[ Fibra Óptica ]
Tecnología de conversión de longitud de onda en redes ópticas WDM

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

La conversión de longitud de onda es una funcionalidad clave en las redes ópticas WDM por diversas razones. Por un lado, una red que emplea conversores de longitud de onda resulta más fácil de gestionar puesto que la asignación de longitudes de onda puede determinarse de forma local. Por otro lado, el bloqueo de longitud de onda en los nodos ópticos puede reducirse cuando se conmuta en el dominio de la frecuencia. Por ello la red resulta más flexible y fácil de configurar. Y en general, los recursos de la red se utilizan de forma más eficiente bajo patrones de tráfico dinámicos.


Figura 1. Conversores de longitud de onda basados en XGM


La forma más directa de realizar la conversión de longitud de onda es la basada en un conversor electro-óptico, donde la señal se fotodetecta para modular posteriormente un láser o modulador externo. Sin embargo, esta técnica es válida para tasas de 2,5 Gbit/s e inferiores, ya que a mayores velocidades el consumo de potencia y el coste aumentan considerablemente. De hecho, a 40 Gbit/s sólo resulta factible la conversión de longitud de onda mediante dispositivos completamente ópticos. En este artículo analizaremos las diferentes tecnologías ópticas existentes para la construcción de convertidores de longitud de onda en redes WDM.


Dependiendo de la estructura de la red, se imponen diferentes requisitos a los conversores de longitud de onda, entre los cuales se encuentran:
- Transparencia al formato y a la tasa de bit.
- Penalización de potencia y pérdidas de inserción bajas.
- Longitud de onda de salida sintonizable.
- Funcionamiento independiente de la longitud de onda, polarización, margen dinámico o relación señal a ruido de la señal de entrada.
- Potencias ópticas de entrada moderadas.
- Bajo consumo de potencia.
- Posibilidad de convertir a la misma longitud de onda (regeneración).
- Bajo chirp.
- Gran ancho de banda óptico.


Figura 2. Conversores de longitud de onda basados en Interferómetro Mach-Zehnder


Evidentemente, todas las tecnologías de conversión de longitud de onda no cumplen con todas estas características, por lo que algunas de ellas serán más adecuadas que otras para determinados propósitos. Las tecnologías que estudiaremos en este artículo serán aquellas basadas en puertas ópticas, estructuras interferométricas o mezclado de ondas. Si bien existen otro tipo de tecnologías basadas en láseres con modos de funcionamiento especiales, las anteriores son las más comúnmente empleadas para la construcción de conversores de longitud de onda.


Conversores basados en puertas ópticas
Este tipo de conversor de longitud de onda es uno de los más simples. Su funcionamiento consiste en utilizar un dispositivo que actúe como una puerta óptica en respuesta a una excitación óptica. De este modo, los efectos de saturación de la ganancia de un dispositivo activo, como por ejemplo un SOA, pueden utilizarse para convertir la longitud de onda de la señal. Esta técnica se conoce con el nombre de modulación de ganancia cruzada (cross-gain modulation, XGM) y se representa en la figura 1.


Figura 3. Conversores de longitud de onda basados en Interferómetro Michelson


La ganancia del SOA se satura cuando aumenta la potencia óptica de entrada debido a la disminución de la densidad de portadores. Esto ocurre para potencias de unos -10 dBm. De este modo, el patrón de datos de la señal óptica de entrada puede modificar la ganancia del SOA e imprimir esta modulación sobre una señal continua que se introduzca al mismo tiempo en el SOA. El resultado final es que los datos de la señal de entrada se transfieren a la longitud de onda de la señal continua. Es decir, esta señal se amplifica cuando el nivel de la señal de entrada es bajo, y se atenúa cuando el correspondiente nivel de la señal de entrada es alto (saturación). Como se puede ver en la figura 1(a), este proceso tiene la particularidad de que los datos aparecen invertidos sobre la nueva longitud de onda.


La gran ventaja del convertidor basado en XGM es su simplicidad que le permite incluso alcanzar tasas de bit de hasta 40 Gbit/s. Para alcanzar velocidades elevadas se requiere que la densidad de fotones en la región activa sea alta, lo cual puede conseguirse aumentando las potencias ópticas, el factor de confinamiento, la corriente de polarización, la ganancia diferencial y la longitud del SOA. No obstante, aumentar la longitud del dispositivo reduce el ancho de banda óptico, por lo que existe una solución de compromiso. Otras ventajas de este esquema son su independencia frente a la longitud de onda de la señal de entrada y su alta eficiencia de conversión. Además puede ser independiente de la polarización si se diseña cuidadosamente.


Entre los inconvenientes de esta arquitectura se encuentran la degradación de la tasa de extinción y de la SNR debido al ruido ASE. Las figuras de ruido se encuentran en torno a los 7-8 dB. Además se produce distorsión de amplitud y modulación de fase de la señal de salida como consecuencia de la variación de la densidad de portadores y del índice de refracción, lo que conduce a la aparición de jitter en la señal de salida. El dispositivo funciona mejor cuando la conversión se produce hacia longitudes de onda menores.


Figura 4. Conversores de longitud de onda basados en NOLM


En la figura 1(b) se muestra también una arquitectura alternativa en donde se evita la utilización del filtro óptico a la salida, resultando un dispositivo más simple y barato. En este caso las señales viajan a través del SOA en sentidos opuestos. Dado que no existe filtro, la longitud de onda de salida puede sintonizarse y además es posible incluso convertir a la misma longitud de onda. Sus principales inconvenientes son que se encuentra limitada en velocidad debido al tiempo de tránsito de las señales y la señal convertida sufre bastante jitter.


Conversores interferométricos
Otra técnica de conversión de longitud de onda que elimina algunas de las limitaciones del esquema XGM se basa en el fenómeno de modulación cruzada de fase (cross-phase modulation, XPM). En este caso el cambio de fase asociado con la modulación de la ganancia se utiliza para controlar la interferencia a la salida de un interferómetro. La modulación de fase puede convertirse en modulación de intensidad mediante el uso del interferómetro. La pendiente de las características del interferómetro determina si habrá o no inversión en el patrón de bits, lo cual es una clara ventaja frente a la estructura basada en XGM. Adicionalmente, resulta posible conseguir una regeneración parcial de la señal así como transiciones bruscas. En general, XPM proporciona mejor eficiencia de conversión que XGM. El cambio de fase de 180 grados que se requiere para conseguir la conmutación en el interferómetro puede obtenerse con una variación de ganancia de tan sólo 4-5 dB. En cambio, los conversores basados en XGM requieren 10 dB de variación. Los esquemas interferométricos más ampliamente utilizados son: Mach-Zehnder, Michelson y NOLM (nonlinear optical loop mirror).


Para alcanzar la conmutación en el interferómetro se requieren fenómenos de interferencia constructiva y destructiva. En el montaje basado en el interferómetro Mach-Zehnder esto supone una diferencia de fase entre ambos brazos. Como se muestra en la figura 2, esto puede realizarse de dos formas diferentes. En el primer caso, los acopladores de la entrada y de la salida acoplan potencias distintas a ambos brazos del interferómetro y SOAs, por lo que la diferencia de índices de refracción causa una diferencia de fase entre ambos brazos. En el segundo caso se consigue el mismo efecto acoplando la señal de datos solamente a uno de ambos SOAs. El estado natural del interferómetro (en ausencia de señal de datos) puede ajustarse para funcionar en modo de interferencia destructiva por medio de la corriente del SOA o empleando un elemento desfasador adicional. También se puede emplear un esquema de conversión de longitud de onda alternativo con un solo SOA en uno de los brazos, si bien en este caso es sensible a la polarización y proporciona una potencia de salida menor.


Otra posible implementación se muestra en la figura 3 utilizando un interferómetro Michelson. La señal de datos se aplica nuevamente a uno de ambos SOAs para inducir una diferencia de fase entre los dos brazos del interferómetro. En cambio, la señal CW se acopla a ambos brazos, sufre una diferencia de fase, se refleja en los extremos de los SOAs y se combina de nuevo en la entrada para producir la interferencia. Se puede observar en la figura 3 que este montaje constituye básicamente un interferómetro Mach-Zehnder doblado. Generalmente el interferómetro Michelson presenta el mayor ancho de banda de modulación, ya que la señal se inyecta directamente y la onda CW atraviesa el SOA dos veces. Este asegura una mayor potencia de señal y a su vez la longitud efectiva del SOA es mayor.


Por último, un NOLM puede emplearse también para la construcción de un conversor de longitud de onda. En este caso la no linealidad se consigue mediante un bucle de fibra de 1 a 10 km de longitud. La arquitectura se muestra en la figura 4, donde se puede observar que el NOLM es básicamente una implementación mediante fibra del interferómetro de Sagnac. El funcionamiento es muy similar al TOAD (terahertz optical asymmetric demultiplexer), el cual también se puede utilizar para construir un conversor de longitud de onda. En el caso del NOLM, no obstante, la no linealidad de la fibra es más débil y por ello se requieren considerables longitudes de fibra que dificultan la integración del dispositivo.


Figura 5. Espectro óptico de un conversor de salida de longitud de onda basado en FWM


Conversores basados en mezclado de ondas
El mezclado de ondas es un proceso no lineal coherente que, a diferencia de XGM, requiere normalmente un control de la polarización y la fase de las señales ópticas. Puede ocurrir tanto en guías pasivas como en SOAs, siendo las técnicas más típicas el mezclado de cuatro ondas (four-wave mixing, FWM) y la generación de frecuencia diferencia (difference frequency generation, DFG). El mezclado de ondas consiste en la interacción de diversas ondas en el interior de un medio no lineal para producir a su salida nuevas frecuencias, por lo que es un candidato ideal para la construcción de conversores de longitud de onda. Las nuevas ondas generadas tienen una intensidad proporcional al producto de las intensidades de las ondas que interaccionan, mientras que sus fases y frecuencias se forman como una combinación lineal de las fases y frecuencias de las ondas originales. De este modo, la información de magnitud, fase y frecuencia se mantiene tras el proceso de conversión y la técnica resulta independiente del formato de modulación de los datos, lo cual supone una clara ventaja.


El proceso no lineal de FWM ya fue explicado con anterioridad (Conectrónica no. 36, pp. 12-15). En el esquema más simple de conversión de longitud de onda intervienen dos ondas (una onda de bombeo que induce los efectos no lineales y una onda de señal que transporta los datos), para producir a la salida una nueva onda con los datos situada simétricamente respecto al bombeo. También aparecen nuevas ondas adicionales que no tienen utilidad para este tipo de aplicación. En la figura 5 se representa el espectro típico a la salida del dispositivo conversor, el cual suele ser típicamente un SOA o una fibra de dispersión desplazada. Este proceso no lineal tiene además la particularidad de venir acompañado siempre por un fenómeno de conjugación de la señal óptica que tiene gran aplicación para ecualizar la distorsión causada por la dispersión cromática de la fibra durante la transmisión (Conectrónica no. 35, pp. 12-15).


Los convertidores basados en FWM en SOA tienen características únicas que los hacen muy adecuados, como son una estricta transparencia frente al formato de modulación y un funcionamiento casi independiente de la tasa de bit. No obstante, la eficiencia de conversión decrece conforme se separan en frecuencia las ondas de bombeo y de señal. Así, para una separación de 10 nm se producen reducciones de unos 15-25 dB. La principal limitación de los conversores basados en FWM es su fuerte dependencia con la polarización de la señal de entrada. Por ello se han propuesto diversos esquemas insensibles a la polarización, como por ejemplo el uso de dos ondas polarizadas ortogonalmente o el tratamiento separado de ambas polarizaciones.


Finalmente, en guías pasivas de LiNbO3 la interacción no lineal entre dos ondas puede utilizarse para la conversión de longitud de onda, lo que se conoce como DFG. Algunos parámetros típicos de estos conversores son una eficiencia de conversión de -6 dB, una potencia de bombeo de 100 mW, una longitud de interacción de la guía-onda de 2 cm o un ancho de banda de conversión de 90 nm. El proceso de DFG puede utilizarse para trasladar de forma simultánea un conjunto de canales WDM desde una longitud de onda central a otra sin necesidad de demultiplexar los canales individuales. Si bien puede emplearse FWM para conseguir el mismo efecto, en el caso de DFG no se generan frecuencias adicionales y por lo tanto se reduce la diafonía. Debe tenerse en cuenta que en el caso de FWM no se pueden filtrar las componentes que se generan dentro de la banda de canales.












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