4ª Reunión Española de Optoelectrónica, OPTOEL’05

Caracterización de fuentes ópticas basada en el uso del analizador de espectros ópticos de alta resolución BOSATM Characterization of optical sources using the high resolution optical spectrum analyzer BOSATM Asier Villafranca, José Antonio Lázaro, Iñigo Salinas, Ignacio Garcés Laboratorio de Transmisiones Ópticas y Banda Ancha. Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) de la Universidad de Zaragoza. Parque Tecnológico Walqa. Ctra. Zaragoza, N-330a, km566, 22197 - CUARTE (Huesca) SPAIN.

RESUMEN: Se presentan resultados iniciales en la caracterización de fuentes de señal para comunicaciones ópticas: láseres modulados directamente y moduladores externos, aprovechando la alta resolución proporcionada por un nuevo analizador de espectros ópticos, basado en el efecto Brillouin (BOSATM). Dicha caracterización se centra en los parámetros de los componentes optoelectrónicos de mayor relevancia para su aplicación en sistemas de comunicaciones ópticas (chirp adiabático y transitorio, anchura espectral, presencia de modos laterales) y en la medida de la resolución ofrecida por el BOSA. Palabras clave: Láser modulado directamente, modulador de electro-absorción, chirp, comunicaciones ópticas, difusión Brillouin.

ABSTRACT: We present first results on characterization of optical sources for optical communications systems: direct modulated lasers and external modulators, taking advance of the high-resolution provided by a new optical spectrum analyzer based on the Brillouin effect (BOSATM). We will focus on the most relevant parameters of the electro-optic components for their use in optical communication systems (adiabatic and transitory chirp, spectral linewidth, side modes) and on the characterization of the BOSA resolution. Key words: Directly modulated laser, Electro-absorption modulator, chirp, optical communications system, Brillouin scattering.

REFERENCIAS Y ENLACES. [1] D. A. Atlas, A. F. Elrefaie, M. B. Romeiser, and D. G. Daut, “Chromatic dispersion limitations due to semiconductor laser chirping in conventional and dispersion-shifted single-mode fiber systems”, Opt. Lett., vol.13, pp.1035-1037 (1988). [2] T. Okuno, H. Hatayama, T. Sasaki, K. Soma, A. Moto, Y. Hirano, M. Onishi, and M. Shigematsu, “Negative dispersion-flattened fiber for full-spectrum signal transmission in metropolitan networks”, OFC’04, paper TuB7, (2004). [3] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems 2ºEd., John Wiley & Sons, Inc. New York (1997). [4] A. Zadok, H. Shalom, M. Tur, W. D. Cornwell e I. Andonovic, “Spectral Shift and Broadening of DFB Lasers Under Direct Modulation”, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10, pp.1709 - 1711 (1998).

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[5] T. Ono, Y. Yano. “Key technologies for terabit/second WDM systems with high spectral efficiency of over 1 bit/s/Hz”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 34 ,pp.2080 – 2088 (1998) [6] http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-5614EN.pdf , “Making Time Resolve Chirp Measurements (AN 1550-7)” [7] D. M. Baney, B. Szafraniec and A. Motamedi, “Coherent Optical Spectrum Analyzer”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 14, pp. 355-357, (2002). [8] J. M. Subías, J. Pelayo, F. Villuendas, C. D. Heras, E. Pellejer, “Very High Resolution Optical Spectrometry by Stimulated Brillouin Scattering”, Aceptado para su publicación en IEEE Photonics Technology Letters. [9] T.L. Koch, R.A. Linke, “Effect of nonlinear gain reduction on semiconductor laser wavelength chirping”, Applied Physics Letters, vol. 48, pp. 613-615 (1986). [10] E. Lach, M. Schmidt, K. Schuh, B. Junginger, G. Veith, “Advanced 160 Gbit/s OTDM system based on wavelength transparent 4 /spl times/ 40 Gbit/s ETDM transmitters and receivers”, Optical Fiber Communication Conference and Exhibit 2002 , pp.2 – 4 (2002). [11] M. Peschke, P. Gerlach, B.K. Saravanan, B. Stegmueller, “Thermal crosstalk in integrated laserModulators”, IEEE Photonics Technology Letters, vol. 16, pp.2508 – 2510 (2004). [12] http://www.aragonphotonics.com/bosa.php [13] A. Yeniay, J.M. Delavaux, J. Toulouse, “Spontaneous and stimulated Brillouin scattering gain spectra in optical fibers”, Journal of Lightwave Technology, vol. 20, pp. 1425 – 1432 (2002). [14] Y. Koyamada, S. Sato, S. Nakamura, H. Sotobayashi, W. Chujo, “Simulating and designing Brillouin gain spectrum in single-mode fibers”, Journal of Lightwave Technology, vol.22, pp. 631 – 639 (2004). la aparición de nuevos analizadores ópticos de alta resolución [7, 8].

1.- Introducción Los diodos láser modulados directamente y los moduladores externos son elementos clave en los sistemas de comunicaciones ópticas que determinan en muchas ocasiones la distancia máxima del enlace, debido a la interacción entre la dispersión de la fibra y el espectro óptico de la señal generada por estos componentes [1, 2]. Uno de los principales parámetros que limita los sistemas es el chirp, definido como la variación de la frecuencia instantánea de la portadora de la señal óptica que produce el láser o modulador al modular la señal en amplitud [3]. El chirp produce un ensanchamiento no deseado del espectro óptico de la señal óptica generada [4] que limita la capacidad máxima de transmisión de la fibra óptica en bit/s/Hz [5]. Dada la destacada importancia del espectro óptico de la señal en los enlaces ópticos, se han propuesto una amplia variedad de técnicas de medida del mismo, la mayoría de ellas centradas en la medida del chirp en el dominio temporal bajo la denominación de Chirp Resuelto en el Tiempo (TRC) [6]. Tales técnicas de medida en el dominio temporal [6] requieren una costosa instrumentación para resolver señales de comunicaciones ópticas con tasas de transmisión cada vez más elevadas, como 40 Gb/s ó 160 Gb/s. En su lugar, proponemos la caracterización de las fuentes de señal utilizadas en comunicaciones ópticas mediante el análisis del espectro óptico de la señal generada, favorecida por

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2.- Caracterización de señales de comunicaciones ópticas 2.a.- Láseres modulados directamente Modular directamente un láser de semiconductor es la solución más económica y, por tanto, la más utilizada en sistemas de comunicaciones de corta distancia. Sin embargo, también es la situación en la que la fuente de señal óptica presenta un chirp más alto.

Fig.1.- Espectro óptico emitido por un láser DFB modulado directamente con una secuencia de bits seudo aleatoria (PRBS) a 2.5 Gbit/s.

En la figura 1 se muestra una medida del espectro óptico de un láser DFB modulado directamente con una señal PRBS a 2.5 Gb/s tomada con un BOSA de Aragón Photonics [12]. El espectro muestra un acusado desdoblamiento de la portadora en dos picos con diferente nivel de intensidad. El

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pico de la izquierda muestra la longitud de onda media de la señal cuando la potencia emitida por el láser corresponde a un bit 1, mientras que el pico de la derecha, muestra la longitud de onda correspondiente a un bit 0. Por otra parte, la diferencia en altura de ambos picos refleja la diferencia en dBs entre las potencias correspondientes a los bits 1 y 0. Debemos añadir que el espectro mostrado en la figura 1 resulta especialmente aplanado debido a la presencia de una fuerte limitación del ancho de banda eléctrico de aproximadamente un cuarto de la tasa de transferencia.

Fig.2.- Espectro óptico emitido por EAM modulado directamente con una secuencia de bits seudo aleatoria (PRBS) a 2.5 Gbit/s.

El espectro de la señal óptica generado por un modulador de electro-absorción de la figura 2, muestra también un desdoblamiento de la portadora, de magnitud mucho menor, y por tanto requiere de una buena resolución espectral para observarlo. Aunque un modulador de electro-absorción no presenta chirp adiabático, el efecto de separación de los bits 1 y 0 puede atribuirse a un acoplamiento térmico entre el modulador de electro-absorción y el láser emitiendo en modo continuo [11]. La falta de simetría de la curva es un indicador adicional de que el modulador de electro-absorción está presentando chirp transitorio.

El chirp en los láseres de semiconductor viene dado por la expresión [9]: ∆ν ( t ) =

⎞ 1 dφ α ⎛ 1 dP(t ) = + κ P (t ) ⎟ , (1) ⎜ 2π dt 4π ⎝ P (t ) dt ⎠

donde φ es la fase de la portadora óptica, α es factor de ensanchamiento espectral de emisión del láser, P(t) es la potencia óptica emitida por el láser y κ es la constante de chirp adiabático. La ecuación 1 muestra la contribución de dos términos al chirp. El primero de ellos proporcional a las variaciones relativas de potencia emitida por el láser (denominado chirp transitorio), el segundo al valor de la potencia absoluta emitida (denominado chirp adiabático). Para simplificar la notación, suele reescribirse la ecuación 1 como:

3.- Medida de espectros de diodos láser en modo de emisión continuo.

⎛ 1 dP(t ) ⎞ , (2) ∆ν ( t ) = α transitorio ⎜ ⎟ + α adiabático P(t ) ⎝ P(t ) dt ⎠

La caracterización del espectro de emisión de los láseres sin modular ofrece también una información relevante sobre sus posibles aplicaciones tanto en comunicaciones ópticas como en redes de sensores, que sólo pueden ofrecer analizadores de espectros con alta resolución y amplio rango espectral y dinámico. Por ejemplo, la figura 3 muestra el espectro de un láser sintonizable obtenido de [12] en el que se observan claramente sus modos laterales.

Se ha comprobado mediante simulaciones que la medida los valores del desdoblamiento de los bits 1 y 0 mostrados en la figura 1 junto con el valor de la potencia media emitida por el láser permite una rápida estimación del valor del chirp adiabático. A pesar de ser una medida muy rápida, de la que se está estudiando su grado de precisión, requiere de equipamiento relativamente costoso como es un generador de PRBS, por lo que se están analizando otros métodos que requieran un equipamiento más sencillo. 2.b.- Moduladores por electro-absorción. Los moduladores de electro-absorción (EAM) constituyen la segunda opción más económica y por ello también son ampliamente utilizados en sistemas de comunicaciones ópticas de corta y media distancia y como generadores de pulsos muy estrechos para la generación de sistemas de transmisión óptica a muy altas tasas de transferencia, >100 Gbit/s por multiplexación óptica en el dominio temporal (OTDM) [10].

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Fig.3.- Espectro óptico emitido por un diodo láser sintonizable.

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[8], resulta necesario medir el espectro de ganancia de la difusión (“scattering”) estimulada Brillouin (SBS). Para ello, utilizamos como fuente de señal un láser sintonizable con una anchura espectral (menor que 100kHz) mucho menor que la anchura del SBS referido en la literatura [13]. Teniendo en cuenta que la anchura del láser a medir es aproximadamente dos órdenes de magnitud menor que la anchura del SBS a medir, podemos suponer que en la medida del SBS puede considerarse mínimo el efecto de la convolución de dicho efecto con la señal del láser.

Por otra parte, la determinación de la anchura espectral de los diodos láser en función de la corriente de polarización, puede aportar una información relevante relacionada con la propia estructura del láser y del chirp transitorio. La figura 4 muestra la medida del perfil espectral de un diodo láser DFB tomada con el BOSA.

0.6

Potencia (mW)

Medida

Fig.4.- Espectro óptico de un diodo láser DFB para una corriente de polarización de 1.02 de la corriente umbral.

En la figura 5 se muestra que el ajuste de la medida del láser DFB, polarizado a la misma intensidad que el de la figura 4, pero con una temperatura de operación ligeramente diferente, presenta un perfil lorentziano. Del ajuste, obtenemos una medida de la anchura a media altura (FWHM) del perfil del láser, convolucionado con el perfil de la ventana del analizador óptico, de 47.4 MHz.

Potencia (mW)

0.001

1549.954

1549.9545

1549.955

1549.9555

Longitud de onda (nm)

Fig.5.- Ajuste del espectro de un diodo láser DFB para una corriente de polarización de 1.02 de la corriente umbral.

Por tanto, si tenemos que analizar fuentes ópticas con anchuras espectrales en el orden de magnitud de la ventana de interacción del aparato de medida (en torno a los 10 MHz) es necesario afinar la medida de dicha ventana de interacción para poder aportar datos fiables de anchura espectral a través de las medidas proporcionadas por el BOSA.

1549.8813

En cualquier caso, a la hora de realizar las medidas, es necesario tener bien calibrada la curva de ganancia del efecto Brillouin, ya que la medida anterior, sin linealización del sistema de detección, da lugar a una FWHM de unos 20 MHz, como puede calcularse a partir de la figura 7.

La medida precisa de la anchura espectral del diodo láser requiere pues la caracterización precisa del filtro óptico del OSA utilizado. En nuestro caso, por tratarse de un OSA basado en el efecto Brillouin

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1549.8807 1549.8809 1549.8811 Longitud de onda (nm)

Esta caracterización del perfil del filtro óptico del BOSA, permite la estimación de FWHMs mediante técnicas de deconvolución o por simple sustracción de FWHMs como proponen algunos autores [13].

4.- Caracterización de la resolución espectral del BOSA.

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0.2

La figura 6 muestra el espectro de ganancia del SBS que hace de filtro óptico en el BOSA, junto con varios ajustes funcionales. Algunos autores afirman que el perfil del SBS corresponde a una suma de funciones Lorentzianas [14]. Otros autores afirman que, para ganancias altas del SBS, la forma espectral es Gausiana [13]. Como se observa en la figura, la medida obtenida no se ajusta completamente a una Lorentziana (que produce un perfil más estrecho que el medido), sino que el mejor ajuste encontrado es para una Lorentziana al cuadrado con una FWHM en torno a 10 MHz.

0.002

1549.9535

0.3

Fig.6.- Espectro SBS resultado de la medida del espectro de un láser con anchura a media altura inferior a 100 KHz.

Ajuste Lorentziana

1549.953

Lorentziana^2

0 1549.8805

Medida

0.000 1549.9525

Lorentziana

0.4

0.1

0.004

0.003

0.5

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láser modulados directamente y moduladores externos para su uso en redes de comunicaciones ópticas, mediante el análisis con alta resolución de sus espectros. Se ha mostrado la capacidad del analizador de espectros ópticos BOSA para medir características fundamentales de la emisión no modulada de láseres como su anchura espectral. Para ello se ha realizado una caracterización del filtro óptico en el que se basa el BOSA, y se ha comprobado que su anchura es del orden del valor hallado en la literatura, siempre y cuando se obtenga una adecuada linealización de la curva de ganancia Brilluoin.

1.2 Medida directa

Potencia (mW)

1

Ajuste

0.8 0.6 0.4 0.2 0 1549.8805

1549.8807

1549.8809

1549.8811

1549.8813

Longitud de onda (nm)

Fig.7.- Espectro del SBS sin linealización del sistema de detección.

Agradecimientos Este trabajo se ha realizado gracias a la financiación de la empresa Aragón Photonics Labs y del Gobierno de Aragón a través del convenio firmado por el I3A de la Universidad de Zaragoza en el Parque Tecnológico Walqa.

Conclusiones. Se han mostrado resultados iniciales de las posibilidades de caracterización de los parámetros dinámicos en señales ópticas generadas por diodos

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