Los interferómetros Mach-Zehnder activos están comenzado a despegar a nivel comercial como componentes clave en el procesado óptico de señales de alta velocidad.

El interferómetro Mach-Zehnder activo, comúnmente llamado SOA-MZI (SOA-based Mach-Zehnder interferometer), es un dispositivo muy versátil en el campo del procesado óptico de señales. Entre sus múltiples aplicaciones, podemos enumerar las siguientes: conmutación óptica, conversión de longitud de onda, funciones de lógica digital, regeneración óptica de señales, etc. Se trata de un dispositivo óptico integrado, cuyo funcionamiento se basa en un fenómeno de interferencia de ondas controlado por una serie de señales de control. En este artículo explicaremos su funcionamiento básico y proporcionaremos algunos ejemplos de aplicaciones que se encuentran disponibles comercialmente.

Estructura y funcionamiento básico de un SOA-MZI
La estructura más general de un SOA-MZI se muestra en la figura 1. Como se puede ver, posee 8 puertos ópticos de entrada/salida. Estos puertos están conectados entre sí por medio de una serie de guías y acopladores ópticos 1x2 y 2x2, éstos últimos responsables del comportamiento interferométrico. A su vez, las dos ramas principales incluyen sendos amplificadores ópticos de semiconductor (SOAs) que trabajan en régimen no lineal. Para su fabricación, existen diversas posibilidades en la actualidad, entre las que destacan la fabricación monolítica o la integración híbrida. En el primer caso, suelen fabricarse en fosfuro de indio (InP) mediante un proceso MOCVD (MetalOrganic Chemical Vapour Deposition) que hace crecer las zonas activas y pasivas del dispositivo. En el segundo caso, se construye un circuito óptico planar en sílice con las guías ópticas y posteriormente se insertan los SOAs (figura 2). En este último caso resulta muy importante el alineamiento y acoplamiento de luz entre los SOAs y las guías ópticas.
Una vez explicada su estructura, a continuación pasaremos a comentar los principios básicos de funcionamiento de los SOA-MZI. Supongamos que se aplica una señal óptica de datos al puerto de entrada #2. En ausencia de otra serie de señales, la señal se dividirá en el acoplador de entrada 2x2, recorrerá las dos ramas principales del interferómetro (atravesando los SOAs) y volverá a recombinarse en el acoplador de salida 2x2, saliendo por el puerto #7. Este comportamiento se explica por el hecho de que ambos acopladores 2x2 introducen un desfase de 90º sobre la señal óptica en una configuración de cruce (cross), mientras que no introducen desfase en el otro caso (bar). Así pues, los desfases que sufren las señales ópticas de salida por los puertos #6 y #7 se representan de forma esquemática en las figuras 3 y 4, respectivamente. Es decir, en ausencia de otras señales, la señal de entrada se anula en el puerto #6 (0º y 180º), mientras que se suma en fase en el puerto #7 (90º y 90º).
Supongamos ahora que se introduce una señal de control por el puerto #1. Si la potencia óptica es suficiente para inducir un desfase de 180º sobre la señal que atraviesa el SOA1 gracias al proceso no lineal de modulación cruzada de fase o XPM (cross-phase modulation), entonces se producirá una inversión en el comportamiento del SOA-MZI. Ahora, la señal se anulará en el puerto #7 (180º y 180º), mientras que se sumará en fase en el puerto #6 (270º y 90º). De este modo, se obtiene un funcionamiento como conmutador óptico controlado por pulsos (figura 1). Este es pues el principio básico a partir del cual pueden realizarse un gran número de funciones adicionales, simplemente cambiando el tipo de señales y los puertos de entrada y de salida.

Aplicaciones comerciales
Como se ha dicho anteriormente, en los últimos años están apareciendo una serie de fabricantes de componentes que ofrecen en su catálogo dispositivos ópticos basados en SOA-MZI.

 

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Entre ellos, podemos destacar conversores de longitud de onda con capacidad de regeneración óptica de señales. Por ejemplo, en la figura 5 se muestra una fotografía del convertidor de longitud de onda y regenerador 2R de la empresa CIP (The Centre for Integrated Photonics). Se trata de un dispositivo que permite trabajar con señales de 40 Gbit/s y que cubre el margen de longitudes de onda de 1530 a 1565 nm. Entre sus prestaciones, conviene destacar que requiere bajas energías de conmutación (<100 fJ por pulso y por SOA). Otro ejemplo de fabricante de productos SOA-MZI sería la empresa Alphion. En la figura 6 se muestra uno de sus dispositivos. En este caso, se basan en integración monolítica de los elementos activos y de las guías y acopladores pasivos. Su margen de longitudes de onda se extiende desde 1520 hasta 1565 nm, y posee un tiempo de subida de 10 ps que le permite trabajar a 40 Gbit/s.
Como se puede apreciar en las figuras 5 y 6, los dispositivos de todos los fabricantes incorporan puertos tanto ópticos como eléctricos. Los puertos eléctricos se utilizan para la alimentación de las corrientes de polarización de los SOAs, así como para realizar el control de temperatura de los mismos, pues en el interior del empaquetamiento se incluye un termistor y un enfriador termo-eléctrico (Peltier).

Otro tipo de aplicaciones
Si bien todavía no han irrumpido completamente en el ámbito comercial, sí que están bajo investigación otro tipo de aplicaciones de los SOA-MZI, especialmente en el campo de la computación óptica. Concretamente, se ha demostrado a nivel experimental que dichos dispositivos pueden utilizarse para la implementación de funcionalidades de puerta lógica y flip-flop. Estas funciones son bien conocidas en el marco de la electrónica digital, pero no están tan extendidas en el campo de la fotónica. Esto se debe principalmente a que, a fecha de hoy, se podría decir que todavía no se dispone en fotónica del equivalente del transistor electrónico.

 

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Por lo tanto, para la construcción de puertas lógicas ópticas resulta necesario emplear otro tipo de técnicas, entre las cuales se encuentra el empleo del SOA-MZI. Alimentando los puertos ópticos del SOA-MZI con las señales de datos adecuadas, se pueden conseguir toda una serie de funciones lógicas básicas: OR, AND, XOR, NOT.
Las aplicaciones de las puertas lógicas son innumerables, pero entre ellas destaca una especialmente. La funcionalidad de la puerta lógica XOR se puede emplear para realizar comparaciones entre palabras de datos. Esto resulta clave en el campo de las redes ópticas de paquetes. En los nodos de una red óptica, las cabeceras de los paquetes deben analizarse para encaminarlos hacia el puerto de salida correspondiente. La puerta lógica XOR óptica puede emplearse para comparar estas cabeceras con las direcciones de referencia directamente en el dominio óptico, es decir, sin necesidad de convertir los paquetes al dominio eléctrico. Esto trae consigo múltiples ventajas, pero la principal es una reducción en el tiempo de encaminamiento de los paquetes, lo que permitirá el aumento de la capacidad que pueden manejar estos nodos hasta valores de incluso Tbit/s. Desafortunadamente, para ello todavía tendremos que esperar unos cuantos años, si bien como primer paso ya se puede encontrar en los catálogos de los fabricantes alguna referencia a la capacidad del SOA-MZI para realizar “lógica óptica”.

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Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación.
Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia.