MULTIPLEXORES Y DEMULTIPLEXORES

MULTIPLEXORES:

Multiplexores y Multiplexores  basados en gratings:

Los multiplexores y demultiplexores ópticos son dispositivos esenciales en los sistemas WDM (Wavelength Division Multiplexing ). Estos dispositivos se pueden clasificar en dos grandes grupos: basados gratings de difracción y basados en filtros ópticos.

Los demultiplexores basados en gratings, como el de la figura, se basan en el fenómeno de la difracción de Bragg. La señal de entrada es reflejada por el grating , el cual la separa espacialmente las longitudes de onda de la señal de entrada, y mediante una lente estas señales son enfocadas cada una en una fibra óptica. El empleo de lentes de índice gradual en lugar de lentes convencionales simplifica el alineamiento de las señales y se consigue un dispositivo más compacto.

Multiplexores y Demultiplexores basados en MZI:

Los multiplexores basados en filtros se apoyan en el fenómeno de la interferencia óptica para seleccionar una longitud de onda. A partir de la combinación de varios MZI se puede construir multiplexores y demultiplexores con N canales, donde N = 2n .

En la siguiente figura, se muestra un multiplexor de 4 canales construido mediante la combinación de en 3 MZI. En esta estructura la diferencia de longitud entre los brazos de los MZI es tal que la potencia óptica de las dos entradas sólo aparece en una salida.

La estructura de un demultiplexor es similar. En la figura se muestra un demultiplexor de 8 canales, con una separación de 100 GHz entre canales consecutivos, construido con 7 MZI. En cada MZI las longitudes de onda se reparten entre cada salida.

REGENERADOR ÓPTICO Y REGENERADORES 3R

REGENERADOR ÓPTICO:

Un regenerador óptico consiste en fibras ópticas con una capa especial dopada. Esta porción dopada hace que se emita una nueva luz con un láser. Cuando la señal degradada viene en la capa dopada, la energía del láser permite que las moléculas dopadas se conviertan en los láser ellas mismas.

Las moléculas dopadas entonces emiten una nueva y más fuerte señal luz con las mismas características que la señal débil entrante. Básicamente, el regenerador es un amplificador del láser para la señal entrante.

REGENERADORES 3R:

Cuando una señal se propaga por la fibra óptica se necesitan emplear regeneradores para amplificar la señal debido a los efectos de la atenuación y la dispersión, así como de la longitud máxima permitida para la fibra entre transmisor y receptor, que no alcanza para cubrir todo la distancia del enlace.

se emplean regeneradores o repetidores electrónicos. Estos realizan una conversión de la señal del dominio óptico al eléctrico, amplifican la señal eléctrica, la resincronización, recuperan su forma y realizan una conversión del dominio eléctrico al óptico. Atendiendo al procesado que se efectúa sobre una señal, los regeneradores se clasifican en tres tipos, como se muestra en la figura:

• 1R , Regeneration . Amplificación de la señal. Son por tanto transparentes al formato de la modulación y se pueden aplicar a señales analógicas. Por contra, añaden ruido y no contrarrestan los efectos de la dispersión y de las no linealidades.
• 2R , Regeneration & Reshaping. Además de amplificar, se recupera de la forma de la señal. Por tanto sólo son aptos para señales digitales.
• 3R , Regeneration, Reshaping & Reclocking. Además de amplificar y regenerar la señal, la sincroniza. Este tipo de regeneradores cancela los efectos de las no linealidades y de la dispersión.

FILTROS ÓPTICOS,FILTROS DE INTERFERENCIA Y FILTROS MZI EN CASACADA

FILTROS ÓPTICOS:

Existen una gran variedad de dispositivos ópticas que pueden trabajar como filtros. Un filtro óptico es un dispositivo capaz de seleccionar una banda de longitudes de onda y de eliminar el resto. Las principales aplicaciones de los filtros ópticos, que lo convierten en un dispositivo clave en los sistemas de comunicaciones ópticas son:

•  la eliminación del ruido, introducido por ejemplo por los amplificadores ópticos.

•  la ecualización de la respuesta de los amplificadores ópticos

•  la selección de canales en sistemas WDM.

Para realizar estas aplicaciones de forma óptima estos dispositivos deben tener unas pérdidas de inserción reducidas. Idealmente, su banda de paso debe ser plana para evitar así la distorsión de la señal. Además la banda de transición de su repuesta debe ser abrupta para evitar la diafonía ( cross-talk ) con los canales próximos. También es necesario que su comportamiento sea independiente de la polarización de la señal.

FILTROS DE INTERFERENCIA:

Los filtros de interferencia se construyen mediante apilando una serie de delgadas capas de dos materiales con distinto índice de refracción, de forma alternativa, sobre un substrato de cristal. Estos materiales suelen ser dieléctricos, por lo que también se les conoce como filtros dieléctricos.

La diferencia en el índice de refracción entre dos capas consecutivas provoca la reflexión. El fenómeno es el mismo que la reflexión de Fresnel que sucede en los conectores con un un hueco de aire con la fibra.

Este dispositivo sólo permite un rango estrecho de longitudes de onda se transmitan, las cuales están determinadas por las propiedades del material, y refleje el resto. Las longitudes de onda transmitidas viene dadas por la siguiente expresión:

Nλ = 2nDcosθ

donde N es un entero, n es el índice de refracción de la capa, D es el grosor de la capa y θ es el ángulo de incidencia de la luz con respecto a la normal. Como se muestra en la siguiente figura, sólo aquellas longitudes de onda cuyo periodo coincidan con la longitud de dos capas de distinto índice de refracción son transmitidas a través del filtro.

FILTROS MZI EN CASCADA

Para implementar filtros ópticos muy selectivos a partir de los filtros MZI , hay que intercalarlos en cascada. Para conseguir que sea muy selectivo se tiene que cumplir dos condiciones: En primer lugar todos los acopladores empleados en la implementación tienen que ser de 3 dB .

En segundo lugar, el periodo espectral de cada interferómetro ha de seguir una ley precisa. El primer interferómetro en colocarse es el de menor periodo espectral, que denominaremos FSR1. A continuación van colocándose interferómetros con periodos espectrales cada vez más grandes. Si el interferómetro colocado es i-ésimo lugar posee un periodo espectral dado por :

 entonces un filtro compuesto por una cascada de M filtros MZI posee una función de transferencia dada por [RaSi98] :

Para ello la diferencia de longitudes entre los brazos del interferómetro i-ésimo ha de ser ΔLi=ΔL12i-1, donde ΔL1 es la diferencia de longitud entre los brazos del primer interferómetro.

En la figura siguiente se muestra un filtro en cascada MZI que cumple la función de transferencia anterior,

Estructura de un Filtro de Fabry-Perot y Filtros de Mach-Zender

Filtro de Fabry-Perot

Este dispositivo se basa en el resonador de Fabry-Perot, FP. Un resonador FP, es una cavidad de índice de refracción n, con dos espejos paralelos altamente reflexivos. Cuando una radiación óptica entra en esta cavidad, aquellas longitudes de onda que cumplen una determinada condición se transmite a través de la cavidad FP. Esta condición está determinada por el espesor de la cavidad, D; el índice de refracción de ésta, n; el ángulo de incidencia de la luz, θ .

2nDcosθ = Nλ

donde N es un número entero.

En la figura siguiente se muestra la estructura del filtro de Fabry-Perot y la función de transferencia para distintos valores del coeficiente de reflexión, R.

Filtros de Mach-Zender

El esquema de un filtro de Mach-Zehnder, está compuesto por dos acopladores de -3dB y dos tramos de fibra de diferente longitud, uno de L + ΔL y otro L . El substrato utilizado es normalmente silicio y las regiones de la guía de ondas son de SiO 2 , el cual tiene un elevado índice de refracción.

Circuladores, Refracción y FBG

CIRCULADOR ÓPTICO:

El circulador es un tipo de aislador óptico con varios puertos cuya funcionalidad es permitir el paso de toda la luz que entra por uno de sus puertos hacia el siguiente puerto. Como se muestra en el siguiente esquema la luz que entra por el puerto 1 se dirige al puerto 2, la entra por el puerto 2 se dirige al 3 y así sucesivamente.

Figura circulador optico

Los circuladores son muy útiles para construir dispositivos ópticos Add/Drop junto con grating sde Bragg de fibra. Estos dispositivos permiten extraer añadir una longitud de onda. En la siguiente figura se muestra un ejemplo.

Figura Dispositivo Add-Drop formado por un circulador, una gratign de fibra de Bragg y un acoplador

A la entrada del circulador llega una señal WDM que es transmitida hacia el puerto 2 del circuladro, donde hay un grating de bragg de fibra tal que refleja la señal en λ2 de forma que al volver al puerto 2 del circulador es dirigida al puerto 3 de éste, de forma que se ha extraido un canal concreto de la señal WDM de entrada. Para añadir a la señal WDM una nueva señal en λ2 se emplea un acoplador.

REDES DE DIFRACCIÓN:

Las redes de difracción son sobre todo interferómetros. Están constituidas por centenares o miles de aberturas practicadas sobre un sustrato de metal o vidrio. Cada abertura produce difracción que consiste en que la luz se propaga en todas las direcciones tras pasar cada aberturas. Donde todas estas ondas se superponen se produce la interferencia. El resultado es que debido a la interferencia la luz acaba propagándose sólo en unas direcciones específicas (órdenes de difracción) que son distintas para cada color. Esto se ilustra en la siguiente fotografía donde se tiene un frasco de vidrio octogonal con agua y un poco de leche para hacer visible las trayectorias de luz. Se ha apoyado una red de difracción contra la pared lateral derecha y se ha iluminado con dos punteros láser, uno verde y uno rojo. Puede verse que es como si cada rayo de luz se desdoblara en varios al pasar por la red (uno por cada orden de difracción). También puede apreciarse que la separación entre rayos es mayor para el rojo que para el verde. Se dice que el rojo se difracta más por tener mayor longitud de onda.

Redes de Difracción de Bragg :

Las redes de difracción de Bragg o Bragg gratings, se han convertido en un componente fundamental para la mayor parte de las aplicaciones relacionadas con las comunicaciones ópticas, tales como: compensación de la dispersión cromática de una fibra, enrutamiento, filtrado, control y amplificación de señales ópticas dentro de la nueva generación de redes de telecomunicación de alta densidad basadas en WDM.

Una red de difracción es una superficie reflexiva con una serie de líneas, o surcos, paralelas, las cuales provocan que la luz incidente se refleje. La siguiente figura muestra como se la luz se separa en sus diferentes longitudes de onda al incidir sobre la superficie de la red de difracción. Este efecto se observa por ejemplo, cuando reflejamos la luz con un CD.

Figura: efecto refracción de Bragg

En un gratting de fibra el indice de refracción no es uniforme. Estas variaciones en el indice de refracción de la fibra provocan la refracción de la luz, el llamado efecto Bragg. La deispersión de Bragg no es exactamente igual al fenónemo de la difracción en una red de difraccion. Un grating de Bragg, como un gratting de fibra, tiene la propiedad de reflejar selectivamente una banda de frecuencias estrecha centrada en la longitud de onda de Bragg, λB. Esta longitud de onda es proporcional al periodo de variación del índice de refracción, Λ, y al índice de refracción efectivo de la guía de onda.

λ = 2neffΛ

Cada vez que la luz atraviesa una zona con un indice de refracción más grande, parte se refleja hacia atrás. Si la longitud de onda coincide con el separación de las regiones de la fibra con un índice de refracción mayor, la ondas reflejadas en cada una de estas zonas forma una interferencia constructiva, como se muestra a continuación:

Figura efecto de Bragg en la fibra óptica

Se diferencian tres tipos de gratings de Bragg periódicos: uniforme, apodizado y chirpeado.

Uniforme

El más simple de los tres. En él la periodicidad de la variación del índice de refracción es constante a lo largo de la guía.

Apodizado

A diferencia de los anteriores el índice de refracción es menor en los extremos del grating

Chirpeado

En este caso la frecuencia de variación del índice de refracción cambia linealmente con la distancia. Como la longitud de onda reflejada es proporcional al periodo de variación del índice de refracción, así se logra que distintas longitudes de onda sean reflejadas en distintos puntos de la guía. 

Acopladores Opticos y sus Parametros

El parámetro α se denomina coeficiente de acoplamiento o de acoplo, y determina cuanta potencia se dirige a cada puerto de salida. La potencia óptica acoplada de una fibra a otra puede ser variada a modificando la longitud de la región de acoplamiento y el grado de reducción del radio de la fibra (como se muestra en la figura el radio de las fibras que forman el acoplador se reduce gradualmente antes de la región de acoplamiento), entre otros parámetros.

Fig. 2.3.1. : Estructura de un acoplador 1x2, tambien llamado divisor o splitter

Principio de funcionamiento:

Explicaremos el funcionamiento de los acopladores a través de un acoplador 2 x 2. Una forma común de construir un acoplador es fundiendo dos fibras. Como se muestra en la siguiente figura.

Fig. 2.3.2. : Estructura de un acoplador 2x2 construido por la unión de dos fibras

En el soplador 2 x 2 del ejemplo, P0 es la potencia de entrada, parte de esta potencia se transmite a los puertos de salida, P1 (potencia transmitida por la fibra 1) y P2 (potencia acoplada a la fibra 2), y otra pequeña parte es reflejada a hacia las entradas, P3 y P4 ; cuyos valores están comprendidos entre -50 y -70 dB por debajo de la potencia de entrada.

En este tipo de dispositivos el coeficiente de acoplamiento depende de la longitud de onda de la señal óptica, por lo que se llaman acopladores selectivos en frecuencia; aunque se pueden construir acopladores independientes de λ , que es el caso más común. La principal utilidad de los acopladores selectivos en frecuencia es acoplar in láser de bombeo en un amplificador de fibra dopada con erbio,Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA).

Los parámetros que caracterizan a un acoplador son:

El coeficiente de acoplamiento:

Pérdidas en exceso:  excess loss , es decir, las pérdidas del dispositivo,

Pérdidas de inserción:  insertion loss , este parámetro se refiere a las perdidas asociadas a un camino en concreto.

Pérdidas de retorno: return loss , este parámetro mide el aislamiento entre la potencia de entrada y la potencia óptica reflejada en el mismo puerto,

Crosstalk: este parámetro mide el aislamiento entre la potencia de entrada y la potencia óptica reflejada en otro puerto de entrada

Diodos Laser (LD) y Luz (LED)

Los láseres de semiconductor pueden considerarse láseres de 4 niveles (Fig. 1) con ensanchamiento
homogéneo, similares a los láseres de colorante, en los que la transición de emisión de
fluorescencia/láser se efectúa entre la banda de conducción y la de valencia en una unión p-n. Por
tanto el diodo semiconductor puede utilizarse para generar luz incoherente (fluorescencia)
denominándose en ese caso LED (Light Emittíng Diode) o luz temporalmente coherente
denominándose en ese caso diodo láser. Un representante típico es el GaAs, el cual al ser dopado
con Se o Zn se convierte en un material conductor tipo n o tipo p. Al establecer una corriente en la
dirección de paso (Fig. 2)

El láser de diodo es de gran importancia en la transmisión de señales, a pesar de su baja
potencia de salida. Se modula fácilmente, y dadas sus pequeñas dimensiones (Fig.2) puede
acoplarse fácilmente a cable de fibra óptica. Una desventaja en su gran ancho de banda (hasta 10
nm) y la gran divergencia (hasta 10°), consecuencia esta última de la difracción en la reducida
dimensión (algunas micras) de la transición p-n. El láser real consiste en muchas capas dopadas de
forma diferente (heteroestructuras) para conseguir un alto grado de eficiencia y bajas pérdidas.

En la tabla siguiente pueden compararse las características físicas y de emisión de diferentes 

sistemas láser.

LED

Un  diodo está compuesto por la unión de dos cristales semiconductores, uno tipo “P” y otro tipo “N”. Los semiconductores puros son aislantes debido a que sus átomos están unidos por enlaces covalentes y sus electrones no tienen movilidad. Cuando un material semiconductor se dopa o contamina con pequeñísimas cantidades de impurezas adecuadas, aparecen cargas libres que permiten cierta

movilidad a los electrones. Si las impurezas añadidas originan cargas negativas o electrones libres, el semiconductor se denomina tipo “N” y en el caso contrario, cuando aparecen cargas positivas o huecos, se dice que el semiconductor es del

tipo “P”.

Cuando una unión P-N esta inversamente polarizada, el campo eléctrico aplicado aleja a las cargas libres de la unión, impidiendo que ésta sea atravesada por los electrones. Si la polarización es directa, las cargas se aproximan a la unión, por

lo que puede ser franqueada fácilmente por las cargas eléctricas. 

Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros.

LED rojo: Formado por GaP consiste en una unión p-n obtenida por el método de crecimiento epitaxial del cristal en su fase líquida, en un substrato.

La fuente luminosa está formada por una capa de cristal p junto con un complejo de ZnO, cuya máxima concentración está limitada, por lo que su luminosidad se satura a altas densidades de corriente. Este tipo de LED funciona con baja densidades de corriente ofreciendo una buena luminosidad, utilizándose como dispositivo de visualización en equipos portátiles. El constituido por GaAsP consiste en una capa p obtenida por difusión de Zn durante el crecimiento de un cristal n de GaAsP, formado en un substrato de GaAs, por el método de crecimiento epitaxial en fase gaseosa.

LED anaranjado y amarillo: Están compuestos por GaAsP al igual que sus hermanos los rojos pero en este caso para conseguir luz anaranjada y amarilla así como luz de longitud de onda más pequeña, lo que hacemos es ampliar el ancho de la "banda prohibida" mediante el aumento de fósforo en el semiconductor. Su fabricación es la misma que se utiliza para los diodos rojos, por crecimiento epitaxial del cristal en fase gaseosa, la formación de la unión p-n se realiza por difusión de Zn.

LED verde: El LED verde está compuesto por GaP. Se utiliza el método de crecimiento epitaxial del cristal en fase líquida para formar la unión p-n.

Al igual que los LED amarillos, también se utiliza una trampa isoelectrónica de nitrógeno para mejorar el rendimiento. Debido a que este tipo de LED posee una baja probabilidad de transición fotónica, es importante mejorar la cristalinidad de la capa n.  La disminución de impurezas a larga la vida de los portadores, mejorando la cristalinidad.Su máxima emisión se consigue en la longitud de onda 555 nm

Transmisores de fibra óptica

El transmisor de fibra óptica es un dispositivo híbrido electro-óptico. Convierte señales eléctricas en ópticas y envía las señales ópticas a una fibra óptica. Un transmisor de fibra óptica consiste de un circuito de interfaz, un circuito controlador de la fuente, y una fuente óptica. El circuito interfaz acepta la señal eléctrica entrante, y la procesa para que sea compatible con el circuito controlador de la fuente. La intensidad del circuito controlador de la fuente modula la fuente óptica variando su propia corriente.

La señal óptica se junta, se acopla a la fibra óptica a través de la

interfaz de salida del transmisor. Hay dos tipos de diodos de juntura de emisión de luz que se usan como fuente óptica del transmisor.

Esta el diodo emisor de luz (LED, acrónimo inglés de Light-Emitting Diode), y el diodo láser (LD). Los LED son más simples y generan luz incoherente, y de potencia baja. Los LD son más complejos y generan luz coherente, y de potencia alta.

El gráfico ilustra la potencia de salida óptica, P, de cada uno de estos dispositivos en función de la corriente eléctrica de entrada I, del circuito de modulación. En la figura se ve que el LED tiene una 

característica P-I relativamente lineal, mientras que el LD tiene una característica no lineal o efecto umbral. El LD también tiene una propensión a tener pliegues donde la energía disminuye con el 

aumento del ancho de banda. 

Los transmisores ópticos que usan LDs requieren circuitos más complejos que los transmisores que usan LED. El requisito básico para sistemas digitales es controlar un circuito para conmutar la salida 

óptica a altas velocidades en respuesta a niveles de tensión lógicos en la entrada del circuito controlador (driver). 

Debido a que los LDs son dispositivos del umbral, estos se suministran con una polarización apenas por debajo del umbral en el estado de apagado. A esta polarización se la llama a menudo previas 

o pre polarización. Una razón para la pre polarización del LD es reducir el retraso de apertura en sistemas digitales. 

La mayoría de los transmisores LD contienen un circuito de control de potencia de salida para compensación por sensibilidad de temperatura. Este circuito mantiene la salida del LD a un valor 

promedio constante ajustando la corriente de polarización del láser. En la mayoría de los casos los transmisores LED no contienen circuitos de control de potencia de salida. Los transmisores LD y LED pueden también contener dispositivos de refrigeración para mantener la fuente a una temperatura relativamente constante. En general los transmisores LD pueden tener algunas de las siguientes opciones: 

refrigeración interna termoeléctrica o bien requieren una temperatura externa relativamente controlada. 

Debido a que los LDs requieren circuito más complejo que los LED,los transmisores de fibra óptica que usan LD son más caros. Las interfaces de salida del transmisor generalmente se encuentran 

entre dos categorías: conectores ópticos y cable flexible de conexión de fibra óptica o pigtail. Las pigtails ópticos se conectan a la fuente óptica del transmisor. Este pigtail generalmente se lo enruta fuera del 

paquete transmisor como una fibra revestida en un tubo suelto o en un solo cable de fibra. El pigtail puede estar soldado o pegado con epoxi una buena retención de la fibra. Y para proveer una retención adicional de la fibra también se conecta el tubo de la fibra al paquete del transmisor. 

La interfaz de salida del transmisor puede ser un conector de fibra óptica. La fuente óptica se puede acoplar al conector de la salida óptica a través de una fibra óptica intermedia. Un extremo de la fibra 

óptica se conecta a la fuente. El otro extremo al conector de salida del transmisor óptico. 

La fuente óptica puede también acoplarse al conector óptico de la salida sin ninguna fibra óptica intermedia. La fuente óptica se coloca dentro del paquete del transmisor para enviar la potencia directamente 

a la fibra del conector óptico de acoplamiento. En algunos casos se usa lentes para acoplar más eficientemente la luz de la fuente en el conector del acoplador óptico.