Modulación de Fase Cruzada (XPM) y la Mezcla de Cuatro Ondas (FWM). El análisis de los interferómetros consiste en la exposición del proceso de la interferometría, el estudio de los interferómetros típicos utilizados en óptica integrada, los cuales son el Interferómetro Michelson (MI), el Interferómetro Mach-Zehnder y el Interferómetro Sagnac (IS), y del SOA-MZI. Además, en esta primera parte se exponen distintas aplicaciones en las que se puede utilizar los SOA. Estas aplicaciones van desde amplificadores ópticos en redes de comunicaciones hasta puertas lógicas ópticas, pasando por conversores de longitud de onda y conmutadores. En segundo lugar, se lleva a cabo la caracterización lineal y no lineal de un SOA. La caracterización lineal consiste en obtener la ganancia y la potencia de salida del SOA en función de la potencia de entrada, la intensidad de alimentación del SOA, la longitud de onda de entrada al SOA y de la temperatura de operación del SOA, así como la obtención del espectro de emisión del SOA en función de la potencia de entrada. La caracterización no lineal se basa en el análisis de la XGM y la XPM del SOA. El estudio de la XGM ha consistido en observar la diferencia de potencia entre el nivel alto y el bajo de salida del SOA en función de la potencia de las señales de entrada y del retardo temporal que había entre las dos. El análisis de la XPM se ha basado en la obtención de la diferencia de fase entre el nivel alto y el bajo de salida del SOA en función de la potencia de las señales de entrada. Finalmente, se ha realizado el diseño del conversor de longitud de onda de dos salidas (inversa y no inversa) basado en un SOA-MZI. Después de tener el concepto teórico desarrollado, se han realizado simulaciones con el programa de simulación VPI para obtener una primera aproximación del comportamiento del sistema y poder ajustar los parámetros antes de llevarlo a la práctica. Más tarde se ha procedido a la prueba del concepto mediante el montaje del conversor de longitud de onda con elementos discretos, demostrando que el sistema tiene el comportamiento esperado pero con una baja estabilidad debida a elementos coyunturales. Por último, se ha diseñado el sistema integrado para su fabricación en la plataforma de integración óptica JePPIX del Instituto COBRA de la Universidad Técnica de Eindhoven (TUE). Palabras Claves Dispositivo óptico; Conversor de Longitud de Onda; Inversor; SOA; Interferometría; SOA-MZI; XGM; XPM A mis padres Manuel y Encarna y a mi abuelo Antonio Agradecimientos Gracias a mis padres por todo el apoyo que me han dado durante estos años, por el esfuerzo que les ha supuesto que haya llegado hasta aquí, por soportarme en los malos momentos y por disfrutar conmigo de los éxitos. Gracias a mi abuelo que nunca pensó que llegaría a ver este momento y que tanto trabajó para que pudiera hacerse realidad. Gracias a Nacho por darme la oportunidad de trabajar en este grupo y por ayudarme a realizar este proyecto aunque esto supusiera una interrupción de su trabajo. Gracias a Miguel y Félix por la ayuda que me han prestado durante todo este proyecto y por todo el tiempo que han dedico a que este proyecto haya llegado a buen puerto. Gracias a Leticia por sus sugerencias en la realización de la presentación y del proyecto. Gracias a Patricia por todos sus consejos y por la ayuda que me ha prestado en la corrección de la memoria. Índice general 1. Introducción 1 2. Fundamentos Teóricos 3 2.1. Amplificadores Ópticos de Semiconductor (SOA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1.1. Modulación de Ganancia Cruzada (XGM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.2. Modulación de Fase Cruzada (XPM) y Automodulación de Fase (SPM) . 5 2.1.3. Mezcla de Cuatro Ondas (FWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Interferometría ..................................... 6 2.3. Aplicaciones Generales de SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3. Caracterización del Amplificador Óptico de Semiconductor 11 3.1. GananciadelSOA ................................... 11 3.2. NolinealidadesdelSOA................................ 14 4. Conversor de Longitud de Onda 19 4.1. Concepto ........................................ 19 4.2. Simulaciones ...................................... 20 4.3. Resultados Experimentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.4. DiseñoIntegrado .................................... 27 5. Conclusión 29 A. Material Semiconductor. Interacción entre la materia y la luz I B. Montajes experimentales VII B.1. Montaje para caracterizar la ganancia y potencia de salida de un SOA . . . . . . vii B.2. Montaje para obtener el espectro de emisión del SOA . . . . . . . . . . . . . . . ix B.3. Montaje para caracterizar XGM del SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x B.4. Montaje para caracterizar XPM del SOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii B.5. Montaje de simulación con modulación RZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiv B.6. Montaje de simulación con modulación NRZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv B.7. Montaje del conversor de longitud de onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvi C. Hojas de especificaciones XIX C.1. Características generales del chip en JePPIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix C.2. Especificaciones del SOA-NL de CIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi Índice de figuras XXV Índice de acrónimos XXVII El SBH consiste en la aparición de un hueco en la densidad de portadores, lo que produce una modulación rápida de la ganancia. El CH es causado por la emisión estimulada y por la absorción de portadores libres que hacen que aumente la temperatura media del sistema, lo que disminuye la ganancia. Hay que resaltar que este proceso es altamente dependiente de la polarización, pero se puede solucionar introduciendo dos pumps junto al probe a diferentes longitudes de onda. Si estos dos pumps son ortogonales, la señal de salida será la conjugada del probe; mientas que si los dos pumps son co-polarizados, la señal de salida estará en fase con el probe. Esta solución ante la dependencia de la polarización es explicada en profundidad en el libro [1]. 2.2. Interferometría En esta sección se va a analizar el fenómeno de las interferencias y algunos de los interferómetros típicos. Para realizar este análisis se han utilizado los libros [1] y [14]. Las interferencias ocurren cuando dos señales provenientes de la misma fuente óptica se superponen y la potencia en el área de superposición varía entre un valor que es superior a la suma de las dos potencias originales y cero. La potencia de la interferencia entre los dos rayos sigue la siguiente ecuación: P=P1+P2+ 2pP1P2cos(φ)(2.4) donde P1es la potencia del primer rayo, P2es la potencia del segundo rayo y φes el desfase entre los dos rayos. El máximo de potencia se obtiene cuando la interferencia es constructiva: Pmax =P1+P2+ 2pP1P2(2.5) la cual ocurre cuando φ= 2nπ con |n|= 0,1,2, . . . . El mínimo de potencia aparece cuando la interferencia es destructiva: Pmin =P1+P2−2pP1P2(2.6) la cual ocurre cuando φ= (2n+ 1)πcon |n|= 0,1,2, . . . . Si los dos rayos son simétricos, es decir, la potencia se ha divido por igual entre los dos rayos, la potencia de la señal interferente variará entre 4P1y0. Además, se deben comentar las causas por las que la interferencia puede no producirse correctamente. En primer lugar, los caminos que recurre la luz deben ser exactamente iguales o al menos su diferencia debe ser menor que la longitud de coherencia de la fuente (Lc): Lc=c n∆ν(2.7) donde ces la velocidad de la luz en el vacío, nes el índice de refracción del medio y ∆νes el ancho de línea del láser o el ancho de banda de la modulación para un láser monocromático. Por ello cuando la diferencia entre los caminos de la luz es mayor que la longitud de coherencia no se produce la interferencia. En segundo lugar, para que se produzca la interferencia entre los dos haces de luz estos deben tener la misma polarización, ya que si las componentes son ortogonales entre ellas no interaccionaran y no se producirá la interferencia. Estos dos factores se pueden añadir a la ecuación 2.4, obteniéndose la ecuación 2.8. 6 Pmin =P1+P2+ 2pP1P2f(L)g(Pol)cos(φ)(2.8) donde f(L)nos indica si las señales están o no dentro de la longitud de coherencia y g(Pol)es la función de que nos da la relación entre la polarización de la señales. Tanto la función f(L) como g(Pol)varían entre 0 y 1, valiendo 0 cuando la interferencia no se produce y 1 cuando la interferencia se produce perfectamente. En óptica integrada se suelen utilizar interferómetros para utilizar no linealidades como la XPM o realizar diferentes dispositivos. Los interferómetros típicos en óptica integrada son el Interferómetro Michelson (MI), el Interferómetro Mach-Zehnder (MZI) y el Interferómetro Sagnac (SI). Estos interferómetros realizados en aire se pueden ver la figura 2.1. Si el Interferómetro Michelson se realiza mediante espejos, consiste en una superficie semireflectora que divide el rayo. Estos dos nuevos rayos se reflejan en dos espejos a distinta distancia y vuelven a recombinarse en la misma superficie semireflectora, dando lugar a la interferencia. En el caso de que el MI se realice en óptica integrada la división y recombinación se realiza mediante un divisor o un acoplador y los reflectores se colocan al final de las dos guías de salida del divisor. Cuando el Interferómetro Mach-Zehnder es en el aire, la división del haz de luz original se realiza mediante una superficie semireflectora. Estos dos rayos van a dos espejos que direccionarán los rayos de luz hacia una superficie semireflectora diferente, y está los recombinará dando lugar a un rayo interferente. Si el MZI es realizado en óptica integrada se utilizan dos acopladores o dos divisores que sirven para dividir el rayo de luz original y recombinarlo posteriormente. Estos dos divisores se unen mediante dos guías de onda que pueden tener distinta longitud. Este interferómetro da suficiente libertad a los caminos que recorren los dos rayos. En el Interferómetro Sagnac realizado en el aire, la división del rayo es realizada por una superficie semireflectora. Estos dos rayos recorren el mismo camino pero en sentidos opuestos, reflejándose en tres espejos y volviendo a recombinarse en la misma superficie semireflectora. Cuando el SI se implementa en óptica integrada se realiza con un acoplador y una guía que sirve de bucle entre las dos salidas del acoplador. Este acoplador realiza la división y la recombinación de la luz. Figura 2.1: Interferómetros usados típicamente en Óptica Integrada. Esta imagen ha sido tomada de [1]. 7 Por último, una configuración interferométrica típica en la que se utilizan SOAs son los SOA-MZI. Los SOA-MZI tienen un SOA en cada brazo del MZI; y dentro de esta configuración se puede diferenciar entre el esquema asimétrico y el simétrico. En el sistema es asimétrico, la potencia inyectada en cada brazo es diferente y por tanto los cambios en la fase también son asimétricos, gracias a esta asimetría no son necesarias entradas adicionales para la señal de control o pump. Cuando el sistema es simétrico es necesario colocar una entrada adicional a uno de los dos SOAs para poder inyectarle el pump de forma independiente y conseguir así el desfase necesario. 2.3. Aplicaciones Generales de SOA En esta sección se van a comentar algunas de las aplicaciones que tienen los SOA y sus combinaciones con interferómetros. Como bases para estos comentarios se han utilizado el libro [1] los apuntes de la asignatura de Comunicaciones Ópticas [2] y los artículos [5], [6], [7], [8], [12], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] y [22]. Las aplicaciones de los SOAs son muy amplias. Por un lado, están las funciones típicas de un amplificador en una red de comunicaciones, aunque en este campo son mucho más utilizados otro tipo de amplificadores como los Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA). Por otro lado, están las funciones de procesado óptico de señales de comunicaciones ópticas aprovechando las no linealidades del SOA. La función más básica de un SOA es la de amplificador en una red de comunicaciones. Dentro de este uso se pueden distinguir distintas funciones: la función de amplificador de potencia o booster, la de amplificadores de línea y la de preamplificadores. El booster tiene la función de incrementar la potencia de la señal a la entrada del sistema de transmisión. Gracias a este dispositivo se puede realizar enlaces de medio alcance sin necesidad de otro tipo de amplificadores, reducir el número de amplificadores de línea en los enlaces de largo alcance y aumentar el ratio de división de las redes de distribución. La función de los amplificadores de línea es compensar las pérdidas en los sistemas de largo alcance en los que la dispersión no es un factor limitante. Los preamplificadores se usan para incrementar la potencia de la señal antes de que sea demodulada, por lo que se incrementa la sensibilidad del receptor y mejora el balance de potencia. En sistemas de transmisión coherente, los preamplificadores basados en SOAs presentan problemas debido al incremento del ruido de disparo. En cuanto a las funciones de procesado óptico de señales se van a explicar algunos dispositivos ópticos como conversores de longitud de onda, conmutadores o puertas lógicas. Por un lado, se van a comentar los conversores de longitud de onda basados en XGM. Estos conversores invierten la señal y tienen una respuesta relativamente lenta por lo que distorsionan ligeramente la señal. Dentro de este tipo de conversores se pueden diferenciar dos esquemas diferentes: copropagante y contrapropagante. En el esquema contrapropagante, el probe y el pump se inyecta al SOA en sentidos opuestos, por lo que no hace falta filtrar la señal de salida para eliminar el pump. En el esquema copropagante, el probe y el pump se inyectan al SOA en el mismo sentido, por lo que hace falta filtrar la señal a la salida, lo que hace que la señal de salida tenga menos ruido. Mediante este último esquema se puede mejorar la respuesta temporal del conversor en el caso de que se coloquen varios SOAs en cascada separados por aisladores. Además, los conversores XGM introducen un chirp considerable, que puede reducirse si se selecciona el filtro adecuado en el esquema copropagante. 8 Por otro lado, se van a presentar los conversores de longitud de onda basadas en XPM. Para poder utilizar XPM es necesario situar uno o dos SOAs en un interferómetro. Estos sistemas son más eficientes que los basados en XGM y además reducen el chirp. La configuración más típica para utilizar XPM es el SOA-MZI, tanto simétrico como asimétrico, cuya descripción puede verse en la sección 2.2. Dependiendo del punto de trabajo del conversor la señal de salida será invertida o no. El proceso por el que se produce el cambio de fase, puede descompensar la ganancia de los SOAs y por lo tanto reducir el ratio de extinción. Como se puede ver en el artículo [15], si la señal de entrada es NRZ, el probe debe ser una señal continua, mientras que si es RZ, el probe debe ser un reloj para evitar que se invierta la modulación a la salida. Finalmente, se comentaran los conversores de longitud de onda basados en FWM. Debido al FWM se genera una nueva señal que es una réplica inversa de la señal de entrada. Filtrando la señal de salida se consigue realizar la conversión. Para obtener un esquema que sea independiente de la polarización se debe realizar un sistema con pump dual, tal y como se indica en la sección 2.1.3. Además, mediante SOAs se pueden realizar conmutadores ópticos. Una de las configuraciones posibles es utilizar XGM para reducir la ganancia del sistema, y así bloquear la señal no deseada. Otro método es el uso un SOA-MZI en el cual se puede seleccionar la salida mediante una señal de control. Otro sistema es Nonlinear Optical Loop Mirror (NOLM) que está basado en un interferómetro Sagnac y es un switch óptico de alta velocidad, como puede verse en el artículo [12]. Por último, se va a comentar la posibilidad de realizar puertas lógicas basadas en SOAs. La realización de puertas lógicas basadas en SOAs se basa en la obtención de una señal de salida que sea una combinación lógica de las entradas a la misma. Combinando dos señales de distinta potencia (pump y probe) en un SOA se consigue que aparezca XGM entre las dos señales y la señal producida sea una combinación lógica de estas dos señales, que se rige por la función booleana de XGM (ec. 2.2). Mediante la combinación de este tipo de salidas se pueden realizar distintas puertas lógicas, tal y como se explica en algunos de los siguientes casos. En el artículo [6] se presenta una AND realizada mediante dos SOAs. En este sistema se utiliza un SOA para negar la primera entrada, la cual hará de pump en la función booleana de XGM (ec. 2.2) con un probe continuo. Después, se introduce la negada de la primera entrada como pump y la segunda entrada como probe al otro SOA, y obteniéndose mediante la ec. 2.2 la AND (AND =A·B=A·B). En el artículo [7] se realiza una NAND utilizando dos SOAs, en el primero de ellos se aplica la función booleana de XGM (ec. 2.2), utilizando la primera entrada como pump y la segunda como probe, y en el segundo se niega la primera de las entradas, que hará de pump sobre un probe continuo mediante la ec. 2.2. Después se combinan las salidas de los SOA para obtener la NAND (NAND =A·B+A). En el artículo [16] se consigue realizar una XOR con dos SOAs. En los SOAs se aplica la función booleana de XGM (ec. 2.2) pero con las entradas intercambiadas y uniendo las salidas de los SOAs se obtiene la XOR (XOR =A·B+A·B). En el artículo [17] se desarrolla un XNOR mediante dos no linealidades del SOA, FWM y XGM, el mismo SOA. Mediante FWM entre las dos señales de entrada y el reloj se consigue realizar una puerta AND. Las dos señales de entrada provocan XGM en la señal de reloj por lo que se obtiene así una NOR. Estas dos señales son filtradas a sus respectivas longitudes de onda, ecualizadas y acopladas para obtener la XNOR. La AND y la NOR son producidas en distinta longitud de onda, a no ser que se introduzca el reloj a la misma longitud de onda y con polarización ortogonal a la que produzca el FWM. En el artículo [8] se realizan una XNOR, AND, NOR, OR y NOT sobre un mismo SOA dependiendo de las señales introducidas y los filtrados realizados a la salida. La AND, NOR y XNOR se producen utilizando el mismo sistema que en el artículo [17], aunque la NOR es filtrada con un filtro ligeramente desplazado hacia el azul para aumentar la velocidad de la puerta lógica. El OR es 9 realizado mediante T-XPM, tal y como se indica en la sección 2.1.2. La NOT tiene el mismo funcionamiento que la NOR pero con una sola entrada. También se pueden conseguir realizar puertas lógicas mediante SOA-MZI. En el artículo [18], se muestra una XOR realizada mediante un SOA-MZI en el que las señales se introducen con distinto retardo en las dos entradas del acoplador de entrada. Cuando los datos no coinciden, el SOA-MZI queda desbalanceado y por tanto hay un uno a la salida. En el artículo [19], se realiza una AND utilizando un conversor de longitud de onda SOA-MZI en el que el probe es una de las señales de entrada y el pump es la otra. En el artículo [20] se realiza una XOR, NOR, OR y NAND mediante dos SOA-MZIs. La XOR es realizada mediante la inyección de una señal de entrada a uno de los brazos del primer SOA-MZI y la inyección de la otra al otro brazo de ese mismo SOA-MZI y una onda continua (CW) como probe. La NOR y la OR se realizan mediante la inyección de las dos señales de entrada a uno de los brazos del segundo SOA-MZI y una CW como probe. La diferencia entre NOR y OR, se basa en que cuando se introduce un desfase adicional de πal brazo por el que circulan las señales de entrada se realiza la OR. Combinando la XOR y la NOR se consigue realizar la NAND. Finalmente, se va a comentar como son utilizados en el proyecto PEGASO los SOA para realizar una LUT de cuatro bits. La base de esta LUT es la realización de una NOR de 4 bits con un SOA. Para realizar esta NOR se aplica la función booleana de XGM (ec. 2.2) en la que los datos actúan de pump y el probe es una señal de reloj (todo 010s)NOR = signalprobe ·signalpump1·signalpum2·signalpum3·signalpump4=010·A·B·C·D. Utilizando 16 NOR en las que se realizan todas las combinaciones posibles de las entradas y sus negadas, se consigue una LUT de 4 bits totalmente funcional mediante la activación o no de los SOAs disponibles. Para obtener más información sobre el proyecto PEGASO se puede consultar el artículo [22]. 10 Capítulo 3 Caracterización del Amplificador Óptico de Semiconductor En este capítulo se va a caracterizar un Amplificador Óptico de Semiconductor No Lineal (SOA-NL). Esta caracterización es el paso previo al diseño de conversor de longitud de onda, ya que nos permite validar las simulaciones realizadas mediante el programa de simulación VPI. Además, con los datos que se obtengan de la caracterización del SOA se podrán aproximar algunos de los parámetros que se utilizaran en el diseño y simulación del sistema, tomándolos de esa manera como punto de partida en las simulaciones. En la primera sección se va a realizar la caracterización básica de un SOA-NL comercial de la compañía CIP, cuyas especificaciones se adjuntan en el Apéndice C.2. Esta caracterización se basa en el análisis de la ganancia y la potencia de salida (POUT ) en función de la potencia de entrada (PIN ), la longitud de onda (λ), la intensidad de alimentación del SOA (ISOA) y la temperatura en el SOA (TSOA). Además, se estudiará el espectro de emisión del SOA-NL. En la segunda sección se van a estudiar las no linealidades del SOA-NL. En esta parte se va a analizar la modulación de ganancia cruzada (XGM) y la modulación de fase cruzada (XPM) en función de la potencia de la señal original o probe (Pprobe) y la de bombeo o pump (Ppump), y el retardo entre estas dos (τ). 3.1. Ganancia del SOA En esta sección se van a presentar y discutir los resultados de la caracterización la ganancia y la potencia de salida de dos SOAs-NL comerciales que serán utilizados en los siguientes apartados. Los números de identificación de estos SOAs-NL son 03826 y 03736. Esta caracterización se realiza en función de la potencia de entrada, la intensidad de alimentación del SOA, la longitud de onda y la temperatura en el SOA. Además se va a mostrar y comentar el espectro de emisión del SOA dependiendo de la potencia de la señal de entrada. El montaje realizado para obtener las medidas de caracterización del SOA es el mostrado y explicado en el Apéndice B.1. Los valores mostrados en las Figuras 3.1, 3.2 y 3.3 no son directamente los obtenidos en el medidor de potencia y en el BOSA sino que se han corregido las pérdidas de las fibras y elementos ópticos situados entre el SOA y estos aparatos de medida. El montaje realizado para obtener el espectro del SOA-NL es el mostrado y explicado en el Apéndice B.2, y los valores mostrados en la Figura 3.4 han sido corregidos de la misma manera que los anteriores. Los resultados del SOA 03736 son muy similares a los del SOA 03826, por lo que solo se 11 mostraran los resultados de uno de los dos SOA. Para la caracterización de la ganancia y de la potencia de salida del SOA se presentan las gráficas producidas usando el SOA 03826 y para el espectro de emisión del SOA se mostrará la gráfica obtenida utilizando el SOA 03736. La Figura 3.1a muestra la ganancia (G) del SOA-NL respecto de la potencia de entrada (PIN ) en función de la intensidad de alimentación del SOA (ISOA). La Figura 3.1b presenta la potencia de salida (POUT ) respecto de PIN en función de ISOA. Estos datos se han obtenido con el SOA configurado con TSOA = 20oCy el láser emitiendo a λ= 1550nm. −50 −40 −30 −20 −10 0 12 14 16 18 20 22 24 26 Ganancia vs PIN PIN (dBm) G (dB) ISOA = 0.2 A ISOA = 0.3 A ISOA = 0.4 A ISOA = 0.5 A (a) −50 −40 −30 −20 −10 0 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 Potencia de Salida vs PIN PIN (dBm) POUT (dBm) ISOA = 0.2 A ISOA = 0.3 A ISOA = 0.4 A ISOA = 0.5 A (b) Figura 3.1: Caracterización del SOA-NL respecto de ISOA: (a) Ganancia del SOA-NL, (b) Potencia de Salida del SOA-NL. Observando la Figura 3.1a se ve que la ganancia del SOA-NL aumenta conforme se incrementa la ISOA. La ganancia para una ISOA = 0,2Atoma su máximo en PIN =−22,32dBm, cuyo valor es 22,47dB. La ganancia del SOA-NL aumenta 3dB cuando ISOA se incrementa 0,3A. Esto se debe a que al incrementar la ISOA, aumenta la inyección de portadores en la zona activa. Por ello, hay más pares electrón-hueco disponibles para interactuar con los fotones de la luz en la zona activa, por lo que se incrementa la emisión estimulada y con ello la amplificación de la luz. Esto, tal y como se ve en la Figura 3.1b, incrementa el valor de potencia de salida de saturación de 11,15dBm para ISOA = 0,2Aa14,35dBm para ISOA = 0,5A. En la Figura 3.2a se expone la ganancia (G) del SOA-NL a diferentes longitudes de onda (λ) y en la Figura 3.2b se muestra la POUT de ese SOA-NL en función de λ. Para la obtención de estos valores, el SOA-NL se configuró con ISOA = 0,2AyTSOA = 20oC. −50 −40 −30 −20 −10 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 Ganancia vs PIN PIN (dBm) G (dB) λ = 1540 nm λ = 1545 nm λ = 1550 nm λ = 1555 nm λ = 1560 nm (a) −50 −40 −30 −20 −10 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 Potencia de Salida vs PIN PIN (dBm) POUT (dBm) λ = 1540 nm λ = 1545 nm λ = 1550 nm λ = 1555 nm λ = 1560 nm (b) Figura 3.2: Caracterización del SOA-NL respecto de λ: (a) Ganancia del SOA-NL, (b) Potencia de Salida del SOA-NL. 12 En la Figura 3.2 se puede observar que la ganancia del SOA-NL no es constante para todas las longitudes de onda, sino que varia con la energía del fotón, y se debe a que el medio semiconductor del que esta fabricado el SOA-NL depende de la longitud de onda. En la Figura 3.2a se ve que la variación de la ganancia en 20nm es mayor de 10dB. Esta dependencia viene determinada por la probabilidad de que exista un par electrón-hueco disponible para esa energía determinada, la cual varia según el material y la inversión de población que se ha realizado sobre el mismo, y es explicado en más profundidad en el Apéndice A. La Figura 3.3a se dibuja la ganancia (G) del SOA -NL y en la Figura 3.3b su potencia de salida (POUT ), las dos en función de la temperatura en el SOA (TSOA). Para realizar esta medida, el SOA-NL se configuró con ISOA = 0,2Ay la luz del láser emitía a λ= 1550nm. −50 −40 −30 −20 −10 12 14 16 18 20 22 24 Ganancia vs PIN PIN (dBm) G (dB) TSOA = 20ºC TSOA = 25ºC TSOA = 30ºC (a) −50 −40 −30 −20 −10 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 Potencia de Salida vs PIN PIN (dBm) POUT (dBm) TSOA = 20ºC TSOA = 25ºC TSOA = 30ºC (b) Figura 3.3: Caracterización del SOA-NL respecto de TSOA: (a) Ganancia del SOA-NL, (b) Potencia de Salida del SOA-NL. Inspeccionando la Figura 3.3, se ve que la ganancia del SOA-NL es dependiente de la temperatura de operación del SOA (TSOA). Como se ve Figura 3.3a, esta dependencia es pequeña, ya que aumentando la temperatura 10oCsolo disminuye la ganancia en 1dB. Esta reducción se produce porque al aumentar la temperatura del semiconductor, la probabilidad de las recombinaciones no radiativas aumenta, lo que conlleva que haya menos pares electrón-hueco disponibles para que ocurran recombinaciones radiativas. Tanto las recombinaciones radiativas como las no radiativas han sido explicadas en mas detalle en el Apéndice A. En las Figuras 3.1a, 3.2a y 3.3a se observa que la ganancia del SOA-NL se mantiene aproximadamente constante para señales de baja potencia, y a partir de una determinada potencia la ganancia empieza a reducirse, lo cual se conoce como saturación de la ganancia del SOA-NL. Esta saturación se debe a que el SOA-NL no es capaz de emitir luz por encima de una determinada potencia y aunque aumente la potencia de entrada este es incapaz de aumentar más la potencia de salida y por tanto se reduce la ganancia del sistema, tal y como se puede ver en las Figuras 3.1b, 3.2b y 3.3b. La saturación se produce porque no hay portadores suficientes en la zona activa para emitir por encima de esa potencia de salida de saturación cuando SOA-NL esta alimentado a una determinada ISOA. Además en las Figuras 3.1a, 3.2a y 3.3a se aprecia que conforme la potencia de entrada disminuye, la ganancia tiende a reducirse en torno a 1dB. Esto se debe a que la potencia de la señal es muy baja y por lo tanto la emisión espontanea empieza a dominar en la luz emitida, por lo que la potencia útil en la señal de longitud de onda de interés se reduce. Finalmente, en la Figura 3.4 se muestra el espectro del SOA-NL. Este espectro varía depen- 13 diendo de la potencia de la luz monocromática a la que es excitado el SOA. Esta luz monocromática es emitida a una longitud de onda (λ) de 1550nm. Para tomar estos datos, el SOA-NL se configuró con ISOA = 0,2AyTSOA = 20oC. 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 1620 1640 1660 −55 −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 Espectro de emisión del SOA λ (nm) Potencia (dBm) PIN = −1.23 dBm PIN = −11.23 dBm PIN = −21.23 dBm PIN = −31.23 dBm Sin PIN Figura 3.4: Espectro de emisión del SOA-NL en función de PIN . La Figura 3.4 muestra que en ausencia de ninguna señal de entrada los pares electrón-hueco se recombinan mediante emisión espontánea emitiendo en un amplio rango de longitudes de onda que van desde 1450nm hasta 1650nm. El máximo de emisión espontanea tiene lugar en 1562,6nm, lo cual está en sintonía con que la ganancia aumente entre 1540nm y1560nm, tal y como se ve en la Figura 3.2. Además, en la Figura 3.4 también se muestra que cuando una señal, en este caso monocromática, es amplificada, el ruido producido por emisión espontánea se reduce. Esta reducción es mayor conforme la potencia de la señal de entrada se incrementa; y se debe hacer notar que cuando se entra en saturación (línea azul de Figura 3.4) la potencia de salida no aumenta pero el ruido óptico si se reduce. Esta reducción se produce porque los pares electrón-hueco, que son utilizados para amplificar la señal de entrada mediante recombinación estimulada, dejan de estar disponibles para que se recombinen mediante emisión espontánea, lo que reduce el ruido emitido. 3.2. No linealidades del SOA En esta sección se van a mostrar y discutir los resultados de la caracterización de XGM y XPM del SOA-NL. Para la caracterización de XGM se va a mostrar la diferencia entre la potencia del 010(P1) y la potencia del 000(P0) en función de la potencia del pump (Ppump), la diferencia entre la potencia del pump y la potencia del probe (Ppump –Pprobe) y el delay entre el pump y el probe (τ). En el caso de la caracterización de XPM se va a mostrar la diferencia de fase entre el tiempo en el que el pump está presente y el que no está presente respecto de la potencia del pump (Ppump) y de la potencia del probe (Pprobe). El montaje realizado para obtener las Figuras 3.5 y 3.6 es el mostrado en el Apéndice B.3. Los valores mostrados en estas gráficas, así como los de Ppump yPprobe han sido corregidos para compensar las pérdidas que se producen entre los puntos de medida y el SOA. Para realizar estas medidas el SOA-NL 03736 se ha configurado con ISOA = 0,2AyTSOA = 20oC, el pump se emite a λ= 1550,1nm y el probe a λ= 1550,1nm. Tanto el pump como el probe se han 14 modulado en RZ a R= 10Gbps. El montaje utilizado para obtener las Figuras 3.7 y 3.8 es el mostrado en el Apéndice B.4. Los valores de Ppump yPprobe se han corregido para compensar las pérdidas que se producen entre el punto de medida y el SOA. Para realizar estas medidas, el SOA se ha configurado con ISOA = 0,2AyTSOA = 20oC, el pump se emite a λ= 1550,1nm y el probe a λ= 1550,1nm. El pump y el probe se han modulado con NRZ a R= 10Gbps. En la Figura 3.5 se muestra la diferencia entre P1yP0causada por XGM en función de τ para varios Ppump. La Figura 3.5a está realizada para Ppump –Pprobe = 6,24dB y la Figura 3.5b está realizada para Ppump –Pprobe = 2,27dB. −10 0 10 20 30 40 50 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 XGM con (Ppump − Pprobe) = 6.24 dB τ (ps) Diferencia entre P1 y P0 (dB) Ppump = 1.78 dBm Ppump = 5.78 dBm Ppump = 9.76 dBm (a) −10 0 10 20 30 40 50 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 XGM con (Ppump − Pprobe) = 2.27 dB τ (ps) Diferencia entre P1 y P0 (dB) Ppump = 1.78 dBm Ppump = 5.78 dBm Ppump = 9.76 dBm (b) Figura 3.5: Caracterización de XGM del SOA-NL respecto de τy de Ppump: (a) diferencia entre Ppump yPprobe = 6,24dB, (b) diferencia entre Ppump yPprobe = 2,27dB. En la Figura 3.6 se presenta la diferencia entre P1yP0provocada por XGM respecto de Ppump –Pprobe para diferentes Ppump con τ= 20ps. Además, en la subfigura mostrada en la Figura 3.6 se muestra el diagrama de ojo de XGM del SOA-NL para Ppump = 7,76dBm,Ppump –Pprobe = 6,26dB yτ= 20ps. 0 2 4 6 8 10 2 3 4 5 6 7 8 9 XGM con τ =20ps Diferencia entre Ppump y Pprobe (dB) Diferencia entre P1 y P0 (dB) Ppump = 1.78 dBm Ppump = 5.78 dBm Ppump = 9.76 dBm 0 50 100 0 5 10 15 Diagrama de ojo con Ppump = 7.76 dBm, Ppump−Pprobe =6.26 dB y τ = 20 ps Tiempo (ps) Potencia (mW) Figura 3.6: Caracterización de XGM del SOA-NL respecto de Ppump y de la diferencia entre Ppump yPprobe. La señal de salida del SOA, cuando se introduce un probe a λprobe y un pump a λpump modulado con datos, es la inversa de los datos a λprobe. Tal y como se ha explicado en la sección 2.1.1, esto se debe a que el pump, que tiene más potencia que el probe, deplexiona los portadores y el probe no puede ser amplificado, dando lugar a un cero a la salida. Cuando el pump es un 15 conforme aumentaban las potencias, el comportamiento del sistema empeoraba, especialmente en el caso de la salida no inversa. En el caso de Pprobe =−4dBm yPpump = 2dBm el empeoramiento no era muy grande, lo cual se debe a que no se conseguía perfectamente el desfase de π; mientras que en el caso de Pprobe =−2dBm yPpump = 6dBm el empeoramiento era mayor, ya que se producía una mayor XGM al ser mayor la diferencia entre el pump y el probe. Por tanto, se ha seleccionado la Pprobe =−6dBm yPpump = 0dBm como potencias de entrada al sistema. Después de ello se realizaron las simulaciones para diferentes desfases entre el pump y el probe, porque la modulación del sistema es RZ. Estas simulaciones nos dan unos resultados similares a los mostrados en la Figura 3.5 y revela que el delay óptimo del sistema es τ= 25ps para R= 10Gbps. Esto tiene sentido, ya que si el pulso del pump llega a la vez o un poco antes que el pulso del probe (τ < 25ps), la deplexión de los portadores no se ha producido completamente, mientras que si llega demasiado pronto (τ > 25ps) la recuperación de los portadores comienza antes de que acabe el pulso del probe y por lo tanto se distorsionará la forma del pulso. Para el caso de R= 20Gbps el τóptimo es de 20ps y para el caso de R= 40Gbps el τ óptimo es de 12,5ps. También se han realizado simulaciones para diferentes intensidades del SOA (ISOA = 0,2A, ISOA = 0,3AyISOA = 0,4A), con los parámetros fijados anteriormente. Para R= 10Gbps se observa que conforme aumenta la intensidad la respuesta del sistema empeora, especialmente en el caso de la salida inversa. Esto se debe a que cambia el número de portadores en el medio, lo que cambia la dinámica de XGM y XPM, y por ello se selecciona ISOA = 0,2A. Para la R= 20Gbps yR= 40Gbps se ha seleccionado ISOA = 0,4Aya que los resultados mejoran conforme aumentábamos la intensidad del SOA y no se probó a intensidades mayores, ya que los SOAs comerciales estarían cerca de dañarse y los integrados no la podrían soportar. Esta mejora se debe a que el aumento de portadores hace que la XGM y la XPM se adapten mejor a estas tasas de modulación y por lo tanto a los requisitos del sistema. Además, se probaron varias configuraciones de inyección del pump a uno de los SOAs (copropagante, contrapropagante y las dos simultáneamente). En estos casos se observó que la señal inversa no se veía casi afectada por los cambios de configuración pero la salida no inversa empeoraba ligeramente para la configuración simultánea y empeoraba notablemente para el caso del esquema copropagante. Por lo tanto, se ha seleccionado el esquema contrapropagante para el sistema, ya que es el que mejor se comporta para las dos salidas. En la Figura 4.4 se presenta el BER simulado del sistema para las tres tasas de datos, tanto para la salida no inversa (4.4a) como para la salida inversa (4.4b), con modulación RZ. 6 7 8 9 10 11 12 10−6 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 BER del conversor, salida no inversa, RZ SNR (dB) BER R = 10 Gbps R = 20 Gbps R = 40 Gbps (a) 6 7 8 9 10 11 12 10−7 10−6 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 BER del conversor, salida inversa, RZ SNR (dB) BER R = 10 Gbps R = 20 Gbps R = 40 Gbps (b) Figura 4.4: Simulación del BER del conversor de longitud de onda para modulación RZ en función de la tasa de datos del pump: (a) Salida no inversa, (b) Salida inversa 22 En la Figura 4.5 se presentan los diagramas de ojo sin ruido de la señal inversa (4.5a, 4.5b y 4.5c) y de la no inversa (4.5d, 4.5e y 4.5f) para las tres tasas de datos con modulación RZ. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 Diagrama de ojo, salida inversa, R = 10 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (a) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 20 40 60 80 100 120 140 Diagrama de ojo, salida inversa, R = 20 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (b) 0 5 10 15 20 25 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Diagrama de ojo, salida inversa, R = 40 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (c) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 Diagrama de ojo, salida no inversa, R = 10 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (d) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 50 100 150 Diagrama de ojo, salida no inversa, R = 20 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (e) 0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 Diagrama de ojo, salida no inversa, R = 40 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (f) Figura 4.5: Diagramas de ojo del conversor de longitud de onda con modulación RZ: (a) Salida inversa a R= 10Gbps, (b) Salida inversa a R= 20Gbps, (c) Salida inversa a R= 40Gbps, (d) Salida no inversa a R= 10Gbps, (e) Salida no inversa a R= 20Gbps, (f) Salida no inversa a R= 40Gbps. En la Figura 4.4 se muestra que el sistema funciona correctamente para tasas de datos de R= 10Gbps yR= 20Gbps con modulación RZ. En el caso de R= 40Gbps la tasa de error es realmente mala, ya que la dinámica del SOA-MZI no es capaz de seguir tasas tan altas sin modificaciones significativas en el esquema. Este comportamiento se observa también en la Figura 4.5, ya que se ve que el diagrama de ojo de la señal inversa está más abierto para R= 10Gbps y para la señal no inversa la apertura máxima del ojo se consigue para R= 20Gbps. En el caso de R= 40Gbps se observa que el ojo se cierra considerablemente y da un peor resultado de BER. En la Figura 4.4 se observa que la salida inversa tiene un peor BER que la no inversa, lo cual es confirmado observando los diagramas de ojo de la Figura 4.5. Por otro lado, el conversor de longitud de onda también se ha simulado para modulación NRZ. Aunque el sistema se ha diseñado para trabajar en RZ, también se ha simulado en NRZ ya que el montaje experimental solo se ha podido realizar en el NRZ, tal y como se explica en la sección 4.3. La simulación del conversor de longitud de onda para modulación NRZ se ha simulado para tres tasas de datos: R= 2,5Gbps,R= 10Gbps yR= 20Gbps. Las dos primeras han sido obtenidas en el sistema experimental, mientras que en la última se ha simulado para observar cómo funcionaria el sistema a tasas más altas. Para R= 2,5Gbps yR= 10Gbps los parámetros utilizados son: Pprobe =−6dBm aλ= 1546,3nm,Ppump = 0dBm aλ= 1557,8nm yISOA = 0,2A. Mientras que para R= 20Gbps la configuración es: Pprobe =−6dBm aλ= 1546,3nm, Ppump = 0dBm aλ= 1557,8nm yISOA = 0,4A. Estos parámetros son los mismos que los utilizados en la modulación RZ, aunque en este caso no tiene sentido de hablar del delay entre las señales ya que el probe es una señal continua. En la Figura 4.4 se muestra el BER simulado del sistema para las tres tasas de datos, tanto para la salida no inversa (4.4a) como para la salida inversa (4.4b), con modulación NRZ. 23 6 7 8 9 10 11 12 10−6 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 BER del conversor, salida no inversa, NRZ SNR (dB) BER R = 2.5 Gpbs R = 10 Gbps R = 20 Gbps (a) 6 7 8 9 10 11 12 10−5 10−4 10−3 10−2 10−1 BER del conversor, salida inversa, NRZ SNR (dB) BER R = 2.5 Gpbs R = 10 Gbps R = 20 Gbps (b) Figura 4.6: Simulación del BER del conversor de longitud de onda para modulación NRZ en función de la tasa de datos del pump: (a) Salida no inversa, (b) Salida inversa En la Figura 4.5 se enseñan los diagramas de ojo sin ruido de la señal inversa (4.5a, 4.5b y 4.5c) y de la no inversa (4.5d, 4.5e y 4.5f) para las tres tasas de datos, con modulación NRZ. 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Diagrama de ojo, salida inversa, R = 2.5 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (a) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Diagrama de ojo, salida inversa, R = 10 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (b) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diagrama de ojo, salida inversa, R = 20 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (c) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 5 10 15 20 25 30 35 Diagrama de ojo, salida no inversa, R = 2.5 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (d) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 5 10 15 20 25 30 35 Diagrama de ojo, salida no inversa, R = 10 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (e) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Diagrama de ojo, salida no inversa, R = 20 Gbps Tiempo (ps) Potencia (mW) (f) Figura 4.7: Diagramas de ojo del conversor de longitud de onda con modulación NRZ: (a) Salida inversa a R= 2,5Gbps, (b) Salida inversa a R= 10Gbps, (c) Salida inversa a R= 20Gbps, (d) Salida no inversa a R= 2,5Gbps, (e) Salida no inversa a R= 10Gbps, (f) Salida no inversa a R= 20Gbps. En las Figuras 4.6 y 4.7 se puede observar que el sistema empeora notablemente cuando se utiliza la modulación NRZ, ya que los efectos asociados al tiempo de recuperación de la ganancia afectan a los bits siguientes. Esta distorsión provoca el diagrama de ojo se cierre, tanto por la mayor dispersión en los niveles de potencia como por el jitter o variabilidad temporal de las transiciones entre los dos niveles, y por tanto que el BER empeore. Para que el sistema funcione correctamente a tasas de datos muy altas o con modulación NRZ habrá que buscar modificaciones a este esquema, como realizar un filtrado desplazado hacia el azul a la salida del sistema, estudiar el efecto de provocar asimetrías entre los brazos del SOA-MZI o estudiar el efecto de utilizar sistemas encadenados a este que permitan mejorar el comportamiento de este sistema. 24 4.3. Resultados Experimentales En esta sección se van a presentar el resultado de la prueba de concepto del conversor de longitud de onda. Para realizar esta prueba se ha realizado el montaje mostrado en la Figura 4.8, el cual es explicado a fondo en el Apéndice B.7. Además, la Figura 4.9, muestra una fotografía del montaje en el laboratorio. SYNC CLK DATA GEN PC FAL FAL TLS BOSA TLS MAIN EDFA NRZ MOD 1550.1 nm 1555.1 nm DWD EDFA DCA ETAPA 3 SOA 1550.1 nm 1555.1 nm DWDM DELOP POL 50% 50% ACC SOA 50% 50% ACC 50% 50% ACC ETAPA 2 ETAPA 1 Figura 4.8: Montaje para realizar la prueba de concepto del conversor de longitud de onda. Figura 4.9: Fotografía del montaje utilizado en la prueba de concepto del conversor de longitud de onda. 25 Las Figuras 4.10b y 4.11b se han obtenido gracias al montaje mostrado en las Figuras 4.8 y 4.9, y explicado en el Apéndice B.7. Mientras que las Figuras 4.10a y 4.11a se han conseguido mediante el esquema de simulación explicado en el Apéndice B.6. En la Figura 4.10 se muestran las salidas inversa y no inversa, tanto simuladas como experimentales, del conversor de longitud de onda modulado en NRZ a tasas de datos R= 2,5Gbps para Pprobe =−6dBm yPpump = 0dBm. 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Conversor de longitud de onda a R = 2.5 Gbps, Señal Simulada Tiempo (ns) Potencia (mW) Inversa No Inversa (a) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Conversor de longitud de onda a R = 2.5 Gbps, Señal Experimental Tiempo (ps) Potencia (mW) Inversa No Inversa (b) Figura 4.10: Salidas (inversa y no inversa) del conversor de longitud de onda a R= 2,5Gbps para Ppump = 0dBm yPprobe =−6dBm: (a) Simulación, (b) Experimental. En la Figura 4.11 se enseñan las salidas inversa y no inversa del conversor de longitud de onda en simulación y en medida experimental. Este conversor de longitud de onda se ha modulado en NRZ con una tasa de datos R= 2,5Gbps para Pprobe =−6dBm yPpump = 0dBm. 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Conversor de longitud de onda a R = 10 Gbps, Señal Simulada Tiempo (ns) Potencia (mW) Inversa No Inversa (a) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 Conversor de longitud de onda a R = 10 Gbps, Señal Experimental Tiempo (ns) Potencia (mW) Inversa No Inversa (b) Figura 4.11: Salidas (inversa y no inversa) del conversor de longitud de onda a R= 10Gbps para Ppump = 0dBm yPprobe =−6dBm: (a) Simulación, (b) Experimental. El sistema interferómetro montado mediante elementos discretos y fibras es altamente inestable. Esto se debe a que hay que conseguir que los dos brazos del interferómetro tengan la misma longitud o que al menos su diferencia sea menor que la distancia de coherencia (Lc) de la fuente. Además, las señales de los dos brazos deben interferir con la misma polarización. Al montar el sistema con elementos discretos es extremadamente difícil conseguir que la diferencia entre la longitud de los dos brazos este dentro de la longitud de coherencia, ya que el sistema montado mediante fibras y elementos discretos mide varios metros. Además, cualquier leve movimiento en las fibras de los brazos modificará la polarización, produciendo un desajuste en la polarización de la señal que puede llevar a eliminar la interferencia de las ondas. Esto ya 26 se mostró en la ecuación 2.4. Asimismo, en un sistema con una longitud de varios metros los cambios en la temperatura de las fibras no son uniformes y estos pueden provocar cambios de fase no controlados en las señales que viajan por los brazos del interferómetro, lo que provocaría que aumente la inestabilidad del sistema. El test experimental se ha realizado en modulación NRZ en lugar de RZ, ya que el ancho de banda de la modulación RZ es mayor y por lo tanto la Lces menor. Como Lces menor es más difícil ajustar correctamente los dos brazos en el diseño discreto y no se puede conseguir que el sistema discreto funcione correctamente con modulación RZ. Esta es la misma razón por la que no se han realizado test a velocidades superiores, aunque se puede esperar que en sistema óptico integrado funcionen. Observando las Figuras 4.10 y 4.11 se puede ver que el sistema está produciendo las dos salidas, tanto la inversa como la no inversa. En las Figuras 4.10 y 4.11 se ve la influencia de la XGM en la interferencia, ya que desbalancea la potencia de los dos brazos y por tanto la interferencia que se produce no es la ideal, sino que se varían los valores de cero y uno de las señales de salida, tal y como se explica en la sección 4.1. Además, se puede observar que el nivel de cero es bastante alto tanto en la señal inversa como en la señal no inversa. Como esto ocurre en las dos salidas, se debe a que la interferencia que se produce en el sistema no es ideal debido a que la polarización de las señales de los dos brazos no es exactamente la misma y por tanto habrá términos en los que no se produzca interferencia. Además, estas dos salidas no han sido filtradas por lo que el ASE producido en los dos SOA se suma sin interferir, y aunque por el régimen de trabajo del SOA este ruido no es muy grande introduce un offset en las señales de salida. Además, comparando las Figuras 4.10a y 4.11a con las Figuras 4.10b y 4.11b se observa que las señales producidas en el sistema experimental tienen un comportamiento muy similar que las señales simuladas. Esto nos permite confirmar que las simulaciones realizadas en la sección 4.2 son una buena aproximación al sistema, además de que el sistema realiza la funcionalidad deseada. 4.4. Diseño Integrado En esta sección se va a presentar el diseño del dispositivo integrado en la plataforma de integración óptica JePPIX del Instituto COBRA de la Universidad Técnica de Eindhoven (TUE). Este diseño se realiza en InP ya que es un material que permite diseñar dispositivos con zonas activas. Por lo tanto, se pueden combinar zonas activas con elementos pasivos para realizar el conversor de longitud de onda basado en un SOA-MZI. En el Apéndice C.1 se muestra la disposición de capas de la oblea de integración, tanto para zonas activas como para zonas pasivas, y la celda de la oblea en la que se ha realizado el diseño. El esquema mostrado en la Figura 4.12 esta compuesto de 2 SOAs y 6 Interferómetros Multimodo 2X2 (MMI2X2). Los SOAs tiene una longitud de 500 µm y su zona activa esta compuesta de cuatro QW. Los MMI2X2 actuan como acopladores 50-50 ya que la señal directa de salida no tiene desfase y la señal acoplada de salida tiene un desfase de π/2. Cada salida de los SOAs esta conectada a un MMI2X2 para dar la suficiente versatilidad al sistema y poder inyectar señales de forma independiente a cada SOA, tanto en copropagante como en contrapropagante. Aunque en el diseño realizado solo hace falta tener acceso a uno de los dos SOAs en esquema contrapropagante, el diseño integrado del SOA-MZI se ha realizado con esta versatilidad para que pueda ser utilizado en otros proyectos de investigación y para permitir que se puedan testear posibles mejoras del sistema. Finalmente, las salidas que pasan a través de los MMI2X2 sin que 27 se modifique su fase son acopladas mediante otros dos MMI2X2 para obtener así el SOA-MZI en el que está basado el conversor de longitud de onda de dos salidas. En la Figura 4.12 se puede observar el diseño del SOA-MZI que se usará como conversor de longitud de onda. Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Active16 Active17 Active18 Figura 4.12: Diseño del sistema integrado. Con la integración del sistema se resolverán los problemas de polarización y de coherencia que se han comentado en el apartado 4.3. Por un lado, el problema de polarización se resuelve debido a que las guías ópticas que se utilizan en óptica integrada impiden los cambios o rotaciones de la polarización de la luz que viaja a través de ellas. Por otro lado, el problema de que la coherencia se resuelve gracias a que el diseño en chips ópticos permite ajustar las distancias en el orden de nanometros, por lo que los dos brazos del SOA-MZI serán exactamente iguales, es decir, la interferencia se producirá dentro de la longitud de coherencia. Desafortunadamente, esta plataforma de integración fotónica no tiene filtros ópticos todavía, por lo que las señales no podrán ser filtradas dentro del chip para eliminar el ASE producido por los SOAs. Para eliminar este ruido se deberá realizar el filtrado fuera del chip. 28 Capítulo 5 Conclusión Este proyecto forma parte del proyecto PEGASO (Matrices de puertas lógicas basadas en amplificadores ópticos de semiconductor) del Grupo de Tecnologías Fotónicas (GTF) del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A). El objetivo ha sido diseñar un conversor de longitud de onda que produzca dos señales de salida a la misma longitud de onda, teniendo en una los mismos datos que la señal a convertir pero en la longitud de onda deseada y en la otra los datos inversos a esta. En el proyecto PEGASO es necesario generar la inversa de las cuatro señales de entrada para poder realizar de forma completa la LUT del sistema, por lo que era necesario colocar inversores a la entrada del sistema. Además, la interconexión del sistema quedaba limitada por las longitudes de onda que producían los sistemas previos, ya que cada entrada debía tener una longitud de onda distinta a las que se utilizaban dentro del sistema. Por lo que era necesario utilizar nueve longitudes de onda, de las cuales cuatro correspondían a las entradas, otras cuatro a los inversores y una más para las NOR que sirven para obtener las posibles combinaciones de salida. Utilizando este tipo de conversores el sistema se pueden reducir las longitudes de ondas usadas a cinco, cuatro para los cuatro conversores y una más para las entradas que puede ser reutilizada en las NOR, y así convertir al sistema independiente de donde provengan las entradas. En primer lugar, se ha consultado distinta bibliografía sobre dispositivos basados en SOA y las configuraciones en los que son utilizados, concluyendo la viabilidad de realizar el conversor de longitud de onda mediante un SOA-MZI simétrico con un esquema de inyección de la señal moduladora contrapropagante. En segundo lugar, se ha efectuado la caracterización lineal y no lineal de un SOA. La caracterización lineal del sistema permite conocer el funcionamiento básico del SOA obteniendo las curvas de ganancia y de Pout, así como el espectro de emisión del SOA en función de Pin. La caracterización no lineal del SOA ha consistido en estudiar XGM y XPM en función de la potencia de las señales que la producen, y en el caso de XGM también entre la relación temporal de las mismas. Gracias a esta caracterización se han podido aproximar los parámetros de diseño utilizados en la simulación del sistema y posterior prueba. Por último, se ha realizado la simulación del sistema mediante un programa de simulación óptica (VPI) con el objetivo ajustar los parámetros del sistema. Después de ello se ha montado con elementos ópticos discretos en el laboratorio como primer paso para demostrar su viabilidad como conversor de longitud de onda e inversor en el proyecto PEGASO. Tanto en la simulación como en el montaje con elementos discretos se ha observado que el sistema produce tanto la salida inversa como la no inversa de forma simultanea cumpliendo el objetivo fijado. 29 En el montaje con elementos discretos se ha observa una baja estabilidad de las salidas producidas. Esto se debe, a que al realizar una configuración interferométrica, el sistema es muy dependiente de que los caminos recorridos por la luz dentro del interferómetro tengan una longitud muy similar, ya que la diferencia entre ellos debe ser menor que la longitud de coherencia, y de que no alteren la polarización de distinta manera. Para solucionar este problema se propone un diseño integrado en InP en la plataforma de integración óptica JePPIX. El test de este sistema integrado queda fuera de este proyecto, ya que es sistema aún está en la fase preliminar de fabricación. Las tasas de datos alcanzadas en simulación por el sistema son 20Gbps, lo cual sería suficiente actualmente. Para poder elevar la tasa de datos soportada por el sistema deberá realizarse un estudio sobre posibles modificaciones del conversor de longitud de onda. Estas modificaciones podrían ser el filtrado de la señal a la salida del sistema con filtros que tengan un ligero desplazamiento en longitud de onda, la creación de asimetrías controladas entre los brazos dos SOA-MZI o la concatenación de algún otro dispositivo a la salida de este para mejorar su funcionamiento. En conclusión, la realización de un conversor de longitud de onda con dos salidas (inversa y no inversa) mediante un SOA-MZI se muestra viable en un sistema óptico integrado. Además, con este proyecto se abren nuevas vías de experimentación, que comienzan en análisis del sistema integrado y continúan con el estudio de posibles mejoras del sistema. 30 Bibliografía [1] M.J. Connelly. Semiconductor Optical Amplifiers. Kluwer Academic Publishers, 2004. [2] I. Garcés and J. Mateo. Apuntes de Comuniciones Ópticas. Grupo de Tecnología de las Comunicaciones, Departamento de Ingeniería Electronica y Comunicaciones, Universidad de Zaragoza, 2010. [3] K.E. Stubkjaer. Semiconductor optical amplifier-based all-optical gates for high-speed optical processing. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2000. [4] R. Inohara, K. Nishimura, M. Tsurusawa, and M. Usami. Experimental analysis of crossphase modulation and cross-gain modulation in SOA-injecting CW assist light. IEEE Photonics Technology Letters, 2003. [5] M. Hattori, K. Nishimura, R. Inohara, and M. Usami. Bidirectional data injection operation of hybrid integrated SOA-MZI all-optical wavelength converter. Journal of Lightwave Technology, 2007. [6] J.H. Kim, B.C. Kim, Y.T. Byun, Y.M. Jhon, S. Lee, D.H. Woo, and S.H. Kim. All-optical AND gate using cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers. Japanese Journal of Applied Physics, 2004. [7] S.H. Kim, J.H. Kim, Y.T. Byun, Y.M. Jeon, S. Lee, D.H. Woo, and S.H. Kim. All-optical NAND gate using cross-gain modulation in semiconductor optical amplifiers. Electronics Letters, 2005. [8] J. Dong, X. Zhang, Y. Wang, J. Xu, and D. Huang. 40 Gb/s configurable photonic logic gates with XNOR,AND,NOR,OR and NOT functions employing a single SOA. European Conference and Ehxibition of Optical Communication (ECOC), 2007. [9] J. Dong, X. Zhang, J. Xu, D. Huang, S. Fu, P. Shum, L. Zhang, and Y.D. Gong. 40 Gb/s both inverted and non-inverted wavelength conversión based on transient XPM of SOA. OFC/NFOEC 2007, 2007. [10] M.-Y. Jeon, D.S. Lim, H.K. Lee, J.T. Aho, D.I. Chang, and K.H. Kim. All-optical wavelength conversion scheme based on 20 Gb/s RZ data. CLEO 2000, 2000. [11] T.T. Ng, A. Pérez, S. Sales, D.J. Richardson, and P. Petropoulos. Characterization of XGM and XPM in a SOA-MZI using a linear frequency resolved gating technique. LEOS 2007, 2007. [12] R. Rostam, M.H.A. Washid, S.A.A. Rais, and M.F. Faridus. The effect of signal repetition rate, injected current and switching window on cross-phase modulation in SOA-NOLM. IEEE Regional Symposium on Micro and Nanoelectronics (RSM), 2011. [13] H. Lee, H. Yoon, Y. Kim, and J. Jeong. Theoretical study of frequency chirping and extinction ratio of wavelength-converted optical signal by XGM and XPM using SOA’s. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1999. 31 muy dependiente de la corriente de inyección de portadores, cuya variación provoca un desplazamiento del pico de la ganancia, esto no ocurre en el QW. La dependencia de la polarización en un bulk viene determinada por los diferentes factores de confinamiento que tiene la polarización TE y la polarización TM. En un QW, la dependencia de la polarización viene dada porque las transiciones entre la banda de conducción y la banda HH son mas favorables para la polarización TE mientras que las transiciones entre la banda de conducción y la banda LH son más favorables para la polarización TM. En los QW, la banda HH y la banda LH ya no están degeneradas y por tanto no tiene el máximo con la misma energía, lo que hace que las transiciones entre la banda de conducción y la banda LH sean menos probables que las transiciones entre la banda de conducción y la banda HH. Esto se puede solucionar utilizando strained QW. Si realizamos un strained QW de tensión, el borde de la banda LH se acerca al borde de la banda de conducción, por lo que se incrementa la ganancia TM y así se reduce la dependencia de la polarización. En el caso de usar un strained QW compresivo, el borde de la banda HH se acerca al borde de la banda de conducción por lo que la dependencia de la polarización se incrementa. vi Apéndice B Montajes experimentales B.1. Montaje para caracterizar la ganancia y potencia de salida de un SOA Para llevar a cabo la caracterización de la ganancia y de la potencia de salida de los SOAs- NL se va a realizar el montaje mostrado en la Figura B.1. Este montaje se basa en que una señal óptica continua sea amplificada por el SOA. Como se pude ver en la Figura B.1, el montaje se puede dividir en 4 partes: Emisor, equipo de control, SOA y equipo de medida. ATT 2 SOA PC TLS ATT 1 EDFA 90% 10% ACC 90-10 MP 1 2 3 CIR FAL BOSA ETAPA 4 ETAPA 1 ETAPA 2 ETAPA 3 Figura B.1: Montaje para la medida de la ganancia y la potencia de salida del SOA. TLS: TLS AGILENT 8164A, EDFA: HWT EDFA C20 G20 de Highwave Optical Thecnologies, ATT 1: Atenuador variable JDS Fitel HA1, ACC 90-10: Acoplador 90-10, MP: Medidor de potencia Noyes OPM4, CIR: Circulador, PC: Ordenador, FAL: Fuente de Alimentación, ATT 2: Atenuador variable HP 8156A, BOSA: BOSA de Aragón Photonics. vii La primera etapa (Etapa 1 de la Figura B.1) utiliza como fuente óptica básica un Tuneable Laser Source (TLS) AGILENT 8164A. Este TLS es una laser monocromático continuo que permite seleccionar la longitud de onda de emisión. Esta fuente no alcanza la potencia necesaria para caracterizar correctamente la ganancia del SOA, por lo que hay que amplificar la luz antes de que llegue al mismo. Para realizar esta amplificación se utiliza una amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) HWT EDFA C20 G20 de la empresa Highwave Optical Technologies. Este EDFA debería ser filtrado para evitar que el ruido, que se introduce mediante emisión espontanea amplificada (ASE), ensanchara el espectro de la fuente óptica. En este caso la potencia del TLS es suficientemente alta como para poder despreciar el ASE introducido por el EDFA y seguir considerando la fuente monocromática. Finalmente para controlar correctamente el rango de potencias que entran al SOA se coloca un atenuador variable JDS Fitel HA1 después del EDFA. La segunda etapa (Etapa 2 de la Figura B.1) sirve para controlar la potencia de la señal que entra al SOA. Esta parte consiste en un acoplador 90-10. Este dispositivo desvía el 10% de la señal de entrada a un medidor de potencia Noyes OPM4 para tener controlada en todo momento su potencia. El 90% restante debería ir directamente al SOA, pero durante el montaje se ha detectado un reflexión indeseada del ASE producido por el SOA dentro del acoplador y la señal medida en el medidor de potencia no es correcta. Para eliminar esta reflexión se ha colocado un circulador entre el acoplador y el SOA, de tal manera que el ASE producido por el SOA no llegue al acoplador y así no se produzca la reflexión. El tercera etapa (Etapa 3 de la Figura B.1) es el dispositivo a caracterizar. Este dispositivo es un SOA no lineal de la compañía CIP, cuyas hojas de características se presentan en el Apéndice C.2. Este elemento esta montado en una placa que permite controlar la intensidad de alimentación y la temperatura de operación del SOA por ordenador. La última etapa (Etapa 4 de la Figura B.1) es el sistema de medida del dispositivo. El SOA no solo amplifica la señal de entrada sino que también produce ASE y por ello no puede ser medida la potencia óptica de la señal como la potencia óptica total. Por lo tanto, en lugar de utilizar un medidor de potencia, debe utilizarse un analizador de espectros ópticos. En esta medida se ha utilizado un analizador de espectro ópticos de alta resolución (BOSA) de la compañía Aragón Photonics. Gracias a este BOSA se puede medir la potencia únicamente en la longitud de onda de interés. Para evitar que el BOSA se sature y muestre una medida incorrecta de la potencia hay que colocar un atenuador HP 8156A con el que se introduce una atenuación fija de 16,99dB. Además, para obtener una medida más estable y correcta de la potencia se va a realizar el promediado de varias medias consecutivas. Este proceso no es directo y para ello hay que realizar los siguientes pasos. En primer lugar hay que fijar la posición de la longitud de onda a la entra la señal. Esto debe ser realizado para evitar que el pico de potencia se desplace y distorsione el espectro de la señal. Este desplazamiento es provocado por la alta resolución del BOSA que hace la longitud de onda tenga ligeros movimientos. En segundo lugar hay que activar el control de polarización para que la medida sea independiente de la polarización de la señal. En último lugar se activa el promediado de 16 medidas. viii B.2. Montaje para obtener el espectro de emisión del SOA El montaje realizado para medir el espectro de emisión del SOA es mostrado en la Figura B.2. Este montaje es casi igual que el montaje mostrado en el Apéndice B.1. Las etapas 1, 2 y 3 son las exactamente iguales, mientras que la etapa 4 es distinta. OSA SOA PC TLS ATT 1 EDFA 90% 10% ACC 90-10 MP 1 2 3 CIR FAL ETAPA 4 ETAPA 1 ETAPA 2 ETAPA 3 Figura B.2: Montaje para la medida de espectro de emisión del SOA. TLS: TLS AGILENT 8164A, EDFA: HWT EDFA C20 G20 de Highwave Optical Thecnologies, ATT 1: Atenuador variable JDS Fitel HA1, ACC 90-10: Acoplador 90-10, MP: Medidor de potencia Noyes OPM4, CIR: Circulador, PC: Ordenador, FAL: Fuente de Alimentación, OSA: ANRITSU MS9710B. Esta etapa diferente (Etapa 4 de la Figura B.2) consiste en un OSA ANRITSU MS9710B. Este OSA permite analizar el espectro de emisión completo del SOA. Se ha decidido usar este OSA en lugar del BOSA porque el rango de medida del BOSA no es suficiente para caracterizar todo el espectro completo del SOA, aunque la resolución sea menor. ix B.3. Montaje para caracterizar XGM del SOA El montaje realizado para caracterizar la modulación de ganancia cruzada (XGM) en un SOA-NL es el mostrado en la Figura B.3. Este montaje consiste básicamente en la generación de dos señales moduladas RZ a dos longitudes de onda distintas, que son introducidas al SOA en esquema copropagante. Los datos de la señal modulada siguen un patrón aleatorio y la tasa de datos es de 10Gbps. Este montaje se puede dividir en 3 etapas: Emisor, SOA y equipo de medida. ATT DCA ETAPA 2 FAL PC SOA FIL ETAPA 3 ETAPA 1 FAL FAL 50% 50% ACC SYNC DATA CLK GEN DELEC DELOP POL AMP EDFA FAL NRZ MOD MAIN TLS DFB 1550.1 nm 1555.1 nm DWDM RZ MOD 1550.1 nm 1555.1 nm DWDM Figura B.3: Montaje para la medida de XGM del SOA. MAIN: OSICS MAINFRAME, DFB: Laser OSICS DFB a 1555.1 nm, TLS: Laser OSICS TLS-AG a 1550.1 nm, NRZ MOD: Modulador AVANEX, RZ MOD: Modulador MX-LN10, GEN: Generador de Señales ANRITSU MP1800A, AMP: Amplificador RF SA1137-2A, DELEC: Delay eléctrico SMF 2000DEL WOC, DWDM: DWDM 2x8, DELOP: VARIABLE OPTICAL DELAY LINE de GENERAL PHOTONICS, POL: Control de Polarización 1-888-91-FIBER de FIBER CONTROL INDUSTRIES, ACC 50-50: Acoplador 50-50, EDFA: HWT EDFA C20 G20 de Highwave Optical Thecnologies, PC: Ordenador, FAL: Fuente de Alimentación, FIL: Filtro sintonizable Optoplex, ATT 1: Atenuador variable JDS Fitel HA1, DCA: AGILENT infinium DCA 86100B. x La primera parte (Etapa 1 de la Figura B.3) es el sistema de generación de las dos señales ópticas que se introducirán al SOA-NL. Para generar la señal de probe se utiliza como fuente óptica un láser OSICS DFB a 1555,1nm y para general la de pump se usa como fuente óptica un láser OSICS TLS-AG a 1550,1nm, que es modulada NRZ con los datos mediante un modulador AVANEX. Estas dos señales son multiplexadas mediante un DWDM para ser moduladas RZ mediante un modulador MX-LN10. Para que la señal de reloj que modula RZ el probe y el pump este sincronizada con los datos que han modulado el pump se utiliza un delay eléctrico SMF 2000 DEL WOC. Tanto la señal de datos como la señal de reloj son generadas mediante un Generador de Señales ANRITSU MP1800A. La señal de reloj es una señal auxiliar de este generador y por lo tanto debe ser amplificada mediante un amplificador RF SA1137-2A para que tenga suficiente amplitud. Después de que las dos señales hayan sido moduladas RZ, son amplificadas mediante un HWT EDFA C20 G20 de Highwave Optical Technologies. Tras esta amplificación las señales son demultiplexadas y se controla que tengan la misma polarización, mediante un Control de Polarización 1-888-91-FIBER de la empresa FIBER CONTROL INDUSTRIES, y el delay relativo entre las dos señales introducidas al SOA, mediante un VARIABLE OPTICAL DELAY LINE de GENERAL PHOTONICS. Después de esto, las dos señales son acopladas mediante un acoplador 50-50. Una de las salidas de acoplador se inyectará en el SOA y la otra irá a los equipos de medida para tomarla como referencia. La segunda parte (Etapa 3 de la Figura B.3) es el SOA-NL que se va a caracterizar. Este SOA-NL es de la compañía CIP, cuyas hojas de características pueden ser consultadas en C.2. Este SOA es montado en una placa, la cual sirve para alimentarlo y controlar sus parámetros de operación. La salida de este SOA es filtrada, mediante un filtro sintonizable Optoplex que es fijado a 1555,1nm, y después irá a los equipos de medida. La tercera parte (Etapa 2 de la Figura B.3) es el equipo utilizado para medir tanto la señal de referencia de los emisores como la salida del SOA. La señal de referencia es atenuada mediante un atenuador variable JDS Fitel HA1 para que no sature el AGILENT Infinium DCA 86100B. La señal de referencia y la señal de salida se van alternando en la misma entrada del DCA. La señal de referencia es utilizada para calcular la potencia de las señales de entrada y el delay entre las mismas. Para calcular la potencia de las dos señales se asume que el filtrado realizado por el DWDM minimiza el ruido generado por el EDFA, y que la modulación realizada por los moduladores es prácticamente perfecta. En el DCA se presentan las dos señales simultáneamente y por tanto para calcular la potencia del probe se observa el nivel de la señal cuando en el pump hay un cero y la potencia del pump se calcula como diferencia de potencia entre cuando el pump es uno y es cero. Es necesario realizarlo así, ya que la desconexión de una de las dos señales afecta a la otra debido al EDFA. Para calcular el delay entre las dos señales se puede calcular con las señales independientemente. Con la señal de salida del SOA se calcula la potencia del uno y del cero y así se caracteriza el XGM del SOA. xi B.4. Montaje para caracterizar XPM del SOA El montaje utilizado para caracterizar la modulación de fase cruzada (XPM) se muestra en la Figura B.4. Este sistema se basa en la inyección de dos señales, una modula NRZ y una señal continua, a dos longitudes de onda en un SOA-NL mediante un esquema copropagante. Los datos que modulan la señal de entrada siguen el patrón fijo 11110000 y la tasa de datos es de 10Gbps. Este montaje puede dividirse en 3 partes: Emisor, SOA y aparatos de medida. BOSA ATT DCA ETAPA 2 FAL PC SOA FIL ETAPA 3 ETAPA 1 50% 50% ACC SYNC DATA CLK GEN DELOP POL EDFA FAL NRZ MOD MAIN TLS DFB 1550.1 nm 1555.1 nm DWD 1550.1 nm 1555.1 nm DWDM Figura B.4: Montaje para la medida de XPM del SOA. MAIN: OSICS MAINFRAME, DFB: Laser OSICS DFB a 1555.1 nm, TLS: Laser OSICS TLS-AG a 1550.1 nm, NRZ MOD: Modulador AVANEX, GEN: Generador de Señales ANRITSU MP1800A, DWDM: DWDM 2x8, DELOP: VARIABLE OPTICAL DELAY LINE de GENERAL PHOTONICS, POL: Control de Polarización 1-888-91-FIBER de FIBER CONTROL INDUSTRIES, ACC 50-50: Acoplador 50-50, EDFA: HWT EDFA C20 G20 de Highwave Optical Thecnologies, PC: Ordenador, FAL: Fuente de Alimentación, FIL: Filtro sintonizable Optoplex, ATT 1: Atenuador variable JDS Fitel HA1, DCA: AGILENT infinium DCA 86100B, BOSA: BOSA Phase de Aragón Photonics. xii La primera etapa (Etapa 1 de la Figura B.4) consiste en la generación del pump y el probe que se van a introducir en el SOA-NL. La señal de probe es generada mediante un láser OSICS DFB a 1555,1nm y la señal del pump es generada mediante un láser OSICS TLS-AG a 1550,1nm, la cual es modulada NRZ mediante un modulador AVANEX. Después de esto las dos señales son multiplexadas mediante un DWDM y amplificadas mediante un HWT EDFA C20 G20 de Highwave Optical Technologies. Después de ello las señales se demultiplexan y pasan por el Control de Polarización 1-888-91-FIBER de la empresa FIBER CONTROL INDUSTRIES y el delay óptico VARIABLE OPTICAL DELAY LINE de GENERAL PHOTONICS. Estas dos señales son acopladas mediante un Acoplador 50-50. Una de las salidas del acoplador irá a parar al sistema de medida como señal de referencia y la otra se inyectara al SOA-NL. La segunda etapa (Etapa 3 de la Figura B.4) es el SOA-NL que se va a caracterizar con este montaje. Este SOA es un SOA-NL de la compañía CIP, cuyas hojas de características pueden ser consultadas en el Apéndice C.2. La salida del SOA es filtrada mediante un filtro sintonizable Optoplex que es fijado a 1555,1nm y después la señal va a los equipos de medida. La tercera etapa (Etapa 2 de la Figura B.4) consiste en los equipos de medida, tanto de la señal de referencia como de la salida del SOA. La señal de referencia se mide mediante AGILENT Infinium DCA 86100B, en el cual se observa la potencia del probe y del pump. Como estas dos señales se observan simultáneamente en el DCA y la potencia del probe será la potencia observada en el DCA cuando el pump este en un cero, mientras que la potencia del pump será la potencia medida cuando el pump está en un uno menos la potencia del probe. Para realizar esta medida se asume que el filtrado de las señales mediante el DWDM después de su amplificación reduce a niveles despreciables el ASE producido mediante el SOA y que la modulación del pump es casi perfecta, por lo que el nivel del cero del pump se puede considerar sin potencia. La salida del SOA-NL se medirá mediante un BOSA Phase de APL, el cual bajo una serie de parámetros nos permite medir la fase relativa temporal de la señal. Para que esta medida sea correcta la señal y el BOSA Phase deben ser configurarse de tal manera que la señal enviada al BOSA Phase produzca un espectro adecuado a los filtros que este tiene incorporados para la medida de la fase. Esta configuración consistió en la generación de un patrón de datos de ocho bits con una tasa de datos de 10Gbps, para que la medida se situara en el filtro de 1,25GHz con un ancho de banda seleccionado de 10GHz. Después de tomar los datos se procesaron mediante Matlab para obtener la diferencia de fase que hay en la señal de salida cuando está presente o no la señal moduladora. xiii B.5. Montaje de simulación con modulación RZ En la Figura B.5 se muestra el montaje utilizado en la simulación del conversor de longitud de onda para la modulación RZen el programa VPI. Este esquema es utilizado para simular los diferentes escenarios y parámetros del sistema antes de realizar el montaje mediante elementos discretos y la integración. Figura B.5: Montaje para la simulación del conversor de longitud de onda con modulación RZ. El esquema consiste en dos generadores de longitud de onda continua que son modulados RZ, uno con los datos PRBS (pump) y el otro con un reloj (probe). Estas señales son filtradas para conseguir una forma de onda más real en lugar de utilizar las ondas cuadradas que nos proporcionarían los moduladores. Además el probe tiene un delay para poder controlar el desfase entre este y la señal del pump. La señal del probe es inyectada a los dos SOAs mediante un acoplador 50-50 y la señal de pump es inyectada mediante un divisor 50-50 en uno de los dos SOAs. Después las señales de los dos SOAs son acopladas mediante un acoplador 50-50 para que se produzca la interferencia. Se han dispuesto cuarto divisores 50-50, uno antes de cada SOA y otro después de cada SOA, para que los dos brazos sean simétricos y poder realizar estudios de distintos esquemas de inyección del pump. Finalmente, las señales de salida del segundo acoplador 50-50 son filtradas para retirar el ruido generado por el SOA y eliminar completamente la señal de pump. Además, antes de los analizadores se colocaron atenuadores en la señal para controlar la amplitud de las señales de salida. xiv B.6. Montaje de simulación con modulación NRZ En la Figura B.6 se muestra el montaje utilizado en la simulación del conversor de longitud de onda para la modulación NRZ en el programa VPI. Este esquema es utilizado para simular los diferentes escenarios y parámetros del sistema antes de realizar el montaje mediante elementos discretos y la integración. Figura B.6: Montaje para la simulación del conversor de longitud de onda con modulación NRZ. El sistema utilizado para simular el sistema con modulación NRZ es igual que el utilizado para simular el esquema con modulación RZ, mostrado en el Apendice B.5, con la unica diferencia de los generadores de las señales de entrada. La señal de probe consiste en un laser continuo que es inyectado directamente en el el acoplador 50-50 de entrada. La señal de pump se basa en un laser continuo modulado mediante un modulador NRZ con una secuencia de datos PRBS o el patrón de datos fijos 11110010, que es inyectada a uno de los dos SOAs mediante un divisor 50-50. xv PRELIMINARY DATASHEET | www.ciphotonics.com …….photonic solutions CIP Technologies, Adastral Park, Martlesham Heath, Ipswich, IP5 3RE, UK Tel: +44 (0) 1473 663210 [email protected] REV: F Absolute maximum ratings Parts of this product are manufactured under one or more of the following patents licensed from British Telecommunications PLC : European 143000;384764;416879;531377;890129;156566;227783;218344;279680;261943;390614;174729;228435;228435;242084;245085;746887;767923;830721;1181591; 93527.3;1183561;170457;225015;247834;292328;320305;537237;624257;647327;94905188.2;691044;772924;782713;822425;822426;813761;97900375.3;97908417.5; 97908417.5;865124 US 4826295;5426312;5481397;5202897;6008926;4734387;4728628;4935936;4754459;4964134;5242857;53329542;4736164;4817207;4981814;5015964; 844929;5852696;6188511;6625371;6571037;959329/09;4744619;4793690;4879761;4969704;4973122;4995100;5216237;5371820;5656507;6075625;6229945;6097512;5719974; 5832011;5917636;5841928;5978400;6104852;6052213;5974073;6178280: Canada 297211;1284683;2182591;2193095;2221693;2372581;2372401;2373546;1255485;1244519; 1281802;1296887;1293996;2085596;2117682;2280472;2153798;2155528;2185132;2199513;2367133;2212736;2240519;2248042;1268848;2047196;2065247;2082939;2243279; 1236554;1228936;1261483;265604;1295722;1332341;2049356: Japan 2837265;2968335;1000942;2134710;2547001;2935415;2140794;2708165;2984365;2018663;1868104; 2670519;2128400;2764141;1957418;2664457;2081567;3117708;3404040;3556665;3346570;95-525482;97-525789;97-534136 Wiring Diagram and Dimensions CIP reserves the right to make changes in the design, specifications and other information at any time, and without prior notice. The information contained within the Data Sheet is believed to be accurate. However, no responsibility is assumed for possible inaccuracy or omission. Any information contained herein shall legally bind CIP only if it is specifically incorporated in the terms and conditions of a sales agreement. SOA-XN-OEC-1550 Item Symbol Rating Unit Maximum DC current forward bias IFmax 600 mA Maximum DC voltage forward bias VFmax 5.0 V Maximum DC voltage reverse bias VRmax 2.0 V Maximum optical input power PMax +13 dBm Maximum TEC current TECIM 2.0 A Maximum TEC voltage TECVM 3.6 V Case operating temperature T 15-40 °C Storage temperature TS 10-70 °C Fibre type SMF-28 900µm tight buffer, >1m Pin Number Connection 1 Cooler (+) 2 Thermistor 3 Case Ground 4 NC 5 Thermistor(10k?) 6 Case Ground 7 NC 8 NC 9 NC 10 SOA Chip (+) 11 SOA Chip (-) 12 Case Ground 13 Case Ground 14 Cooler (-) Ordering Information— Part Number SOA-XN-OEC-1550 For custom products please contact CIP Sales on +44 1473 663210 or e-mail [email protected]. For details of your local agent, visit www.ciphotonics.com xxii PRELIMINARY DATASHEET | www.ciphotonics.com …….photonic solutions CIP Technologies, Adastral Park, Martlesham Heath, Ipswich, IP5 3RE, UK Tel: +44 (0) 1473 663210 [email protected] REV: F SOA-XN-OEC-1550 Typical parameter curves ASE curve for packaged device at chip temperature of 20°C and drive current of 500mA Typical Non-Linear Results For devices tested at 20°C at 500mA drive current. Pump/probe sampling measurements taken with: Input 1550nm CW signal of 0.0dBm Pulses (3ps) @ 2.5GHz and a wavelength of 1539nm The typical 1/e recovery time is ~10ps. -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 Wavelength, nm ASE, dB 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -20 -10 010 20 30 40 50 60 70 Time (ps) Amplitude (a.u.) Typical gain recovery curve 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 -20 -10 010 20 30 40 50 60 70 Time (ps) Amplitude (a.u.) Typical gain recovery curve xxiii xxiv Índice de figuras 2.1. Interferómetros usados típicamente en Óptica Integrada. . . . . . . . . . . . . . . 7 3.1. Caracterización del SOA-NL respecto de ISOA. ................... 12 3.2. Caracterización del SOA-NL respecto de λ. ..................... 12 3.3. Caracterización del SOA-NL respecto de TSOA.................... 13 3.4. Espectro de emisión del SOA-NL en función de PIN ................. 14 3.5. Caracterización de XGM del SOA-NL respecto de τy de Ppump. ......... 15 3.6. Caracterización de XGM del SOA-NL respecto de Ppump y de la diferencia entre Ppump yPprobe. ..................................... 15 3.7. Caracterización de XPM del SOA-NL respecto de Ppump yPprobe.......... 16 3.8. Forma de onda del XPM y XGM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1. Esquemático del conversor de longitud de onda con dos salidas, inversa y no inversa. 19 4.2. Montaje para la simulación del conversor de longitud de onda con modulación RZ. 21 4.3. Montaje para la simulación del conversor de longitud de onda con modulación NRZ............................................ 21 4.4. Simulación del BER del conversor de longitud de onda para modulación RZ. . . . 22 4.5. Diagramas de ojo del conversor de longitud de onda con modulación RZ. . . . . . 23 4.6. Simulación del BER del conversor de longitud de onda para modulación NRZ. . . 24 4.7. Diagramas de ojo del conversor de longitud de onda con modulación NRZ. . . . . 24 4.8. Montaje para realizar la prueba de concepto del conversor de longitud de onda. . 25 4.9. Fotografía del montaje utilizado en la prueba de concepto del conversor de longituddeonda. ..................................... 25 4.10. Salidas del conversor de longitud de onda a R= 2,5Gbps .............. 26 4.11. Salidas del conversor de longitud de onda a R= 10Gbps .............. 26 4.12. Diseño del sistema integrado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 A.1. Estructura simplificada de bandas energéticas de un semiconductor de gap directo. ii A.2. Transiciones radiativas en un modelo simplificado de dos niveles. . . . . . . . . . iii A.3. Transiciones no radiativas en un modelo simplificado de dos niveles. . . . . . . . iv B.1. Montaje para la medida de la ganancia y la potencia de salida del SOA. . . . . . vii B.2. Montaje para la medida de espectro de emisión del SOA. . . . . . . . . . . . . . ix B.3. Montaje para la medida de XGM del SOA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x B.4. Montaje para la medida de XPM del SOA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii B.5. Montaje para la simulación del conversor de longitud de onda con modulación RZ.xiv B.6. Montaje para la simulación del conversor de longitud de onda con modulación NRZ............................................ xv B.7. Montaje para realizar la prueba de concepto del conversor de longitud de onda. . xvi C.1. Disposición de las capas de las obleas de integración de la plataforma JePPIX. . xix C.2. Celda predefinida de la oblea de integración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xx xxv xxvi Índice de acrónimos ACC - Acoplador AMP - Amplificador RF APL - Aragón Photonics Labs ARC - Revestimiento antirreflejante o anti-reflection coating ASE - Ruido de Emisión Espontanea Amplificado ATT - Atenuador BER - Tasa de Error de Bits o Bit Error Rate BLE - Elemento lógico básico BOSA - High Resolution Optical Spectrum Analyser CB - Banda de Conducción CCCH - Recombinación Auger CH - Carrier Heating CHHL - Recombinación Auger CHHS - Recombinación Auger CIR - Circulador CW - Onda continua DCA - Digital Communication Analyzer DELEC - Delay Eléctrico DELOP - Delay Óptico DFB - Distributed Feedback Laser DWDM - Multiplexor por División de Longitud de onda Denso EDFA - Erbium Doped Fiber Amplifier FAL - Fuente de Alimentación FIL - Filtro sintonizable FP-SOA - Amplificador Óptico de Semiconductor Fabry-Perot xxvii FWM - Mezcla de Cuatro Ondas GEN - Generador de Señales HH - Banda de huecos pesados o Heavy Hole I3A - Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón JePPIX - Plataforma de integración fotónica del Instituto COBRA LH - Banda de huecos ligeros o Light Hole LUT - Tabla de consulta o look-up table MAIN - Mainframe MI - Interferómetro Michelson MMI2X2 - Interferómetro Multimodal 2X2 MP - Medidor de Potencia MQW - Multiquantum Well MZI - Interferómetro Mach-Zehnder NOLM - Nonlinear Optical Loop Mirror NRZ - Modulación No Retorno a Cero NRZ MOD - Modulador NRZ OSA - Optical Spectrum Analyser PC - Ordenador PEGASO - Matrices de Puertas Lógicas basadas en Amplificadores Ópticos de Semiconductor POL - Control de Polarización PRBS - Secuencia Binaria Pseudoaleatoria QW - Quantum Well RZ - Modulación Retorno a Cero RZ MOD - Modulador RZ SHB - Spectral Hole Burning SI - Interferómetro Sagnac SO - Banda de Spin-Off SOA - Amplificador Óptico de Semiconductor SOA-MZI - Interferómetro Mach-Zehnder con Amplificadores Ópticos de Semiconductor SOA-NL - Amplificador Óptico de Semiconductor No Lineal SPM - Automodulación de fase xxviii TE - Polarización Transversal Eléctrica TLS - Tuneable Laser Source TM - Polarización Transversal Magnética TUE - Universidad Técnica de Eindhoven TW-SOA - Amplificador Óptico de Semiconductor Traveling Wave T-XPM - Transient Modulación de Fase Cruzada VPI - VPIphotonics XGM - Modulación de Ganancia Cruzada XPM - Modulación de Fase Cruzada xxix