INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
TRANSMISIONES ÓPTICAS
MEDIANTE EL USO DE SOLITONES
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
P R E S E N T A N
ELÍAS ALVAREZ GUTIÉRREZ CARLOS GUSTAVO HERNÁNDEZ ALCÁNTARA
GUILLERMO ALEJANDRO QUIROZ UGALDE
ASESORES DR. RAÚL CASTILLO PÉREZ
ING. J. NANCY MONDRAGÓN MEDINA
MÉXICO, D. F. 2007
“La verdadera educación consiste en obtener lo mejor de uno mismo”
Mahatma Ghandi
“Caer está permitido. Levantarse es obligatorio” Proverbio
Agradecimientos Agradezco primeramente a Dios por darme tanto los medios necesarios como a una familia grandiosa que sin ellos no hubiera sido posible este gran logro en mi vida. Así mismo agradezco a mis padres y hermanos por toda la paciencia que me brindaron durante el transcurso de mi carrera ya que gracias a su apoyo y consejos hoy concluyo una etapa más. Sin dejar de mencionar a mis amigos quienes siempre estuvieron a mi lado en los momentos difíciles y en los momentos felices, que gracias a su compañerismo salimos adelante en nuestra carrera.
Elías
Son muchas las personas que han contribuido a formar la persona que ahora soy. Simplemente… agradezco a Dios por haberlas puesto en mi camino.
Carlos A mis padres A mis hermanos Agradezco lo mejor de su lucha Por hacer de mi vida una grata lucha, en el mundo por motivar el sentimiento de amistad Agradezco lo mejor de sus deseos por darme una razón de apoyo en mí Agradezco lo que ustedes me enseñaron largo caminar. Agradezco el futuro que me forjaron en la austeridad. Guillermo Agradezco lo mejor que ustedes son Agradezco sus triunfos y fracasos Agradezco sus ilusiones y esperanzas Por que moldearon la persona que simplemente les agradece.
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones i
ÍNDICE
Objetivos vi
Justificación vii
Introducción viii
Capitulo1
TRANSMISIÓN POR FIBRAS ÓPTICAS 1
1.1 ÓPTICA GEOMÉTRICA 1
1.2 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ 2
1.3 TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS 3
1.3.1 Fibra multimodo de índice escalonado (o abrupto) 4
1.3.2 Fibra multimodo de índice gradual 6
1.3.3 Fibra monomodo 8
1.4 DEGRADACIÓN DE LA SEÑAL EN FIBRAS ÓPTICAS 8
1.4.1 Atenuación 9
1.4.1.1 Absorción material 10
1.4.1.1.1 Pérdidas intrínsecas 10
1.4.1.1.2 Pérdidas extrínsecas 11
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones ii
1.4.1.2 Perdidas por scattering 11
1.4.1.2.1 Scattering Rayleigh 12
1.4.1.2.2 Scattering Mie 12
1.4.1.3 Pérdidas por acoplamiento 12
1.4.1.4 Pérdidas debidas a imperfecciones en la fibra 13
1.4.2 DISPERSIÓN 14
1.4.2.1 Dispersión intermodal 15
1.4.2.2 Dispersión cromática (intramodal) 15
1.4.2.3 Dispersión de velocidad de grupo 17
1.4.2.4 Dispersión material 17
1.4.2.5 Dispersión de guía de onda 18
14.2.6 Dispersión por modo de polarización 20
Capitulo 2
EFECTOS NO LINEALES 22
2.1 NO LINEALIDADES 22
2.1.1 Efecto Kerr 24
2.2 SCATTERING RAMAN ESTIMULADO SRS 25
2.2.1 Soluciones y mitigación del efecto 27
2.3 SCATTERIN BILLOUIN ESTIMULADO SBS 27
2.3.1 Soluciones y mitigación del efecto 28
2.4 CHIRP 29
2.5 AUTO-MODULACIÓN DE FASE 29
2.5.1 Soluciones y mitigación del efecto 30
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones iii
2.6 MEZCLADO DE CUATRO ONDAS FWM 30
2.6.1 Soluciones y mitigación del efecto 33
2.7 MODULACIÓN DE FASE CRUZADA XPM 33
2.7.1 Soluciones y mitigación del efecto 34
2.8 SOLITONES 35
2.8.1 Los solitones en la fibra y sus propiedades 35
Capitulo 3
SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS POR SOLITÓN 38
3.1 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICAS 39
3.2 TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN POR SOLITONES 42
3.2.1 Interacción entre solitones 43
3.3 FUENTES ÓPTICAS 44
3.3.1 Emisión de luz 46
3.3.2 Tipos de diodo láser 49
3.3.2.1 Láser Fabry-Perot 50
3.3.2.2 Láser Monomodo 51
3.3.2.3 Láser de realimentación distribuida (DFB) 53
3.3.2.3.1 Láser DFB con modulador externo 55
3.3.2.3.2 Láser DFB sintonizable 56
3.3.2.4 Láser de pozos cuánticos múltiples 56
3.3.2.5 Láser de solitón 57
3.3.3 Láseres utilizados en la transmisión de solitones 59
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones iv
3.4 DETECTORES ÓPTICOS 61
3.4.1 Absorción de luz 61
3.4.2 Tipos de fotodetectores 62
3.4.2.1 Detectores PIN 63
3.4.2.2 Detectores APD 65
3.5 DISPOSITIVOS ÓPTICOS PASIVOS 67
3.5.1 Atenuador 68
3.5.2 Acoplador 68
3.5.3 Aislador 69
3.5.4 Conector y empalme 69
3.5.5 Circulador 70
3.5.6 Polarizador 71
3.5.7 Rejilla de difracción 71
3.5.8 Filtros ópticos 72
3.5.8.1 Filtros Fabry-Perot 72
3.5.8.2 Filtros Mach-Zehnder 74
3.6 AMPLIFICADORES ÓPTICOS 75
3.6.1 Amplificadores de fibra dopada con erbio 77
3.6.2 Amplificadores Raman 81
3.7 DEMOSTRACIÓN DE LA TRANSMISIÓN POR SOLITÓN EN FIBRAS 83
3.7.1 Transmisión por solitón con diodos laser y amplificadores de fibra
dopada 86
3.7.2 Transmisión por solitón sobre fibra muy larga con compensación
de perdidas por ganancia Raman 90
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones v
Capitulo 4
SISTEMAS DE TRANSMISIÓN WDM POR SOLITON 92
4.1 WDM 94
4.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN 96
4.2.1 Transmisor 96
4.2.2 Fibras de dispersión desplazada 97
4.2.3 El modelo del amplificador óptico 97
4.2.4 Características de las colisiones entre canales 98
4.3 EL EFECTO DE LA AMPLIFICACIÓN A SEGMENTOS 99
4.4 MANEJO DE DISPERSIÓN 99
4.5 EFECTOS SOBRESALIENTES 100
4.5.1 Fondo y motivación de sistemas de transmisión por fibra óptica 101
Conclusiones 102
Glosario 103
Bibliografía 107
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones vi
OBJETIVOS
Objetivo General
Comprender cómo es posible lograr la generación y transmisión de solitones en sistemas de
comunicaciones ópticas desde el punto de vista de ingeniería, sentando algunas bases teóricas
para estudios posteriores en el tema.
Objetivos particulares
Describir las características y los fenómenos de las fibras ópticas que dan lugar al surgimiento de
los solitones, así como los factores que determinan su transmisión.
Revisar las variaciones y configuraciones de los componentes que se utilizan en los sistemas
ópticos para hacer posible la transmisión de los solitones.
Considerar la aplicación de los solitones en esquemas de multicanalización por división de
longitud de onda para mejorar las características de desempeño de un sistema de comunicaciones
ópticas, describiendo algunas de las investigaciones que se encuentran en desarrollo.
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones vii
JUSTIFICACIÓN
Nos hemos enfocado en el estudio de una filosofía de trabajo que permite aprovechar el gran
ancho de banda de la fibra óptica y la posibilidad de transmitir señales a grandes distancias y a
grandes velocidades, ventajas que son imposibles de igualar en cualquier otro medio de
transmisión pero que aún no se ha explotado en su totalidad.
Para abarcar mayores distancias es necesario incrementar la potencia del transmisor pero este
proceso se ve limitado por el surgimiento de efectos no lineales. En la propagación de solitones
se aprovechan estas no linealidades para obtener transmisiones de miles de kilómetros
conservando la forma de dicho pulso. Esto atrajo nuestra atención y es por ello que se decidió
realizar una investigación sobre las transmisiones ópticas mediante el uso de solitones, siendo
una opción para las comunicaciones trasatlánticas y para comunicaciones que requieren
transmisión de grandes cantidades de información. Otro factor que provocó la inclinación de
nuestra investigación por este tema fue la posibilidad de combinar la tecnología WDM y la
generación de solitones, con la cual se alcanzan tasas de transmisión de datos en terabits por
segundo.
Actualmente, los experimentos con solitones están dejando de ser un elemento puramente teórico
para pasar a una opción práctica. A menos que se desarrollen nuevas tecnologías dentro de las
fibras ópticas o nuevos medios de transmisión, los solitones constituyen una expectativa futura en
la que se permita aprovechar la infraestructura de las comunicaciones ópticas con la que ya se
cuenta.
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones viii
INTRODUCCIÓN
A pesar de las nuevas filosofías de trabajo, las nuevas estructuras de sistemas o los nuevos
formatos de transmisión, el avance en las comunicaciones ópticas lo han dado los desarrollos
tecnológicos en componentes y dispositivos fotónicos. Este proceso, que empezó alrededor de
1975, y que continúa hasta la fecha, puede agruparse en varias generaciones cuya implantación
comercial ha seguido muy de cerca a sus experimentos en el laboratorio [8]. La Figura 1 presenta
el periodo de tiempo en el que ha perdurado cada generación, así como el incremento en el
producto BL1; resaltando que cada generación trae consigo cambios fundamentales que ayudan a
mejorar el desempeño de futuros sistemas.
Figura 1. Evolución de los sistemas de comunicaciones ópticas.
1 La capacidad de un sistema de comunicaciones suele especificarse a través del producto BL (capacidad‐distancia), donde B representa la velocidad de transmisión (Gb/s) y L la separación entre repetidores (km).
Introducción
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones ix
La primera generación de sistemas de comunicaciones ópticas operaba en longitudes de onda de
0.8 µm (la llamada primera ventana2) y fue introducida comercialmente en 1978. En principio,
utilizaba fibras multimodo de salto de índice, fuentes ópticas de GaAs y fotodetectores de Si. La
capacidad de transmisión que podía conseguirse era alrededor de 45 Mbps con una separación
entre repetidores (puntos de regeneración de la señal) de 10 km. Estos primeros sistemas estaban
limitados por la dispersión intermodal por el tipo de fibra utilizada, por lo que se comenzaron a
emplear las fibras multimodo de índice gradual que disminuían el efecto del ensanchamiento del
pulso. Pronto se demostró que se podía incrementar la distancia entre repetidores si se cambiaba
la longitud de onda de transmisión hacia la segunda ventana (1.3 µm), donde las pérdidas se
reducían a menos de 1 dB/km y la dispersión cromática era mínima. El principal inconveniente
para poder llevar esto a cabo, estaba en poder disponer de fuentes ópticas y fotodetectores
capaces de transmitir y recibir a dicha longitud de onda.
Con el desarrollo de los láseres Fabry-Perot de InGaAsP y los fotodetectores de Ge. La segunda
generación de sistemas de comunicaciones ópticas estuvo disponible a principios de 1980. La
separación entre repetidores aumentó hasta unos 20 km, pero la velocidad de transmisión estaba
limitada a menos de 100 Mb/s debido a la dispersión en las fibras multimodo, por lo que pronto
se comenzarían a hacer intentos de utilizar fibras monomodo. Al principio no fue sencillo trabajar
con este tipo de fibras; pero una vez que se superaron los problemas mecánicos de fabricación,
acoplamiento y empalme, se consiguieron desarrollar sistemas muy robustos y optimizados
(velocidades por arriba de 1.7 Gb/s con distancias entre repetidores de 50 km) [4].
La limitación de los sistemas de segunda generación venía impuesta por la atenuación de la fibra
en segunda ventana, y la solución consistía en trasladar la longitud de onda de transmisión a la
tercera ventana (1.55 µm), donde la atenuación presenta su mínimo valor en torno a los 0.2
dB/km. Esta migración dio lugar a los sistemas de tercera generación, pero por el contrario, otra
serie de problemas asociados a la dispersión cromática tuvieron que comenzar a ser considerados.
2 Las ventanas de transmisión hacen referencia a las principales longitudes de onda sobre las que se realizan las transmisiones por fibra óptica dado que presentan menores pérdidas por atenuación.
Introducción
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones x
El problema de la dispersión podía ser solucionado ya sea desplazando la longitud de onda de
mínima dispersión de segunda a tercera ventana, alterando la geometría y/o composición del
material de la fibra, para obtener las denominadas fibras de dispersión desplazada, o reduciendo
el ancho espectral de las fuentes ópticas empleadas con el desarrollo de los láseres de
realimentación distribuida (DFB) y posteriormente los láseres de reflecxión de Bragg distribuida
(DBR). Los sistemas de comunicaciones ópticas de tercera generación operando a 2.5 Gb/s y
manteniendo una distancia entre repetidores alrededor de 85 km, estuvieron disponibles
comercialmente para 1990. Estos sistemas son capaces de operar a una velocidad de hasta 10
Gb/s utilizando fibras de dispersión desplazada junto con láseres monomodo DFB [2].
Una desventaja de los sistemas de tercera generación radica en que la señal debe ser regenerada
periódicamente mediante costosos repetidores electrónicos. La primera alternativa planteada para
incrementar la separación entre repetidores consistía en hacer uso de los sistemas coherentes3;
pero pronto pasaron a un segundo plano con la aparición de los amplificadores ópticos de fibra
dopada con erbio EDFA, los cuales permiten amplificar la señal de información en el dominio
óptico. Así, los sistemas de cuarta generación hacen uso de la amplificación y de la
multicanalización del ancho de banda de la fibra mediante el uso de la técnica WDM 4
(wavelength-division multiplexing) para incrementar la velocidad de transmisión y distancia
entre repetidores. El ámbito de aplicación más inmediato y relevante hacia el que se encaminaron
este tipo de sistemas fueron los enlaces submarinos.
La quinta generación de los sistemas de comunicaciones ópticas está basada en la transmisión por
solitones (pulsos que conservan su forma durante su propagación en fibra óptica, neutralizando el
efecto de la dispersión a través de la no linealidad de la fibra) como una técnica muy útil en la
transmisión a grandes distancias y alta velocidad. También se busca extender el rango de
3 Los sistemas coherentes hacen uso de esquemas de detección homodina y heterodina para mejorar la sensibilidad en el receptor y solventar algunos problemas existentes en la transmisión.
4 WDM hace referencia a un esquema en el cual múltiples portadoras ópticas, con diferentes longitudes de onda, son moduladas usando cadenas independientes de bits para ser posteriormente transmitidas por la misma fibra.
Introducción
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones xi
longitudes de onda sobre el cual puede operar un sistema WDM mediante el uso de nuevos
esquemas de amplificación como lo es la amplificación Raman. Aunado a ello, un nuevo tipo de
fibra conocida como fibra seca, ha sido producida con la propiedad de que las pérdidas en la fibra
son pequeñas en toda la región de longitudes de onda que va de 1.3 a 1.65 µm [4].
Como hemos visto, los avances más significativos dentro de las comunicaciones ópticas se han
producido prácticamente durante las últimas tres décadas y siguen generándose a un ritmo
vertiginoso. Es por eso que en este trabajo se trató de sintetizar aquello que consideramos lo que
hasta cierto punto promete ser el siguiente paso en las redes de comunicaciones ópticas: la
transmisión por solitones. Aunque los solitones aún no han alcanzado una condición que los
muestre como una solución ya operativa, es posible que en muy poco tiempo esta situación
cambie.
Para entender porqué los solitones son necesarios en los sistemas de comunicaciones por fibra
óptica, debemos considerar algunos de los problemas que limitan la distancia y/o la capacidad de
las transmisiones ópticas de datos. Los principales efectos físicos que gobiernan la propagación
de señales en fibras ópticas se pueden dividir en dos grupos: efectos lineales, que son
independientes de la intensidad de la señal y efectos no lineales, que dependen de la potencia de
la señal y de la tasa de bits [1].
Por ello, en el Capítulo 1 se trata la radiación óptica desde el punto de vista de rayos que, aunque
no es totalmente correcto para cualquier situación, sí da una imagen gráfica de cómo se propaga
la luz dentro de una fibra óptica. Se plantean los principales tipos de fibras existentes y se
muestran sus propiedades físicas. Finalmente se describen los dos efectos lineales más
importantes que limitan la propagación de la señal en una fibra óptica y que dependen de la
longitud de onda de la señal: la atenuación y la dispersión. Es importante hacer notar que los
efectos dispersivos pueden utilizarse también de forma beneficiosa en los sistemas de
comunicaciones ópticas, y éste es el caso de los solitones.
Introducción
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones xii
En el Capítulo 2 se consideran los efectos no lineales más importantes que pueden limitar o
mejorar el desempeño de las fibras ópticas. Estos efectos se deben considerar cuando se diseñan
sistemas de gran capacidad y larga distancia que impliquen altos niveles de potencia y en los que
se transmiten señales a diferentes longitudes de onda; clasificándolos en efectos dispersivos
(scattering) y en efectos relacionados con el efecto Kerr. En este capítulo también se describe la
formación y propagación de los solitones en una fibra, presentándolos como la solución más
sencilla (estable) de la ecuación no lineal de Schrödinger que incluye un operador lineal (que
toma en cuenta los efectos dispersivos) y un operador no lineal (relacionado con la modulación
de fase no lineal), pero sin adentrarse tanto en describir cálculos físicos y matemáticos complejos.
En el Capítulo 3 se introducen los componentes usados comúnmente en un sistema de
comunicaciones ópticas y sus variaciones para adecuarlos a la transmisión por solitones. Para
ello, principalmente se necesita que la red sea totalmente óptica, disponer de fuentes láseres
capaces de generar pulsos de muy corta duración y esquemas de amplificación que sean capaces
de compensar las pérdidas introducidas por la fibra.
En el Capítulo 4 se presenta una manera de tomar ventaja del gran ancho de banda que posee la
fibra óptica mediante la transmisión de pulsos ultracortos (solitones) combinados con esquemas
WDM para mejorar las transmisiones a largas distancias. El que los sistemas de
multicanalización por longitud de onda sean el tema central de las comunicaciones ópticas hoy en
día, justifica que la bibliografía dedicada al tema crezca continuamente, de manera análoga a
como se multiplican los sistemas de este tipo instalados y operativos en todo el mundo. Es por
ello que en el capítulo se dejan de lado algunos aspectos sobre WDM y se enfoca más en ofrecer
una visión global del tema, que cumpla con los objetivos de nuestro trabajo.
Al final de este trabajo, se expondrán las conclusiones a las que hemos llegado en base a la
utilización de los solitones dentro de las comunicaciones ópticas.
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 1
Capítulo 1
TRANSMISIÓN POR FIBRAS ÓPTICAS
Para entender el funcionamiento de un sistema de comunicaciones ópticas, en este capítulo
describimos los conceptos y principios básicos de propagación de la luz en una fibra óptica a
partir de las leyes de la óptica geométrica; se explican los principales tipos de fibras ópticas que
existen y finalmente se estudian los mecanismos de atenuación y dispersión que ocurren en ellas.
1.1 ÓPTICA GEOMÉTRICA
La óptica es la parte de la física que estudia las propiedades de la luz. Si solo se tienen en cuenta
las trayectorias seguidas por la luz (los rayos), sin considerar la naturaleza física de las ondas
electromagnéticas, entonces su estudio pertenece al campo de la óptica geométrica. La
propagación de la luz en una fibra óptica puede ser analizada mediante el empleo de las leyes de
la óptica geométrica.
La luz se compone de ondas electromagnéticas que se propagan en el vacío a una velocidad v del
orden de 300 000 km/s. Estas ondas transportan energía y se caracterizan por sus frecuencias de
oscilación f; asimismo, pueden determinarse por medio de otro parámetro llamado longitud de
onda λ, que se define como la relación entre su velocidad de propagación y su frecuencia [12].
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 2
v
f
Si su longitud de onda está comprendida entre 0.4 μm y 0.8 μm, las ondas electromagnéticas
tienen la particularidad de excitar al ojo humano, y de esta forma pueden ser visibles. En tal caso
se les designa con el nombre de luz visible.
En un medio dieléctrico (aislante eléctrico), la luz se propaga a una velocidad v menor, en
comparación con la que alcanza en el vacío, c. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío
y la velocidad en el dieléctrico se llama índice de refracción del dieléctrico. Este índice de
refracción n es una característica específica del medio [13].
cn
v
1.2 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ
La luz puede transmitirse, reflejarse o refractarse al incidir, con cierto ángulo, en la superficie de
separación que existe entre dos medios dieléctricos de diferente índice de refracción [11]. Si
ambos medios son homogéneos y sin pérdidas, el resultado es una división del rayo en dos, uno
reflejado y otro refractado, propagándose, cada uno de ellos por cada uno de los medios
existentes. El primero lo hará siguiendo una trayectoria que forma un ángulo con la normal al
plano de separación de los medios, igual al de incidencia, Figura 1.1 (a), mientras que el
refractado lo hará de acuerdo con la Ley de Snell:
1 1 2 2sen senn n
(1.1)
(1.3)
(1.2)
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 3
Este fenómeno, para el caso de n2 > n1 (la luz pasa de un medio menos denso a uno más denso),
se cumplirá para cualquier ángulo de incidencia, mientras que si n2 < n1 (la luz pasa de un medio
mas denso a uno menos denso), la situación cambia. Para un cierto ángulo de incidencia θ1c, se
llegará a cumplir que θ2 = 90º, o lo que es igual:
21
1
sen c
n
n
Éste ángulo es el que se conoce como ángulo crítico, y todas las correspondientes a ángulos
1 1c> , se encuentran dentro del caso que se conoce como reflexión total interna. En ella no
existe ningún rayo de luz propagándose por el segundo medio, esto es, no aparece un rayo
refractado, Figura 1.1 (b).
Figura 1.1. Reflexión y refracción de un rayo de luz al incidir sobre una superficie de separación entre
dos medios dieléctricos. (a) Caso general. (b) Situación en la que sólo existe rayo reflejado.
1.3 TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS
La fibra óptica básicamente consiste de un núcleo de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y una
capa protectora. Estas fibras se basan en el principio de la reflexión total para que la luz incidente
pueda ser guiada por el núcleo. Para esto la fibra tiene un índice de refracción constante en el
(1.4)
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 4
núcleo y está cubierta por un revestimiento con un índice de refracción menor. Esta cubierta
puede ser el aire, cuando la fibra no cuente con el revestimiento. El valor de n del aire es la
unidad y por lo tanto es menor al índice del núcleo. Aunque este caso no es usual ya que durante
la manipulación para su instalación pueden generarse ralladuras, manchas, contactos con medios
con índice de refracción no previstos y muchas otras posibles variaciones externas, lo que
ocasionará un cambio en la reflexión y una “fuga” del rayo de luz.
Las fibras ópticas se clasifican en función de su perfil de índice de refracción (índice escalonado
o gradual) y la cantidad de rayos luminosos (monomodo y multimodo) incidentes en el núcleo.
En esta clasificación la fibra puede comportarse como multimodo o monomodo dependiendo de
la longitud de onda de la radiación óptica que se propague por ella [15].
1.3.1 Fibra multimodo de índice escalonado (o abrupto)
El comportamiento del rayo de luz dentro del núcleo de la fibra óptica de índice escalonado será
como el descrito en la Figura 1.2, que muestra cómo son introducidos los haces de luz con
diferente longitud de onda creando un cono a la entrada limitado por el ángulo critico [12].
Figura 1.2. Esquema de la fibra óptica multimodo de índice escalonado.
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 5
Los rayos de luz (también llamados modos) se propagan por medio de reflexiones totales en
forma de zig-zag dentro del núcleo. Los haces que rebasan por poco el ángulo critico sufrirán una
reflexión y refracción. Los más alejados al ángulo crítico sufrirán una reflexión por el medio
exterior por lo que no se podrá ser transmitido. El ángulo de entrada (ángulo de aceptación)
estará descrito por medio de la ecuación:
22
21
2
1
211 1 nn
n
nnsennsen ca
donde:
αc = ángulo refractado.
n1 = índice de refracción de la cubierta.
n2 = índice de refracción del núcleo.
El ángulo de aceptación de la fibra determina el límite entre la radiación que se propaga por ella
y la que será radiada al medio circulante. El valor de su seno es la apertura numérica (NA) de la
fibra que indica el número de modos posibles que se pueden propagar por el núcleo. La apertura
numérica se expresa con la siguiente ecuación:
22
21 nnsenNA a
Una propiedad de las fibras para una longitud de onda dada que nos permite determinar el
máximo número de modos que pueden existir en el núcleo de una fibra, es la frecuencia
normalizada V, definida como:
NAa
V2
donde: a = radio del núcleo.
(1.5)
(1.6)
(1.7)
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 6
De esta manera, se puede aproximar el número de modos N que una fibra puede soportar
aplicando la fórmula:
2
2
VN =
Para un número razonablemente grande de modos:
Si V ≤ 2.405, sólo un modo se propagará.
Si V > 2.405, más de un modo se propagará.
1.3.2 Fibra multimodo de índice gradual
Se utiliza en enlaces de más alta capacidad de información. La diferencia de este tipo de fibra
radica en que está compuesta por capas cilíndricas con índices de refracción que va variando
gradualmente desde el centro con un índice de refracción mayor (máximo) hasta llegar a la
cubierta con un menor índice (mínimo). La consecuencia de este arreglo de índices de refracción
es que cualquier rayo de luz que se propague por esta fibra va sufriendo una refracción pasando a
la capa siguiente, cada vez con un ángulo menor, con respecto al eje, que el que tenía la capa
anterior. Este proceso se repetirá periódicamente hasta alcanzar su ángulo crítico sufriendo
entonces una reflexión total y dirigirá su trayectoria hacia el centro de la fibra. Esto provoca un
desplazamiento ondulatorio que periódicamente cruza por el centro de la fibra como se muestra
en la Figura 1.3 [15].
(1.8)
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 7
Figura 1.3. Esquema de la fibra óptica multimodo de índice gradual.
Con esto se logra reducir casi por completo la dispersión intermodal (de la que hablaremos más
adelante) ya que la velocidad longitudinal o axial de todos los modos es la misma y por lo tanto,
toda la información llegará al mismo tiempo. Este fenómeno funciona de la siguiente manera:
“los rayos que recorren un camino muy alejado del eje, en su posición extrema encontrarán un
índice de refracción más pequeño que el que hay cerca del eje. Debido a ello, la velocidad que
tendrán será mayor allí que en el centro de la fibra. Los modos de orden bajo, que circulan muy
próximos al eje, durante todo su camino verán un índice de refracción de valor alto y, en
consecuencia su velocidad será mayor” [11]. En conclusión a todo esto, una longitud mayor se
compensa con una velocidad mayor, mientras que una longitud menor se recorre con menor
velocidad; por lo tanto aunque esté compuesto por un gran número de modos el pulso llegará al
receptor sin ensancharse.
Llevando a la práctica este principio del índice gradual se observa que tiene una gran desventaja:
el rayo cuando pasa de capa en capa sufre un fenómeno de reflexión y refracción obteniendo dos
rayos y así sucesivamente obteniendo una mayor atenuación.
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 8
1.3.3 Fibra monomodo
Este tipo de fibras se utilizan para telecomunicaciones de gran distancia y capacidad. Físicamente
se pueden diferenciar de las demás por unas dimensiones más reducidas de su núcleo en
comparación con fibras anteriores. En cuanto a su forma de transmisión, sólo se propaga un modo
por el núcleo como se muestra en la Figura 1.4. Con estas características se logra una transmisión
a frecuencias mayores, llegando a transmitir hasta 100 Gbits/km.
Figura 1.4. Esquema de la fibra óptica monomodo.
1.4 DEGRADACIÓN DE LA SEÑAL EN FIBRAS ÓPTICAS
En un sistema de comunicaciones ópticas, la fibra óptica constituye el canal de transmisión por
excelencia. Este canal debe estar en condiciones de realizar la mejor transmisión posible de una
señal óptica. Sin embargo, existen diferentes factores que limitan la extraordinaria capacidad de
transporte de información que posee la fibra. Es por lo tanto fundamental el estudio de sus
características de propagación y transmisión.
La atenuación de la señal es una de las propiedades más importantes de una fibra óptica, pues
reduce la potencia de la señal que llega al receptor. Como el receptor óptico necesita de una
cantidad mínima de potencia para recuperar la señal correctamente, la atenuación entonces
determina en gran medida la separación máxima entre el transmisor y el receptor en un sistema
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 9
de comunicaciones ópticas. Otro factor de igual importancia es la dispersión de la señal. Los
mecanismos de dispersión en una fibra generan que los pulsos de señal óptica que viajan a través
de ella se ensanchen, generando errores en la salida del receptor y limitando la capacidad de
información que puede transmitir la fibra.
1.4.1 Atenuación
La atenuación de una señal (también conocida como pérdidas en la fibra), se define como la
relación que existe entre la potencia óptica de salida Pent de una fibra de longitud L con la
potencia óptica de entrada Psal. El símbolo α es comúnmente usado para expresar atenuación en
decibeles por kilómetro:
sal
ent
P
P
Llog
10
Como se observa en la Figura 1.5, la atenuación que sufre la luz al propagarse a lo largo de la
fibra óptica está en función de la longitud de onda, tanto para fibras monomodo como multimodo.
Los mecanismos básicos de atenuación en una fibra son principalmente absorción, scattering5 y
pérdidas debidas a imperfecciones en la fibra [2]. La absorción depende únicamente del material
que constituye la fibra, mientras que las otras dos se derivan tanto de éste como de las
irregularidades existentes en el material.
5 La palabra scattering presenta una dificultad para traducirse en el campo de las comunicaciones ópticas. Se puede traducir como dispersión, pero puede confundirse con el mecanismo de dispersión para referirse al fenómeno de ensanchamiento de los pulsos. Por ello se optó por tomar la palabra algunas veces en inglés para designar a los fenómenos en donde la energía que transporta la señal se pierde al ser redireccionada fuera del medio de transmisión o bien al cambiar su longitud de onda.
(1.9)
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 10
Figura 1.5. Curva típica que muestra los principales mecanismos de atenuación presentes en la
transmisión por fibra óptica.
1.4.1.1 Absorción material
La absorción material puede ser dividida en dos categorías. Las pérdidas intrínsecas corresponden
a la absorción causada por la sílica pura (material usado para la fabricación de las fibras),
mientras que las pérdidas extrínsecas son las pérdidas causadas por impurezas en la fibra [3].
1.4.1.1.1 Pérdidas intrínsecas
Dado un material específico, debido a su constitución molecular, habrá absorción de la señal a
determinadas longitudes de onda. Para moléculas de sílica (SiO2), ocurren tanto resonancias
electrónicas en la región ultravioleta (λ < 0.4 µm), como resonancias vibratorias en la región de
infrarrojo (λ > 7 µm). Debido a la naturaleza amorfa de la sílica pura, estas resonancias se
presentan en forma de bandas de absorción cuyas colas se extienden hasta la región de la luz
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 11
visible. En el rango de longitudes de onda comprendido entre 1300 y 1550 nm, este tipo de
absorción no supera los 0.03 dB/Km. Estas pérdidas son las mínimas que podrían aparecer en
cualquier tipo de fibra que se fabrique con sílica (a menos que nuevos materiales sean utilizados
para transportar señales ópticas), independientemente de la tecnología que se emplee.
1.4.1.1.2 Pérdidas extrínsecas
Se originan debido a la presencia de impurezas (de ahí que también se les conozca como pérdidas
por impurezas). Algunas de las impurezas causantes de estas pérdidas son: hierro, cobre, níquel,
magnesio y cromo; que son fuertes fuentes de absorción en las bandas de longitudes de onda de
nuestro interés. Las técnicas modernas de fabricación han logrado reducir estas pérdidas a valores
muy pequeños (menos de una parte por billón) para obtener pérdidas menores a 1 dB/Km. Pero la
principal fuente de absorción extrínseca es la presencia de residuos de vapor de agua durante los
procesos de fabricación de la fibra (reacciones de hidrólisis). Concentraciones equivalentes a
0.003 partes por millón generan pérdidas del orden de los 20 dB/Km; es por ello que la
concentración del ión OH contenido en la fibra debe ser reducido a menos de una parte en 100
millones para mantener valores de pérdidas bajos. Sin embargo, este tipo de atenuación no es
uniforme en todo el espectro, el principal pico de absorción del ión OH se encuentra cerca de
2.73 µm y en sus armónicos, localizados en 1.39, 1.24 y 0.95 µm.
1.4.1.2 Pérdidas por scattering
El material de la fibra no es el único que da lugar a pérdidas en ella. Toda irregularidad
estructural, por muy microscópica que sea, hace que la luz que pasa a través de ella experimente
una serie de fenómenos debidos, principalmente, a la interacción de las ondas electromagnéticas
con las diferentes irregularidades existentes en el material; por ejemplo, espacios huecos,
diferencias de densidad o de composición en el material, etc. El tipo de interacción variará de
acuerdo con la relación existente entre la longitud de onda (λ) de la radiación incidente y el
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 12
tamaño de la irregularidad. Cuando λ es mucho menor que dichas irregularidades, se presenta la
scattering Rayleigh, y si λ es mayor se trata de la scattering Mie [1].
1.4.1.2.1 Scattering Rayleigh
Esta pérdida es causada por diminutas fluctuaciones de densidad y variaciones en la
concentración molecular de la fibra, como burbujas, inhomogeneidades y grietas; procedentes del
proceso de fabricación y muy difíciles de eliminar. La scattering Rayleigh es una función inversa
de la longitud de onda. Esto implica que (con respecto a estas pérdidas) es conveniente trabajar a
una longitud de onda lo mayor posible. Pero por encima de 1600 nm, la absorción infrarroja se
vuelve dominante.
1.4.1.2.2 Scattering Mie
Este tipo de scattering ocurre por inhomogeneidades a lo largo de la longitud de la fibra o
imperfecciones en la frontera entre el núcleo y la cubierta. Afortunadamente, la mayor parte de
todas estas imperfecciones puede ser eliminada si se tiene cuidado durante la fabricación. Por
ello, este tipo de scattering no suele tomarse en cuenta en las fibras actuales. En el caso de que
exista, su repercusión sobre la señal transmitida no es tan relevante; las pérdidas se encuentran
típicamente por debajo de 0.03 dB/Km.
1.4.1.3 Pérdidas por acoplamiento
Una característica importante de las fibras ópticas es su habilidad de colectar luz emitida por una
fuente. Cuando se acopla una fuente a una fibra óptica se presentan dos mecanismos de perdidas,
uno de ellos está relacionado con el desacoplamiento de áreas, y el otro esta relacionado con la
apertura numérica.
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 13
El desacoplamiento de área se presenta cuando el patrón de radiación de la fuente es más grande
con respecto al área transversal del núcleo. Existen dos medios para reducir este problema: el
primero consiste en reducir la distancia entre la fuente y la fibra; el segundo consiste en emplear
fuentes con patrones pequeños de radiación y en particular más pequeños que el núcleo
Aunque el área iluminada por la fuente sea menor que el área del núcleo, existen otras perdidas
asociadas con el hecho de que las fuentes tienen un cono de emisión. Si el cono de emisión de la
fuente es más grande que el cono de aceptación de la fibra, la energía del rayo que no sea
contenida por el cono de aceptación de la fibra no será acoplada a ella.
1.4.1.4 Pérdidas debidas a imperfecciones en la fibra
Incluyen principalmente pérdidas por macro y micro dobleces (Figura 1.6), así como pérdidas por
la geometría de la fibra. Los microdobleces son fluctuaciones (en escala pequeña) en el radio de
curvatura del eje de la fibra. Son causados ya sea por uniformidades durante la fabricación de
cables de fibra o por presiones laterales creadas durante el cableado de la fibra. Los
microdobleces incrementan el valor de la atenuación debido a que la curvatura genera un
acoplamiento de energía repetitivo entre los modos guiados y los no guiados dentro de la fibra.
Los macrodobleces hacen referencia al radio de curvatura de la fibra. Doblar un cable de fibra
(generalmente en instalaciones de edificios) por debajo del radio mínimo especificado por el
fabricante puede ocasionar pérdidas (atenuación) en la transmisión e incluso se puede llegar a
romper la fibra óptica que se encuentra dentro del cable [7]. Finalmente, las pérdidas por la
geometría de la fibra se relacionan con la concentricidad núcleo/cubierta (alineación del núcleo
con la cubierta), diámetro exterior de la cubierta (que determina el tamaño de la fibra) y
enrollamiento de la fibra (número de curvaturas a lo largo de la longitud de la fibra).
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 14
Figura 1.6. Esquema ilustrativo de un micro (izquierda) y un macro (derecha) doblez.
1.4.2 Dispersión
Se puede realizar una transmisión digital en la fibra óptica, en cuyo caso, la información que
circula por la fibra tiene la forma de pulsos de luz [12]. A veces, al cero numérico (o señal baja)
le corresponde una ausencia de luz, mientras que al uno numérico (o señal alta) le corresponde
una presencia de luz. La información se transmite entonces por secuencias de pulsos luminosos
en la fibra. Entre más pulsos luminosos por unidad de tiempo sea posible inyectar, mayor será la
capacidad de transmisión de la fibra. Para que la información luminosa pueda utilizarse en un
extremo de la fibra, es necesario, primero, que la atenuación de la luz no sea demasiado grande, y
además que la información pueda reconocerse, es decir, que pueda distinguirse si la señal que
llega es alta o baja. Es necesario que la información no haya sido modificada, de manera que
puedan diferenciarse los pulsos. Si en la fibra se llega a producir un ensanchamiento en la
duración de los pulsos luminosos, pueden mezclarse dos pulsos sucesivos diferentes en la entrada
de la fibra y con esto hacer que la información se pierda (véase la Figura 1.7). Este
ensanchamiento de los pulsos obliga a aumentar el tiempo entre dos pulsos sucesivos y por tanto,
a reducir el ancho de banda de la modulación en una fibra y en consecuencia la capacidad de
transmisión de la información. A este ensanchamiento de los pulsos de luz mientras viajan a lo
largo de la fibra óptica se le llama dispersión.
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 15
Figura 1.7. Pérdida de la información debida al ensanchamiento de los pulsos transmitidos (a)
para un ciclo de trabajo bajo y (b) para un ciclo de trabajo elevado.
1.4.2.1 Dispersión intermodal
En una fibra óptica no todos los modos se propagan siguiendo las mismas trayectorias. Los
modos de orden pequeño van prácticamente en línea recta, mientras que los de orden elevado
reciben un gran número de reflexiones totales. Al final de la fibra, la energía de los diferentes
modos llega retrasada en tiempo con respecto al modo principal, haciendo que el pulso se
ensanche. Esta diferencia de tiempo que tardan los diferentes modos en recorrer una longitud
dada de fibra se conoce como dispersión intermodal de una fibra y es significativa para fibras
multimodo [2].
1.4.2.2 Dispersión cromática (intramodal)
La principal ventaja de las fibras monomodo es que la dispersión intermodal no existe debido a
que la energía del pulso transmitido es transportada por un solo modo. Sin embargo, el
ensanchamiento del pulso no desaparece por completo. Las fuentes de luz nunca son
monocromáticas y la luz emitida por estas fuentes está constituida por la suma de ondas de
diversas longitudes de onda. Si se inyecta luz de diversas longitudes en una dirección dada (modo
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 16
especificado), esta luz se propaga a diferentes velocidades, según sea la longitud de onda, y si se
descompone en función del tiempo, da como resultado un retardo entre las diferentes longitudes
de onda en el extremo de la fibra, aun cuando se hayan inyectado en el mismo instante. La
dispersión cromática D tiene dos contribuciones, la dispersión material DM y la dispersión de guía
de onda DW (Figura 1.8) [10]. En la mayoría de los tratamientos teóricos que se le dan a la
dispersión cromática, por simplicidad se asume que estas dos dispersiones pueden ser calculadas
por separado y después sumadas para dar la dispersión total del modo (D = DM + DW), expresada
en unidades de ps/(km-nm)6. Para una fibra normal, D ≈ 15 ps/(km-nm) en 1500 nm.
Figura 1.8. Dispersión material y de guía de onda en función de la longitud de onda para una
fibra monomodo.
La dispersión cromática en un enlace de fibra óptica es acumulativa con la distancia y es sensible
tanto a incrementos en el número y la longitud de enlaces por tándem como a incrementos en la
tasa de bits (incrementar la tasa de bits incrementa la tasa de modulación del láser, que a su vez 6 Es el ensanchamiento en picosegundos que le ocurre a un pulso con un ancho de banda de 1 nm mientras se propaga por 1 km de fibra óptica.
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 17
incrementa el ancho de sus bandas espectrales). En sistemas WDM, la dispersión cromática no es
significativamente influenciada por incrementos en el número de canales ni por la reducción de
su espaciamiento; sin embargo, su control es crítico [2].
1.4.2.3 Dispersión de velocidad de grupo
Se puede considerar que la señal modulada por una fuente óptica excita a todos los modos por
igual, que cada modo lleva una misma cantidad de energía a través de la fibra y que cada modo
contiene todas las componentes espectrales en el rango de longitudes de onda sobre el cual la
fuente transmite. Mientras la señal se propaga a través de la fibra, cada componente espectral
viaja independientemente y experimenta un retraso de tiempo por unidad de longitud en la
dirección de propagación. Se puede definir entonces a la velocidad de grupo (vg) como la
velocidad a la cual la energía de un pulso viaja a lo largo de la fibra [7]. El hecho de que la
velocidad de grupo dependa de la frecuencia genera el ensanchamiento del pulso, debido a que a
cada componente espectral de cualquier modo en particular le toma diferente cantidad de tiempo
recorrer una distancia determinada. Como resultado de estas diferencias en tiempo, el pulso de
señal óptica se dispersa. En algunos sistemas de comunicaciones ópticas, este efecto se
incrementa con la anchura espectral de las fuentes ópticas.
1.4.2.4 Dispersión material
La dispersión material (DM) es causada por el ancho del espectro de la fuente de luz. Al
propagarse todas las líneas espectrales correspondientes a las longitudes de onda de la fuente de
luz, éstas viajan a diferentes velocidades de propagación, lo que origina el ensanchamiento de los
pulsos. Ocurre porque el índice de refracción del material que forma a la fibra varía con la
longitud de onda y, en consecuencia, con la frecuencia óptica (Figura 1.9). De esta manera, como
la velocidad de grupo vg es a su vez una función del índice de refracción, las diferentes
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 18
componentes espectrales para un modo dado viajarán a velocidades diferentes, dependiendo de la
longitud de onda. En la región de 850 nm, longitudes de onda superiores se propagan más rápido
que longitudes de onda inferiores; por el contrario, en la región de 1550 nm, longitudes de onda
inferiores se propagan más rápido que longitudes de onda superiores a este valor. Cerca de la
región de 1300 nm, existe una longitud de onda λZ sobre la cual DM es positiva y debajo de la cual
DM es negativa. Llamada longitud de onda de dispersión cero varía en el rango de 1270 a 1290
nm y depende del radio del núcleo y de la variación del índice de refracción del núcleo. La
dispersión material es significativa para las fibras monomodo [2].
Figura 1.9. Variaciones en el índice de refracción de la sílica en función de la longitud de onda.
1.4.2.5 Dispersión de guía de onda
Esta dispersión es debida a los parámetros ópticos y geométricos de la fibra. Los efectos de la
dispersión de guía de onda (DW) pueden aproximarse suponiendo que el índice de refracción del
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 19
material es independiente de la longitud de onda. Se genera debido a que una fibra monomodo
sólo confina cerca del 80% de la potencia óptica en el núcleo. La dispersión surge porque el 20%
restante de la luz que se propaga en la cubierta viaja más rápido que la luz confinada en el núcleo.
La cantidad de dispersión de guía de onda depende del diseño de la fibra. Para fibras multimodo,
esta dispersión es muy pequeña comparada con la dispersión material y por lo tanto puede ser
ignorada. DW es negativa en el rango completo de longitudes de onda 0 a 1600 nm. El principal
efecto de la dispersión de guía de onda es desplazar λZ entre 30 y 40 nm para que la dispersión
total sea cero cerca de 1300 nm. Como las contribuciones de guía de onda DW dependen de
parámetros de la fibra como el radio del núcleo y de la diferencia de los índices de refraccción, es
posible diseñar fibras tales que λZ se desplace a la región de 1550 nm. Tales fibras se llaman
fibras de dispersión desplazada. Todo lo anterior, sugiere la posibilidad de optimizar la
transmisión fijando en una misma longitud de onda la mínima atenuación y la mínima dispersión
temporal. Esto es, se desplaza el punto de mínima dispersión hacia el de mínima atenuación,
quedando situado el punto de trabajo en la tercera ventana (1550 nm). En la práctica más usual,
ese desplazamiento se logra alterando el perfil de índice del núcleo y las condiciones de dopado
del mismo. También es posible adaptar las contribuciones de guía de onda tal que la dispersión
total D sea relativamente pequeña sobre el rango completo de longitudes de onda que va de 1300
a 1600 nm; estas fibras son llamadas fibras de dispersión aplanada. La Figura 1.10 muestra una
comparación entre ellas [2].
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 20
Figura 1.10. Relación entre la longitud de onda y el parámetro de dispersión D para una fibra
estándar, de dispersión desplazada y de dispersión aplanada.
La dispersión de guía de onda puede ser usada para generar fibras de dispersión disminuida, en
las que la dispersión de velocidad de grupo disminuye a lo largo de la fibra debido a las
variaciones en el radio del núcleo. En otro tipo de fibras, conocidas como fibras compensadoras
de dispersión, esta dispersión posee una magnitud más grande; colocando un pequeño tramo de
fibra, se compensa la dispersión cromática acumulada en el enlace óptico, aunque presenta mayor
atenuación que la fibra estándar (aproximadamente 0.5 dB/km) y una menor área efectiva [1].
1.4.2.6 Dispersión por modo de polarización
Un factor importante para el ensanchamiento de los pulsos es la llamada birrefringencia; asociada
a las componentes de polarización ortogonal del modo fundamental de la fibra. Desde el punto de
vista de polarización, dos modos son transportados en una fibra monomodo; un modo dominante
que viaja en el eje x y otro modo que viaja en el eje y. En condiciones reales, las fibras ópticas
Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 21
experimentan considerables variaciones en la uniformidad y forma del núcleo a lo largo de su
longitud, y además, sufren tensiones de tipo mecánico y estructural que rompen la circularidad
del núcleo. En estas condiciones se modifica la orientación de los ejes y la velocidad de
propagación correspondiente a cada uno de ellos (directamente relacionada con la magnitud de la
birrefringencia local). Si un pulso de entrada excita a ambas componentes de polarización, este
pulso se ensancha ya que las dos componentes se dispersan a lo largo de la fibra debido a sus
diferentes velocidades de grupo; lo que se conoce como dispersión por modo de polarización
(PDM). Las imperfecciones en la fibra pueden incrementar o contrarrestar la PDM; sin embargo,
hasta ahora no hay manera de mitigarla, sólo reducirla mediante un estricto control de calidad
durante el proceso de fabricación de las fibras. En un sistema de fibra óptica, esta dispersión
puede afectar al incremento en la tasa de bits por canal, al incremento en la longitud del enlace,
así como al incremento en el número de canales (sistemas WDM más densos) [3].
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 22
Capítulo 2
EFECTOS NO LINEALES
La fibra óptica es un medio de propagación no lineal. Cuando se propagan señales a baja potencia
los efectos no lineales son despreciables, mostrándose de manera clara la propagación de la señal.
Al incrementar la capacidad, longitudes y el ancho de banda de la fibra óptica, se necesita
incrementar la potencia de la señal y/o disminuir las pérdidas de la fibra [16]; es cuando se hacen
notables los efectos no lineales, los cuales limitan la potencia de la señal, descartando la
posibilidad de incrementarla indefinidamente.
2.1 NO LINEALIDADES
Estas no linealidades que se presentan modifican el funcionamiento del sistema conforme se
aumenta la potencia de la señal.
Todas estas modificaciones en la señal producen interferencia, distorsión, la acumulación de
ruido de cualquier amplificador óptico y atenuación adicional sobre las señales que se propagan,
conduciendo finalmente a degradaciones en el sistema. También afectan el área efectiva del
núcleo de la fibra, número y espaciado de canales ópticos en sistemas multicanal (WDM), ancho
de línea de la fuente y la longitud general del sistema sin regeneración. Pero no del todo son
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 23
malignos estos efectos. En los últimos años se ha puesto mucha atención e interés en estos efectos
no lineales ya que pueden utilizarse para mejorar las propiedades de transmisión en la fibra.
En el diseño de sistemas de comunicaciones por medio de fibra óptica de alta capacidad y largas
longitudes, se debe tener en cuenta el hecho que la señal de salida no varíe de forma directamente
proporcional con la potencia de la señal de entrada y que el espectro de la señal no sea
distorsionado y se generen nuevas frecuencias ópticas. Por lo tanto se consideran los efectos no
lineales los cuales se deben evitar o por lo menos reducirlos al mínimo, limitando el nivel de la
potencia, es decir, poniendo condiciones de máxima potencia acoplándola con un límite de la
razón señal a ruido y un máximo de capacidad.
Entre los fenómenos no lineales más conocidos que se producen en las fibras ópticas de silicio
destacan: dispersiones estimuladas de Raman y Brillouin, modulaciones de fase inducidas por las
portadoras o el mezclado de cuatro ondas. Los efectos no lineales son importantes,
principalmente, en sistemas WDM de larga distancia, amplificados y no regenerados. De este
tema se hablará en el Capitulo 4.
Las consecuencias de una transmisión no lineal incluyen:
1) La generación de señales adicionales dentro del canal (llamadas señales fantasmas).
2) Modificaciones de la fase y la forma de los pulsos.
3) La generación de luz en otras longitudes de onda.
4) La interferencia entre señales de longitudes de onda.
Las primeras dos provienen de la auto-modulación de fase y son usados en la generación de
pulsos solitones, cuya modulación de fase no lineal compensa la dispersión de velocidad de grupo
lineal de la fibra. El tercero y cuarto provienen del mezclado de cuatro ondas y de los efectos de
scattering Raman estimulado y/o scattering Brillouin estimulado. Estos pueden ser aprovechados
cuando se desea generar o amplificar longitudes de onda adicionales, pero por lo regular deben
ser evitados en los sistemas [9].
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 24
Los efectos no lineales se pueden clasificar en dos grupos:
o Efectos dispersivos (scattering).
o Efectos no dispersivos con relación al efecto Kerr.
Los efectos no lineales de Brillouin y Raman son caracterizados como dispersivos. Estos efectos
dispersivos se relacionan con la interacción con los fotones ópticos (señal de luz) y los fonones
(estados vibratorios). Estos efectos pueden ser vistos como una “dispersión” en el bombeo de luz
en donde se transfiere energía a los haces (o canales) de menor energía. En ambos casos (efecto
no lineal de Brillouin y Raman) la energía es transferida de una señal a otra con una longitud de
onda de menor energía conocida como la onda de Stokes, con la perdida de energía siendo esta
absorbida por una vibración del medio [16].
2.1.1 Efecto Kerr
El efecto Kerr es el cambio de índice de refracción de un material bajo la influencia de un campo
eléctrico, y consiste en la dependencia del índice de refracción del medio con la intensidad de la
señal [2]. La fase depende de la intensidad del campo óptico y provoca distorsión por la
modulación cruzada, la auto-modulación de fase, el mezclado de cuatro ondas y la formación de
solitones. Dicho efecto puede ser expresado mediante
InnIn 20)(
donde:
n0 = índice de refracción lineal de la fibra
n2 = coeficiente no lineal
I = intensidad de la señal
(2.1)
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 25
2.2 SCATTERING RAMAN ESTIMULADO SRS (Stimulated Raman Scattering)
Se refiere a la interacción que sufren las señales ópticas con las vibraciones mecánicas
moleculares del material de la fibra. Esta interacción se da con un fotón que incide sobre una
molécula y le entrega parte de su energía a la vibración mecánica de la molécula. La porción de
energía que queda de la señal, es irradiada con una longitud de onda más larga que con la que
originalmente se produjo en el transmisor, debido a la energía que se perdió. Esto ocasiona una
reducción en su frecuencia óptica y por lo tanto un aumento en el ancho de banda. Este
desplazamiento de frecuencia coincide precisamente con la frecuencia de vibración de las
moléculas (llamada frecuencia de Stokes). Todo esto produce que “la potencia de los canales de
menor longitud de onda (frencias altas) se reduzca y que esta potencia se transfiera a los canales
de longitud de onda más largos (frecuencias bajas)”, como se muestra en la Figura 2.1 [3].
Figura 2.1. Transferencia de potencia de la señal en longitudes de onda menores a las mayores.
A esta transferencia de potencia se le conoce como bombeo. La eficiencia del proceso no lineal es
directamente proporcional a la potencia de bombeo, la longitud efectiva de la fibra y un
coeficiente de ganancia que depende del material, e inversamente proporcional al área efectiva de
la fibra.
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 26
El proceso puede ser estimulado por un segundo fotón que aparece en esta longitud de onda más
larga, de modo que el fotón incidente surge como dos de ellos. A este proceso se le llama
amplificación estimulada Raman.
El efecto SRS provoca el acoplo de canales diferentes en sistemas WDM separados en frecuencia
menos de 15 THz que se acoplarán entre sí por medio del SRS que da lugar a la diafonía
(crosstalk). Para unos cuantos canales, el límite de potencia decrece como 1/N (donde N=número
de canales) debido a que el espectro Raman es bastante ancho y las potencias de todos los canales
contribuyen al proceso de SRS. Conforme se añaden más canales, el ancho de banda óptico
ocupado aumenta y las interacciones entre canales resultan más significativas, decreciendo el
límite de potencia óptica como 1/2N, (donde N=número de canales) [2]. En la Figura 2.2 se
muestra el numero máximo de canales antes de que aparezcan los efectos no lineales en una
transmisión en la ventana de los 1550 nm, con una fibra que presenta un atenuación de 0.2 dB por
kilómetro, tiene un área efectiva de 50 μm2, y una longitud efectiva de 22 km.
1000
100
10
1
0.1
0.011 10 100 1000
Número de canales
Efecto de mezclado de cuatro ondas (FWM)
Efecto de Dispersión Estimulada de Brillouin (SBS)
Efecto de Dispersión Estimulada de Raman (SRS)
Efecto de modulación de fase cruzada (XPM)
Parámetros: λ= 1550 nmα= 0.2 dB/Km.Aeff=50 μm2
Leff=22 km
Figura 2.2. Potencia máxima por canal para evitar la influencia de distintos efectos no lineales.
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 27
2.2.1 Soluciones y mitigación del efecto
Una posible solución para eliminar estos efectos de diafonía consiste en el empleo de la técnica
de inversión espectral. La técnica de inversión espectral consiste en la conjugación de la señal
óptica ya que esta equivale a girar el espectro de modulación invirtiendo la fase de la señal y se
ha utilizado con éxito en la cancelación de la diafonía producida por SRS en redes WDM.
En sistemas unicanal, el espectro no deseado puede ser quitado con filtros. Sin embargo para
sistemas WDM aun no hay una técnica para eliminar este efecto. También se puede reducir éste
disminuyendo la potencia óptica de entrada.
2.3 SCATTERING BRILLOUIN ESTIMULADO SBS (Stimulated Brillouin Scattering)
Este efecto no lineal es muy similar al SRS a diferencia de que éste depende de las ondas sonoras
en lugar de las vibraciones moleculares. En este efecto interaccionan la onda luminosa y una
onda sonora. Las ondas sonoras en el cristal causan una variación en el índice de refracción. Este
efecto puede ser descrito como una interacción de tres ondas: entre la onda original óptica, la
onda acústica y la onda de Stokes [2]. Las tres ondas deben satisfacer la ley de conservación de la
energía y está descrita como:
aS pf20
donde:
ω0 = es la frecuencia angular de la onda óptica inyectada, y es llamada onda de bombeo.
ωs = es la frecuencia angular de la onda de stokes.
fa = la frecuencia de la onda acústica esta es aproximadamente 11.1 GHz en fibras convencionales
El ancho de banda del SBS en fibras de silicio, es de unos 20 - 100 MHz a 1550 nm. En este caso,
la máxima ganancia del SBS se producirá para láseres con anchos de línea inferiores a 20 MHz.
(2.2)
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 28
A diferencia del SRS, el cual puede actuar en ambas direcciones, el SBS se produce únicamente
en la dirección de propagación opuesta a la del bombeo, generando una onda reflejada hacia el
transmisor y provocando la atenuación de la potencia óptica inyectada. En el caso de fibras
estándar operando a 1550 nm la onda dispersada se encuentra desplazada con respecto a la onda
incidente una frecuencia de unos 11 GHz [7].
Con respecto al nivel de potencia óptica crítico para el cual el SBS degrada la calidad del sistema,
éste se encuentra en torno a los 3 mW considerando los parámetros típicos de la Figura 2.2. En
sistemas multicanal WDM puede demostrarse que cada canal óptico interactúa con la fibra
independientemente de los otros, por lo que la potencia crítica se mantiene constante aumentando
el número de canales del sistema. En la Figura 2.2 se representa precisamente este hecho. Por
último, conviene indicar que el SBS es bastante sensible al formato de modulación empleado.
Velocidades de modulación elevadas producen espectros ópticos anchos y una reducción de la
amplificación estimulada por Brillouin.
2.3.1 Soluciones y mitigación del efecto
El empleo de modulaciones PSK permite reducciones mayores que el uso de modulaciones ASK
o FSK. Para aumentar el nivel de potencia crítico del SBS en sistemas modulados en intensidad
suelen utilizarse técnicas de modulación de fase de la portadora óptica que no afectan al proceso
de detección directa. Un efecto beneficioso se obtendría empleando modulación directa frente a
modulación externa debido precisamente al chirp de frecuencia introducido en el transmisor
óptico que provoca un ensanchamiento del espectro de modulación. Con sistemas unicanal el
espectro no deseado puede ser eliminado con filtros. Sin embargo ninguna técnica ha eliminado
el efecto por completo en sistemas WDM. Los efectos pueden ser reducidos si se reduce la
potencia de entrada.
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 29
2.4 CHIRP
Un sistema de frecuencia modulada pulsada o chirping es un sistema de espectro ensanchado en
el que la portadora de radiofrecuencia se modula con un periodo fijo y una secuencia de trabajo
fijo. En otras palabra son los cambios rápidos de niveles de potencia que ocurren para
velocidades de transmisión aproximadas a 10 GHz pueden alterar ligeramente las características
del láser causando un cambio de frecuencia en la salida. El chirp de frecuencia puede limitar el
desempeño de sistemas que operan en 1550 nm. Al principio de cada pulso transmitido la
frecuencia de portadora se modula en frecuencia causando un ensanchado adicional.
El chirp aparece como una pequeña cantidad de ruido y como variaciones en la longitud de onda
dependiendo de la construcción del láser. El chirp puede ampliar el ancho espectral de un láser,
que resultaría en dispersión cromática. Este problema se puede superar usando fibras de
dispersión desplazada o empleando esquemas que compensan la dispersión. Estos chirp de
frecuencia pueden ser eliminados mediante el uso de moduladores externos, ya que una fuente de
luz, se encuentra en funcionamiento todo el tiempo [2].
2.5 AUTO-MODULACIÓN DE FASE SPM (Self-Phase Modulation)
Cuando el nivel de salida acoplado de una fuente de luz es demasiado alto la señal puede modular
su propia fase. Es decir, convierte las fluctuaciones de potencia óptica de una determinada onda
en fluctuaciones de fase de la misma onda [3].
Los fenómenos de SPM en fibras estándar se producen debido a la existencia de una componente
del índice de refracción dependiente de la intensidad de las señales ópticas (efecto Kerr). Esto
causa un ensanchamiento o compresión del pulso transmitido dependiendo del signo (ya sea
positivo o negativo) de la dispersión cromática. Esto causa una asimetría en los extremos de la
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 30
banda de la señal de salida, a longitudes de onda mayores en el inicio del borde de la señal, y a
longitudes de onda más cortas en el borde final del pulso [2].
La auto-modulación de fase aumenta con la potencia transmitida. Es más destructiva para tasas de
bit altas y tiempos de subida del pulso son más cortos. Generalmente este efecto es más
significativo en sistemas con alta dispersión acumulativa o sobre sistemas con longitudes muy
grandes. En sistemas WDM con canales muy juntos, el ensanchamiento espectral puede crear
interferencia entre los canales.
2.5.1 Soluciones y Mitigación del efecto
La auto-modulación de fase disminuye cuando el valor de la dispersión cromática es muy
pequeño o es cero; o con un aumento en el área eficaz de la fibra [3].
2.6 MEZCLADO DE CUATRO ONDAS FWM (Four-Wave Mixing)
La misma no linealidad que da lugar al índice de refracción no lineal participa también en el
proceso de mezclado de cuatro ondas en fibras ópticas monomodo [2]. Este proceso no lineal se
caracteriza por mezclados de tercer orden entre las portadoras ópticas que dan lugar a la aparición
de nuevas frecuencias a la salida del medio de transmisión. Considerando que se propagan dos
portadoras a frecuencias ópticas f1 y f2 por una misma fibra, el proceso no lineal generará dos
nuevas bandas laterales a frecuencias 2f1 - f2 y 2f2 - f1. Estas bandas laterales se propagarán junto
con las dos ondas iniciales aumentando su amplitud a expensas de la energía de las originales. De
forma similar, tres canales propagándose por la fibra darán lugar a la generación de nueve ondas
adicionales a frecuencias fijk = fi + fj - fk, donde i, j y k pueden ser 1, 2 ó 3. Estos nuevos productos
generados por FWM se muestran en la Figura 2.4. Si los canales se encuentran igualmente
espaciados, algunas de las nuevas ondas generadas tendrán frecuencias coincidentes con las de
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 31
los canales inyectados en la fibra. De la Figura 2.4 se desprende que las nuevas ondas generadas
por FWM degradarán considerablemente las prestaciones en sistemas WDM con gran número de
canales. Los efectos inmediatos serán una atenuación adicional de la potencia de los canales y
fenómenos de diafonía [3].
Figura 2.4. Productos de FWM generados por tres portadoras ópticas.
El FWM puede ocurrir cuando se propagan tres señales de frecuencia muy parecida (constantes
de propagación y velocidad similares) generando nuevas frecuencias (fenómeno similar a la
distorsión por intermodulación de los sistemas eléctricos). El mezclado de dos canales (ωi, ωj)
modula un tercer canal (ωk) con la frecuencia diferencia generando un nuevo tono lateral, ωk + ωi
- ωj. El problema del FWM en muy severo en sistemas WDM que utilizan fibras de dispersión
desplazada (DSF) ya que la ausencia de dispersión provoca que las ondas de frecuencia diferente
se propaguen con una velocidad de grupo muy similar. Y aun más en sistemas DWDM.
La eficiencia del proceso no lineal de FWM depende del espaciado de los canales y de la
dispersión de la fibra. Las velocidades de grupo de las ondas iniciales y generadas son distintas
como consecuencia de la dispersión cromática. Esto provoca la destrucción de la condición de
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 32
adaptación de fases del proceso de FWM y reduce la eficiencia de potencia en la generación de
nuevas ondas. La eficiencia del FWM decrece cuando aumenta la diferencia entre las velocidades
de grupo, por lo que valores de dispersión o separaciones entre canales mayores conducen a
menores eficiencias. En la Figura 2.5 se representan las curvas de eficiencia de FWM en función
de la separación entre canales y para dos valores distintos de dispersión cromática. De la figura se
deduce que el FWM es bastante más eficiente en fibras de dispersión desplazada (D = 1
ps/km·nm. Donde D es el valor de dispersión desplazada) que en fibras monomodo estándar
(Standard Single-Mode Fiber SSMF) operando a 1550 nm (D = 17 ps/km·nm). En general, los
efectos no lineales son mucho más eficientes en regiones de dispersión nula [2].
Figura 2.5. Eficiencia de FWM para dos tipos de fibra óptica.
De acuerdo con la Figura 2.5, un método para reducir las degradaciones introducidas por el FWM
en sistemas multicanal WDM consiste en emplear fibras dispersivas para conseguir aumentar la
desadaptación de fases del proceso no lineal. Sin embargo, dado que valores elevados de
dispersión cromática conducen a otro tipo de degradaciones, suelen emplearse las llamadas
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 33
NZDSFs (nearly zero dispersion-shifted fibers). Este tipo de fibras se caracterizan por valores de
dispersión suficientemente reducidos, pero no nulos, para evitar simultáneamente los efectos
dispersivos y no lineales. Finalmente, se ha demostrado que la técnica de inversión espectral
(conjugación óptica) también resulta válida para compensar las degradaciones producidas por
FWM.
2.6.1 Soluciones y Mitigación del efecto
Se puede mitigar el efecto con un espaciado de canal no uniforme, aunque la energía sigue
perdiéndose. En fibras monomodo se mitiga reduciendo la potencia de entrada y puede permitir la
operación multicanal pero puede comprometer las ventajas económicas de la amplificación
óptica. Una forma de evitar el FWM es utilizar fibras con una dispersión significativa.
2.7 MODULACIÓN DE FASE CRUZADA XPM (Cross Phase Modulation)
En sistemas que emplean modulación PSK la información se imprime digitalmente sobre la fase
de la portadora óptica (típicamente desplazamientos de +π/2 y -π/2 para representar los símbolos
lógicos "0" y "1"). Cualquier fuente de ruido de fase conducirá a una degradación en el
funcionamiento de dichos sistemas. Precisamente una no linealidad óptica que afecta solamente a
la fase de la señal que se propaga por la fibra es el índice de refracción no lineal, el cual da lugar
a una modulación de fase inducida por la portadora [9].
En sistemas WDM, por otro lado, la modulación de fase cruzada XPM, convierte las
fluctuaciones de potencia óptica de un determinado canal en fluctuaciones de fase en el resto de
canales. Para idénticos parámetros del sistema, el fenómeno no lineal de XPM es el doble de
eficiente que el SPM. Los fenómenos de SPM y XPM en fibras estándar se producen debido a la
existencia de una componente del índice de refracción dependiente de la intensidad de las señales
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 34
ópticas (efecto Kerr). En el caso del silicio se tiene un valor para este coeficiente de refracción no
lineal de 3x10-16 cm2/W. A pesar de su reducido valor, las elevadas longitudes de interacción
típicas de los enlaces ópticos magnifican estos efectos no lineales [3].
Las fluctuaciones de potencia en los láseres de InGaAsP son bastante pequeñas y aumentan de
forma aproximada con la raíz cuadrada de la potencia óptica. Incluso para potencias ópticas de
100 mW, las fluctuaciones de potencia son inferiores a 1 mW. Estos valores conducen a un ruido
de fase inferior a 0,04 radianes, el cual es considerablemente pequeño en sistemas con
modulación de fase (0,15 radianes de ruido de fase corresponden a una atenuación de potencia de
aproximadamente 0,5dB). En sistemas WDM, además del SPM se tiene XPM por fluctuaciones
de potencia en otros canales del espectro.
Aunque sólo se ha considerado el caso de modulaciones de fase para estimar la degradación que
producen los fenómenos no lineales de SPM y XPM, debemos tener en cuenta que estos efectos
también son significativos en sistemas con modulación de intensidad y detección directa. La
causante de ello es la propia dispersión cromática de la fibra, la cual provoca conversiones de
fase - intensidad con la consiguiente degradación a la salida del fotodetector. Para evitar estas
conversiones sería suficiente con utilizar fibras de dispersión desplazada, si bien debemos tener
en cuenta que estas fibras son más no lineales que las fibras estándar [3].
2.7.1 Soluciones y Mitigación del efecto
Puede ser controlado por la selección apropiada del espaciado entre canales en los sistemas
WDM y DWDM. Una separación de 100 GHz puede ser suficiente para reducir los efectos de
XPM en un sistema con 5mW de potencia por canal.
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 35
2.8 SOLITONES
Si de algún modo nosotros pudiéramos librarnos del scattering en una línea de fibra óptica y
operar alrededor del punto de mínima atenuación en la ventana 1550 nm transmitiendo a 10
Gbps, podríamos ampliar la distancia entre regeneradores a aproximadamente 1000 kilómetros.
Esto favorecería enormemente los enlaces submarinos. Esto puede ser posible con la generación
de solitones aprovechando los efectos no lineales de la fibra.
Un solitón es un pulso ultracorto7 que tiene la forma de una secante hiperbólica y que no cambia
su forma aun cuando atraviesa líneas de fibra muy largas. Esto es debido a la dispersión y a los
efectos no lineales de la fibra.
La palabra solitón fue usada por primera vez al describir ciertas ondas observadas en canales de
agua. En 1965 esto fue usado en pulsos en medios dispersivos no lineales que se comportan como
partículas, ya que ellos mantienen su forma aun en la presencia de perturbaciones. Los solitones
en la fibra óptica fueron estudiados por primera vez en 1973 por Hasegawa y Tapper, y
experimentalmente fueron observados en 1980 por Mollenauer, Stolen, y Gordon. Hoy en día
muchos esfuerzos de investigación han sido dedicados al estudio de los solitones y su uso en
sistemas de telecomunicación porque tienen un comportamiento peculiar de conservar su forma
durante la propagación. En esta sección se trata de dar a conocer el concepto de solitón y repasar
algunas de sus características principales.
2.8.1 Los solitones en la fibra y sus propiedades
La presencia de solitones en las fibras ópticas es el resultado de un equilibrio entre la dispersión
de velocidad de grupo (GVD) y la auto-modulación de fase (SPM). Como se vio en las secciones
7 Un pulso ultracorto tiene un periodo que esta dado en picosegundos y recientes investigaciones han revelado pulsos con tiempo de duración dado en femtosegundos.
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 36
anteriores la GVD ensancha pulsos ópticos durante su propagación dentro de la fibra excepto
cuando el pulso chirp [2].
Los pulsos con chirp pueden experimentar la contracción del pulso durante la primera etapa de
propagación siempre que el parámetro GVD resulte negativo. La SPM, siendo resultado de la
dependencia de la intensidad del índice de refracción, impone un chirp al pulso óptico. Es difícil
de imaginarse que en ciertas condiciones SPM y GVD pueden cooperar de tal modo que el chirp
de la SPM inducido puede perfectamente cancelar el ensanchamiento de GVD del pulso. El pulso
óptico entonces se propaga en forma de un solitón.
La expresión fundamental para describir al solitón fundamental (de primer orden) es:
( ) ( )s0, N sechU t t=
donde:
Ns = El orden del solitón.
τ = ancho del pulso.
sech(τ) = Es la función secante hiperbólica.
Esto es un pulso parecido a una campana cuyo ancho de 3 dB. En la Figura 6 se muestra la forma
de amplitud del solitón fundamental, donde es comparado con un pulso gaussiano de la misma
anchura.
(2.3)
Capítulo II. Efectos no lineales
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 37
Figura 6. Forma de Pulso del solitón fundamental (línea continua) y de un pulso gaussiano (línea
punteada) con la misma anchura de 3 dB.
Por la Ecuación 2.3, el solitón fundamental conserva su forma durante la propagación. La
ecuación no lineal Schrödinger describe matemáticamente los solitones dentro de las fibras
cuando se requiere la solución de la ecuación de onda en medios dispersivos no lineales.
Aa
AAigt
Ab
t
Aib
z
A
2622
3
33
2
22
Una característica importante del solitón fundamental es que esto es una solución estable de la
ecuación no lineal Schrödinger. Esto quiere decir que un solitón perturbado recobra su forma
inicial en su evolución a lo largo de una fibra.
(2.4)
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 38
Capítulo 3
SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS POR SOLITÓN
Un sistema de comunicaciones ópticas es muy parecido a los otros sistemas de comunicaciones
en uso. La principal diferencia radica en la longitud de onda de la señal utilizada para transmitir
información. Entre más elevada sea la frecuencia de una onda electromagnética, mayor será la
cantidad de información que ésta pueda transmitir. Esta diferencia hace que su comportamiento
sea muy diferente, tanto en lo referente a sus propiedades de transmisión a través de cualquier
medio como al de los dispositivos capaces de generar y detectar el tipo de radiación empleada
[8]. La estructura más sencilla de clasificar estos sistemas consiste en un transmisor, un canal de
comunicación y un receptor; sin embargo, existen muchos otros componentes que deben ser
considerados para realmente poder hablar de un sistema de comunicaciones ópticas.
El propósito de este capítulo es presentar los conceptos básicos de estos dispositivos, poniendo un
interés especial en aquellos encargados de generar a los solitones (fuentes ópticas) y aquellos que
hacen posible su transmisión por la fibra óptica a grandes distancias (amplificadores ópticos). Al
final del capítulo se ilustran algunos de los experimentos que han conseguido notables resultados
en la transmisión por solitones.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 39
3.1 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICAS
En la Figura 3.1 se muestra una configuración detallada de un enlace de comunicaciones ópticas
con sus elementos fundamentales [5].
Figura 3.1. Configuración general de un enlace de comunicaciones ópticas.
La misión del transmisor óptico consiste principalmente en la conversión de la señal de
información eléctrica que se desea transmitir a una señal óptica compatible con la fibra óptica.
Dicha conversión la realiza el elemento del transmisor conocido como fuente óptica. La
circuitería electrónica (driver) se encarga de suministrar la señal de alimentación y control que
requiere la fuente óptica; así como de ajustar los niveles y formato de la señal electrónica
generada por un equipo terminal de línea a los exigidos por dicha fuente.
Una vez que la señal óptica se ha inyectado en el medio de transmisión, son necesarios otros
dispositivos que realicen tareas de naturaleza auxiliar a las puramente relacionadas con su
transmisión, tales como división y suma de señales, filtrado, acoplamiento de potencia,
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 40
enrutamiento, conmutación, control del estado de polarización, aislamiento, línea de retardo, etc.
Esta necesidad se hace especialmente presente cuando una determinada tecnología de
comunicaciones evoluciona desde la implementación de sencillos sistemas, hasta redes de
comunicaciones más complejas [5].
La señal que se propaga a través de la fibra debe ser detectada y transformada en una señal
eléctrica, tanto si llega a un repetidor intermedio como si lo hace a su destino final. La parte del
receptor óptico está constituida por un fotodiodo (que convierte una señal óptica en eléctrica),
una etapa preamplificadora de bajo ruido y una parte electrónica final de proceso de la señal. El
fotodiodo es un diodo de semiconductor polarizado en inversa que transforma la señal óptica
presente a su entrada en corriente eléctrica a su salida. La potencia óptica se encuentra en banda
base, es decir, varía de acuerdo a la modulación y no a la frecuencia óptica. La corriente que
proporciona el detector es muy débil, por lo que debe amplificarse con preamplificadores
especiales, diseñados para trabajar con detectores ópticos. La señal amplificada se procesa
eléctricamente ya sea filtrándola, desmodulándola o regenerándola.
En la práctica, todos los transmisores y receptores ópticos incluyen en su terminación un pequeño
tramo de fibra óptica (de 1 a 2 m de longitud) denominado pigtail, que constituye su salida (en el
caso de los transmisores) o su entrada (en el caso de los receptores) y que permite acoplar la
fuente y el receptor de la luz a la fibra.
El canal de transmisión puede contener varias uniones entre fibras ópticas, pudiendo ser de tipo
provisional o removible, empleando un conector, o de tipo permanente, empleando un empalme
de fibra óptica. La primera opción se utiliza generalmente para conectar los transmisores o
receptores, mientras que la segunda se utiliza para unir tramos de fibra entre sí. En ambos casos,
para proceder a la unión, es necesario preparar los extremos de ambas fibras mediante procesos y
técnicas especiales, con el fin de evitar reflexiones de señal y scattering adicional que
incrementarían de forma notable las pérdidas de la unión.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 41
La transmisión por fibra óptica engloba distancias que van desde unos pocos metros hasta miles
de kilómetros. Si, debido a diferentes causas (como la atenuación y la dispersión), la señal óptica
se degrada a lo largo de su transmisión de forma significativa, es preciso regenerarla [14].
Tradicionalmente esta función venía siendo realizada por los denominados repetidores
intermedios. Para regenerar la señal óptica procedente de la fibra, es preciso realizar primero una
conversión optoeléctrica, en la que la señal pasa primero por un receptor óptico para ser
transformada en señal eléctrica. Una vez que se dispone de la señal eléctrica, ésta pasa por una
etapa electrónica de procesado de señal que realiza una serie de operaciones que engloban a la
restauración de potencia, la restauración de su forma temporal y la resincronización. Una vez
realizadas dichas funciones, la señal regenerada se vuelve a convertir en señal óptica por medio
de un transmisor, y se envía a la siguiente etapa del enlace. Los repetidores electrónicos presentan
una serie de inconvenientes. En primer lugar, son caros, ya que deben incluir un transmisor y un
receptor óptico de calidad igual a la de los equipos terminales del enlace, además de una parte
electrónica de procesado de señal, generalmente de alta frecuencia. En segundo lugar, y quizás
más importante, son poco flexibles, ya que están diseñados para operar a una máxima frecuencia
de señal (generalmente impuesta por la parte electrónica), de manera que, para incrementar la
velocidad de transmisión de un enlace, se deben modificar todos los repetidores. En tercer lugar,
no son transparentes al formato de la señal, y se requiere de configuraciones diferentes si se trata
de señales analógicas o digitales. En cuarto lugar, no se aprovecha el potencial ancho de banda de
una fibra óptica al hacer que algunas etapas de la transmisión sean puramente electrónicas. Para
evitar estos inconvenientes, es necesario disponer de un repetidor óptico sin necesidad de
convertir la señal óptica a eléctrica. Esta función de restauración de potencia puede conseguirse
haciendo uso de los amplificadores puramente ópticos, lo que redunda en una mejora
significativa de la transmisión. El hecho de que la amplificación puede hacerse, al mismo tiempo,
sobre señales con diferentes longitudes de onda sin necesidad de separarlas previamente, ha dado
lugar al desarrollo posterior de los sistemas de multicanalización por longitud de onda WDM que
son la base de las comunicaciones ópticas de los últimos años [11].
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 42
3.2 TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN POR SOLITONES
En un sistema que utiliza a la fibra óptica como medio de transmisión, la información se
transmite (en forma analógica o digital) por la luz que se propaga en la fibra. En el primer caso,
se modula la intensidad (cantidad) de luz que se inyecta en la fibra. En la transmisión digital o
numérica, la luz se emite en forma de pulsos de corta duración. Un método de modulación
frecuentemente utilizado en comunicaciones ópticas es el denominado on-off keying (OOK) [10],
por el que un 1 lógico se codifica por la presencia de luz en el intervalo de bit correspondiente,
mientras que un 0 lógico está representado por la ausencia de luz en dicho intervalo de bit. La
información, codificada bajo formas de pulsos luminosos, puede ser transmitida de esta manera.
El sistema de comunicaciones es más eficiente cuanto mayor sea la cantidad de información que
pueda transmitirse a gran distancia. Es por ello que el estudio de los solitones se ha vuelto muy
interesante dentro de las comunicaciones ópticas. Sin embargo, su uso requiere de importantes
cambios comparados con sistemas convencionales que no son por solitón.
El primer paso para el diseño de un sistema de comunicaciones ópticas es decidir cómo la señal
eléctrica será convertida en una cadena óptica de bits. Generalmente, la salida de una fuente
óptica se modula aplicando la señal eléctrica ya sea directamente a la fuente óptica o a un
modulador externo. Existen dos formatos de modulación diferentes para generar una cadena
óptica de bits, mostrados en la Figura 3.2 [2]. En el formato de retorno a cero (RZ), cada pulso
óptico representado por un bit 1 es más pequeño que el intervalo de un bit, y su amplitud regresa
a cero antes de que la duración del bit termine. En el formato de no retorno a cero (NRZ), el
pulso óptico permanece a lo largo del intervalo de bit y su amplitud no regresa a cero entre dos o
más bits 1 sucesivos. Comúnmente se usa el formato NRZ debido a que el ancho de banda de la
señal es más pequeño (alrededor del 50%) comparado con el formato RZ. Sin embargo, el
formato NRZ no puede ser empleado cuando los solitones se usan como bits de información;
debido a que el ancho del pulso debe ser de una pequeña fracción de la duración del bit para
asegurarse que los solitones vecinos se encuentran a una distancia adecuada.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 43
Figura 3.2. Cadena de bits 010110… codificada usando el formato (a) RZ y (b) NRZ.
La Figura 3.3 muestra una cadena de bits por solitón en formato RZ. El espaciamiento típico
entre solitones es superior a cuatro veces su ancho completo a medio máximo (FWHM8).
Figura 3.3. Cadena de bits por solitón en formato RZ.
3.1.1 Interacción entre solitones
Por razones prácticas, se debe tratar de comprimir a los solitones tanto como nos sea posible. Sin
embargo, la presencia de pulsos vecinos perturba a los solitones simplemente porque el campo
óptico combinado no es una solución de la ecuación no lineal de Schroedinger. Una manera de
8 La relación que existe entre la potencia pico del pulso y el ancho del pulso se conoce como ancho completo a medio máximo FWHM (full width at half‐maximum). FWHM es el ancho espectral en nanómetros (nm) de una fuente óptica a la mitad del nivel pico de potencia óptica.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 44
evitar este fenómeno consiste en incrementar la separación entre solitones, ya que la fuerza de
interacción depende de este espaciamiento. Para una distancia lo suficientemente grande, se
espera que las desviaciones en la posición de los solitones sean lo bastante pequeñas para que el
solitón permanezca en su posición inicial dentro de la ranura de tiempo durante toda la distancia
de transmisión. Este espaciamiento además, limita la velocidad de transmisión de un sistema de
comunicaciones por solitón. El espaciamiento puede ser disminuido en un factor de dos usando
amplitudes desiguales para los solitones vecinos; ya que pequeñas variaciones en la potencia pico
no perjudican que los solitones se conserven. La interacción entre solitones puede también ser
modificada por el chirp de frecuencia que se genera en los pulsos de entrada [2].
3.3 FUENTES ÓPTICAS
Aunque existen diferentes materiales y tecnologías posibles para la fabricación de fuentes
ópticas, diversas condiciones, como la banda de frecuencias o longitudes de onda en las que se
desea transmitir, la compatibilidad de dimensiones del área de emisión con las de la fibra óptica,
la posibilidad de modulación a muy altas velocidades, la facilidad y el bajo costo de fabricación;
hacen que las fuentes ópticas de semiconductor sean la alternativa más apropiada.
Las fuentes ópticas de semiconductor pueden asociarse en dos grandes grupos [4]. Por una parte,
se encuentran aquellas que generan luz mediante el mecanismo de emisión espontánea. Este tipo
de fuentes, denominadas diodos electroluminiscentes o LEDs, son generalmente de bajo costo. Se
caracterizan por su gran ancho espectral en ausencia de modulación y su relativa ineficiencia de
acoplo de potencia a la fibra óptica, lo que las hace únicamente apropiadas para aplicaciones de
corta distancia y velocidades de transmisión pequeñas en las que se emplea fibra multimodo
como medio de transmisión.
Para aplicaciones que soportan altas velocidades de modulación y/o grandes distancias, como es
el caso de los solitones, es preciso disponer de una fuente óptica de gran pureza espectral para no
sufrir restricciones importantes debido a la dispersión cromática, y que además sea capaz de
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 45
acoplar una gran cantidad de potencia óptica en el núcleo de una fibra monomodo. Estas fuentes
son los láseres de semiconductor, que constituyen el segundo grupo de las fuentes para
comunicaciones ópticas. Estos dispositivos funcionan como osciladores ópticos, donde el
mecanismo de amplificación es debido a la emisión estimulada y la realimentación viene
determinada por la propia estructura del dispositivo. Son en consecuencia fuentes emisoras de luz
coherente, es decir, monocromática (ancho espectral muy pequeño) y muy directiva.
Hay que decir en primer lugar que, debido a los requisitos impuestos por las fibras que van a ser
empleadas y por los enlaces que se van a efectuar dentro de un sistema de comunicaciones
ópticas por solitones, hay una serie de condiciones que el emisor de luz debe cumplir. Entre las
más importantes encontramos:
o Pequeño ancho espectral del pico de emisión, con el fin de limitar la dispersión cromática de
la fibra.
o Capacidad de ser modulado hasta frecuencias muy por encima de los GHz.
o Tener un tiempo rápido de respuesta.
Las dos diferencias más significativas que existen entre un led y un diodo láser se muestran en la
Figura 3.4 [11]. En ella se comparan la forma de línea de emisión de ambos y la potencia óptica
de salida, en función de la corriente eléctrica aplicada. Como se aprecia, el espectro emitido por
el led es, al menos, diez veces más ancho que el de un láser. Este hecho implica que para la
transmisión por solitones, un led no será válido. Por lo que en este trabajo nos enfocaremos
solamente a las características de funcionamiento y a las configuraciones de los diodos láser.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 46
Figura 3.4. Comparación entre el comportamiento de un láser de semiconductor y un led.
3.3.1 Emisión de luz
En condiciones normales, la mayoría de los materiales absorben luz en vez de emitirla. El
proceso de absorción se observa en la Figura 3.5, donde los niveles de energía E1 y E2
corresponden al estado de reposo y al estado de excitación de los átomos de un medio absorbente.
Si la energía del fotón9 (E) es casi la misma que la diferencia de energía E2-E1; el fotón es
absorbido por el átomo y termina en el estado de excitación. Como resultado, la luz incidente es
atenuada. Los átomos excitados eventualmente regresan a su estado normal de reposo emitiendo
luz en el proceso. Esta emisión de luz puede ocurrir mediante dos procesos fundamentales
conocidos como emisión espontánea y emisión estimulada, también mostrados en la Figura 3.5
[10]. En el caso de emisión espontánea, los fotones son emitidos en diferentes direcciones y no
existe relación de fase entre ellos. Por el contrario, la emisión estimulada se inicia por un fotón ya
existente que llega mientras el átomo está excitado, provocando instantáneamente el regreso del
electrón hacia el estado de reposo y la emisión de un nuevo fotón. El fotón emitido no sólo
coincide en energía (o en frecuencia) con el fotón que provocó la transición, sino también en sus
9 La energía de un fotón E depende solo de su frecuencia v y están relacionadas mediante E=hv, donde h es la constante de Planck (h=6.626x10‐34 J.s).
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 47
otras características como dirección de propagación y fase. Hay amplificación de luz puesto que a
partir de un fotón se obtienen dos. Es el efecto láser.
Figura 3.5. Tres procesos fundamentales ocurren entre los dos estados de energía de un átomo: (a)
absorción, (b) emisión espontánea y (c) emisión estmulada.
En un semiconductor intrínseco, esto es, un semiconductor en el que no existe ningún tipo de
impurezas adicionales de otros elementos, estos procesos, en lugar de producirse entre niveles de
energía, se producen entre dos bandas de energía, Figura 3.6 [2]. El nivel fundamental
corresponde a la banda de valencia Ev, mientras que el nivel excitado corresponde a la banda de
conducción Ec. La emisión estimulada sólo se provoca si hay más átomos en la banda de
conducción que en la de valencia. Este no es un estado normal y se dice que hay inversión de
población, realizada por la operación de bombeo que consiste, para un semiconductor, en poner
suficientes electrones en la banda de conducción.
Figura 3.6. Los electrones en la banda de conducción y los huecos en la banda de valencia pueden
recombinarse y emitir un fotón mediante emisión espontánea o emisión estimulada.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 48
Para que el efecto láser pueda producirse en el semiconductor es necesario producir esta
inversión de población (bombeo) y disponer de una cavidad resonante para que exista
amplificación (realimentación). La cavidad resonante sirve para amplificar ciertos modos a fin de
obtener emisión monocromática. Si en el medio en el que se encuentra la cavidad existe inversión
de población, los fotones generan otros fotones en fase durante cada travesía. Así es como se
realiza la amplificación de la luz, como indica la palabra láser (light amplification by stimulated
emission of radiation).
La forma más natural de obtener inversión de población en un material semiconductor, es
mediante la inyección de corriente en una unión10 p-n. Así, la generación de la luz es el resultado
de un proceso de recombinación radiativa entre los electrones de la banda de conducción y los
huecos de la banda de valencia (Figura 3.7) [10]. Para favorecer la generación de la luz en alguna
de las dos zonas se suele dopar de forma asimétrica con impurezas que sean capaces, una vez
introducidas en el material, de aportar electrones o de originar huecos. Por ejemplo, si la zona p
se dopa más que la n, es mayoritaria la difusión de huecos y por lo tanto la generación de la luz se
produce predominantemente en la zona n de la unión.
Figura 3.7. Unión p-n bajo la aplicación de una tensión directa.
10 Es la unión de un semiconductor tipo p con uno tipo n, que se consiguen dopando a un semiconductor intrínseco con impurezas cuyos átomos tengan un sobrante (para el tipo n) o un faltante (para el tipo p) de electrones en su última capa respectivamente.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 49
3.3.2 Tipos de diodo láser
Actualmente se fabrican láseres para 850 nm y otros para 1300-1550 nm a base de aleaciones de
semiconductores de los grupos III y V de la tabla periódica. Las estructuras más habituales
corresponden, en principio, a las representadas en la Figura 3.8 [14], y son:
o Láseres de homounión. Se trata de una configuración que posee un mismo tipo de material
semiconductor (a base de aseniuro de galio, GaAs) a ambos lados de la unión y en la que la
única diferencia es el tipo de dopaje que tienen. Sus dimensiones típicas son muy reducidas y
no se requiere de un mecanismo adicional para el bombeo, una vez aplicada una tensión
directa, habrá inversión de población y, consecuentemente, generación de luz. Una sucesión
de pulsos eléctricos se traducirá en una sucesión análoga de pulsos ópticos. La configuración
de la cavidad resonante se realiza en estos dispositivos simplemente por pulido de dos caras
opuestas del monocristal de GaAs, dejando los otros lados con cierta rugosidad de forma que
no puedan actuar como espejos, suprimiendo otras posibles oscilaciones en direcciones no
deseadas.
o Láseres de heterounión. El dispositivo ya no está fabricado a partir de un único material, el
GaAs, sino que ahora aparecen también compuestos de GaAlAs. La capa activa, esto es,
donde se produce la emisión, es la zona de GaAs que tiene un espesor entre 0.1 y 0.3 μm. Las
otras dos capas pasan ahora a cumplir unas funciones específicas diferentes ajenas a las
puramente eléctricas de la unión debido a los índices de refracción de los componentes
usados. Con ello, si la luz se ha generado en la capa activa, aparece un efecto de guiado,
similar al que tiene lugar en el núcleo de las fibras ópticas, quedando confinada la radiación
óptica en esta zona, que es donde puede producirse ganancia. Queda ahora hacer una
aclaración con respecto a la longitud de onda de la radiación emitida por estos compuestos.
En el caso de los compuestos GaAlAs, esta longitud de onda se encuentra entre 670 y 870
nm, bastante alejada de las zonas de interés actual en comunicaciones ópticas (segunda y
tercer ventana). Para llegar a valores más altos es preciso acudir a otro tipo de compuestos
basados en el sistema InP que puede ya cubrir el margen de 920 a 1670 nm.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 50
Figura 3.8. Estructuras habituales y variación del índice de refracción para un diodo láser de
homounión, de heterounión simple y de heterounión doble.
3.3.2.1 Láser Fabry-Perot
Una manera sencilla de proporcionar la realimentación requerida por un láser es mediante una
cavidad Fabry- Perot [11]. En esta estructura (Figura 3.9), una onda óptica incidente sufre
sucesivas reflexiones entre los espejos que forman la cavidad, de manera que la onda resultante a
la salida está formada por la interferencia múltiple de aquellas ondas que van saliendo de la
cavidad después de cada travesía. Así es como se realiza la amplificación de la luz. Una parte de
la luz puede ser emitida hacia el exterior si los espejos poseen una cubierta anti-reflejante; la luz
sale entonces, y sigue el eje de la cavidad resonante. La emisión resultante es muy directiva.
Figura 3.9. Cavidad resonante Fabry-Perot
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 51
El láser de Fabry-Perot (FP) permite un patrón de radiación multimodo como el ilustrado en la
Figura 3.10 [3]. Podemos observar que la salida de un láser FP tiene una línea espectral
dominante en la longitud de onda deseada y líneas secundarias con amplitudes menores separadas
alrededor de 1 nm. A pesar de que la potencia total de salida es relativamente estable, pueden
existir variaciones en la potencia de cada modo individual. Este fenómeno, que se conoce como
particionamiento de modos, incrementa el ruido en la señal de salida cuando se transmite sobre
fibra con dispersión cromática, limita el alcance en sistemas que operan a velocidades superiores
a cientos de Mb/s en fibras con bajas pérdidas y se ve afectado por pequeñas reflexiones de luz
que regresan al láser debidas a fuentes externas (como conectores).
Figura 3.10. Espectro de emisión de un láser Fabry-Perot en 1300 nm.
3.3.2.2 Láser monomodo
En enlaces de larga distancia, las condiciones impuestas por la dispersión son muy críticas; por lo
que se han propuesto diversas modificaciones al láser Fabry-Perot para que se emita un único
modo. Se debe tratar entonces de reducir al máximo el ancho espectral de la fuente. Existen
diferentes maneras de conseguirlo.
Una de ellas es utilizando láseres de cavidad externa que contienen elementos selectivos de
longitud de onda, aunque suelen ser muy voluminosos. Los láseres monomodo están diseñados
para que las pérdidas de cavidad sean distintas para los diferentes modos longitudinales de la
cavidad, y de este modo, el modo longitudinal con las pérdidas por cavidad más pequeñas se
convierta en el modo dominante [3].
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 52
Los láseres de cavidad acoplada, están compuestos por dos cavidades, que podrían considerarse
como independientes una de la otra, capaces de interactuar ópticamente de manera aislada. Las
dos cavidades formadas son, por la forma en la que han sido realizadas, del tipo clásico de Fabry-
Perot. Estas fuentes poseen características variables de funcionamiento que permiten la variación
de la longitud de onda a la salida, por lo que se emplean en aplicaciones tales como la
multicanalización por longitud de onda [11]. En este tipo de láser, la luz se acopla a una cavidad
externa y una porción de la luz reflejada es realimentada en la cavidad del láser. No es necesario
que la realimentación de la cavidad externa se encuentre en fase con el campo óptico dentro de la
cavidad del láser debido a que los cambios de fase ocurren en la cavidad externa. Esta
realimentación en fase sucede solamente para los modos que tienen una longitud de onda cercana
a la longitud del modo dominante de la cavidad externa [2].
Finalmente, los láseres de emisión por superficie de cavidad vertical o VCSEL, se caracterizan
porque la emisión de luz es en dirección perpendicular al plano de la unión p-n en lugar de
propagarse a lo largo de la zona activa de forma paralela al plano de unión p-n. Debido a esto, la
longitud de la cavidad es mucho más reducida (< 10 μm) con lo que la separación entre las
frecuencias propias del resonador es muy elevada, garantizándose de esta forma la operación
como láser monomodo. Al ser el resonador de tipo cilíndrico, el patrón modal de campo generado
es aproximadamente circular y al ser su emisión superficial, el acoplo de potencia a la fibra es
muy sencillo. Este tipo de láseres también se utilizan en sistemas WDM [4].
Hasta este momento, se han presentado una serie de posibilidades que presentan algunas
características muy cercanas a las que buscamos para nuestra fuente óptica. A continuación, se
verán otras que también se aproximan a este objetivo planteado, y que se han utilizado con mayor
frecuencia en algunos de los experimentos más significativos para la transmisión de solitones
ópticos.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 53
3.3.2.3 Láser de realimentación distribuida (DFB)
Desde el punto de vista de operación del dispositivo, los láseres de semiconductor que utilizan el
mecanismo de realimentación distribuida se pueden clasificar en dos grupos: láseres DFB y
láseres de reflexión de Bragg distribuida DBR (distributed Bragg reflector). La estructura de
ambos láseres aparece en la Figura 3.11 [2].
Figura 3.11. Estructuras de láser DFB y DBR.
La realimentación en un láser DFB (distributed feedback laser), como su nombre lo indica, se
realiza de manera continua a lo largo de toda una determinada zona del láser. La manera de
conseguir la realimentación ya no consiste en los espejos que formaban la cavidad de Fabry-
Perot, sino ahora es mediante una rejilla de difracción de Bragg11 localizada en la región activa
del dispositivo. Toda rejilla de difracción tiene unas características de trabajo que dependen de la
relación existente entre la longitud de onda de la luz que incide sobre ella y del tamaño de los
surcos que forman la rejilla. Para unos ciertos valores de ambos parámetros, sólo una parte de la
radiación incidente puede ser reflejada, con lo que se obtiene así un fenómeno de avance y
retroceso simultáneo en la onda. Si al mismo tiempo que se produce este hecho, tiene lugar
11 Una rejilla de difracción de Braga, en un medio material, se configura mediante la variación periódica de su índice de refracción a través de diferentes mecanismos. En algunos casos esta estructura que se forma puede ser estable, configurando un dispositivo con unas características determinadas, y en otros, puede ser formado de forma temporal y alterar sus propiedades según una señal externa.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 54
también el de la emisión estimulada, se habrá conseguido una realimentación distribuida [11]. El
láser DFB lleva incorporado elementos selectivos de longitud de onda, que separan dos de las
capas de la estructura del láser, lo que provoca una variación periódica del índice de refracción.
Al variar este índice, se refleja una parte de la potencia óptica, con lo que se ven favorecidas unas
longitudes de onda con respecto a otras. Aquellas que interfieran de modo que estén en fase, se
verán reforzadas y escaparán de la zona activa.
Un láser DFB puede ser desestabilizado por pequeñas cantidades de realimentación de la luz
(incluso menores al 1%) que pueden afectar el desempeño del sistema. Esta realimentación puede
reducirse usando capas antireflejantes, cortes angulares en el extremo de la fibra o instalando
aisladores entre el láser y el conector de fibra.
Para asegurar un óptimo desempeño de un láser DFB, se le agregan diversos componentes como
fotodiodos PIN para monitorear su salida, dispositivos de calentamiento o enfriadores
termoeléctricos para controlar la temperatura de la unión del láser y circuitos de realimentación
para controlar y mantener la frecuencia deseada. El principal objetivo de un láser de este tipo es
atenuar los modos subsidiarios y obtener la potencia máxima en el modo dominante (con
diferencias de nivel de 20 dB), para transmitir una señal de luz con un ancho espectral muy
angosto (menor a 0.1 nm); lo que la convierte en la fuente óptica con el menor ancho espectral de
todos los tipos de láseres en el mercado, resultando en un láser costoso [3]. Fue desarrollado
durante la década de los ochentas y es utilizado en sistemas WDM.
El láser DBR es similar al láser Fabry-Perot, con la diferencia de que incorpora espejos selectivos
en frecuencia implementados por medio de reflectores de Bragg a ambos lados de la cavidad. En
este tipo de láseres, la realimentación sigue siendo continua, pero no tiene lugar ya al mismo
tiempo que tiene lugar la emisión estimulada. Ambas regiones se encuentran separadas
físicamente y cada fenómeno tiene lugar de manera aislada.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 55
3.3.2.3.1 Láser DFB con modulador externo
Las fuentes ópticas anteriores funcionan a base de modulación directa, que consiste básicamente
en ‘prender’ y ‘apagar’ el láser para representar al bit 1 o al bit 0. Otra manera de modulación
consiste en usar un modulador externo, el cual se coloca en la interfaz de salida entre la fuente
láser de la onda portadora y el cable de fibra. Un modulador óptico actúa como una compuerta.
La compuerta se cierra para un 0 binario y se abre para un 1 binario. Ambos conceptos de
modulación se presentan en la Figura 3.12 [3].
Figura 3.12. Concepto de una fuente óptica utilizando (a) modulación directa y (b) un modulador externo.
Los moduladores ópticos se encuentran diseñados para controlar la cantidad de potencia óptica
transmitida a la fibra y reducir el ensanchamiento del pulso a causa del chirp. El desempeño de
este tipo de moduladores se mide a partir de su tasa de extinción12 y su ancho de banda de
modulación. La modulación externa consiste en hacer pasar la onda luminosa por una guía de
onda que al aplicar un voltaje externo varía sus propiedades refractivas y se altera la fase de la
onda, con lo cual se puede modular la fase de la misma, todo sin manipular la fuente luminosa.
12 La tasa de extinción de un sistema se define como la relación entre la potencia transmitida cuando se envía un 1 lógico y la potencia transmitida cuando se envía un 0 lógico. En un sistema ideal, sin ruido, este valor sería infinito.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 56
El modulador Mach-Zehnder (MZ) es un tipo de interferómetro que hace uso del material
LiNbO3 y esquemas que aprovechan el fenómeno del mezclado de cuatro ondas. El índice de
refracción de materiales de este tipo puede variarse aprovechando el efecto Kerr que ocurre al
inducirse un campo eléctrico, obteniendo tasas de extinción superior a 20 (13 dB) y un ancho de
banda de modulación de 75 Gb/s. En los moduladores de electroabsorción, una capa transparente
de semiconductor absorbe luz cuando se aplica un voltaje externo permitiendo una tasa de
extinción de 15 dB o superior y un ancho de banda de modulación entre 20 y 60 Gb/s [3].
3.3.2.3.2 Láser DFB sintonizabe
La longitud de onda (o si se prefiere la frecuencia) puede cambiarse si se modifica la temperatura
de un medio mediante cambios en la corriente o a través de controladores de temperatura. Estos
controladores modifican el índice de refracción de los materiales con los que se fabrica un láser,
para que sea capaz de generar un ancho espectral pequeño a la salida. El rango de sintonización
de un láser DFB está limitado a aproximadamente 5 nm, y si la temperatura de sintonización se
incrementa, la eficiencia en la potencia de salida del láser disminuye. Utilizando comúnmente
tres de estos dispositivos acoplados a una sola salida, se puede mejorar el rango de sintonización
[3].
3.3.2.4 Láser de pozos cuánticos múltiples
Son láseres que poseen una zona activa llamada pozo cuántico13 en la que, mediante el control
adecuado de crecimiento del cristal en fase de fabricación, se consigue forzar a los electrones a
cambiar su comportamiento, reduciendo la constante de tiempo del sistema, la fluctuación de la
longitud de onda y la corriente de umbral, mejorando notablemente la potencia de emisión y el
efecto chirp con relación a los del tipo Fabry-Perot. Como modelo simplificado para ver su
funcionamiento se suele tomar la estructura de pozo cuántico más sencilla (Figura 3.13) en la que
13 Una estructura semiconductora se designa de pozo cuántico cuando las dimensiones de las zonas en las que se ve confinado el movimiento de electrones y huecos, son como máximo, del orden de 50 nm.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 57
los electrones se encuentran en libertad para moverse en cualquier dirección paralela a la
heterounión y sólo encuentran impedimento para hacerlo de manera perpendicular. Esta
configuración es la más sencilla posible, pero la situación más usual, es la de situar varias de
ellas, una al lado de otra y configurando una especie de apilado de capas cuánticas, consiguiendo
así, un pozo cuántico múltiple MQW [11].
Figura 3.13. Estructura y dimensiones típicas correspondientes a un láser de pozo cuántico.
La adopción de este tipo de estructuras en la fabricación de diodos láser reporta, entre otras, las
siguientes ventajas: incremento en la ganancia y reducción de la corriente umbral de oscilación,
mayores frecuencias de modulación (por encima de 20 GHz), reducción del chirp de frecuencia,
así como del ancho espectral.
3.3.2.5 Láser de solitón
Cuando se pretende generar pulsos extremadamente angostos (como los solitones), se corre el
riesgo de que una gran cantidad de la energía del pulso no se comprima y permanezca en forma
de colas de energía alrededor de la punta central del pulso. El láser de solitón representa una
manera de obtener pulsos ultra cortos sin necesidad de enfrentarse a esa limitación [1].
Como se muestra en la Figura 3.14, el láser de solitón consiste en dos cavidades: la cavidad
principal y la cavidad que contiene a la fibra, llamada cavidad de control. Ambas cavidades se
encuentran acopladas mediante un espejo en común. La cavidad principal corresponde a un
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 58
bombeo sincronizado del láser, continuamente sintonizable de banda ancha centrado en λ ≈ 1500
nm. Sin la cavidad de control, el láser produce pulsos con un ancho igual o superior a 8 ps. Una
fracción controlada de la energía del pulso de salida viaja alrededor de la cavidad de control
donde la fibra comprime el pulso y lo envía de regreso a la cavidad principal, generando pulsos
más angostos. De este modo, se comprimen sucesivamente los pulsos en la fibra hasta que se
convierten en solitones, y la operación del láser se vuelve estable. Una exitosa respuesta de
ambas cavidades requiere que el pulso que regresa de la cavidad de control posea una fase
correcta con respecto a los pulsos que circulan por la cavidad principal. Este láser de solitón
emite una cadena de pulsos que son muy uniformes entre sí (alto y ancho). Podemos decir,
entonces, que el límite en la producción de pulsos ultra cortos en un láser por solitón se encuentra
dado por las propiedades de dispersión de la fibra en la cavidad de control. Uno de los pulsos más
cortos (60 fs FWHM) generados directamente por el láser de solitón se obtiene utilizando una
fibra de dispersión aplanada especial en la cavidad de control, con D = 0 en dos longitudes de
onda, 1370 y 1620 nm.
Figura 3.14. Representación esquemática de un láser de solitón.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 59
3.3.3 Láseres utilizados en la transmisión de solitones
Los sistemas de comunicaciones por solitón necesitan de una fuente óptica capaz de generar
pulsos libres de chirp del orden de picosegundos, con una forma lo más cercana a una secante
hiperbólica (sech) y con altas tasas de repetición determinadas por la frecuencia de modulación.
La fuente debe operar en la región de longitudes de onda cercana a 1550 nm, ya que en esa región
son mínimas las pérdidas en la fibra y los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) son
usados para compensarlas.
Experimentos recientes para la transmisión por solitones usan la técnica de ganancia conmutada
para generar pulsos ópticos con una duración de 20 a 30 ps. Estos pulsos son amplificados
simultáneamente y comprimidos dentro de un EDFA después de haber pasado a través de un
filtro óptico de banda angosta; siendo posible generar pulsos ópticos de 17 ps de ancho casi libres
de chirp, y con tasas de repetición en el rango de 6-24 GHz.
Para comunicaciones por solitón se prefiere usar el láser de modos enclavados en fase ya que el
tren de pulsos emitidos por este tipo de láser esta casi libre de chirp. La técnica de modos
enclavados en fase se usa generalmente modulando el láser con una frecuencia igual a la
diferencia de frecuencia que existe entre los dos modos longitudinales vecinos. Sin embargo, la
mayoría de los láser de semiconductor usan una pequeña cavidad (menor a 0.5 mm) que resulta
en una frecuencia de modulación de más de 50 GHz. Una configuración con cavidad externa se
usa para incrementar la longitud de la cavidad y reducir la frecuencia de modulación. Un láser de
semiconductor con cavidad de 4 mm de largo puede generar un tren de pulsos de 10 GHz. Un
láser DBR ha generado pulsos de 3.5 ps a tasas de repetición de 40 GHz. Un modulador de
electroabsorción, combinado con un láser semiconductor, puede generar un tren de pulsos libres
de chirp con duración de 10 a 20 ps a una tasa de repetición de 20 GHz. En 1996, la tasa de
repetición de láseres con modulador integrado pudo incrementarse a 50 GHz. Un modulador de
pozos cuánticos múltiples también se puede utilizar para generar un adecuado tren de pulsos en la
transmisión por solitón. Los láseres de modos enclavados en fase son otra alternativa aunque
necesiten un láser de semiconductor para el bombeo y un modulador con cavidad interna LiNbO3.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 60
La Figura 3.15 muestra el diseño de una fuente de pequeños pulsos ópticos. El uso de una rejilla
genera estabilidad en la longitud de onda (alrededor de 0.1 nm), además de ofrecer un mecanismo
auto-sintonizable que permite modos enclavados en un amplio rango de frecuencias de
modulación. Se usa un calentador termoeléctrico (TE) para sintonizar la longitud de onda de
operación en un rango de 6-8 nm cambiando la longitud de onda asociada con la rejilla. Esta
fuente genera pulsos con la forma de solitón de 12-18 ps de ancho, con tasas de repetición de
hasta 40 GHz y puede ser utilizada para velocidades de transmisión de 40 Gb/s [2].
Figura 3.15. Diagrama del (a) dispositivo y (b) el empaquetado de una fuente de pulsos de solitón.
Por otro lado, la formación de pulsos no lineales en una fibra de dispersión desplazada se usa
para generar un tren de pulsos ultracorto. La idea básica consiste en inyectar un haz en operación
de onda continua o CW (continuous-wave) con una modulación senoidal débil en la fibra. La
combinación de la GVD, la SPM y la disminución de la dispersión, transforma la señal modulada
senoidalmente en un tren de pulsos ultra cortos. La tasa de repetición de estos pulsos depende de
la frecuencia de modulación senoidal inicial. Para este propósito se utilizan dos láseres DFB [2].
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 61
3.4 DETECTORES ÓPTICOS
El detector convierte la señal óptica que procede de la fibra en señal eléctrica como primera parte
del proceso de recepción; a continuación, la señal se regenera, bien para llevarla a un equipo
terminal o para ser incorporada a la siguiente etapa de un repetidor óptico. Los sistemas que
operan actualmente incorporan la detección directa de una señal que moduló en intensidad a la
portadora de la fuente láser; el detector se limita a obtener una corriente a partir de la luz
modulada incidente, por lo que esta corriente será proporcional a la corriente recibida y
corresponderá a la forma de onda de la moduladora.
Los detectores empleados comúnmente en las comunicaciones ópticas, pueden también ser
utilizados para la transmisión por solitones. Una vez superado el problema de generar estos
pulsos de corta duración y continuando con la idea de que los solitones son pulsos que mantienen
su forma y amplitud durante su propagación a lo largo de un sistema de comunicaciones ópticas,
resulta fácil comprender que incluso su detección se llevaría a cabo de manera más sencilla que
para aquellas señales que son detectadas aún cuando han sido degradadas por su transmisión a lo
largo de la fibra [14]. Las características principales que debe tener son:
o Alta sensibilidad a la longitud de onda de operación.
o Contribución mínima al ruido total del receptor.
o Ancho de banda grande (respuesta rápida).
3.4.1 Absorción de luz
De manera análoga a como se aprovecha el proceso de generación de fotones, mediante la
recombinación de pares electrón-hueco para la emisión de luz, el fenómeno inverso se emplea en
mecanismos aptos para la recepción de luz. Si los fotones tienen una energía hv superior al ancho
de la banda prohibida del material, cada uno de ellos podrá ser absorbido (Figura 3.5) a costa de
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 62
ceder su energía a un electrón del borde de la banda de valencia, que ascenderá a la de
conducción [10].
3.4.2 Tipos de fotodetectores
En principio, el tipo más sencillo de detector corresponde a la unión p-n (fotodiodo) de un
semiconductor cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y conducción es pequeño,
lo que permitirá que un fotón que incida en la unión tenga suficiente energía para permitir la
creación de un par electrón-hueco. Ambos portadores circularán en sentidos opuestos, creando
una fotocorriente sobre el circuito externo. Hay, sin embargo, tres problemas asociados a este
proceso de fotodetección. Primero, no todos los fotones incidentes son absorbidos: además de la
luz reflejada en la cara del fotodetector, que se pierde, sólo una fracción del flujo que llega a
penetrar será absorbida. Segundo, incluso considerando el flujo realmente absorbido, no todos los
pares electrón-hueco llegan a incorporararse a la corriente externa del dispositivo. Y tercero, un
fotodiodo optimizado en cuanto a las dos consideraciones previas puede tener mal
comportamiento en altas frecuencias y por tanto, un ancho de banda muy limitado [4].
Existen muchos fotodetectores que pueden ser usados en sistemas de comunicaciones por fibra
óptica (Figura 3.16); sin embargo, hay dos a los que se recurre más por los diseñadores de estos
sistemas debido a la respuesta espectral con la que trabajan.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 63
Figura 3.16. Respuesta espectral de distintos fotodiodos.
3.4.2.1 Detectores PIN
La dificultades presentadas para un detector simple p-n, pueden ser solventadas introduciendo
una capa semi-aislante y de alta resistividad en la región activa (ahora llamada intrínseca) entre
las regiones p y n del fotodiodo anterior. Esta nueva estructura es la que se denomina fotodiodo
PIN y aparece en la Figura 3.17 [11]. Si a un dispositivo como éste se le aplica una tensión de
polarización en inversa, la región intrínseca se vacía totalmente de portadores y se genera un alto
valor de campo eléctrico. El campo impulsa a los portadores generados hacia afuera con pocas o
ninguna recombinaciones, debido a la gran aceleración que les imprime por efecto de su alto
valor. La generación de portadores fuera de esta zona y su posterior difusión puede, sin embargo,
ocasionar pérdidas por recombinación, afectando al tiempo de respuesta del detector e influyendo
en el ancho de banda máximo admisible. Su ancho de banda queda limitado por el tiempo
empleado por las cargas en atravesar la región de absorción y es proporcional a la velocidad de
los portadores en la misma [14].
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 64
Figura 3.17. (a) Estructura y campo eléctrico en un fotodiodo PIN. (b) Curva característica de corriente-
voltaje (como parámetro la potencia óptica incidente).
La Tabla 3.1 enlista las características de operación de tres fotodiodos PIN comunes [2]. La
responsividad es la razón de la corriente de salida del detector a su potencia óptica de entrada.
Aún cuando no hay potencia óptica presente, una pequeña corriente inversa fluye a través del
diodo cuando se haya polarizado inversamente; esta es la llamada corriente de oscuridad ID. La
corriente de oscuridad es causada por la generación térmica de portadores de carga libres en el
diodo. Por ser de origen térmico, se incrementa rápidamente con el aumento de temperatura. La
saturación, se refiere al estado de operación donde la potencia óptica de entrada es mayor que la
corriente de salida y el voltaje no puede seguir la entrada de forma lineal. Cuando el diodo está
saturado, el detector responde a los cambios de entrada óptica un poco más lentamente,
provocando distorsiones de la señal y disminuyendo los tiempos de respuesta en el receptor,
limitando su ancho de banda. Por otra parte, la velocidad de respuesta de un fotodetector está
limitada por lo que se denomina el tiempo de transición, que es el tiempo que le toma a los
portadores de carga libres recombinarse. El tiempo de subida es el tiempo para que la corriente de
salida del detector cambie de un 10% a un 90% del valor máximo de la señal observada.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 65
Tabla 3.1. Características de fotodiodos PIN comunes.
Parámetro Unidades Si Ge InGaAs
Longitud de onda μm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7
Responsividad A/W 0.4-0.6 0.5-0.7 0.6-0.9
Rendimiento cuántico % 75-90 50-55 60-70
Corriente de oscuridad nA 1-10 50-500 1-20
Tiempo de subida ns 0.5-1 0.1-0.5 0.02-0.5
Ancho de banda GHz 0.3-0.6 0.5-3 1-10
Voltaje de polarización V 50-100 6-10 5-6
3.4.2.2 Detectores APD
Un fotodiodo de avalancha (APD) es un simple detector PIN con ganancia. Estos detectores
funcionan según el principio de avalancha electrónica, polarizando inversamente un diodo de
unión p-n en un punto cercano al de la ruptura de unión. El elevado campo eléctrico producido
por la tensión aplicada da lugar a que los electrones y huecos generados en la colisión fotónica
generen nuevos portadores por efecto de la alta energía cinética adquirida en el campo eléctrico;
esto es, el impacto de un electrón originado en la zona intrínseca con otro electrón hará que este
último pase de la banda de valencia a la de conducción al transferirle aquel su energía. En esas
condiciones, podrán obtenerse ganancias superiores a 100 [14]. La configuración más simple para
estos fotodiodos puede verse en la Figura 3.18, así como la distribución de campo que aparece en
su interior. El dispositivo está configurado por dos capas externas n y p, entre las que aparecen
ahora dos nuevas zonas. Una con características casi intrínsecas o con un dopaje muy leve donde
se absorben los fotones y el campo es muy reducido, y otra que posee una resistividad muy alta
en la que aparece el campo intenso. Esta diferencia entre zonas puede hacerse bien por variación
en el nivel de dopaje o por las composiciones de los materiales que lo constituyen.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 66
Figura 3.17. (a) Estructura y campo eléctrico en un fotodiodo APD. (b) Curva característica de corriente-
voltaje (como parámetro la potencia óptica incidente).
Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y requieren de menos
amplificación adicional; poseen velocidades de respuesta mayores y por lo tanto permiten la
transmisión de mayores tasas de información. Su desventaja radica en que los tiempos de
transición son muy largos y su vida útil es muy corta. La Tabla 3.2 compara algunas de las
características de operación de detectores APD de Si, Ge e InGaAs comúnmente utilizados [2].
Tabla 3.2. Características de fotodiodos APD comunes.
Parámetro Unidades Si Ge InGaAs
Longitud de onda μm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7
Responsividad A/W 80-130 3-30 5-20
Ganancia - 100-500 50-200 10-40
Corriente de oscuridad nA 0.1-1 50-500 1-5
Tiempo de subida ns 0.1-2 0.5-0.8 0.1-0.5
Ancho de banda GHz 0.2-1 0.4-0.7 1-10
Voltaje de alimentación V 200-250 20-40 20-30
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 67
3.5 DISPOSITIVOS ÓPTICOS PASIVOS
Entenderemos por dispositivos pasivos aquellos componentes que realizan funciones sobre las
señales que se propagan a través de ellos distintas a las de generación, transmisión, amplificación
y detección de la luz.
Existen diversos criterios que pueden emplearse para clasificar estos componentes pasivos.
Dependiendo de la tecnología empleada, pueden ser de óptica de bloque, de fibra óptica e
integrados [5]. En el primer caso, se emplean componentes ópticos tradicionales, tales como
prismas, lentes y espejos para la implementación del dispositivo, resultando una configuración
voluminosa en la mayoría de las ocasiones. Ejemplos de esta categoría son los atenuadores,
aisladores y circuladores. En el segundo caso, los componentes están fabricados tomando como
base la propia fibra óptica, por lo que no se necesita de elementos adicionales para acoplar las
señales desde la fibra de entrada hasta la fibra óptica de salida. Ejemplo de este tipo de
componentes son los acopladores o divisores de potencia, rejillas de difracción y filtros ópticos.
En el tercer caso, los componentes están basados en guías de onda integradas fabricadas sobre
substratos cristalinos, dando lugar a los denominados circuitos ópticos integrados. El tipo de
componentes que pueden implementarse en esta tecnología es similar a los obtenidos en
tecnología de fibras, con una estructura mucho más compacta.
Otro criterio que puede emplearse para la clasificación de componentes pasivos se basa en la
función que realizan [7]. Existen, por ejemplo, dispositivos de conexión (conectores, empalmes),
terminaciones de red (finalizar un puerto de salida para evitar reflexiones de señal), dispositivos
de acoplo de señal (necesarios para la división y combinación de potencia óptica en redes locales
y de abonado) y los filtros ópticos (para la selección de canales ópticos en sistemas WDM).
A continuación, se describirán algunos de estos dispositivos que forman parte de un sistema de
comunicaciones ópticas, a partir de las definiciones tomadas de la ITU-T14 en su recomendación
14 La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) es el organismo encargado de regular las telecomunicaciones, a nivel internacional, entre las distintas administraciones y empresas operadoras.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 68
G.671. Si el lector está más interesado en extender el tema, la bibliografía [3, 5, 7, 11]
proporciona una variedad de configuraciones y de parámetros que deben considerarse antes de
proceder a la selección de estos dispositivos. Nos enfocaremos un poco más a la descripción de
los filtros ópticos de Fabry-Perot y Mach-Zehnder por sus aplicaciones comunes en experimentos
con solitones.
3.5.1 Atenuador
Se trata de un componente pasivo que genera una atenuación controlada a la señal que se
transmite en una línea de fibra óptica. Es decir, la función de un atenuador es la de reducir el
nivel de potencia óptica de la señal a su entrada. Esta operación es necesaria, por ejemplo, cuando
se desea prevenir la posible saturación de un receptor debido a una señal óptica muy intensa a su
entrada, o cuando es preciso evitar la aparición de fenómenos no lineales provocados por el
efecto Kerr. Los atenuadores son generalmente utilizados a la salida de un transmisor para
adaptar la potencia de salida a las necesidades requeridas por otros dispositivos en el enlace,
como en los EDFAS (amplificador de fibra dopada con erbio) que se utilizan en sistemas WDM.
Estos atenuadores deben de poseer altas pérdidas por retorno15 (> 40 dB) para asegurarse de no
dañar al transmisor.
3.5.2 Acoplador
Se trata de estructuras que transfieren potencia óptica de una a varias fibras ópticas o viceversa.
Esto es, que pueden dividir la luz por trayectorias separadas o tomar diferentes señales de luz y
combinarlas en una sola trayectoria. El hecho de que la señal deba ser recibida por diferentes
terminales implica que la potencia emitida deba repartirse de forma equivalente entre todos los
que van a recibirla. Esto conlleva a elevar los niveles de potencia transmitida hasta niveles
15 Se refiere a la fracción de la potencia de entrada que se regresa debido a la implementación de un componente pasivo.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 69
compatibles con los necesarios para la recepción. Según la naturaleza de las fibras que se deseen
interconectar, los acopladores suelen ser monomodo o multimodo. Por otra parte, un acoplador
no es un elemento totalmente pasivo siempre. En el caso, por ejemplo, de señales compuestas por
diferentes longitudes de onda (WDM), el acoplador debe ser capaz de diferenciar unas de otras y
encaminar la que correcta por la fibra correspondiente (proceso de selección).
3.5.3 Aislador
La función de un aislador es la de permitir la propagación en un enlace de fibra óptica en un
determinado sentido, impidiéndola en sentido contrario. La aplicación más común de los
aisladores es a la salida de los láseres para evitar la realimentación de señal desde el enlace óptico
hasta la fuente, provocándole un comportamiento inestable. También son empleados como
componentes dentro de los amplificadores de fibra dopada para evitar la posibilidad de que éstos
se comporten como osciladores.
3.5.4 Conector y empalme
Un conector es un componente normalmente adherido a un cable de fibra óptica o en aparatos
ópticos con el propósito de proporcionar conexiones y desconexiones frecuentes de cables de
fibra óptica, mientras que un empalme es una unión permanente (en la mayoría de los casos) cuyo
propósito general es el de acoplar potencia óptica entre dos fibras. Antes de conectar o empalmar
dos fibras es necesario preparar sus caras exteriores adecuadamente, con el fin de evitar
reflexiones de señal y scattering adicional que incrementarían de forma notable las pérdidas de la
unión.
Las configuraciones de conectores que se pueden encontrar en el mercado son casi tan
abundantes como fabricantes, por eso que la interoperabilidad implica la posibilidad de utilizar
conectores del mismo tipo, pero que proceden de distintos fabricantes; quienes además
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 70
proporcionan información estadística principalmente de las pérdidas por retorno (se desea que
estas pérdidas sean mayores a 40 dB), las pérdidas por inserción16 (que no llegan a sobrepasar 1
dB), así como de algunas características mecánicas y ambientales. Los empalmes se clasifican en
empalmes por fusión y empalmes mecánicos. En los primeros, la terminación de las fibras se une
de manera permanente por métodos de fusión, y en los segundos esta unión puede o no ser
permanente y se realiza por medios físicos (mecánicos). Algunos de los posibles desajustes que
pueden presentarse entre dos fibras en el momento previo al de su unión van desde
desalineamientos de sus núcleos hasta falta de paralelismo entre sus caras. En la actualidad
existen máquinas empalmadoras automáticas que consiguen uniones con pérdidas del orden de
los 0.06 dB.
3.5.5 Circulador
Un circulador en un dispositivo de n terminales. Si el circulador es ideal, la señal óptica
introducida por una terminal 1 sale directamente por una terminal 2, la introducida por la terminal
2 sale por la terminal 3, y así sucesivamente hasta que la señal de la terminal n salga por la
terminal 1 (de manera circular). Estos dispositivos se emplean en diversas aplicaciones, por
ejemplo, en situaciones donde se comparte una misma fibra para transmitir señales en sentidos
opuestos de propagación, el circulador permitirá separar las señales generadas en el transmisor
que se envían al enlace de aquellas provenientes del enlace que se han de encaminar al receptor.
Al igual que ocurre con los aisladores, es recomendable disponer de circuladores cuyo
comportamiento sea independiente del estado de polarización de la señal que incide sobre ellos.
16 Es una reducción de la potencia óptica (en decibeles) entre un puerto de entrada y uno de salida de un componente pasivo.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 71
3.5.6 Polarizador
Un polarizador es un dispositivo que idealmente transmite íntegramente la componente de
polarización lineal del campo eléctrico alineada en dirección a su eje de transmisión, bloqueando
la propagación de su componente ortogonal, aunque en la práctica, los polarizadores no suprimen
completamente esta componente, y tampoco la componente paralela al eje de transmisión
atraviesa el polarizador sin pérdidas. El funcionamiento como polarizador se basa en dar
preferencia a una de las dos componentes ortogonales en que puede descomponerse el estado de
polarización del campo eléctrico, mientras que la otra sufre unas pérdidas muy elevadas al
propagarse por el polarizador. Entre estos dispositivos encontramos a los retardadores de onda,
que introducen un desfase (o retardo de fase) entre los dos estados de polarización ortogonales
del campo eléctrico; a los rotadores de polarización, que giran el plano de polarización de un
campo eléctrico linealmente polarizado a su entrada un determinado ángulo, cuyo sentido de giro
no cambia al hacerlo el sentido de la propagación; y finalmente, a los divisores de polarización,
que son dispositivos de una entrada y dos salidas cuya función consiste en descomponer la señal
a su entrada en dos señales de polarizaciones lineales ortogonales, cada una de las cuales
abandona al dispositivo por una salida diferente; mientras que un combinador de polarización
realiza la función inversa a la del divisor.
3.5.7 Rejilla de difracción
Este componente pasivo se utiliza para compensar la dispersión cromática en una trayectoria de
fibra. Las redes de difracción encaminan las longitudes de onda que puedan estar presentes en
una banda de frecuencias ópticas, por trayectorias diferentes, de acuerdo con su valor. Su función
es por ello, desmulticanalizar señales en las que estén presentes diferentes canales ópticos. El
dispositivo suele estar formado por una superficie reflectante sobre la que se han trazado miles de
surcos paralelos muy finos. Al incidir sobre una superficie así, un haz de luz se ve dispersado en
todas las direcciones o difractado en cada surco. Las ondas de luz procedentes de los distintos
surcos se refuerzan mutuamente en determinadas direcciones y se anulan en otras (interferencia).
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 72
3.5.8 Filtros ópticos
Existen diversas aplicaciones de los modernos sistemas de comunicaciones ópticas para las que
es necesario disponer de elementos capaces de discriminar y/o seleccionar determinado rango de
frecuencias ópticas. Entre ellas podemos destacar la selección de canales en sistemas multicanal
basados en la multicanalización por división de longitud de onda WDM, la eliminación de ruido
producido por emisión espontánea amplificada en sistemas que empleen amplificadores ópticos
como repetidores, la extracción de señales de control, el encaminamiento o conmutación de
señales por su longitud de onda, etc. Esta tarea corresponde a los filtros ópticos, cuya misión es,
precisamente, realizar dicha función en el dominio óptico sin conversiones intermedias de la
señal en el dominio electrónico.
En todos los filtros siempre será necesario indicar algunas características que determinen sus
posibles aplicaciones. Entre los parámetros que, en todo filtro, habrá que considerar están los
siguientes:
o El ancho de banda que permita pasar deberá ser independiente de la temperatura.
o Bajas pérdidas causadas por inserción y diafonía.
o Las pérdidas deberán ser independientes del estado de polarización de la luz.
o Buen control del dispositivo.
3.5.8.1 Filtros Fabry-Perot
La base de un filtro Fabry-Perot (también conocido como filtro interferencial) fue vista cuando
analizamos la cavidad Fabry-Perot (Figura 3.9) en la sección 3.3.2.1. Su principio de
funcionamiento es muy simple: una parte de la luz incidente sobre el dispositivo en el primer
espejo es reflejada por la cavidad, mientras que otra penetra dentro de ella propagándose a través
de un medio amplificador hasta llegar al segundo espejo. De ésta, parte sale fuera de la cavidad
atravesando dicho espejo, y parte se refleja, realimentándose y propagándose de nuevo a través
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 73
del medio de la cavidad (en sentido contrario) hacia el primer espejo. Así el rayo luminoso
incidente sufre, al entrar en la cavidad, múltiples reflexiones. Las señales reflejadas a su vez
interfieren con la señal incidente, y ahora éstas poseen una longitud de onda que será un múltiplo
entero de la señal, sufriendo interferencia constructiva y transmitiéndose fuera de la cavidad, en
caso contrario la interferencia es destructiva y la señal es atenuada.
Una cubierta anti-reflejante sobre la que incide una radiación óptica es capaz de permitir el paso
de todas aquellas longitudes de onda que cumplan una determinada condición relacionada con el
espesor de la cubierta y los índices de refracción de la misma y del medio que la rodea. Si a
continuación de la cubierta que constituye el resonador se sitúa otra con, por ejemplo, un índice
de refracción diferente, serán bloqueadas cierto número de longitudes de onda. Solamente
pasarán aquellas que coincidan en ambas estructuras. Esta configuración con dos cubiertas anti-
reflejantes puede repetirse un determinado número de veces configurando lo que se conoce como
filtro interferencial o multicapa. Una consideración para tener en cuenta, es que las longitudes de
onda ópticas que no son transmitidas, son reflejadas, como se muestra en la Figura 3.19 [11]. En
ella puede verse la forma de separar cinco longitudes de onda mediante cuatro filtros
interferenciales: para cada frecuencia óptica, cada uno de ellos es capaz de transmitir una
determinada y reflejar las restantes. Esta forma de trabajo permite la adopción de arquitecturas de
enrutamiento de longitudes de onda de acuerdo con los objetivos del sistema de comunicaciones.
Figura 3.19. Empleo de filtros Fabry-Perot para separar diferentes canales ópticos.
Un filtro óptico requiere de un mecanismo de selección de longitudes de onda y pueden ser
clasificados en dos grandes categorías dependiendo de si es la interferencia o la difracción óptica
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 74
el mecanismo físico fundamental que utilizan. Hay entonces filtros de longitudes de onda fijas
(como el descrito anteriormente) y filtros sintonizables. Algunas de las propiedades que se
buscan en un filtro sintonizable incluyen un amplio rango de sintonización para maximizar el
número de canales que pueden ser seleccionados, pero a la vez evitar las interferencias de canales
adyacentes; rápida velocidad de sintonización para minimizar el tiempo de acceso y que generen
pocas pérdidas por inserción (máximo 1.5 dB en la banda de paso y mínimo 40 dB en la banda de
supresión). Este tipo de filtros desempeñan una importante función en los sistemas WDM y
DWDM (multicanalización por longitud de onda densa).
3.5.8.2 Filtros Mach-Zehnder
La Figura 3.20 muestra la configuración de un filtro o interferómetro de doble haz, también
conocido como Mach-Zehnder [5]. Está compuesto por dos acopladores y dos tramos de fibra de
diferente longitud. Por las entradas 1 y 2 pueden introducirse dos radiaciones con longitudes de
onda diferente. Ambas entradas se unen mediante un acoplador, de tal manera que a su salida,
ambas señales aparezcan por las dos trayectorias posibles con igual intensidad, siendo la señal
resultante en cada trayectoria, la semisuma de las intensidades a la entrada del dispositivo.
Ambas señales recorren por el interior del interferómetro dos recorridos con trayectorias ópticas
diferentes. A la salida, vuelven a unirse y el resultado dependerá de esa diferencia de trayectorias
que haya recorrido cada señal. Si ambas trayectorias fueran idénticas, la superposición sería una
superposición de señales en fase con lo que la intensidad resultante volvería a ser la de partida.
Si, por el contrario, la diferencia de trayectorias es tal que las señales correspondientes a cada
radiación óptica se encuentran desfasadas, la interferencia será destructiva y la resultante será
nula. Resulta obvio que al ser las dos señales que hemos introducido de diferente longitud de
onda, la diferencia de caminos ópticos para cada una de ellas, será distinta. Y así puede darse el
caso, si el diseño se ha hecho a tal fin, que una de ellas tenga a la salida interferencia
constructiva, con lo que la señal de salida será máxima, mientras que la otra experimente
interferencia destructiva y no aparezca a la salida. La función realizada ha sido así la de filtrado
de dicha frecuencia óptica.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 75
Figura 3.20. Esquema de un filtro óptico Mach-Zehnder.
El interferómetro Mach-Zehnder no es tan selectivo como el filtro Fabry-Perot ya que la salida
del primero está compuesta por la interferencia entre dos señales, mientras que en el caso del
segundo, la señal de salida se obtiene a partir de la interferencia de infinitas señales. No obstante,
es posible implementar filtros ópticos muy selectivos a partir de interferómetros Mach-Zehnder
con una configuración en cascada. Para conseguir filtros muy selectivos es importante, en primer
lugar, que todos los acopladores empleados en la implementación sean de 3 dB (para evitar el
efecto Brillouin), y en segundo lugar, que el periodo espectral de cada interferómetro corresponda
a la banda útil del filtro Mach-Zehnder.
3.6 AMPLIFICADORES ÓPTICOS
Un amplificador óptico permite la regeneración de la potencia perdida por las señales debido a la
atenuación de la fibra, directamente en el dominio óptico; pero, además, puede funcionar como
cualquier otro amplificador, de manera que puede emplearse para compensar no sólo las pérdidas
introducidas por la fibra, sino también las debidas a otros elementos como por ejemplo los
componentes pasivos que realizan tareas de división de señal [5].
Los solitones son una solución al problema del ensanchamiento del pulso causado por la
dispersión de la fibra, pero no hacen nada contra la atenuación que un pulso que viaja por la fibra
experimenta por lo que, estrictamente, en un sistema de comunicación convencional no es posible
propagar solitones a menos que se logre eliminar la atenuación de la fibra o se utilicen las
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 76
llamadas fibras de dispersión disminuida que presentan una atenuación que disminuye con la
distancia. Sin embargo estas fibras sólo se usan en experimentos de laboratorio y no en sistemas
comerciales [6]. Para superar el efecto generado por las pérdidas en la fibra, los solitones deben
ser amplificados periódicamente ya sea utilizando la amplificación a segmentos o a través de la
amplificación distribuida (Figura 3.21) [1].
Figura 3.21. Esquemas de amplificación (a) a segmentos y (b) distribuida para compensar las pérdidas en
la fibra en un sistema de comunicaciónes por solitón.
En la amplificación a segmentos, los amplificadores ópticos son colocados periódicamente a lo
largo del enlace de fibra de tal manera que las pérdidas entre dos amplificadores sean
perfectamente compensadas por la ganancia del amplificador. Un parámetro de diseño de gran
importancia es la distancia entre amplificadores, la cual debe ser tan grande como sea posible
para minimizar costos. Para sistemas que no son por solitón, esta distancia es comúnmente de 80
a 100 km. La razón por la que esta distancia es menor en sistemas por solitón es que los
amplificadores ópticos aumentan la energía del solitón a lo largo de unos cuantos metros sin
permitir la recuperación del solitón fundamental. El solitón amplificado ajusta su ancho
dinámicamente a lo largo de la sección de fibra que se encuentra después del amplificador;
aunque también parte de su energía se presenta como ondas dispersivas durante este ajuste. Este
tipo de dispersión puede acumularse a lo largo de un gran número de etapas amplificadoras por lo
que debe evitarse. Una forma de hacerlo es reduciendo el espaciamiento entre amplificadores de
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 77
tal manera que el solitón no se perturbe mucho sobre esta corta distancia. Los solitones
evolucionan poco sobre una distancia que es corta comparada con la longitud de dispersión
(periodo del solitón); lo que ocasiona que el ancho del solitón permanezca virtualmente sin
cambios aún cuando la potencia pico varía considerablemente en cada sección entre dos
amplificadores. En general, los cambios en la energía del solitón están acompañados por cambios
en su ancho. Grandes (o rápidas) variaciones en la potencia pico pueden destruir un solitón si su
ancho cambia rápidamente a través de las emisiones de ondas dispersivas, lo que impone una
severa limitación para la velocidad de transmisión y el espaciamiento entre amplificadores para
un sistema de comunicación por solitón [2].
El esquema de amplificación distribuida es superior a la amplificación a segmentos ya que
compensa las pérdidas en cada punto del enlace por fibra y se obtiene por medio del proceso de
scattering estimulado en un medio no lineal. Si se utiliza una amplificación distribuida mediante
el proceso Raman, es decir, que la fibra óptica convencional por si misma se convierta en un
medio amplificador, las pérdidas en la fibra pueden, en un principio, ser compensadas por
completo y un solitón puede ser transmitido en la fibra prácticamente una distancia indefinida.
Sin embargo, si el bombeo Raman se inyecta periódicamente a la fibra, la ganancia Raman
cambia periódicamente a lo largo de la distancia de transmisión por solitones, provocando
variaciones en el ancho del solitón y ocasionando interacciones con los solitones vecinos [1]. El
esquema de amplificación distribuida puede observarse con más detalle si se analiza el
funcionamiento de los amplificadores de efecto Raman descrito en la sección 3.4.2.
3.6.1 Amplificadores de fibra dopada con erbio
Actualmente, los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) operando en la región de
1550 nm son de gran interés para las comunicaciones ópticas debido a sus grandes ventajas como
su gran ganancia (más de 30 dB), bajas pérdidas (ruido), amplio ancho de banda, ganancia
insensible a la polarización y gran potencia de salida. Estos amplificadores necesitan de un
bombeo externo con un láser de onda continua CW a una frecuencia óptica ligeramente superior a
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 78
la que amplifican. Las dos posibilidades básicas son las que se muestran en la Figura 3.22. En la
primera, la radiación de bombeo se introduce a la fibra amplificadora, mediante un acoplador,
conjuntamente con la señal de entrada y por ello ambas se propagan en igual sentido a lo largo de
la fibra. En la segunda, por el contrario, el bombeo se propaga en sentido contrario a la señal que
se va a amplificar. Una tercera posibilidad, no representada en la figura, es la de realizar un doble
bombeo con las dos configuraciones anteriores actuando simultáneamente; la ganancia, en este
caso, puede llegar a duplicar la de un bombeo simple, pasando de unos 17 dB a cerca de 35 dB.
Hay que indicar también que el bombeo en sentido opuesto al de propagación de la señal permite
ganancias más altas que el realizado en el sentido de la propagación, aunque, por el contrario, sus
características de ruido son peores [11]. El bombeo a una determinada longitud de onda genera
ganancia mediante la inversión de población. El espectro de ganancia depende de los esquemas
de bombeo así como de la presencia de otros dopantes en el núcleo de la fibra.
Figura 3.22.Posibles configuraciones de bombeo en un amplificador de fibra dopad: (a) bombeo en el
mismo sentido de la señal y (b) bombeo en sentido inverso.
Aunque son varios los diseños posibles a la hora de implementar un amplificador de fibra dopada
con erbio, en general existe una serie de elementos imprescindibles, como son el medio activo
donde se produce la inversión de población (fibra con núcleo dopado), la fuente láser para el
bombeo, un acoplador, uno o varios aisladores y (en ocasiones) un filtro de banda angosta. La
Figura 3.23 muestra un diagrama a bloques de un EDFA [1].
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 79
Figura 3.23. Diagrama a bloques de un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA).
Un bombeo eficiente para el EDFA es posible usando un transmisor láser de semiconductor cerca
de las longitudes de onda de 980 y 1480 nm. El ancho espectral del diodo láser es
aproximadamente de 20 nm alrededor de 1480 nm, pero todas las componentes espectrales
contribuyen a la generación de inversión de población en los iones de erbio. La combinación
relativamente baja de iones de erbio y una longitud larga de fibra resulta en una gran ganancia,
superior a la que puede ser alcanzada con una longitud pequeña de fibra.
Uno de los aspectos más característicos del comportamiento del amplificador óptico y que lo
diferencia de otros componentes de un sistema de comunicaciones, es el que se refiere al ruido
que introduce, proveniente de la propia amplificación; de la radiación espontánea que genera a lo
largo del tramo de fibra dopada. Los amplificadores ópticos presentan un tipo de ruido que es
característico de ellos. Es el que se denomina amplificación de ruido espontáneo o ruido ASE
(amplified spontaneous emission). Una vez bombeado el material dopante, no todos los
electrones que se encuentren en un nivel excitado caerán al nivel inferior a través de un proceso
de emisión estimulada; algunos de ellos lo harán mediante emisión espontánea y, a su vez,
algunos de estos generarán fotones que se desplacen en el sentido de la señal, viajando con ella.
En su desplazamiento por el tramo dopado pasarán por zonas en las cuales hay inversión de
poblaciones y podrán dar lugar a nuevas emisiones estimuladas que ya no serán coherentes con la
radiación de entrada pero que serán amplificadas. Estas señales no serán señales con contenido de
información sino que serán ruido, cubriendo un margen de longitudes de onda superior al de la
señal de entrada. Además de ello, al ser amplificada sustraerá una parte de la inversión de
poblaciones obtenida, lo que repercutirá en parte en la amplificación de la señal [11].
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 80
Los EDFA tienen tres aplicaciones principales (Figura 3.24), con la principal ventaja de que
pueden amplificar al mismo tiempo varios canales de diferentes longitudes de onda, sin necesidad
de separarlos previamente. La primera (a) es como un amplificador usado para incrementar la
potencia de entrada de la señal en una fibra óptica. Este amplificador se instala después de la
fuente de luz. La segunda aplicación (b) de un EDFA es como un repetidor óptico usado para
amplificar la señal atenuada y retransmitirla a la siguiente sección de fibra, requiriéndose de una
potencia grande de salida. La tercera aplicación (c) es como un preamplificador para incrementar
la sensibilidad en el receptor. Aquí se instala en frente del fotodetector, requiriéndose
características de bajo ruido. Una cuarta aplicación (también mostrada en la figura) es en la que el
hecho fundamental no es el de trabajar en grandes distancias sino el de necesitar altas potencias
ópticas para distribuirlas a un conjunto de estaciones receptoras [1]. La ubicación de un
amplificador óptico depende del uso que se pretenda hacer de él. De esta ubicación dependerá la
potencia que la señal tenga a su entrada y con ello su comportamiento.
Figura 3.24. Localizaciones posibles para un amplificador óptico de acuerdo con las necesidades del
sistema.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 81
3.6.2 Amplificadores Raman
El efecto Raman estimulado tiene lugar cuando una radiación monocromática de alta intensidad
pasa a través de un medio material. Si éste cumple unas determinadas condiciones, el resultado de
la interacción de ambos es la aparición de una nueva longitud de onda, de mayor valor que la
inicial. El efecto Raman estimulado utilizado es, en principio, análogo al proceso de emisión
estimulada visto anteriormente (Sección 3.3.1). Pero existe una diferencia esencial: si en aquel
caso el fotón que provocaba la emisión estimulada de otro seguía presente en la radiación,
después de haberse producido la interacción, aquí no ocurre lo mismo. En el caso del Raman
estimulado se genera un nuevo fotón, de menor energía (menor frecuencia) y la diferencia de
energías es transferida al material donde se convierte en vibraciones moleculares. Como
consecuencia de este proceso, el fotón inicial deja de estar presente en la radiación, Así que los
amplificadores Raman deben ser bombeados ópticamente para producir ganancia.
La Figura 3.25 muestra como una fibra puede ser usada como un amplificador Raman. Las
radiaciones de la señal y el bombeo, con diferentes frecuencias, se inyectan en la fibra mediante
un acoplador. La energía se transfiere del bombeo a la señal mediante el proceso Raman
estimulado mientras ambas radiaciones se van propagando dentro de la fibra. La señal que
provocará el efecto de estimulación será la de la onda que va por la fibra y transmite la
información. La señal de bombeo se puede acoplar a la fibra tanto en la misma dirección en la
que se transmite la señal o en el sentido contrario. Es más habitual el bombeo contradireccional
para evitar la amplificación de otras componentes no lineales [2].
Figura 3.25. Esquema de un amplificador Raman de fibra.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 82
Si por la fibra se propaga más de un canal, cada una de estas frecuencias estimulará el efecto
Raman con su propia frecuencia y con ello la intensidad correspondiente a la misma se
amplificará. Si el bombeo es el adecuado, todos los distintos canales que pueden transmitirse por
una fibra podrán amplificarse, siempre que sus frecuencias se encuentren dentro de la zona en la
que el material puede generar efecto Raman. Esta zona vendrá caracterizada por el espectro de
ganancia Raman del material empleado, en este caso la propia fibra de sílice. En la Figura 3.26 se
muestra el espectro de ganancia Raman para diferentes tipos de fibra, la monomodo convencional
SMF, la de dispersión desplazada DSF y la compensadora de dispersión DCF. La dependencia de
la ganancia Raman con la frecuencia es casi la misma para los tres tipos de fibra [6].
Figura 3.26. Eficiencia de ganancia Raman para fibra estándar (SMF), de dispersión desplazada (DSF) y
compensadora de dispersión (DCF).
Los amplificadores Raman se basan en un una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal
de bombeo de alta potencia. De esta forma, la fibra convencional ya instalada puede ser usada
como medio con ganancia para la amplificación Raman. Sin embargo, es mejor emplear fibras
especialmente diseñadas en las que se introducen dopantes y se reduce el núcleo de la fibra para
incrementar su no linealidad [2].
Una de las ventajas que ofrecen los amplificadores Raman es que pueden llegar a trabajar de una
manera complementaria a los EDFA, en el sentido de cubrir un margen de frecuencias no
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 83
cubierto por éstos. Si el pico de los EDFA se encuentra alrededor de los 1535 nm, los Raman
tienen su pico a frecuencias más bajas Esto implica que la suma de los dos amplificadores puede
conducir a una curva casi plana entre 1530 nm y 1600 nm. Se ha demostrado la transmisión por
solitón para 6 000 km con amplificadores Raman, circulando un pulso de 50 ps en lazos de 42 km
de longitud de fibra [6].
3.7 DEMOSTRACIÓN DE LA TRANSMISIÓN POR SOLITÓN EN FIBRAS
A principios de 1973, Hasegawa y Tappert señalaron que las fibras monomodo serían capaces de
transmitir solitones estables. Estas fibras eliminan el problema de múltiples velocidades de grupo
desde el inicio, y sus características no lineales y dispersivas se encuentran bien definidas. Sin
embargo, los primeros experimentos tuvieron que esperar hasta el desarrollo de dos dispositivos
clave a finales de los setentas. El primero fueron las fibras con bajas pérdidas en la región de
longitud de onda donde los solitones son posibles (≈ 1500 nm), y el segundo fue una fuente capaz
de generar pulsos del orden de picosegundos, el láser de modos enclavados en fase. Estos
experimentos demostraron que no existían problemas con la generación de solitones y
estimularon la posibilidad de realizar un sistema completo de comunicaciones ópticas basado en
solitones.
Muchas de las ideas acerca de los solitones fueron primeramente trabajadas (y en algunos casos
descubiertas o concebidas) en términos abstractos y puramente matemáticos, pero la existencia de
claros resultados experimentales ha generado explicaciones más concretas y prácticas que ayudan
en el surgimiento de nuevas ideas [1].
El interés que se ha puesto en la transmisión por solitones en fibras ópticas se debe
principalmente a las limitaciones existentes en la velocidad de transmisión en sistemas lineales
originadas por la dispersión (para sistemas PCM) o por no linealidades (para sistemas
coherentes). Los recientes logros obtenidos para la propagación por solitones ópticos muestran un
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 84
gran potencial para futuros sistemas de comunicaciones ópticas de muy alta velocidad y largas
distancias.
Para la generación del solitón en la fibra es necesario generar un pulso ultracorto y muy intenso a
la salida de un láser. Dicho pulso, al inyectarse en una fibra óptica, provoca la aparición de
fenómenos no lineales. En concreto, el fenómeno no lineal de interés es el efecto Kerr, por el cual
el índice de refracción del núcleo (y por tanto, la dispersión cromática de la fibra) varía en
función de la intensidad de la señal. Eligiendo los parámetros del pulso de manera adecuada es
posible compensar mediante el efecto Kerr la dispersión cromática de la fibra, obteniendo en
consecuencia una cancelación de la dispersión total y, en consecuencia, un mantenimiento de la
forma del pulso.
Para que un pulso mantenga su forma es imprescindible que las pérdidas en la fibra desaparezcan.
Ello se consigue mediante el empleo de amplificadores ópticos. Las pérdidas en la fibra pueden
ser compensadas por amplificadores de fibra dopada y/o ganancia Raman en los sistemas de
fibra.
A pesar de que los amplificadores ópticos representan un elemento fundamental para la
implementación de sistemas de comunicaciones ópticas por solitón, son a su vez, una importante
limitación. La acumulación de ruido de emisión espontánea amplificada provoca la existencia de
jitter 17 . Estas variaciones en la frecuencia central del solitón producen variaciones en su
velocidad18. Este efecto, llamado Gordon-Haus, limita el número de amplificadores y por lo
tanto, el máximo producto ancho de banda por distancia. El efecto Gordon-Haus puede, no
obstante, reducirse considerablemente mediante el empleo de filtros ópticos posteriores a los
amplificadores. En cualquier caso, la capacidad de los sistemas de solitones es impresionante,
17 Variaciones de frecuencia generadas por el amplificador que se convierten en variaciones temporales de la velocidad de grupo. Estas variaciones en la velocidad de grupo cambian la posición del solitón dentro de una ranura de tiempo. 18 Cada vez que se añade ruido a la señal, se modulan de manera aleatoria las frecuencias portadoras del solitón. Entonces, la dispersión cromática de la fibra convierte estas variaciones de frecuencia en una variación en el tiempo de llegada de los pulsos.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 85
como así lo aseguran algunos de los resultados experimentales más significativos mostrados en
los Tablas 3.3 y 3.4 [4].
Tabla 3.3. Experimentos más significativos de sistemas por solitones sin control del efecto Gordon-Haus.
λ (nm) B (Gb/s) L (km) Fuente Ancho de
solitón (ps)
Número
de AO
BL
(Gb/s)km
1.55 40 65 GS-DFB + ME +
B-EDFA + O-MUX
7.5 4 2 600
1.552 10 1 000 GS-MQW + ME +
2 B-EDFA
45 20 10 000
1.552 20 1 020 GS-MQW + ME +
2 B-EDFA
12 40 20 000
1.552 10 1 200 GS-MQW + ME + B-EDFA 23 23 12 000
1.558 5 3 000 DFB + EAM +
B-EDFA
35 91 15 000
1.532 2.4 12 000 ML-LD + EM 50 480 29 000
GS-DFB = Láser de realimentación distribuida con ganancia conmutada; ME = Modulador externo;
B-EDFA = Amplificador de potencia de fibra dopada con erbio; O-MUX = Multiplexor óptico;
GS-MQW = Láser de pozos cuánticos múltiples con ganancia conmutada;
DFB = Láser de realimentación distribuida; EAM = Modulador de electroabsorción;
ML-LD = Láser de modos enclavados en fase
Tabla 3.4. Experimentos más significativos de sistemas por solitones con control del efecto Gordon-Haus.
λ (nm) B (Gb/s) L (km) Fuente Ancho de
solitón (ps)
Número
de AO
BL
(Gb/s)km
1.552 10 106 GS-DFB + ME + B-EDFA
+ FPI
36-42 cada
50 Km
107
1.555 2.5 14 000 ML-LD + EM + AOS 50 cada
27 Km
35 000
1.556 10 20 000 ML-EDFL 18 cada
26 Km
100 000
FPI = Interferómetro de Fabry- Perot; ML-EDFL = Láser de fibra dopada con erbio y de modos
enclavados en fase
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 86
3.7.1 Transmisión por solitón con diodos láser y amplificadores de fibra dopada
Para generar solitones ópticos con tasas altas de repetición (Gb/s) en sistemas de comunicaciones
por fibra, las fuentes de diodos láser son una buena alternativa dadas sus ventajas de alta
velocidad de modulación y pequeño tamaño. Para mantener la transmisión por solitones en
distancias superiores a varios cientos e incluso varios miles de kilómetros, los amplificadores de
fibra dopada con erbio y/o amplificadores Raman son los mejores candidatos para futuros
sistemas de comunicaciones ópticas de muy alta velocidad y largas distancias. Diversos
experimentos con solitones ópticos utilizando diodos láser y amplificadores de fibra dopada con
erbio y/o amplificadores Raman han sido presentados en años recientes [6].
La Figura 3.27 muestra uno de estos experimentos: transmisiones por solitón libres de error a 3.2-
5 Gbit/s para 100 km utilizando amplificadores de erbio. La fuente láser para la generación del
solitón es un láser DFB, cuya potencia promedio de salida es alrededor de 2-3 mW. Con la
técnica de ganancia conmutada, se puede generar un tren de pulsos de 27 ps con una tasa de
repetición del orden de GHz. Se usa un resonador de Fabry-Perot (FPR) como un filtro espectral
de banda angosta para obtener los pulsos ópticos aunque esto disminuya la potencia promedio
transmitida a 1/10 de la potencia de entrada. El ancho de banda del FPR es 0.18 nm y el
espaciamiento de la cavidad es cercano a 200 μm. Posteriormente el pulso es acoplado en un
modulador de intensidad de luz del tipo Mach-Zehnder LiNbO3 para conmutar el tren de
solitones. La fibra que se utiliza para esta transmisión por solitón consiste en cuatro fibras de 25
km de dispersión desplazada con dispersión cero en 1490-1500 nm y disperión de -2.3 a -2.4
ps/km/nm en 1545 nm. Las pérdidas en la fibra son de 0.24 dB/km con un diámetro de 5.6 - 6.0
μm. Así, la potencia para un pulso de 20 ps se encuentra entre 6-10 mW.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 87
Figura 3.27. Transmisión por solitón utilizando amplificadores de erbio.
Otro experimento se muestra en la Figura 3.28 [6]. El láser de realimentación distribuida con
ganancia conmutada (GS-DFB) a 1550 nm genera un tren lineal de pulsos ópticos con una tasa de
repetición de 3.6418 GHz. El tren de pulsos ópticos pasa a través de un aislador y es amplificado
por una fibra dopada con erbio de 15 m de longitud bombeada por un diodo láser Fabry-Perot
(FP-LD) de 1.48 μm CW. Los pulsos ópticos amplificados son enviados sobre una fibra óptica
mantenedora de polarización (PMF) de 3.7 km de largo para compensar el chirp por los 18.7
ps/km/nm de dispersión normal (en 1550 nm) de la PMF. Al final de la PMF, se obtiene un tren
de pulsos ópticos comprimido que es modulado por un modulador de intensidad LiNbO3
(pérdidas por inserción de 6.4 dB), y amplificado por una fibra monomodo dopada con erbio de
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 88
150 m de longitud bombeada por un FP-LD de 200 mW a una longitud de onda de 1.48 μm CW.
Se obtienen pulsos amplificados de señal óptica con picos de potencia de 700 mW. Una fibra
monomodo de dispersión desplazada (DSF) de 23 km de longitud se usa en la línea de
transmisión. Los pulsos amplificados de señal óptica son acoplados en la DSF mediante un espejo
dicroico DM3. La DSF posee una dispersión anómala de 4.0 ps/km/nm, una pérdida de 0.25
dB/km y un diámetro de 6.0 μm en la longitud de onda de 1550 nm. Las pérdidas de la DSF son
compensadas por amplificación Raman tanto hacia adelante como hacia atrás. Para hacer que la
ganancia Raman sea insensible a la polarización de los pulsos de señal, se acoplan dos FP-LDs de
1.48 μm CW, polarizados ortogonalmente entre sí, mediante un divisor de polarización, y
utilizados como fuente de bombeo. Las pérdidas totales de la DSF con amplificación Raman son
menores a 1 dB, cuando las potencias de bombeo hacia adelante y hacia atrás son
respectivamente 150 y 70 mW. El pulso de señal óptica transmitido es guiado por una señal
senoidal de 1.8209 GHz. El estado de polarización lo ajusta el controlador de polarización (PC).
Un filtro óptico pasa banda con un ancho de banda de 1 nm se emplea para reducir el ruido de
mezclado entre emisiones espontáneas de amplificación. El ancho del pulso óptico después de
transmitirse a través de la DSF y DM4 se mide por un autocorrelador SHG. Asumiendo que el
pulso de señal óptica tiene la forma de un pulso gaussiano antes de su transmisión por la DSF, el
ancho del pulso se estima que es de 17.8 ps. Además se puede observar una disminución en el
ensanchamiento del pulso debida al efecto del solitón, mientras se incrementa la potencia a la
entrada a 12 ps para 177 mW.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 89
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 90
3.7.2 Transmisión por solitón sobre fibra muy larga con compensación de pérdidas por
ganancia Raman
Estudios teóricos han demostrado que el producto capacidad-distancia (BL) para una transmisión
por solitón sobre fibra muy larga con compensación de pérdidas por ganancia Raman podría ser
de hasta 30 000 GHz km para un solo canal, comprendiéndose en esquemas de multicanalización
por longitud de onda.
El aparato se muestra en la Figura 3.29 [1]. Una fibra monomodo con bajas pérdidas (0.22 dB/km
en 1600 nm) de 41.7 km de longitud y con dispersión D ≈ 17 ps/nm/km en 1600 nm se cierra a sí
misma con un interferómetro Mach-Zehnder. El interferómetro permite que un bombeo de luz en
1497 nm (≈ 300 mW CW provenientes de un láser DFB) sea acoplado eficientemente en el lazo,
al mismo tiempo que permite que la señal de luz circule alrededor del lazo. Los pulsos de señal se
acoplan al lazo de fibra mediante un acoplador de fibra por fusión en lugar de un interferómetro
Mach-Zehnder (FMZ). De este modo se pueden evitar variaciones en el acoplamiento de la señal
debidas a la sensibilidad del FMZ, determinando de manera estable y precisa un valor absoluto de
la potencia de la señal en el lazo.
La diferencia en el bombeo y la frecuencia de la señal, corresponden al pico de ganancia Raman.
Un ancho del pulso de 50 ps hacen que el periodo del solitón sea de z0 = 55 km; cumpliendo con
el criterio z0 >> L/8 necesario para una transmisión estable por solitón (L es el periodo de
amplificación, en este caso L = 41.7 km). Dos controladores de polarización ajustan la
polarización de las señales que entran al FMZ. Por lo que la ganancia Raman, que depende de la
polarización de bombeo y señal, permanece uniforme al pasar por varios lazos. Además, la
componente no polarizada de la emisión espontánea Raman puede tener una ganancia superior
que las propias señales.
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 91
Figura 3.29. Pérdidas de solitón compensadas por ganancia Raman.
Aún se tienen que realizar muchas investigaciones antes de que un sistema de comunicaciones
por solitón pueda realizarse prácticamente. Un verdadero láser de una sola frecuencia, un tipo de
amplificador de gran eficiencia, harán a la transmisión por solitón un fuerte candidato en
comunicaciones a larga distancia.
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 92
Capítulo 4
SISTEMA DE TRANSMISIÓN WDM POR SOLITÓN
Este capitulo esta enfocado a conocer el sistema de transmisión WDM por solitón. Tomando en
cuenta que WDM es un tema muy extenso con grandes campos de información y de aplicación,
en este capitulo solo se considerará su aplicación directa a los solitones, ya que a lo largo de este
trabajo hemos venido hablando de los solitones y de los efectos que los producen, es importante
saber como canalizar la información que se ha recopilado a su mas cercana aplicación, teniendo
en cuenta que este sistema esta en desarrollo y que para su aplicación se requiere un gran campo
de investigación. Mediante este capitulo describiremos al sistema WDM y sus principales efectos
que se tiene al transmitir un solitón.
La propagación de solitones a través de fibras ópticas ha sido un campo de investigación
importante debido a su aplicabilidad potencial en todos los sistemas de comunicación óptica. El
campo de telecomunicaciones ha experimentado una evolución sustancial en las décadas pasadas
debido al progreso impresionante en el desarrollo de fibras ópticas, amplificadores ópticos así
como transmisores y de receptores. En un sistema de comunicaciones ópticas modernas, el
acoplamiento de la transmisión se compone de las fibras ópticas y de los amplificadores que
substituyen los regeneradores eléctricos [20]. El sostenido progreso que ha experimentado la
tecnología de las comunicaciones ópticas en el transcurso de la última década ha sido motivados
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 93
primordialmente por la emergente demanda en servicios de telecomunicaciones (voz, datos,
contenidos multimedia, etc.). Los requerimientos por tener anchos de banda cada vez mayores
presentan un comportamiento similar a la Ley de Moore, el cual describe el desarrollo en las
capacidades de los semiconductores. Dentro de este ámbito, las redes ópticas WDM (Wavelength
Division Multiplexing) en conjunto con los amplificadores de fibra dopada con tierras raras
(Erbio: Er3+, Neodimio: Nd3+ y Praseodimio: Pr3+) surgen como la elección natural para
satisfacer la creciente demanda de ancho de banda en las estructuras de transporte [18].
El ejemplo que en cual es evidente a la gran demanda de anchos de banda, de servicios y el gran
número de canales son los enlaces submarinos de larga distancia por fibra óptica que tienen como
prioridad comunicar a grandes ciudades en el cual codifican la información en muchos canales de
frecuencia (WDM). Así consiguen aumentar notablemente la capacidad de transmisión del
sistema y al mismo tiempo cumplir con los requerimientos de calidad de este tipo de sistemas.
Por ejemplo, tasas de error inferiores a uno por cada 109 bits transmitidos. No obstante, la
implementación de enlaces ópticos que utilizan WDM presenta una complejidad cada vez mayor.
Ello es debido tanto al aumento del ancho de banda total utilizado, como al gran número de
canales empleados para la transmisión. Al mismo tiempo, el diseño de estos sistemas tiende a
reducir la distancia en frecuencia entre los canales y aumentar la velocidad de transmisión de
cada canal. La implementación en la fibra óptica de estos sistemas de gran capacidad (centenares
de gigabits por segundo) y larga distancia (miles de kilómetros), precisa de un diseño cuidadoso
del enlace. La fibra introduce una gran distorsión de la señal, por lo que el enlace óptico se ha de
diseñar de manera apropiada. Este diseño ha de tener en cuenta todos los efectos físicos
relevantes que gobiernan la propagación de la señal en la fibra, para minimizar los efectos
perjudiciales que cada uno de estos efectos tiene en la calidad del sistema [17].
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 94
4.1 WDM
Multicanalización por división de longitud de onda (WDM por sus siglas en ingles) es una
tecnología que introduce varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de
diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser [19].
El dispositivo que une las señales se conoce como multiplexor mientras que el que las separa es
un desmulticanalizador. Como datos generales los primeros sistemas WDM aparecieron en torno
a 1985 y combinaban tan sólo dos señales.
Cada uno de los canales WDM está diseñado para dejar pasar una longitud de onda o una banda
de longitudes de onda en particular. El sistema podría utilizarse para enviar dos señales ópticas a
través de una fibra común: una señal con longitud de onda de 1310 nm se transmitiría a través del
canal de 1310 nm, y una señal de 1550 nm se enviaría por el canal WDM de 1550 nm.
Los sistemas modernos pueden llegar a soportar hasta 160 señales y expandir un sistema de fibra
de 10 Gb/s hasta una capacidad total 25.6 Tb/s sobre un solo par de fibra.
Los canales WDM se comportan como filtros que únicamente permiten el paso de las señales
ópticas especificadas para cada canal, de tal forma que transmitir una señal de 1310 nm a través
de un canal de 1550 nm no funcionaría. A pesar de que actualmente se desarrollan técnicas para
alojar más de 2000 canales en una sola fibra, los multicanalizadores más comunes que existen
cuentan con 2, 4, 8, 16, 32 ó 64 canales. Aquéllos que integran dos canales cuyas longitudes de
onda se localizan entre las bandas de 1310 y 1550 nm se conocen como WDM de banda amplia.
Un multicanalizador WDM de banda angosta es aquél que integra dos o cuatro canales dentro de
la banda de los 1550 nm. DWDM (multicanalización por división de longitud de onda densa)
pertenece a la categoría WDM de banda angosta y está diseñado para un espaciamiento entre
canales de 100 GHz (~ 0.8 nm). Debido a este espaciamiento, DWDM puede acoplar ocho o más
canales dentro de la banda de los 1550 nm (Figura 4.1) [17].
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 95
Figura 4.1. Esquema básico del funcionamiento de un sistema WDM. Para cada uno de los canales hay
un láser emitiendo a diferente frecuencia. Posteriormente se multicanalizan todos los canales en una fibra
óptica de gran capacidad. En el receptor un filtro óptico selecciona cada uno de los canales.
Al momento de implementar tecnologías WDM, es muy importante que los multicanalizadores
utilicen fuentes láser con diferentes longitudes de onda, y que estas fuentes se sintonicen de
acuerdo a las longitudes de onda o bandas específicas del multiplexor. De no utilizar las
longitudes de onda correctas, el sistema podría no funcionar adecuadamente.
Sin embargo, el esquema WDM está sujeto a diversas limitaciones inherentes de la transmisión
por fibra óptica, las cuales pueden degradar el desempeño del sistema. Estos efectos incluyen:
o La dispersión cromática de la fibra, que limita la tasa de transmisión debido al
ensanchamiento temporal que sufre el pulso transmitido.
o La no uniformidad de la ganancia del EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) y el ruido
de emisión espontánea amplificada ASE (Amplified Spontaneous Emission), que degrada
la relación señal a ruido SNR (Signal to Noise Ratio) limitando el rango de longitudes de
onda disponibles.
o Diversos efectos no lineales tales como fenómenos de scattering estimulado (SRS,
Stimulated Raman Scattering y SBS (Stimulated Brillouin Scattering), auto-modulación
de fase (SPM, Self Phase Modulation), modulación de fase cruzada (XPM, Cross Phase
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 96
Modulation) y mezcla de cuatro ondas (FWM, Four Wave Mixing) que, como resultado
de las altas potencias de las señales disponibles en la fibra óptica, distorsionarán las
señales transmitidas.
En la actualidad, una considerable atención esta dirigida al estudio de los solitones ópticos como
medio para superar las restricciones e incrementar las tasas de transmisión en la fibra por sobre
los 40 Gb/s. A pesar de la madurez tecnológica alcanzada por los sistemas con solitones
amplificados, estos todavía no han sido desarrollados comercialmente [18].
4.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN
El conjunto de transmisión WDM está compuesto por tramos de fibra con dispersión desplazada,
cuya atenuación es compensada por una cascada de amplificadores ópticos modelados
idealmente. En el sistema se emplea modulación de intensidad con detección directa (IM/DD,
Intensity Modulation with Direct Detection) [18].
4.2.1 Transmisor
Las fuentes láser se asumen libres de ruido y de chirp de frecuencia, emitiendo secuencias en
picosegundos aleatorias de 6 bits para cada portadora, en las frecuencias f1 = 194.04 THz (1546
nm), f2 = 193.79 THz (1548 nm), f3 = 193.54 THz (1550 nm), y f4 = 193.29 THz (1552 nm). Cada
bit 1 en la secuencia de datos es simbolizado por un pulso óptico cuya envolvente corresponda a
una secante hiperbólica (soliton fundamental). Los pulsos ocupan alrededor de un 20% del
intervalo temporal asignado al bit, para así evitar una posible colisión entre ellos (fenómeno de
interacción entre solitones) [18].
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 97
4.2.2 Fibras de dispersión desplazada
Los diferentes tipos de fibras ópticas usadas en las diversas distribuciones del enlace son:
o Fibras de dispersión desplazada con longitud de onda de cero dispersión (DSF1 Lucent
TrueWave).
o Fibras de dispersión desplazada con longitud de onda de cero dispersión (DSF2 Lucent
TrueWave-XL).
Los parámetros relevantes de cada tipo de fibra son detallados en la Tabla 4.1. Un modelo para la
propagación de pulsos ópticos en un sistema WDM queda completamente definido a través de un
conjunto de ecuaciones no lineales de Schrödinger acopladas. La atenuación, los efectos
dispersivos y los fenómenos no lineales tales como SPM, XPM y SRS, son incorporados
apropiadamente en el modelo [18].
Tabla 4.1 Características de los diferentes tipos de fibra.
Fibra
dB/km
Aeff
µm2
λZD
nm
D
ps/(km nm)
DSF1 0.20 50 1 529.5 0.04 a 2.59
DSF2 0.20 50 1 566.5 -3.10 a -0.55
4.2.3 El modelo del amplificador óptico
El análisis se realiza a base de un modelo simplificado de un amplificador de fibra dopada con
erbio (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier). El EDFA es tratado como un multiplicador de
señal con ganancia de potencia G; el ruido ASE que éste genera es representado a través de una
variable aleatoria gaussiana compleja que es sumada a cada componente espectral de la secuencia
de pulsos a la salida del amplificador, según la expresión [18]:
)()()( vavAGvA nentsal (4.1)
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 98
donde G = exp(αLA) es la ganancia del amplificador necesaria para compensar las pérdidas de la
fibra; LA es el espaciamiento entre amplificadores; an y Aout son las componentes espectrales de la
secuencia de pulsos respectivamente. Las partes real e imaginaria de los componentes espectrales
del ruido ASE tienen media nula y varianza igual a la potencia media de ruido blanco, contenida
en cada componente del espectro de Fourier:
2)1(2 v
GhvP SPASE
donde ηSP es el factor de emisión espontánea (ηSP = 1 en un amplificador ideal, cuando se obtiene
una inversión de población total), h es la constante de Planck, v es la frecuencia óptica, G es la
ganancia del amplificador y Δν el ancho de banda ocupado por cada componente de frecuencia.
Se asume, además, que la ganancia y la densidad espectral de potencia del ruido ASE en el
amplificador son constantes para toda la banda de interés.
Los sistemas de WDM con solitones, tienen la capacidad de un sistema con onda luminosa que
puede ser aumentada considerablemente usando la técnica WDM. Un sistema WDM por solitón
transmite un excedente en la variación del solitón en el tramo de la misma fibra usando diversas
frecuencias en las portadoras [18].
4.2.4 Característica de las colisiones entre canales
Los nuevos sistemas WDM tienen la posibilidad de tener colisiones entre los solitones que
pertenecen a diversos canales y que viajan a diversas velocidades de grupo. Para entender la
importancia de las colisiones, primero nos centramos en los solitones estándares que se propagan
en fibras de dispersión disminuida, incluyendo las variaciones causadas por pérdidas y
dispersión.
(4.2)
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 99
4.3 EL EFECTO DE LA AMPLIFICACIÓN A SEGMENTOS
En los sistemas con manejo de pérdidas por solitón las pérdidas de la fibra se compensan
periódicamente con amplificación a segmentos. La razón es que las colisiones del solitón son
afectadas de manera inversa por variaciones en la energía del pulso. Físicamente, las variaciones
grandes de energía que ocurren sobre la longitud de una colisión (Lcol) destruyen la naturaleza
simétrica del soliton. En consecuencia, los solitones recuperan su frecuencia y velocidad original
después de que ocurre la colisión. El cambio residual de la frecuencia aumenta rápidamente como
LA de los acercamientos de Lcol y puede convertirse en < 0.1 gigahertz. Tales cambios no son
aceptables en la práctica puesto que se acumulan por excesivas colisiones múltiples y producen
grandes cambios en la velocidad para mover al soliton fuera de la ranura de bit. Cuando Lcol es
bastante grande que una colisión dura sobre varios espaciamientos del amplificador, y los efectos
de las variaciones de la ganancia y pérdida comienzan a hacer un promedio hacia fuera, y las
disminuciones residuales del cambio de frecuencia. Puesto que Lcol se relaciona con el inverso del
espaciamiento de canal, los sistemas de esta condición tienen un límite en la separación máxima
entre los dos canales exteriores de un sistema WDM.
4.4 MANEJO DE DISPERSIÓN
FWM es la limitación de sistemas WDM, el factor GVD (dispersión de velocidad de grupo)
cuando se mantiene constante a lo largo del acoplamiento de la fibra, el problema de FWM
desaparece virtualmente cuando se utiliza la técnica de la manejo de dispersión el fenómeno no
lineal de FWM requiere la correspondencia de fase. Esto hace una fuente principal de la diafonía
no lineal siempre que el espaciado del canal y la dispersión de fibra sean bastante pequeños para
satisfacer la condición que empareja la fase aproximadamente. Es así cuando los sistemas WDM
funcionan cerca de la longitud de onda de dispersión cero de fibras cambiadas por la dispersión.
Por esta razón, varias técnicas han sido desarrolladas para reducir el impacto de FWM en
sistemas WDM. De hecho, el manejo de dispersión es esencial si un sistema WDM por solitón se
diseña para transmitir más de dos o tres canales [2].
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 100
La utilización del manejo de la dispersión en sistemas de transmisión por fibra óptica permite
reducir tanto el efecto de los desplazamientos frecuenciales y temporales en sistemas WDM
como el impacto de los procesos de mezcla de cuatro ondas (FWM). El manejo de la dispersión
se ha presentado con éxito en la interpretación de mejoras de sistemas de transmisión de un solo
canal. Esta técnica ha sido mostrada para ser eficaz en reducir tanto la inquietud de cronometraje
inducida por la colisión como la generación de crecimiento FWM.
4.5 EFECTOS SOBRESALIENTES
El problema de los pulsos que se presenta recíprocamente e influenciándose durante esa
interacción, es de importancia fundamental en muchas áreas. Por ejemplo, si el pulso es un
portador de la información, tal como adentro de un sistema de comunicación, la disminución o la
destrucción del pulso con la interacción afectarán seriamente la utilidad del sistema. El panorama
más simple de la interacción del pulso es el de dos pulsos que vienen juntos y que se cruzan, en
virtud de viajar a diversas velocidades. En sistemas lineales, una buena interacción esta prevista
debido a la superposición de ondas. En sistemas no lineales, sin embargo, los subproductos
imprevisibles de la interacción pueden dar lugar y pueden ser devastadores a los pulsos. En
sistemas no lineales débiles, estos productos son el resultado de una resonancia que es excitada
por la no linealidad, llamada mezcla de cuatro ondas. La demanda fundamental de este papel es
que la aleatoriedad en el sistema puede golpearlo de resonancia suficientemente para anular, o
para disminuir por lo menos, es el resultado de esta interacción. Una estrategia conocida para los
pulsos que se estabilizan en tal sistema es el manejo de dispersión. Es el manejo de la dispersión
que reduce perceptiblemente la mezcla de cuatro ondas. En tal sistema, la interacción del pulso se
puede estudiar directamente como la dinámica de un solitón. Los pulsos se sabe que pueden
sobrevivir a tal interacción con solamente un cambio en los parámetros, tales como la fase [19].
Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón
Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 101
4.5.1 Fondo y motivación en sistemas de transmisión por fibra óptica
Una técnica empleada es el sistema de multicanalización por división de Onda (WDM), que
permite el uso de sistemas múltiples para propagar pulsos dentro de una sola línea de la fibra. Las
interacciones no lineales entre parejas de los pulsos en diversos canales de frecuencia dan lugar a
varios efectos. Dos efectos principales son (i) la inquietud que mide el tiempo colisión-inducida,
que pulsan los resultados en frecuencia permanente que cambian de puesto al chocar y (ii)
mezclado de cuatro ondas (FWM) esos son los resultados en una forma de onda permanente que
pueda continuar recíprocamente con otros pulsos ópticos. Las impurezas de la fibra, sobre todo
debido a la construcción y la puesta en marcha de la fibra, se pueden ver como perturbaciones
pequeñas al azar en la fibra. En el pasado, estas perturbaciones a menudo se han considerado un
efecto negativo al sistema óptico en que conducen a las distorsiones del pulso generando su
destrucción: los solitones y el manejo de dispersión en los solitones se ensanchan bajo la
influencia de perturbaciones al azar, hasta que se desintegran. Afortunadamente, estos efectos
ocurren a distancias muy grandes del excedente y eso es posible al utilizarlos como portadores en
redes de comunicaciones terrestres. Con respecto a otros fenómenos es sabido que el crecimiento
del producto de FWM y las resonancias deterministas, las variaciones al azar de los parámetros
de la fibra pueden tener un impacto beneficioso referente a interacciones del pulso [19].
Mediante este conjunto de tecnologías se a propuesto manejar grandes cantidades de datos los
cuales, se ven reflejados en el crecimiento de las grandes ciudades y por ende estos servicios de
comunicación dando una aplicabilidad en redes que comuniquen voz y video en tiempo real, ya
que se requiere una gran velocidad de transmisión para poder enlazar y cubrir eventos de
importancia a nivel mundial, para redes de seguridad entre empresas que manejen datos de
importancia, a si llevando a niveles de gran confiabilidad para una comunicación pura y con
niveles de error menor a la que se maneja en la actualidad [19].
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CONCLUSIONES
Hemos descrito a los solitotes como una manera de aprovechar los efectos dispersivos y no
lineales que por separado, degradan el desempeño de la señal transmitida en una fibra óptica. En
esencia un solitón puede verse como un pulso que se propaga sin cambiar su forma, mejorando el
desempeño de sistemas que se ven limitados por los fenómenos de dispersión.
Llevar a los solitotes a un nivel comercial depende de todo lo que se necesita para mantenerlos
durante su propagación. El reto es mejorar los sistemas de telecomunicaciones existentes, con la
finalidad de saciar el ansia de nuevos, mejores y más eficientes servicios de telecomunicaciones
demandado por sus usuarios. La aplicación más inmediata para las transmisiones mediante el uso
de solitones la observamos en los sistemas de gran capacidad y larga distancia, como enlaces
transoceánicos.
En este trabajo se presentó la evaluación de un sistema WDM por solitones para su aplicación en
sistemas de transmisión de largo alcance, donde las técnicas de control de dispersión y
amplificación representan un papel importante en el desempeño del sistema. Como desafío
futuro, se plantea la necesidad de incorporar un modelo más riguroso de amplificación que
considere el comportamiento real de los EDFA.
Estamos conscientes de que escribir cualquier texto relacionado con las comunicaciones ópticas
requiere de una constante revisión de conceptos y actualización de la información; es por ello que
no nos atrevemos a corroborar el funcionamiento de algún sistema por solitón que ya se
encuentre operando actualmente.
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GLOSARIO
Apertura numérica (NA). La apertura numérica de una fibra óptica define una característica de
la fibra con respecto a su aceptación de luz incidente. El "grado de abertura," "habilidad de juntar
luz," y "cono de aceptación" son términos que describen esta característica.
Absorción. Conversión de energía óptica en calor. Se expresa como décibeles por kilómetro
(dB/km).
Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA). Un amplificador óptico que utiliza una fibra
activa metida en erbio y una fuente de bomba (láser) para hacer más grande o amplificar la señal
óptica.
Ancho de banda. Una medida de la frecuencia máxima por la cual la intensidad de la luz puede
ser modulada antes de que la señal experimente atenuación de exceso de 3dB. Por más grande
que sea el ancho de banda, más grande es la capacidad para llevar información. Ancho de banda
de fibra se expresa en megahertz (Mhz) por kilómetro (km).
Ancho del espectro. Una medida de la extensión de la longitud de onda de un espectro. Se
utiliza para determinar la anchura óptica de las fuentes de luz como los LED y los láseres en
sistemas ópticos. También se conoce como anchura de línea. Anchuras típicas de espectros para
un LED son 20 nm a 60 nm y para un diodo de láser, 1 nm a 5 nm.
Ancho del pulso. El intervalo de tiempo de la duración de un pulso.
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Angulo crítico. El ángulo máximo en que luz puede ser totalmente reflejada dentro de una fibra.
La proporción de la apertura numérica equivale el índice de la refracción del núcleo de la fibra.
Angulo de aceptación. Angulo máximo en que la luz es aceptada por una fibra; el ángulo
crítico, medido desde el eje central del núcleo, mediante el cual el núcleo de una fibra óptica
acepta luz de entrada.
Atenuación. El término general utilizado para describir la diminución de energía de un punto
hasta otro. En fibras ópticas, la pérdida de poder óptico por unidad se expresa logarítmicamente
en décibeles por kilómetro (dB/km) en una longitud de onda específica.
Décibel (dB). Una unidad logarítmica que describe la proporción de dos energías, voltajes o
corrientes.
Demulticanalizador. Un aparato que separa las dos o más señales que se han combinado para ser
una señal de multiplexor. Un demulticanalizador óptico separa las señales a longitudes de ondas
diferentes.
Diafonia. Denominada en inglés Crosstalk. Acoplamientos magnéticos o capacitivos entre
circuitos próximos a consecuencia de los desequilibrios producidos en unos por otros cuando los
atraviesan corrientes diferentes o sus características son distintas.
Dispersión. La causa de las limitaciones del ancho de banda en una fibra. Dispersión hace que
los pulsos de entrada lleguen a ser más anchos a lo largo de la fibra. Dos tipos predominantes
son: a) Dispersión modal que es causada por las longitudes diferenciales del camino óptico en
una fibra multimodo. b) Dispersión material que es causada por una demora diferencial de varias
longitudes de onda de luz en un material de guía de onda.
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Dispersión cromática. El efecto de una combinación de dispersión de material y de guía de
onda.
Dispersión de guía de onda. La distorsión de un modo debido a las propiedades geométricas de
la guía de onda.
Distorsión. Un cambio en la figura de la forma de onda de una señal.
Fabry–Perot. Diodo de láser típico que contiene un semiconductor adherido a cada espejo para
formar una cávidad resonante que crea el efecto del láser. Se utiliza en aplicaciones digitales.
Fibras ópticas. Transmisión de luz por fibras ópticas para la comunicación, incluyendo voz,
video, y datos.
Indice de refracción. La proporción de la velocidad de luz en un vacío y la velocidad de luz en
un material.
Interferómetro. es un instrumento que emplea la interferencia de las ondas de luz para medir
con gran precisión longitudes de onda de la luz misma.
Láser. Una fuente coherente de luz con un ancho de espectral muy angosto.
Láser sintonizable. Un láser capaz de que se le varíe su longitud de onda central para
optimizarla para una aplicación específica.
Multicanalización de división de longitud de onda (WDM). La combinación de dos o más
señales ópticas para transmisión sobre una vía óptica común, usualmente una fibra simple.
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Polarización. Un término usado para describir la orientación de los vectores de los campos
eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética propagante. Una teoría de ondas
electromagnéticas describe en detalle la propagación de señales ópticas (luz).
Realimentacion distribuida (DFB). Un tipo de láser que usa rejilla interna para reducir la
anchura de línea del láser. Se puede utilizar en las aplicaciones análogas (AM/FM).
Rejilla de Bragg. Un filtro de reflexión de banda muy angosta que actúa como espejo para una
longitud específica de onda. Varían en tamaño de uno pocos milímetros a 125 mm. Más grande
la rejilla, más angosta la banda. Se usa para aplicaciones de multiplexión por división de
longitud de onda (WDM) para transmitir múltiples longitudes de onda por una fibra simple. Tres
aplicaciones importantes en telecomunicaciones de rejilla de fibra Bragg son: filtrar WDM,
aplanar ganancia, y dispersión.
Soliton. Pulso ultracorto que tiene la forma de una secante hiperbólica y se propaga a lo largo de
una fibra óptica sin perder su forma original.
SNR. Relación de señal a ruido. La relación de la energía de la señal a la energía del ruido de
fondo; usualmente se mide en en décibels (dB). Un término usado para describir la calidad de un
sistema de transmisiones electrónicas.
(BER). Tasa de error de datos. Una medida de la precisión de una transmisión. Es una
proporción de bitios recibidos en error a los bitios mandados.
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