Optical pulses with duration below 60 ps were generated by gain-switching a Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL) at 1535 nm. We used a radio frequency (RF) sinusoidal signal to modulate the device near threshold. Relaxation oscillations or pulse train generation were observed depending on the gain switching conditions. Repetition rates between 100 MHz and 2 GHz were tested. The dependence of the pulse width and amplitude was investigated in relation with the bias current and excitation frequency and amplitude. The optimal configuration of the current bias and RF modulating signal provided the shortest pulse duration of  57 ps at repetition rate of 800 MH

Consoli Barone, Antonio

Esquivias Moscardo, Ignacio

López Hernández, Francisco

Spanish

Archivo Digital UPM

Generación de pulsos ópticos a 1,5 μm mediante computación de ganancia en láseres de cavidad vertical

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

  
GENERACIÓN DE PULSOS OPTICOS 
A 1,5 μm MEDIANTE CONMUTACIÓN 
DE GANANCIA EN LÁSERES DE 
CAVIDAD VERTICAL. 
A. Consoli, I. Esquivias y F. J. López-Hernández 
antonio.consoli@tfo.upm.es , esquivia@tfo.upm.es, dxtn@tfo.upm.es  
(1) Dpto. de Tecnología Fotónica, E. T. S. I. Telecomunicación, Universidad Politécnica de Madrid, Ciudad 
Universitaria, 28040, Madrid. 
 
Abstract- Optical pulses with duration below 60 ps were 
generated by gain-switching a Vertical Cavity Surface Emitting 
Laser (VCSEL) at 1535 nm. We used a radio frequency (RF) 
sinusoidal signal to modulate the device near threshold. 
Relaxation oscillations or pulse train generation were observed 
depending on the gain switching conditions. Repetition rates 
between 100 MHz and 2 GHz were tested. The dependence of 
the pulse width and amplitude was investigated in relation with 
the bias current and excitation frequency and amplitude. The 
optimal configuration of the current bias and RF modulating 
signal provided the shortest pulse duration of  57 ps at 
repetition rate of 800 MHz. 
I. INTRODUCCIÓN 
La generación de impulsos ópticos con duración en el 
rango de picosegundos es de gran interés en diferentes 
aplicaciones, tanto en el campo de las comunicaciones 
ópticas de alta velocidad, como en el procesado óptico de 
señales. Estos impulsos son fundamentales en el 
multiplexado por división en el tiempo (OTDM), en sistemas 
híbridos multiplexados en el tiempo y en longitud de onda 
(DWDM/OTDM), o en multiplexado por división de código 
(OCDMA). En un sistema OCDMA, los datos se codifican 
de forma que pueden establecerse varias comunicaciones 
simultáneas en el mismo canal físico. Para codificar un 
mensaje, se divide cada uno de los periodos de bit en varios 
intervalos, de igual duración, llamados chips. Para transmitir 
un "1", se emite un pulso óptico en determinados chips 
definidos por el código utilizado. El cociente entre el periodo 
de bit y el periodo de chip, define la longitud del código (L),  
El número de usuarios posibles depende de la longitud del 
código. En esta aplicación se pretende obtener impulsos de 
muy corta duración, con una baja frecuencia de repetición, 
para permitir un mayor número de canales.  
En la figura 1 se presenta una implementación, sencilla y 
de bajo coste, de un transmisor de un sistema OCDMA. Los 
impulsos se generan con una tasa de repetición baja, de 
forma que el periodo de chip es la duración del impulso y la 
tasa de bit es la frecuencia de repetición. Para construir el 
código se utilizan líneas de retardo.  
Hay varias técnicas para hacer que un láser de 
semiconductor genere un tren de impulsos. Las más 
adecuadas son el bloqueo de modos (mode-locking) [1] y la 
conmutación de ganancia (gain-switching) [2]. El bloqueo de 
modos permite obtener impulsos muy cortos con muy buenas 
características, pero a costa de una implementación compleja 
y poca flexibilidad en la frecuencia de repetición. Por el 
contrario, la conmutación de ganancia es mucho más sencilla 
y permite generar impulsos de ps con la tasa de repetición 
requerida. Básicamente la conmutación de ganancia consiste 
en la modulación de la ganancia del láser por medio de la 
corriente inyectada. El método más empleado consiste en la 
superposición de una señal sinusoidal de alta frecuencia a 
una corriente de polarización cercana a la corriente umbral 
(Ith). 
Los primeras referencias al uso de esta técnica en láseres 
Fabry-Perot de emisión lateral datan de hace treinta años. 
Con la introducción de los láseres de emisión superficial y 
cavidad vertical (VCSEL) y su difusión comercial, se ha 
realizado un importante  esfuerzo de investigación orientado 
a la producción de trenes de impulsos de corta duración en 
estos dispositivos. Los VCSEL presentan una serie de 
ventajas importantes para las comunicaciones ópticas, como 
su baja corriente umbral, bajo consumo, monocromaticidad, 
buen perfil de emisión y bajo coste de fabricación.  
Varios grupos han estudiado el comportamiento de los 
VCSELs emitiendo en 850 nm en conmutación de ganancia 
[3-7]. Nakazawa et al. [6] obtuvieron impulsos de 22 ps de 
duración, con una frecuencia de repetición de 10 GHz, 
comprimiendo posteriormente los impulsos a 8,7 ps por 
medio de una fibra compensadora de dispersión. 
Peperjugowsky et al. [7] obtuvieron impulsos de 13,5 ps, que 
redujeron a 3,7 ps. 
 
Fig. 1. Esquema del transmisor OCDMA descrito en la introducción. 
Los impulsos se acoplan a varias líneas de retardo ópticas (ODL) por 
medio de un acoplador (OC) 1xN, siendo N el peso del código. Otro OC 
Nx1 reúne los impulsos retardados formando el código. 
 
  
En este trabajo presentamos, por primera vez según 
nuestras referencias, la generación de impulsos cortos por 
conmutación de ganancia en un VCSEL operando a 1,5 μm. 
Este trabajo se organiza de la siguiente forma: en la Sección 
II se describe el montaje experimental y las características 
del láser; la Sección III presenta los resultados de las 
medidas y la discusión de los resultados. Las principales 
conclusiones se resumen en la Sección IV.  
 
II. MONTAJE EXPERIMENTAL 
En la figura 2 se presenta el montaje utilizado. El láser es 
un VCSEL comercial (Raycan) emitiendo alrededor de  1535 
nm. La corriente de polarización está controlada por un 
generador de corriente de precisión (Keithley 236). Para 
acoplar la corriente de polarización y la señal de RF se utiliza 
una T de polarización. La señal RF procede de un generador 
Agilent 8684B. Para las medidas en el dominio del tiempo  
se empleó un Analizador de Señales de Comunicaciones 
(Tektronix CSA8000) dotado de un módulo óptico (80C01-
CR) cuyo ancho de banda es 20 GHz. Para las medidas 
espectrales se utilizó un Analizador de Espectro Óptico  
(Ando AQ-6315A) con una resolución de 0,05 nm.  
III. RESULTADOS 
La característica potencia-corriente-tensión (P-I-V) del 
láser se muestra en la figura 3(a). La corriente umbral (Ith) es 
1,6 mA, la eficiencia diferencial tiene un valor máximo de 96 
μW/mA y la potencia máxima de salida es 0,45 mW. La 
figura 3(b) muestra el espectro del láser al aplicarle 2,4 mA. 
El pico de emisión está en 1532,47 nm, con una anchura a 
3dB (ancho total a mitad de máximo, FWHM) de 0,056 nm, 
limitada por la resolución del equipo de medida, y una 
relación de extinción de modo lateral (SMSR) de 30 dB. Los 
picos secundarios a 1531,7 y a 1532,97 nm se interpretan 
como originados por modos transversales y/o estados de 
polarización ortogonales al modo fundamental.   
 
Fig. 2. Diagrama de bloques del montaje experimental. El VCSEL se 
ataca, por medio de la T de polarización, por el generador de corriente 
continua (IBIAS) y el de RF. La medida se realiza mediante uno de los 
elementos del bloque de la derecha: fotodiodo y osciloscopio (PD-CSA), 
analizador de espectro óptico (OSA) o medidor de potencia (PM). 
 
 
Fig. 3. a) Potencia de salida versus corriente de polarización (Ib). b) 
Espectro para Ib = 2,4 mA = 1,5Ith. 
 
La figura 4 presenta la respuesta temporal al aplicar una 
señal de frecuencia (fRF) 100 MHz, con una potencia RF (PRF)  
10,6 dBm y corriente de polarización (Ib) igual a Ith (a) y a 
0,25·Ith (b). En el primer caso se observa un intenso pico 
seguido de oscilaciones de relajación de una frecuencia de 
aproximadamente 3,6 GHz. En estas condiciones la corriente 
sobrepasa el umbral durante un tiempo suficientemente largo 
para excitar más de un periodo de relajación.  
 
  
 
Fig. 4. a) Oscilaciones de relajación observadas con una frecuencia fRF 
=100 MHz, potencia PRF =10,5 dBm y polarización Ib = Ith. b) Impulsos 
observados con las mismas condiciones para fRF y PRF con Ib = 0,25 Ith.  
Si la corriente de polarización es mucho más baja que la 
umbral (Fig. 4b), el pico es menos intenso y su anchura es 
mayor que en el caso anterior (Fig. 4 a). Debido al menor 
valor de la corriente de polarización, la zona en la que la 
sinusoide supera la corriente umbral es más corta y se obtiene 
un único impulso; sin embargo, el pico de corriente es más 
bajo y la potencia emitida es menor y el pico de mayor 
anchura (la frecuencia de relajación es menor).  
La figura 5 muestra la potencia del pico y su anchura para 
diferentes valores de Ib/Ith. Se observan las oscilaciones de 
relajación hasta una determinada frecuencia que depende de 
Ib/Ith. Si se aumenta la frecuencia, se produce un incremento 
de amplitud y una reducción de la duración del primer pico, 
hasta que se logra la emisión de un único pico. A partir de 
una determinada frecuencia, el impulso pierde potencia y 
aumenta su anchura.  
 
 
 
Fig. 5. Amplitud (figura superior) y duración FWHM (abajo) del primer 
pico de las oscilaciones de relajación en función de la frecuencia RF. PRF 
se fija a 10,5 dBm y fRF  se varía entre 100 MHz y 2 GHz para diferentes 
polarizaciones. Las flechas fijan el punto en que se pasa de múltiples 
oscilaciones de relajación a un solo impulso.  
 
Fig. 6. PRF = 14,2 dBm, fRF = 800 MHz. Ib varía entre 0,5 Ith y 3Ith. 
Amplitud (cruces) y duración FWHM (cuadrados) medidos. 
Como se aprecia en la figura 5, los impulsos más cortos 
(∼60 ps) y más altos (entre 1 y 1,5 mW) se obtuvieron para 
frecuencias próximas a 800 MHz. La dependencia de la 
anchura y amplitud del pulso con la corriente de polarización 
se ha representado en la Fig. 6. La amplitud del pulso 
aumenta y su anchura disminuye al aumentar la corriente 
hasta Ib ∼ 1.5 Ith; para mayores Ib la cola del impulso es más 
larga, lo que aumenta su anchura, aunque la amplitud sigue 
creciendo lentamente. Un comportamiento similar se ha 
observado en otros tipos de diodos láser bajo conmutación de 
ganancia [8].  
 
  
 
 
 
Fig. 7. Ib = 1,5 Ith y fRF= 800 MHz. PRF recorre el rango entre -1 y + 14,6 
dBm. 
 
Fig. 8. Impulso obtenido a  800 MHz, Ib = 1,5 Ith y PRF=14,6 dBm.. 
La dependencia de la amplitud del impulso y su duración 
en función de la potencia RF aplicada, a una frecuencia de 
800 MHz y una corriente de polarización 1,5·Ith, se puede 
observar en la Fig. 7. Al aumentar la potencia, los impulsos 
son de mayor amplitud y más cortos. La menor anchura se 
obtuvo para la potencia  máxima PRF de 14 dBm, a 800 MHz 
y con Ib=1,5 Ith. El impulso es ligeramente asimétrico y tiene 
una amplitud de ∼1,5 mW y una anchura de 57 ps (FWHM), 
según se muestra en la Fig.8  
En la Fig.9 se presenta el espectro del tren de impulsos en 
las condiciones anteriores, que puede compararse con el 
espectro cw correspondiente a la misma polarización (Fig. 
3b). Los impulsos muestran un ensanchamiento y 
desplazamiento hacia el rojo en comparación con la 
operación en cw.  
IV. CONCLUSIONES 
En este trabajo se presenta el comportamiento de un láser 
de cavidad vertical a 1,5 μm en modo de conmutación de 
ganancia. El objetivo general es obtener un tren de impulsos 
ópticos de anchuras en el rango de ps con una frecuencia de 
repetición baja. Se ha encontrado que el uso de una señal 
sinusoidal de RF en el rango de 100 MHz ofrece impulsos de 
corta duración, pero de escasa potencia. Se estima que el 
empleo de otra señal moduladora, tal como un tren de 
impulsos, permitirá obtener impulsos de mayor potencia a 
frecuencias incluso inferiores. 
Se ha investigado la dependencia de la amplitud del 
impulso y su duración en función de la potencia y frecuencia 
de la señal de RF, así como de la corriente de polarización. 
Los resultados muestran que la configuración óptima se logra 
con una frecuencia de 800 MHz y una polarización a 1,5 
veces el umbral, obteniéndose pulsos con una duración de 57 
ps y una amplitud de ~1,5 mW. 
 
 
Fig. 9.  Espectro del tren de impulsos obtenido con IB=1,5 Ith, fRF=800 
MHz y PRF = 14,2 dBm. 
AGRADECIMIENTOS 
El presente trabajo se ha realizado en el marco del 
proyecto TEC2006-13887-C05-01, financiado por el MEC.  
REFERENCIAS 
[1] J.E. Bowers, P.A. Morton, A. Mar, and S.W. Corzine, “Actively mode-
locked semiconductor lasers”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 25, no. 
6, pp. 1426-1439, 1989. 
[2]  J. Auyeung, “Picosecond optical pulse generation at gigahertz rates by 
direct modulation of a semiconductor laser”, Appl. Phys. Lett., vol. 38, 
no. 5, pp. 308-310, 1981. 
[3] J.R. Karin, L.G. Melcer, R. Nagarajan, J.E. Bowers, S.W. Corzine, P.A. 
Morton, R.S. Geels, and L.A. Coldren, “Generation of picosecond 
pulses with a gain-switched GaAs surface-emitting laser”, Appl. Phys. 
Lett., vol. 57, no. 10, pp. 963-965, 1990.  
[4] J. Lin, J.K. Gamelin, S. Wang, M. Hong, and J.P. Mannaerts, “Short 
pulse generation by electrical gain switching of vertical cavity surface 
emitting laser”, Electron. Lett., vol. 27, no. 21, pp. 1956-1958, 1991. 
[5] J.M. Wiesenfield, G. Hasnain, J.S. Perino, J.D. Wynn, R.E. Leibenguth, 
Y. Wang, and A.Y. Cho, “Gain-switched GaAs Vertical-cavity surface-
emitting lasers”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 29, no. 6, pp. 1996-
2005, 1993. 
[6] M. Nakazawa, H. Hasegawa, and Y. Oikawa, “A 10 GHz, 8.7 ps pulse 
generation from a single-mode, gain-switched AlGaAs VCSEL at 850 
nm”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 19, no. 16, pp. 1251-1253, 2007.  
[7] P. Pepeljugoski, J. Lin, J. Gamelin, M. Hong, and K.Y. Lau, “Ultralow 
timing jitter in electrically gain-switched vertical cavity surface 
emitting lasers”, Appl. Phys. Lett., vol. 62, no. 14, pp. 1588-1590, 1993.  
[8] C.W. Chuah, B. Xu, T.S. Tan, N. Xiang, and T.C. Chong, “Tunable 
GHz repetitive ps pulse InGaN laser”, IEEE Phot. Tech. Lett., vol. 19, 
no. 2, pp. 70-72, 2007. 


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