AMPLIFICADOR CON SEMICONDUCTORES

AMPLIFICADOR CON SEMICONDUCTORES

AMPLIFICADOR OPTICO SEMICONDUCTOR (Semiconductor optical amplifier, SOA)

Los amplificadores ópticos de semiconductor tienen una estructura similar a un láser Fabry-Perot salvo por la presencia de un antireflectante en los extremos. El antireflectante incluye un antireflection coating y una guía de onda cortada en ángulo para evitar que la estructura se comporte como un láser.

El amplificador óptico de semiconductor suele ser de pequeño tamaño y el bombeo se implementa de forma eléctrica. Podría ser menos caro que un EDFA y puede ser integrado con otros dispositivos (láseres, moduladores...).

Sin embargo, en la actualidad, las prestaciones no son tan buenas como las que presentan los EDFAs. Los SOAs presentan mayor factor de ruido, menos ganancia, son sensibles a la polarización, son muy no lineales cuando se operan a elevadas velocidades...

Su elevada no-linealidad hacen atractivos los SOAs para aplicaciones de procesado como la conmutación todo óptica o la conversión de longitud de onda. También se está estudiando su uso para implementar puertas lógicas.

1.1.- ECUACIONES DE VELOCIDAD DE VARIACIÓN Y GANANCIA.

Las magnitudes más importantes del amplificador óptico son la Ganancia y el ruido, dado que estas afectan directamente al SNR (relación señal ruido) del receptor. Se describirá inicialmentela Ganancia.

El medio activo del semiconductor es una guía de onda rectangular que agrega ganancia a la señal óptica que se propaga a través del amplificador.

EL PROCESO DE GANANCIA.

La señal experimenta Ganancia al excitar los portadores de carga de la banda de valencia a la banda de conducción dentro de un pseudosistema deenergía de dos niveles y si una señal externa inicia una emisión estimulada de estos portadores de carga de la banda de conducción de vuelta a la banda de valencia en este sistema de dos niveles.

Se puede aproximar el coeficiente de ganancia espectral no saturada (significa que existen suficientes portadores de carga excitados que agregan ganancia a una pequeña señal) g(w) del medio activo para que presente una distribución homogéneamente ensanchada con una forma de curva de Lorentz dada por:

[pic 1]

Siendo:

· O g = Coeficiente de Ganancia.

· R t = Tiempo de relajación del dipolo de los portadores.

· O w = Frecuencia óptica para un máximo de Ganancia.

[pic 2]

La longitud de onda central opera en la región ya sea de 1,33mm o de 1,55mm, muy usada en los sistemas de comunicaciones ópticos por presentar mínimas pérdidas.

El coeficiente de ganancia representa la probabilidad de que ocurra un evento de emisión espontánea.

Un evento de emisión espontánea significa que un portador de carga realiza una transición de la banda de conducción a la banda de valencia.

Generando un Fotón en una emisión de un ancho rango de longitudes de onda.

Debe enfatizarse que el coeficiente de Ganancia no tiene realmente una distribución con una forma de curva de Lorentz. Esto es consecuencia de que el semiconductor no es estrictamente un sistema de dos niveles de energía. De hecho tanto la banda de conducción como la banda de valencia tienen una distribución de portadores en un rango muy amplio de energía.

En la figura anterior podemos comparar el espectro de Ganancia Real medido. Este espectro es asimétrico y difícil de describir analíticamente por medio de ecuaciones empíricas es posible describir la región central de la curva, como en la siguiente aproximación cuadrática.

[pic 3]

Donde:

·  no = Es la densidad de portadores requerida para lograr transparencia.

· a y g = Constantes determinadas a conveniencia.

·  [pic 4]  = La longitud de onda del pico de ganancia.

 [pic 5] depende de la densidad de portadores de acuerdo a la relación dada por el cambio o variación de la longitud de onda pico en función de la cantidad:

[pic 6]

correspondiente a un cambio en la densidad de carga.

En general el mismo coeficiente de ganancia dado en:

[pic 7]

Es una función de la inversión de las vecindades de portadores, que muestra respecto las bandas de valencia y de conducción, descrita por:

[pic 8]

ECUACIONES QUE DESCRIBEN EL PSEUDOSISTEMA DE

DOS NIVELES DE ENERGÍA

LA ECUACIÓN DE LA VELOCIDAD DE VARIACIÓN

[pic 9]

[pic 10]

• P= La potencia de la señal óptica.
• h[pic 11] = la energía del fotón para la frecuencia [pic 12]
• [pic 13]= el tiempo de vida del portador para emisión espontánea.
•  q = es la carga del electrón.
• [pic 14] = el factor de confinamiento. Describe el solapamiento de llenado entre el área activa que contiene los portadores y el campo óptico. Indica que no todos los fotones interactúan con el medio de ganancia activa.

LA ECUACIÓN DE LA VELOCIDAD DE VARIACIÓN

Describe la dependencia de los cambios de tiempo respecto a la inyección de corriente que experimenta la vecindad de portadores. La inyección ocurre en forma de tanto la emisión estimulada como espontánea.

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