Retroreflector modulante

Los moduladores MQW semiconductores son una de las pocas tecnologías que cumplen con todos los requisitos necesarios para las aplicaciones de la Armada de los Estados Unidos , y, en consecuencia, el Laboratorio de Investigación Naval participa activamente en el desarrollo y la promoción de este enfoque. Cuando se utiliza como obturador, la tecnología MQW ofrece muchas ventajas: es robusta, de estado sólido, opera a bajos voltajes (menos de 20 mV) y baja potencia (decenas de milivatios), y es capaz de alcanzar velocidades de conmutación muy altas. Los moduladores MQW han funcionado a velocidades de datos de Gbit/s en aplicaciones de fibra óptica. ^{[ 1 ]}

Cuando se aplica un voltaje moderado (~15 V) al obturador en polarización inversa, la característica de absorción cambia, desplazándose hacia longitudes de onda más largas y disminuyendo su magnitud. Por lo tanto, la transmisión del dispositivo cerca de esta característica de absorción cambia drásticamente, lo que permite codificar una señal en formato de modulación por desplazamiento de amplitud (ON-OFF) sobre el haz de interrogación portador. ^{[ 1 ]}

Este modulador consta de 75 periodos de pozos de InGaAs rodeados por barreras de AlGaAs. El dispositivo se cultiva sobre una oblea de GaAs de tipo n y se recubre con una capa de contacto de tipo p, formando así un diodo PIN . Este dispositivo es un modulador transmisivo diseñado para funcionar a una longitud de onda de 980  nm, compatible con muchas fuentes de diodos láser de alta calidad . Estos materiales presentan un rendimiento excelente en arquitecturas de reflexión. La elección del tipo de modulador y la arquitectura de configuración dependen de la aplicación. ^{[ 1 ]}

Una vez cultivada, la oblea se transforma en dispositivos discretos mediante un proceso de fotolitografía de múltiples pasos que incluye grabado y metalización. Los dispositivos experimentales del NRL tienen una  apertura de 5 mm, aunque es posible fabricar dispositivos de mayor tamaño, los cuales se encuentran en fase de diseño y desarrollo. Cabe destacar que, si bien los moduladores MQW se han utilizado en numerosas aplicaciones hasta la fecha, los moduladores de este tamaño son poco comunes y requieren técnicas de fabricación especiales. ^{[ 1 ]}

Los moduladores MQW son dispositivos intrínsecamente silenciosos que reproducen con precisión la tensión aplicada como una forma de onda modulada. Un parámetro importante es la relación de contraste , definida como I _max /I _min . Este parámetro afecta la relación señal-ruido general . Su magnitud depende de la tensión de excitación aplicada al dispositivo y de la longitud de onda del láser de interrogación con respecto al pico del excitón . La relación de contraste aumenta a medida que sube la tensión hasta alcanzar un valor de saturación. Normalmente, los moduladores fabricados en el NRL han tenido relaciones de contraste entre 1,75:1 y 4:1 para tensiones aplicadas entre 10 V y 25 V, dependiendo de la estructura. ^{[ 1 ]}

En la fabricación de un dispositivo determinado hay tres consideraciones importantes: la tasa de modulación máxima inherente en función del tamaño de la apertura; el consumo de energía eléctrica en función del tamaño de la apertura; y el rendimiento. ^{[ 1 ]}

El límite fundamental en la velocidad de conmutación del modulador es el límite de resistencia-capacitancia. Una compensación clave es el área del modulador frente al área de la apertura libre. Si el área del modulador es pequeña, la capacitancia es pequeña, por lo que la velocidad de modulación puede ser mayor. Sin embargo, para rangos de aplicación más largos, del orden de varios cientos de metros, se necesitan aperturas más grandes para cerrar el enlace. Para un modulador dado, la velocidad del obturador es inversamente proporcional al cuadrado del diámetro del modulador. ^{[ 1 ]}

Cuando se optimiza la forma de onda del voltaje de excitación, el consumo de energía eléctrica de un retroreflector modulador MQW varía de la siguiente manera:

D _mod ⁴ * V ² B ² R _s

Donde D _mod es el diámetro del modulador, V es la tensión aplicada al modulador (fijada por la relación de contraste óptico requerida), B es la velocidad de datos máxima del dispositivo y R _S es la resistencia superficial del dispositivo. Por lo tanto, puede implicar un alto consumo de energía al aumentar el diámetro del obturador MQW. ^{[ 1 ]}

Los dispositivos MQW deben operarse con altos campos de polarización inversa para lograr buenas relaciones de contraste. En un material de pozo cuántico perfecto, esto no representa un problema, pero la presencia de un defecto en el cristal semiconductor puede provocar que el dispositivo falle a voltajes inferiores a los necesarios para su funcionamiento. Específicamente, un defecto causará un cortocircuito que impide el desarrollo del campo eléctrico necesario a través de la región intrínseca del diodo PIN. Cuanto mayor sea el dispositivo, mayor será la probabilidad de que se presente dicho defecto. Por lo tanto, si se produce un defecto durante la fabricación de un dispositivo monolítico grande, se pierde todo el obturador. ^{[ 1 ]}

Para abordar estos problemas, el NRL ha diseñado y fabricado dispositivos segmentados, así como moduladores monolíticos. Es decir, un modulador determinado puede dividirse en varios segmentos, cada uno alimentado con la misma señal. Esta técnica permite alcanzar mayor velocidad y aperturas más grandes. La pixelización reduce inherentemente la resistencia superficial del dispositivo, disminuyendo el tiempo de resistencia-capacitancia y reduciendo el consumo de energía eléctrica. Por ejemplo, un dispositivo monolítico de un centímetro podría requerir 400  mW para soportar un enlace de un Mbit/s. Un dispositivo similar de nueve segmentos requeriría 45  mW para soportar el mismo enlace con la misma apertura efectiva total. Se demostró que un dispositivo transmisivo con nueve píxeles y un diámetro total de 0,5  cm soporta más de 10  Mbit/s. ^{[ 1 ]}

Esta técnica de fabricación permite velocidades más altas, aperturas mayores y un mayor rendimiento. Si se pierde un solo "píxel" debido a defectos, pero es uno de nueve o dieciséis, la relación de contraste necesaria para proporcionar la relación señal-ruido requerida para cerrar un enlace sigue siendo alta. Existen consideraciones que complican la fabricación de un dispositivo segmentado, como la gestión de los cables de conexión en el dispositivo, el control de múltiples segmentos y la estabilización de la temperatura. ^{[ 1 ]}

Otra característica importante del modulador es la calidad de su frente de onda óptico. Si el modulador provoca aberraciones en el haz, la señal óptica reflejada se atenuará y es posible que no haya suficiente luz para cerrar el enlace. ^{[ 1 ]}