Un amplificador de guía de ondas dopado con erbio (o EDWA ) es un tipo de amplificador óptico mejorado con erbio . Es un pariente cercano de un EDFA , un amplificador de fibra dopado con erbio, y de hecho los principios operativos básicos de EDWA son idénticos a los de EDFA. Ambos pueden usarse para amplificar luz infrarroja en longitudes de onda en bandas de comunicación óptica entre 1500 y 1600 nm. Sin embargo, mientras que un EDFA se fabrica utilizando una fibra independiente, un EDWA se produce típicamente en un sustrato plano, a veces de maneras que son muy similares a los métodos utilizados en la fabricación de circuitos integrados electrónicos. Por lo tanto, la principal ventaja de los EDWA sobre los EDFA radica en su potencial para integrarse íntimamente con otros componentes ópticos en el mismo sustrato plano y, por lo tanto, hacer que los EDFA sean innecesarios.
El desarrollo inicial de EDWA estuvo motivado por una promesa (o una esperanza) de que podría proporcionar componentes más pequeños y más baratos que los que se pueden lograr con los EDFA. El desarrollo de amplificadores de guía de ondas, junto con otros tipos de amplificadores ópticos, experimentó un crecimiento muy rápido a lo largo de la década de 1990. Varios laboratorios de investigación, empresas privadas y universidades participaron en este trabajo centrándose en desarrollar la ciencia básica de los materiales necesaria para su fabricación. Entre ellos se encontraban Bell Laboratories (Lucent Technologies, EE. UU.), Teem Photonics (Meylan, Francia), Molecular OptoElectronics Corp. (Nueva York, EE. UU.) y algunos otros. [1] Cada uno de ellos siguió un camino único en su investigación y experimentó con diferentes enfoques. Sin embargo, la mayoría de estos esfuerzos desde entonces se han interrumpido.
MOEC desarrolló un enfoque micromecánico único para producir guías de ondas de canal que se pueden dopar con elementos de tierras raras en altas concentraciones. [2] Pudieron cortar, pulir y pegar secciones rectas de guías de ondas de canal de diferentes longitudes (normalmente unos pocos centímetros) y secciones transversales (normalmente unas pocas decenas de micrones). Estas guías de ondas se caracterizaban normalmente por áreas de sección transversal relativamente grandes y un alto índice de contraste. Como resultado, a diferencia de las fibras monomodo, eran multimodo y capaces de mantener múltiples modos ópticos en la misma longitud de onda y polarización. La forma principal de acoplar la luz dentro y fuera de una guía de ondas de este tipo era mediante el uso de componentes ópticos a granel, como prismas, espejos y lentes, lo que complicaba aún más su uso en sistemas de fibra óptica.
Teem Photonics utilizó un proceso de intercambio iónico para producir una guía de ondas de canal en un vidrio de fosfato dopado con tierras raras. [3] Las guías de ondas resultantes eran típicamente guías de ondas monomodo, que podían integrarse fácilmente con otros componentes de fibra óptica. Además, se podían integrar varios elementos diferentes en un circuito, incluidos bloques de ganancia, acopladores, divisores y otros. [4] Sin embargo, debido a un contraste de índice de refracción relativamente bajo entre el núcleo y el revestimiento en estas guías de ondas, la selección de elementos ópticos que se pueden producir en una plataforma de este tipo era bastante limitada y el tamaño del circuito resultante tendía a ser grande, es decir, comparable a las contrapartes de fibra óptica disponibles en ese momento.
Bell Labs adoptó otro enfoque para fabricar EDWAs utilizando una tecnología denominada "banco óptico de silicio". [5] Experimentaron con diferentes composiciones de vidrio, incluidos aluminosilicato, fosfato, cal sódica y otros, que se podían depositar como capas delgadas sobre sustratos de silicio. [6] Posteriormente se pudieron formar diferentes guías de ondas y circuitos de guías de ondas utilizando fotolitografía y diferentes técnicas de grabado. Bell Labs demostró con éxito no solo una amplificación de alta ganancia, sino también las capacidades de integrar elementos de guía de ondas planas activos y pasivos, por ejemplo, un bloque de ganancia y un acoplador de bomba, en el mismo circuito. [7]
Los esfuerzos de desarrollo comercial de EDWA se intensificaron en la década de 2000 cuando Inplane Photonics se unió a la carrera. [8] En general, su enfoque fue similar al de Bell Labs, es decir, la tecnología de sílice sobre silicio. Inplane Photonics, sin embargo, pudo mejorar y expandir aún más las capacidades de esta tecnología al integrar dos o tres tipos diferentes de guías de onda en el mismo chip. [9] Esta característica les permitió integrar monolíticamente bloques de ganancia (guías de onda activas que brindan amplificación) con diferentes elementos pasivos, como acopladores, rejillas de guía de onda en matriz (AWG), tomas ópticas, espejos giratorios, etc. Lockheed Martin utilizó algunos de los circuitos fotónicos avanzados de Inplane Photonics que contienen EDWA en su desarrollo de nuevos sistemas de comunicación a bordo de alta velocidad para la Fuerza Aérea de los EE. UU. [10] Inplane Photonics y su tecnología fueron posteriormente adquiridas por CyOptics. [11]
Es difícil comparar EDWA y EDFA sin un contexto adecuado. Se pueden analizar al menos tres escenarios o casos de uso diferentes: (1) amplificadores autónomos, (2) láseres autónomos y (3) componentes integrados.
Los EDWA se caracterizan típicamente por concentraciones de erbio más altas y pérdidas de fondo que las de los EDFA regulares. Esto conduce a cifras de ruido relativamente más altas y potencias de saturación más bajas, aunque las diferencias pueden ser muy pequeñas, a veces ascendiendo a una fracción de dB ( decibel ). [12] Por lo tanto, para aplicaciones exigentes, donde es importante minimizar el ruido y maximizar la potencia de salida, un EDFA puede ser preferible a un EDWA. Sin embargo, si el tamaño físico de un dispositivo es una limitación, un EDWA o una matriz EDWA pueden ser una mejor opción.
Un amplificador óptico puede utilizarse como parte de un láser, por ejemplo, un láser de fibra . Algunos parámetros, como la figura de ruido, son menos relevantes para esta aplicación y, por lo tanto, puede resultar ventajoso utilizar un EDWA en lugar de un EDFA. Los láseres basados en EDWA pueden ser más compactos y estar más estrechamente integrados con otros componentes y elementos láser. Esta característica permite crear láseres muy inusuales que son difíciles de implementar por otros medios, como lo demostró un grupo de investigación del MIT, que produjo un láser de femtosegundo muy compacto con una tasa de repetición muy rápida. [13]
Un amplificador óptico también puede utilizarse como componente de un sistema más grande para compensar las pérdidas ópticas de otros componentes de ese sistema. La tecnología EDWA permite producir potencialmente un sistema completo utilizando un único circuito óptico integrado, como en un sistema en un chip, [14] en lugar de un conjunto de componentes individuales de fibra óptica. En tales sistemas, la tecnología EDWA puede tener una ventaja sobre las soluciones basadas en EDFA, debido al menor tamaño y al costo potencialmente menor.
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