[ FIBRA ÓPTICA ]
Componentes fotónicos avanzados para redes Ópticas


Francisco Ramos Pascual. Ingeniero de Telecomunicaciones
Profesor de Radiocomunicaciones en la Universidad Politécnica de Valencia


Los nuevos y modernos sistemas de comunicaciones ópticas dependen en gran medida de la disponibilidad de componentes fotónicos avanzados así como de subsistemas y bloques funcionales que cumplan estrictas especificaciones. En este artículo trataremos algunos desarrollos importantes que permiten la construcción de estos sistemas, dejando aparte otras cuestiones como la optimización, la reducción de costes o la estandarización.


Figura 1. Diferentes tecnologías de láseres WDM

 

Componentes para redes WDM

 

En la actualidad, se está realizando un esfuerzo importante en el diseño y construcción de componentes para sistemas que emplean multiplexación por longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Se están incorporando nuevas ideas para mejorar los dispositivos existentes: fuentes ópticas con múltiples longitudes de onda, láseres sintonizables, amplificadores ópticos de banda ancha, compensadores de dispersión, filtros y demultiplexores ópticos, etc. En especial, se está trabajando en el diseño de demultiplexores de longitud de onda integrados y en filtros fotorrefractivos. La mejora de las prestaciones de determinados componentes y subsistemas utilizados en redes ópticas DWDM (Dense WDM) de gran capacidad es uno de los principales objetivos, y los esfuerzos se centran en factores tales como diafonía, ruido, sensibilidad a la polarización y estabilidad.


Figura 2. Tipos de demultiplexores

 

En lo que respecta a láseres para WDM, éstos deben cumplir unos requisitos básicos que pueden resumirse en: generación precisa de las longitudes de onda en el interior de una rejilla estandarizada, capacidad de sintonización dentro del ancho de banda de los EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier), y rapidez de conmutación de la longitud de onda dependiendo de la aplicación. En la figura 1 se muestra una clasificación de las diferentes posibilidades que existen de láseres WDM. La aparición de láseres de fibra con múltiples longitudes de onda realza la clásica competencia entre los semiconductores y los dispositivos basados en fibra.


Figura 3. Diferentes opciones tecnológicas para la construcción de convertidores de longitud de onda.

 

Los amplificadores ópticos son otro de los componentes clave en cualquiera de los sistemas de comunicaciones ópticas que se construyen en la actualidad. La principal problemática para su implantación en sistemas WDM viene determinada por la necesidad de un espectro de ganancia y de ruido uniforme a lo largo de todo el ancho de banda de operación. Para conseguir ecualizar el espectro de ganancia se han empleado diversas técnicas que incluyen: utilización de dopantes para actuar sobre las secciones cruzadas de absorción y emisión estimulada, utilización de amplificadores multisección con diferentes dopantes, control del grado de inversión de población por medio de la longitud de onda o la potencia del bombeo, y finalmente filtrado óptico mediante redes de difracción o interferómetros Mach-Zehnder. Considerando como figura de mérito el rizado de la respuesta espectral de ganancia del amplificador, se han obtenido como mejores resultados valores inferiores al 5 % para el rango de longitudes de onda de 1532-1560 nm. La futura disponibilidad de amplificadores con anchos de banda del orden de 100 nm tendrá un gran impacto sobre otros dispositivos tales como láseres, filtros o demultiplexores.

 

Los filtros y demultiplexores ópticos son componentes importantes para la realización de multiplexores “add/drop” y conmutadores ópticos en redes WDM. Los filtros utilizados pueden ser tanto fijos como sintonizables, presentando estos últimos mayor flexibilidad. Un factor importante a tener en cuenta, no obstante, es el relativo al control de los filtros sintonizables. Si el dispositivo se sintoniza de forma continua, la deriva será un problema. En cambio, si la sintonización se realiza de forma discreta, se simplifica su funcionamiento, si bien será necesario un ajuste inicial cuidadoso para acomodarse a la rejilla de longitudes de onda estandarizadas.

 

Se espera que los filtros integrados se utilicen mayoritariamente en el futuro. En especial, la tecnología Si-PLC aparece como muy prometedora debido a su capacidad para construir diferentes tipos de filtros. Al mismo tiempo, las redes de difracción sobre fibra óptica están ganando atención debido a diversas ventajas que presentan: fabricación sencilla, bajas pérdidas de inserción e insensibilidad a la polarización. En la figura 2 se resumen esquemáticamente las diferentes tecnologías de fabricación de demultiplexores ópticos.


Figura 4. Clasificación de los conmutadores espaciales

 

Los convertidores de longitud de onda son otro componente indispensable en las redes WDM. Su función consiste en modificar la longitud de onda de la portadora sobre la que se encuentran modulados los datos para realizar labores de conmutación. Las diferentes tecnologías de convertidores se muestran en la figura 3. En cualquiera de ellas, se necesita una fuente láser de bombeo para inducir efectos no lineales. Los convertidores más típicos se basan en el proceso no lineal de mezclado de cuatro ondas (Four-Wave Mixing, FWM) en configuraciones de fibra de dispersión desplazada (Dispersion-Shifted Fiber, DSF) y de amplificador óptico de semiconductor (Semiconductor Optical Amplifier, SOA). Por otro lado, los convertidores basados en el proceso no lineal de modulación de fase cruzada (Cross-Phase Modulation, XPM) en estructuras interferométricas parecen una tecnología prometedora. Entre sus principales ventajas destacan la reducción del nivel ruido, la reconfiguración del espectro o su alta velocidad. Algunos inconvenientes serían su dificultad de integración, la necesidad de estabilización del punto de trabajo o su transparencia solamente a las señales moduladas en intensidad.

 

Las redes ópticas WDM también necesitan conmutadores espaciales, los cuales se construyen mediante la integración de elementos conmutadores activos y de dispositivos combinadores y divisores pasivos. Las diferentes opciones para los conmutadores activos incluyen: activación mecánica, control termo-óptico, electro-ópticos, o incluso completamente ópticos, como se desprende de la clasificación de la figura 4.

 

Un importante factor de diseño de los conmutadores espaciales es la llamada relación “on/off”, siendo necesarios valores del orden de 30-40 dB para suprimir la diafonía interferométrica. En este sentido, los mejores conmutadores son los electromecánicos o aquellos basados en puertas de amplificador óptico de semiconductor. Los primeros se utilizan ampliamente en demostradores debido a su relación “on/off” extremadamente alta, sus bajas pérdidas o su facilidad de uso, aunque tienen como inconvenientes su baja integración y su reducida velocidad de conmutación. Por otro lado, los conmutadores basados en puertas de amplificador óptico de semiconductor, además de su relación “on/off” de 50 dB, ganancia neta y rapidez de conmutación, se utilizan en configuraciones llamadas “clamped gain” que proporcionan mayor linealidad.


Figura 5. Módulo láser 1915 LMI DWDM de alta velocidad

 

Componentes para redes TDM

 

Diferentes trabajos de investigación, así como mejoras en el diseño y construcción de los dispositivos fotónicos, han permitido aumentar considerablemente las tasas de transmisión en los sistemas que emplean multiplexación por división en el tiempo electrónica (Electronic Time Division Multiplexing, ETDM). Sin embargo, para sobrepasar este límite de capacidad, es necesario acudir a otras soluciones como son la multiplexación por división en el tiempo óptica (Optical Time Division Multiplexing, OTDM) o la transmisión basada en solitones ópticos (Conectrónica no. 36, p. 15). Ambas soluciones pueden considerarse como alternativas de los sistemas WDM.

 

Las soluciones basadas en ETDM buscan alcanzar tasas de transmisión lo más elevadas posibles en el dominio eléctrico antes de acceder al enlace de fibra óptica. Esto permite una granularidad fina en los multiplexores y demultiplexores electrónicos y facilita las funciones de monitorización del sistema. No obstante, resulta evidente que para alcanzar tasas de transmisión elevadas (40 Gbit/s o más) es crucial la disponibilidad de componentes ópticos y circuitos integrados electrónicos de alta velocidad. El diseño de circuitos integrados para este fin se centra en factores tales como: arquitectura general, diseño de celda, distribución de la señal de reloj, tamaño de los transistores, anchura de las pistas de interconexión, capacidades parásitas, etc. En la actualidad, se ha demostrado el funcionamiento a 40 Gbit/s de circuitos integrados, realizando funciones tanto analógicas como digitales, empleando distintas tecnologías: Si- SiGe HBT, III-V P-HEMT y HBT (InP y GaAs). Además de la fabricación de circuitos integrados, destacan otros diseños como por ejemplo fuentes ópticas que integran monolíticamente un láser de bajo chirp junto con un modulador electro-óptico operando a 40 Gbit/s.


Figura 6. Matriz de cuatro módulos CG-SOA montada sobre placa.

 

Los sistemas OTDM superan la barrera de velocidad impuesta por los componentes electrónicos y optoelectrónicos por medio de la utilización de técnicas ópticas para multiplexar y demultiplexar flujos de datos de alta velocidad (> 40 Gbit/s). En especial, se basan en las propiedades tanto lineales como no lineales de las fibras y de los dispositivos semiconductores para lo construcción de modernos componentes. Entre los dispositivos utilizados en los sistemas OTDM destacan los siguientes: fuentes de pulsos estrechos, multiplexores “add/drop”, sistemas de recuperación del reloj óptico, convertidores OTDM-WDM o regeneradores completamente ópticos.

 

Para que los sistemas OTDM puedan trabajar con una penalización de potencia reducida es indispensable la utilización de fuentes ópticas de pulsos estrechos. En especial, estos pulsos deben presentar bajos niveles de chirp así como relaciones de extinción de 30 dB o superiores para minimizar la diafonía. En la práctica, estos pulsos ópticos suelen generarse utilizando láseres de semiconductor operando en conmutación o láseres seguidos de moduladores de electroabsorción. Otras posibilidades incluyen el uso de fuentes basadas en láseres dopados con materiales dieléctricos (fibra, LiNbO3) o láseres de bloqueo de modos con cavidad externa. Las posibilidades de modificar la forma del pulso (compresión, filtrado, ...) determinarán en gran medida la opción a escoger. Últimamente destaca también la utilización de fibras de dispersión decreciente para actuar sobre la forma del pulso.

 

En relación con los componentes OTDM, los multiplexores “add/drop” basados en interferómetros Mach-Zehnder o Michelson presentan gran interés por su reducido tamaño y su estabilidad. Al mismo tiempo, se está investigando en circuitos de recuperación de reloj basados en láseres de bloqueo de modos, láseres auto-pulsantes o bucles de control de fase con elementos no lineales. Finalmente, los regeneradores ópticos 3R también se convertirán en un elemento clave en este tipo de redes. Aunque se han demostrado distintas configuraciones a 20 Gbit/s empleando estructuras interferométricas no lineales o semiconductores, existe un gran potencial para trabajar a velocidades más elevadas.

 

Debido a la naturaleza analógica de la transmisión, las señales ópticas sufren múltiples degradaciones cuando atraviesan enlaces fotónicos debido a la dispersión cromática, las pérdidas, la diafonía y los efectos no lineales asociados a las fibras y dispositivos ópticos que intervienen. Las redes de transporte ópticas requieren pues de mecanismos de compensación de dispersión (Conectrónica no. 35, pp. 12-15) y de regeneración de la señal. Los distintos niveles de regeneración de señal que existen se clasifican en: 1R (sólo amplificación), 2R (amplificación + forma del pulso) y 3R (amplificación + forma de pulso + resincronización). Los EDFAs se encuentran comercialmente disponibles para cumplir la función de amplificar las señales. Por otro lado, los SOAs han demostrado sus capacidades de filtrado de ruido y alta relación de extinción para la implementación de regeneradores 2R. Sin embargo, la construcción de regeneradores 3R de alta velocidad en el dominio óptico (demodulador + modulador + circuito de decisión + circuito de sincronismo + controladores, todo integrado en un mismo dispositivo) se encuentra en un estado inicial de investigación en el laboratorio.

 

Componentes para redes de acceso

 

Las futuras redes de acceso explotarán la multiplexación por longitud de onda para aumentar la capacidad y flexibilidad de la red, además de para facilitar la conexión con las redes troncales. Las redes de acceso avanzadas basadas en WDM son redes conmutadas, por lo que hacen uso de multiplexores de longitud de onda “add/drop” y de matrices de conmutación. A continuación comentaremos otros dispositivos que también intervienen en las redes de acceso.

 

El desarrollo de láseres de bajo coste es un factor clave para la implantación de la fibra óptica en la red de acceso. Estos láseres deberían operar sobre un amplio rango de temperaturas (desde -20 ºC hasta +85 ºC) sin necesidad de mecanismos de enfriamiento termoeléctrico. Un ejemplo de ello serían los láseres de tipo VCSEL. Adicionalmente, también se tiene láseres sintonizables en longitud de onda de bajo coste y prestaciones moderadas. En algunos laboratorios, los desarrollos se centran en los láseres MQW (multi-quantum well) de bajo umbral que no necesitan polarización ni control de realimentación. Todos los diseños incluyen acopladores de gran diámetro modal para acoplamiento eficiente a la fibra óptica monomodo y empaquetado de plástico. El precio de estos láseres se sitúa en torno a las 3000 pesetas. Finalmente, otro tipo de láseres de acceso serían los DFB lineales que tienen una aplicación directa en las redes CATV analógicas.

 

Los transceptores también juegan un papel importante en la construcción de las redes de acceso. La tolerancia en la fabricación para permitir una buena relación prestaciones/coste resulta nuevamente importante. Adicionalmente, se necesitan bajas pérdidas de acoplamiento fibra/detector y reducida diafonía para asegurar una alta sensibilidad. En la actualidad se están investigando especialmente las soluciones basadas en 1550 nm para enlace de bajada y 1300 nm para enlace de subida.

 

Las tecnologías de amplificadores ópticos utilizadas en las redes de acceso son idénticas a las de la red troncal, si bien los dispositivos presentan algunas particularidades debido a las condiciones especiales de este tipo de redes. Algunos ejemplos incluyen: amplificadores “gain-clamped” con redes de difracción sobre fibra para controlar fácilmente la potencia, amplificadores bidireccionales para acomodar simultáneamente los dos sentidos de transmisión de forma económica o amplificadores conmutados para evitar la acumulación de ruido.

 

Además de las fuentes, los detectores y los amplificadores, las redes de acceso también requieren de tecnologías para la implementación de funciones electrónicas de alta velocidad (las cuales requieren de tecnología CMOS de 0,15 micrómetros para permitir bajo coste y gran ancho de banda), cableado óptico (cables de alta densidad, conectores, divisores ópticos, conmutadores de protección) y finalmente demultiplexores de longitud de onda en el caso de WDM.




Copyright © 2003 por Aero ENDOR Webmasters. Reservados todos los derechos.
Q S O Radios no se hace responsable por el contenido publicado de fuentes externas.