análisis de la desintonización en frecuencia de un diodo láser

ANÁLISIS DE LA DESINTONIZACIÓN DE FRECUENCIA EN LA
CONMUTACIÓN DE UN DIODO LÁSER A 1.55µm
A. Hurtado Villavieja, A. González Marcos y J.A. Martín Pereda
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación de Madrid
c/ Ciudad Universitaria s/n 28040-Madrid
[email protected]
1. Introducción
El uso de láseres de semiconductor como dispositivos biestables, propicia una serie de
ventajas, como son, la presencia de ganancia y los bajos niveles de potencia requerida para la
observación de biestabilidad óptica dispersiva, debida a la combinación de dos efectos: la
realimentación existente en la cavidad del láser y la no linealidad del índice de refracción del
material introducido en la cavidad. A la hora de observar el comportamiento biestable de un
amplificador de láser de semiconductor, éste puede ser polarizado tanto por debajo como por
encima de su corriente umbral. Ambos esquemas de polarización presentan comportamientos
distintos. En primer lugar, el hecho de polarizar por debajo de umbral implica una menor
necesidad de potencia óptica para la consecución de la biestabilidad y la reducción de la
anchura del ciclo de histéresis asociado[1-2], sin embargo limita la velocidad de actuación de
los dispositivos puesto que aumenta el tiempo de switch-off[3]. Por otra parte, al polarizar por
encima de umbral si bien disminuye el tiempo de switch-off, aumenta el tiempo de switchon[4], lo que también limitará la velocidad. Ambos esquemas presentan ventajas e
inconvenientes a la hora de su aplicación práctica, por lo que ambos deben ser estudiados.
Para la observación de biestabilidad en un amplificador láser, la frecuencia de emisión
de la fuente óptica externa que incida al mismo debe ser desintonizada hacia longitudes de
onda mayores (frecuencias menores), con respecto a la frecuencia de uno de los modos de
emisión del amplificador objeto de estudio[1-2]. En anteriores trabajos se ha estudiado la
influencia de la desintonización de frecuencia en el comportamiento biestable, para el caso de
que el láser esté polarizado por debajo de su corriente umbral[5]. En este trabajo se presenta la
dependencia del comportamiento biestable de un amplificador de láser de semiconductor en
función de la desintonización de frecuencia de la señal óptica incidente al mismo, tanto para
el caso de polarización del láser por debajo como por encima de la corriente umbral.
2. Descripción del experimento.
El dispositivo objeto de estudio es un láser
de Fabry-Perot con estructura de Múltiples Pozos
Cuánticos, que emite en el rango de longitudes de
onda de 1550nm y cuyos parámetros de referencia
se incluyen en la Tabla 1. El esquema
experimental se puede observar de modo gráfico
en la figura 1, donde se ve que el láser es usado
como amplificador, esto es, presenta una entrada
óptica además de la entrada eléctrica
correspondiente a la corriente de polarización. Por dicha entrada se hará incidir una señal
óptica resultado de la modulación externa de un láser CW sintonizable en frecuencia, con una
señal sinusoidal eléctrica. Posteriormente se visualizarán en un diagrama XY la potencia de
entrada y de salida del dispositivo para la observación de su comportamiento biestable
En primer término, se caracteriza el láser observando que su corriente umbral es igual
a Ith=20.5mA. Para dicha corriente de polarización, los modos de emisión del láser están
espaciados 0.9nm y el láser, presenta un pico de resonancia a la frecuencia de 193,284 Thz
(1551,06nm). Una vez caracterizado, el láser es polarizado con una corriente por debajo del
nivel umbral e igual a 0.98·Ith (20.09mA), y manteniendo fijo este valor, se hace incidir al
láser la señal óptica generada. Para cada caso de observación se varía la desintonización de
frecuencia de esta señal óptica con la propia del modo de emisión del láser seleccionado,
calculándose la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida del dispositivo.
Posteriormente se repite el experimento anterior polarizando el láser por encima del umbral
con una corriente igual a 1.02Ith (20.91mA).
Longitud del láser
Reflectividad de la cara izquierda
370 µm
0.32
Reflectividad de la cara derecha
0.32
Coeficiente de pérdidas
Factor de confinamiento SCH
3000 1/m
0.56
Coeficiente de Recombinación Lineal
Coeficiente de Recombinación
Bimolecular
Coeficiente de Recombinación Auger
Coeficiente de Ganancia Lineal
Factor de Ancho de Línea del
Material
Índice de Refracción Diferencial
MQW
Índice de Refracción Diferencial SCH
108 1/s
10-16 m3/s
1.3x10-41
m6/s
3x10-20 m2
3
-1.11x10-26
m3
Índice Efectivo de Grupo
3.7
-1.50x10-26
m3
Tabla 1.- Relación de los parámetros utilizados en el amplificador láser biestable objeto de estudio.
Factor de Confinamiento MQW
0.07
3. Resultados
En las figuras 2(a) y 2(b) se muestran de modo gráfico los resultados obtenidos a partir
de la variación de la desintonización de frecuencia desde –2.5Ghz hasta –25Ghz con respecto
al pico de resonancia seleccionado, para los casos de polarización por encima y por debajo de
umbral. De ambas gráficas se desprende, que a medida que aumenta la desintonización de
frecuencia, crece el umbral de biestabilidad para ambos estados de polarización y que la
potencia necesaria para alcanzar la biestabilidad es superior para polarización por encima de
umbral que por debajo. Basándonos en el modelo documentado en [2], el cambio de fase que
experimenta la señal óptica dentro de la cavidad del láser viene expresada por:
φ = φ0 + (0.5·g0Lb)[ (I(z)/Is) / ( 1+I(z)/Is) ]
(1)
donde φ0 es el desfasaje inicial, proporcional a la desintonización de frecuencia inicial
introducida; g0, L, y b son respectivamente el coeficiente de ganancia no saturada del
material, la longitud del láser y el factor de ancho de línea del material e I(z) e Is,
corresponden a la intensidad óptica promediada en la cavidad y la intensidad de saturación[2].
Para producirse la conmutación a estado alto de salida característica de la
biestabilidad, la frecuencia de emisión del modo seleccionado del láser debe coincidir con la
de la señal externa introducida. Inicialmente la señal externa presenta un desfasaje relativo
(desintonización de frecuencia) determinado por φ0. Como consecuencia de la no linealidad
del índice de refracción en función de la intensidad óptica incidente, determinada en (1) por el
coeficiente b proporcional a dicha variación, la frecuencia de emisión del láser varía a medida
que se inyecta potencia óptica hasta dar lugar a la biestabilidad. El hecho de que la potencia
umbral de biestabilidad crezca a medida que aumenta la desintonización de frecuencia, para
valores constantes de corriente de polarización, se explica a partir de (1), dado que si aumenta
φ0 será necesario corregir una mayor desviación de fase para que exista biestabilidad y por lo
tanto será necesario un mayor valor de I(z), para lo cual se necesita un mayor aporte de
potencia óptica externa para lograr la conmutación como se puede ver en la figura 2(a).
Además, en ausencia de señal óptica externa, un aumento en la corriente de
polarización del láser provoca un aumento en la densidad de portadores, lo que a su vez
produce un cambio en el índice de refracción. Esta variación del índice trae como
consecuencia un aumento en la desintonización relativa de frecuencia con respecto al pico de
resonancia del láser seleccionado, de modo que aumenta la magnitud de la diferencia relativa
de fase que debe ser corregida para la observación de biestabilidad. Debido a este fenómeno
crece el valor de potencia óptica necesaria para alcanzar la biestabilidad para corrientes de
polarización por encima de umbral, tal y como se aprecia en la figura 2(a). Por último, la
figura 2(b) muestra cómo al polarizar por encima de umbral, aumenta la potencia de salida del
estado alto debido a que el láser se encuentra ya en la región de emisión estimulada.
(b)
250
200
150
100
50
0
(mW)
(MicroW)
(a)
-2.5
-5
-7.5 -10 -12.5 -15
-20 -25
(Ghz)
Ipol=1.02·Ith
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-2.5
-5
-7.5
-10 -12.5 -15
-20
-25
(Ghz)
Ipol=0.98·Ith
Ipol=1.02·Ith
Ipol=0.98·Ith
Figura 2. Representaciones en función de la desintonización de frecuencia para los casos de polarización por
encima y por debajo de umbral (a) Valor de la potencia umbral de biestabilidad (b) Potencia del estado alto de
salida.
4. Conclusión
En este trabajo se ha demostrado la influencia de la desintonización relativa de
frecuencia en el comportamiento biestable de un amplificador de láser de semiconductor
polarizado tanto por debajo como por encima de umbral, demostrándose la necesidad de
mayores niveles de potencia para alcanzar la biestabilidad para crecientes valores de
desintonización y para valores de corriente por encima de la umbral del láser.
Bibliografía
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
P. Pakdeevanich, M. J. Adams, Optics Communications 176 (2000), 195
P. Pakdeevanich, M. J. Adams, IEEE Journal of Quantum Electronics 35 (1999), 1894
Rongqing Hui, Journal of Lightwave Technology, 13 (1995), 42
L. Li, M.K. Haldar, C. Yuen Teo, F.V.C. Mendis, IEEE Journal of Quantum Electronics 32 (1996) ,1009
Zeqi Pan, H. Lin, M. Adueñáis, Proc. LEOS’90 (1990), 273