Esta fórmula nos dice que el índice de refracción del primer medio, por el seno del

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1 Que es la fibra óptica? Últimamente se oye hablar en muchos ámbitos tecnológicos de la Fibra Óptica y de las ventajas que ésta tiene sobre tecnologías anteriores. Si estás leyendo este artículo es porque, efectivamente te habrás metido en una conversación de este tipo y no sabes de qué se trata exactamente esto de la Fibra Óptica. Pues bien, voy a intentar exponer aquí, unas ideas básicas de qué es, y por tanto, de dónde salen las ventajas que ofrece. Antes de explicar directamente que es la fibra óptica, conviene repasar ciertos aspectos básicos de óptica. La luz se mueve a la velocidad de la luz en el vacío, sin embargo, cuando se propaga por cualquier otro medio, la velocidad es menor. Así, cuando la luz pasa de propagarse por un cierto medio a propagarse por otro determinado medio, su velocidad cambia, sufriendo además efectos de reflexión (la luz rebota en el cambio de medio, como la luz reflejada en los cristales) y de refracción (la luz, además de cambiar el modulo de su velocidad, cambia de dirección de propagación, por eso vemos una cuchara como doblada cuando está en un vaso de agua, la dirección de donde nos viene la luz en la parte que está al aire no es la misma que la que está metida en el agua). Esto se ve de mejor forma en el dibujo que aparece a nuestra derecha. Dependiendo de la velocidad con que se propague la luz en un medio o material, se le asigna un Índice de Refracción "n", un número deducido de dividir la velocidad de la luz en el vacío entre la velocidad de la luz en dicho medio. Los efectos de reflexión y refracción que se dan en la frontera entre dos medios dependen de sus Índices de Refracción. La ley más importante que voy a utilizar en este artículo es la siguiente para la refracción: Esta fórmula nos dice que el índice de refracción del primer medio, por el seno del ángulo con el que incide la luz en el segundo medio, es igual al índice del segundo medio por el seno del ángulo con el que sale propagada la luz en el segundo medio. Y esto para que sirve?, lo único que nos interesa aquí de esta ley es que dados dos medios con índices n y n', si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un cierto ángulo límite (que se determina con la anterior ecuación) el haz siempre se reflejara en la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la luz de forma controlada tal y como se ve en el dibujo de abajo (que representa de forma esquemática como es la fibra óptica). los cables son mucho más finos, de modo que pueden ir muchos más cables en el espacio donde antes solo iba un cable de cobre. Concluyo pues diciendo que, la Fibra Óptica consiste en una guía de luz con materiales mucho mejores que lo anterior en varios aspectos. A esto le podemos añadir que en la fibra óptica la señal no se atenúa tanto como en el cobre, ya que en las fibras no se pierde información por refracción o dispersión de luz consiguiéndose así buenos rendimientos, en el cobre, sin embargo, las señales se ven atenuadas por

2 la resistencia del material a la propagación de las ondas electromagnéticas de forma mayor. Además, se pueden emitir a la vez por el cable varias señales diferentes con distintas frecuencias para distinguirlas, lo que en telefonía se llama unir o multiplexar diferentes conversaciones eléctricas. También se puede usar la fibra óptica para transmitir luz directamente y otro tipo de ventajas en las que no entraré en detalle. Compensación de distorsión no lineal introducida por la fibra óptica en redes CATV Problemática de la distorsión Las redes CATV sobre fibra óptica son una opción interesante para la distribución de señales de vídeo analógicas. Si se diseñan para operar en tercera ventana, es posible alcanzar largas distancias debido a la reducida atenuación de la fibra a 1550 m y al empleo de amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio (EDFA). No obstante, la principal fuente de degradación de estos sistemas la constituye la distorsión no lineal introducida por la propia fibra óptica. Ésta se debe principalmente a dos causas: Por una parte, el chirp del transmisor óptico junto con la dispersión cromática de la fibra produce distorsión no lineal a la salida del foto detector. Por otra parte, las no linealidades de la fibra provocan la aparición del fenómeno conocido como SPM (self-phase modulation). Este fenómeno se manifiesta en una modulación de fase inducida por la propia señal, la cual al combinarse con la dispersión de la fibra también produce distorsión no lineal. Con potencias ópticas elevadas, del orden de 20 mw (+13 dbm) por ejemplo, las cuales pueden ser típicas en las redes CATV, el SPM produce niveles de distorsión significativos. Este hecho, junto con la posibilidad de evitar el chirp del transmisor óptico mediante el empleo de moduladores externos, hace que el SPM se convierta en el principal problema a tener en cuenta. Hasta el momento, se han propuesto una gran cantidad de técnicas para compensar la dispersión cromática. Éstas incluyen el uso de fibras ecualizadoras, fibras de dispersión desplazada, o el empleo de redes de difracción (gratings). No obstante, la distorsión causada por SPM no puede compensarse con estas técnicas. Un método basado en la conjugación de la señal óptica y conocido con el nombre de OPC (optical phase conjugation) constituye un acercamiento alternativo a la compensación de los efectos negativos de la dispersión. Al mismo tiempo, se ha demostrado que OPC también cancela el efecto de la dispersión cromática en presencia de SPM. El método se basa en situar en mitad del enlace de fibra óptica un elemento que conjuga la señal (inversión espectral). Bajo ciertas hipótesis, la distorsión que sufre

3 la señal durante el primer trayecto de fibra es compensada mediante la propagación por la segunda fibra gracias a la inversión de fase realizada por el dispositivo OPC. Una de las principales ventajas de la técnica OPC es que no depende de las características de la señal a transmitir: analógica o digital, modulación empleada, etc. Arquitectura de una red CATV con OPC La arquitectura de una red CATV que emplea la técnica OPC se muestra en la figura 1. Puede observarse que la estructura es la típica de una red híbrida de fibra óptica y coaxial en la cual se han añadido unos elementos llamados OPC (conjugadores ópticos) para ecualizar la distorsión no lineal introducida por la fibra óptica. Fig 1. Arquitectura de red CATV con OPCLa cabecera de red es el órgano central desde donde se gobierna todo el sistema. Aquí es donde se reciben y procesan los canales de televisión y de datos provenientes de diferentes sistemas: satélite, microondas, etc., para su posterior distribución. Normalmente, el procesado de los canales consiste en una simple traslación en frecuencia, aunque en otros casos puede ser necesario un cambio en el formato de modulación. Posteriormente, todos estos canales se combinan para formar la señal eléctrica compuesta que se aplicará al transmisor óptico. La modulación óptica puede realizarse bien mediante el empleo de láseres DFB (Distributed FeedBack) o mediante el uso de moduladores externos. El transmisor óptico es el elemento encargado de inyectar la señal en la red de enlaces de fibra óptica. La topología de la red troncal de fibra óptica puede ser muy variada. Desde una estructura en árbol hasta una serie de anillos que interconectan entre sí los diferentes nodos ópticos. En estos nodo ópticos es donde las señales descendentes (desde la cabecera hasta el usuario) se convierten de óptico a eléctrico para ser distribuidas hacia el hogar del abonado a través de la red de coaxial. En mitad de cada uno de los enlaces de fibra que interconecta los nodos ópticos es donde se colocan los dispositivos OPC. Su función principal es la de invertir la fase de la señal óptica con objeto de reducir la distorsión introducida por la dispersión cromática y las no linealidades de la fibra óptica. Opcionalmente, se puede restaurar el nivel de potencia de la señal en el interior de estos dispositivos mediante el empleo de amplificadores ópticos. La calidad de la señal recibida por el usuario final viene determinada principalmente por la red de fibra óptica, ya que el trayecto sobre coaxial es de muy poca longitud. De este modo, la distorsión de la señal a la salida del nodo óptico permite determinar la longitud máxima de los enlaces de fibra y, en su caso, la necesidad de ecualización mediante OPC. Normalmente se suele fijar como criterio de diseño un

4 valor de distorsión inferior a -60 dbc. Construcción de un conjugador óptico El elemento clave de la técnica OPC como compensadora de la distorsión no lineal introducida por la fibra óptica es el conjugador óptico. Su realización se basa en procesos no lineales que ocurren en determinados dispositivos ópticos y que conducen a la inversión de la fase de la señal óptica. Para su construcción existen actualmente dos posibilidades principalmente: la primera basada en un amplificador óptico de semiconductor (SOA) y la segunda en una fibra de dispersión desplazada (DSF). En cualquiera de los dos casos, es necesario el empleo de un láser de bombeo para inducir los efectos no lineales. La señal óptica de entrada se mezcla con el bombeo en el interior del SOA o de la DSF y aparece conjugada a su salida. Posteriormente, la señal conjugada se selecciona por medio de un filtro óptico y finalmente se amplifica si fuera necesario Resultados obtenidos Para demostrar la viabilidad de la técnica OPC se ha simulado un sistema CATV con 70 canales de vídeo analógico cubriendo la banda de frecuencias desde 60 hasta 474 MHz. La modulación empleada es AM-VSB (banda lateral vestigial) con un espaciado de 6 MHz entre canales. La potencia a la salida del transmisor óptico es de +16 dbm y se ha considerado un enlace de fibra óptica monomodo estándar. Dispositivos y técnicas de compensación de dispersión cromática Las redes ópticas permiten conexiones de gran capacidad que no pueden ser cubiertas con otros medios de transmisión convencionales. La transmisión de señales del orden de Gbit/s sobre enlaces de telecomunicaciones basados en fibra estándar (standard single-mode fiber, SSMF) es de enorme interés debido a la gran disponibilidad de este tipo de fibras. Si se trabaja en tercera ventana de transmisión (1550 nm), las bajas pérdidas de estas fibras unido a la existencia de amplificadores ópticos de fibra dopada con erbio (erbium-doped fiber amplifier, EDFA) permite cubrir grandes distancias. Ahora bien, a pesar de su gran ancho de banda prácticamente ilimitado (varios cientos de THz), la existencia a 1550 nm del fenómeno de dispersión cromática limita la capacidad y el alcance máximos que pueden obtenerse en un determinado sistema de comunicaciones ópticas. La dispersión cromática consiste en un retardo variable dependiente de la frecuencia introducido durante la propagación a través de la fibra y que produce distorsión no lineal a la salida del fotodetector. Es decir, las componentes frecuenciales que constituyen el espectro de la señal óptica viajan a velocidades diferentes por la fibra y alcanzan el fotodetector en instantes ligeramente distintos.

5 En el caso de transmisiones digitales, el efecto se manifiesta en un ensanchamiento temporal de los pulsos ópticos que provoca interferencia entre símbolos. Lógicamente, conforme los pulsos ópticos son más estrechos (mayores velocidades de modulación) o el enlace de fibra más extenso (mayor dispersión acumulada), las degradaciones son más acusadas. De ahí que exista un límite que suele expresarse normalmente por medio del producto ancho de banda x longitud de fibra y que se mide en (Gbit/s)km. Desde hace tiempo se está investigando activamente en la búsqueda de nuevas técnicas y dispositivos tolerantes a la dispersión cromática. Entre los dispositivos más conocidos se encuentran las fibras compensadoras de dispersión, las redes de difracción sobre fibra óptica y las fibras de dispersión desplazada. Por otro lado, en lo relativo a las técnicas destaca la modulación de frecuencia óptica y la técnica de inversión espectral. A continuación comentaremos más en detalle en qué consiste cada uno de estos métodos. Fibras compensadoras de dispersión Las fibras compensadoras de dispersión (dispersion compensating fiber, DCF) se caracterizan por poseer un parámetro de dispersión cromática elevado y de signo opuesto al de las fibras convencionales operando en tercera ventana. De este modo, colocando una cierta longitud de DCF tras el enlace de fibra óptica que constituye el sistema de comunicaciones, es posible compensar la dispersión cromática acumulada durante el primer trayecto. Si denominamos D 1 y L 1 a la dispersión y longitud del enlace de fibra, y D 2 y L 2 a la dispersión y longitud de la DCF, respectivamente, entonces la condición para compensar dispersión puede escribirse como: D 1 L 1 + D 2 L 2 = 0. Suponiendo que tenemos un enlace óptico formado por 100 km de fibra estándar (D = 17 ps/kmnm), la dispersión acumulada durante la propagación a través del mismo sería de 1700 ps/nm. Luego basándonos en una DCF con un parámetro de dispersión de aproximadamente -100 ps/kmnm, serían necesarios unos 17 km de la misma para realizar la compensación. En la figura 1 se representa esquemáticamente un enlace óptico de gran distancia que emplea DCFs para compensar la dispersión cromática. La señal a transmitir se introduce en el sistema por medio de un modulador electroóptico situado a la salida de la fuente óptica láser, y se recibe por medio de un fotodetector junto con un amplificador electrónico de banda ancha. Para ecualizar la dispersión introducida a lo largo del enlace, éste se divide en secciones compuestas de un tramo de SSMF, una cierta longitud de DCF y, finalmente, un EDFA para recuperar la potencia de señal. Aunque en la figura se representa la técnica basada en "post-compensación", se podría realizar igualmente la "pre-compensación" sin más que intercambiar de posición los trayectos de SSMF y DCF. A pesar de lo dicho anteriormente, las DCFs sufren de varios problemas. En primer lugar, 1 km de DCF compensa tan sólo unos km de fibra estándar (recientes

6 avances han conseguido producir fibras cuya dispersión excede los -200 ps/kmnm). En segundo lugar, sus pérdidas son relativamente elevadas a 1550 nm (alrededor de 0,5 db/km). Y en tercer lugar, debido a su reducido diámetro modal, la intensidad óptica en el interior de la fibra es superior para una misma potencia óptica, lo cual provoca un acentuamiento de los efectos no lineales. En la actualidad se trabaja sobre estas líneas para mejorar las prestaciones de las DCFs. Algunos resultados ya obtenidos se basan en una estructura de fibra bimodal, alcanzándose parámetros de dispersión tan elevados como -770 ps/kmnm con idénticas pérdidas que la fibra estándar. Fibras de dispersión desplazada Las fibras de dispersión desplazada (dispersion shifted fiber, DSF) no son propiamente un dispositivo para compensar dispersión, sino más bien un tipo de fibras que se utilizan en sustitución de la fibra convencional por sus propiedades no dispersivas. La fibra estándar posee una característica de dispersión creciente con la longitud de onda de trabajo, presentando un nulo en torno a los 1310 nm (segunda ventana). Como ya se ha comentado que interesa trabajar en tercera ventana debido a las bajas pérdidas de la fibra, lo que se pretende es la construcción de un nuevo tipo de fibra que presente esta característica de dispersión nula en torno a los 1550 nm. Surgen así las DSFs, cuyo nombre proviene del proceso de fabricación mediante el cual se modifican el radio del núcleo o la diferencia de índices de refracción entre núcleo y cubierta para conseguir desplazar la curva de dispersión característica de las fibras estándar hacia longitudes de onda superiores. No obstante, el propio proceso de fabricación de estas fibras da lugar a una disminución del área efectiva del núcleo (50 mm 2 frente a mm 2 para fibras estándar) que comporta una intensificación de las no linealidades del dispositivo. Como los fenómenos no lineales se ven favorecidos en las regiones de dispersión nula, este hecho provoca que la principal limitación en estos enlaces se convierta ahora en las no linealidades por encima de la dispersión cromática. La solución más inmediata consiste en la construcción de DSFs con parámetros de dispersión lo suficientemente pequeños como para evitar la limitación por dispersión y, al mismo tiempo, reducir la influencia de las no linealidades. Este tipo de fibras se denomina comúnmente NZDSF (nearly zero DSF), y pueden existir dos tipos dependiendo del signo del parámetro de dispersión. En la figura 2 se resumen las características de dispersión en función de la longitud de onda de los distintos tipos de fibra óptica comentados: SSMF, DCF, DSF o NZDSF. Redes de difracción sobre fibra óptica Sin lugar a dudas, los dispositivos clave utilizados para compensar la dispersión cromática son las redes de difracción sobre fibra óptica con chirp (chirped fiber grating, CFG). Al igual que las DCFs, se trata de dispositivos dispersivos pero con

7 características notablemente distintas. Sus principales ventajas son unas bajas pérdidas de inserción, se trata de dispositivos compactos (longitud del orden de centímetros) que permiten la integración y relativamente fáciles de fabricar en grandes cantidades. Su funcionamiento se basa en introducir un retardo dependiente de la longitud de onda sobre las señales ópticas inyectadas en el dispositivo, de tal forma que se compense el retardo variable introducido por el enlace de fibra óptica. El CFG suele tener un único puerto de entrada/salida y opera en el modo de reflexión. Dado que tanto la señal recibida como la ecualizada están presentes en dicho puerto es necesario utilizar un circulador para separarlas tal y como se muestra en el diagrama de bloques de la figura 3. Ésta es realmente la configuración habitual, aunque también existen filtros basados en CFG que operan en transmisión en lugar de reflexión. La forma de obtener el retardo variable es por medio de una modulación con chirp de frecuencia del índice de refracción de la fibra. De este modo, las señales ópticas que viajan por su interior se reflejan en puntos distintos dependiendo de su longitud de onda y, por lo tanto, recorren distancias diferentes. En la figura 4 se ilustra este fenómeno así como las respuestas de reflectividad y retardo de grupo típicas de uno de estos dispositivos. Obsérvese que el CFG se caracteriza por poseer un determinado ancho de banda de funcionamiento que depende principalmente de la longitud del dispositivo. A diferencia de la DCF, esto constituye la principal limitación del CFG. En la actualidad se está investigando en la construcción de CFGs de banda ancha para su aplicación en sistemas DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing). El método de fabricación del CFG se basa en situar una máscara de fase entre un haz de luz ultravioleta y la fibra óptica. El haz incidente sufre difracción debido a unas corrugaciones realizadas en la máscara de fase e incide sobre el núcleo de fibra fotosensible, modificando las características del índice de refracción y realizando la modulación del mismo. Dado que este proceso de fabricación no es perfecto, aparece un cierto rizado aleatorio en las respuestas de reflectividad y retardo de grupo que puede apreciarse en la figura 4. En el caso del retardo, este rizado da lugar a la aparición de fenómenos dispersivos de orden superior que degradan finalmente la calidad del sistema, especialmente en el caso de sistemas multicanal analógicos. Modulación de frecuencia óptica Un acercamiento alternativo a lo que se conoce como transmisión tolerante a la dispersión lo constituye la modulación de frecuencia óptica. En este caso, suele utilizarse el formato de modulación FSK para inyectar la señal de datos a transmitir

8 sobre la portadora óptica generada por el láser. La modulación consiste en un desplazamiento Dl de la longitud de onda de la portadora dependiendo del bit ("0" ó "1"). Durante la propagación a través de la fibra, las dos longitudes de onda viajan a velocidades ligeramente distintas. El retardo entre los bits "0" y "1" puede determinarse a partir de la separación Dl y viene dado por DT = DLDl, siendo L la longitud del enlace de fibra. Luego tomando una cierta separación tal que DT = 1/B, donde B es la tasa de modulación, se puede demostrar que la señal FSK pura se convierte en una señal modulada en amplitud en el receptor. Finalmente, utilizando un integrador junto con un circuito de decisión es posible recuperar la señal transmitida. Mediante esta técnica se ha demostrado la transmisión de señales de 10 Gbit/s sobre 253 km de SSMF y de 20 Gbit/s sobre 53 km de fibra, lo que confirma que la distancia de transmisión puede aumentarse considerablemente. Construcción del conjugador óptico Dado que el dispositivo OPC es el elemento clave, entraremos a analizarlo con algo más de detalle. La construcción del conjugador óptico se basa en procesos no lineales que ocurren en determinados dispositivos ópticos y que conducen a la inversión de la fase de la señal óptica. El método más comúnmente utilizado hace uso del proceso de mezclado de cuatro ondas (four-wave mixing, FWM) en un medio no lineal. Para ello existen dos posibilidades principalmente: la primera basada en un amplificador óptico de semiconductor (SOA) y la segunda en una DSF. En cualquiera de los dos casos, es necesario el empleo de un láser de bombeo para inducir efectos no lineales apreciables. La señal óptica de entrada se mezcla con el bombeo en el interior del SOA o de la DSF y aparece conjugada a su salida, aunque a una longitud de onda diferente. Posteriormente, esta señal conjugada se selecciona por medio de un filtro óptico y finalmente se amplifica si fuera necesario. El diagrama de bloques de este dispositivo se representa en la figura 6. En la misma figura también aparece el espectro óptico a la salida del conjugador, donde puede verse la nueva señal generada. La eficiencia relativamente pequeña del proceso de conjugación en fibras ópticas merece una mención especial. Típicamente, la eficiencia de conversión se encuentra por debajo del 1%, siendo necesaria la amplificación posterior de la señal conjugada. Sin embargo, el fenómeno de FWM no es inherentemente un proceso de baja eficiencia y puede, en principio, proporcionar ganancia. De hecho, el análisis de las ecuaciones que modelan el FWM muestra que la eficiencia se incrementa considerablemente aumentando la potencia de bombeo a la vez que decrece la potencia de señal. Puede incluso exceder el 100% optimizando los niveles de potencia y la diferencia entre las longitudes de onda de bombeo y de señal, aunque suelen evitarse las altas potencias como consecuencia del scattering de Brillouin que ocurre cerca de los 10 mw. El scattering de Brillouin es un proceso no lineal que ocurre en fibras ópticas por el cual se refleja la potencia óptica inyectada a la entrada de las mismas por encima de un cierto valor que depende directamente de la

9 longitud. Esto limita la máxima potencia de bombeo aplicable y trae además como consecuencia un aumento del ruido de intensidad a la salida. En cuanto a los conjugadores basados en SOAs, la eficiencia de conversión es generalmente mayor que la del FWM en DSFs como consecuencia de la amplificación. La señal conjugada puede generarse empleando un dispositivo de 1 mm de longitud o incluso inferior. Pero esta ventaja se reduce como consecuencia de las elevadas pérdidas de acoplamiento que se producen cuando se vuelve a inyectar la señal en la fibra. Escogiendo adecuadamente la separación entre la señal y el bombeo, es posible obtener eficiencias de conversión por encima del 100%, es decir, ganancia neta sobre la señal conjugada. Estas prestaciones hacen muy atractiva a esta técnica en sistemas de compensación de dispersión. No obstante, la eficiencia de conversión y la relación señal a ruido del FWM en SOAs son altamente dependientes de esta separación entre las ondas de señal y de bombeo. Por ello se han propuesto diversas técnicas para intentar ecualizar esta respuesta en la banda de trabajo. Para que el proceso de FWM se produzca con la máxima eficiencia es indispensable que ambas ondas presenten el mismo estado de polarización a la entrada del medio no lineal. Esto se consigue por medio de un controlador de polarización (figura 6) sobre la onda de bombeo cuando la polarización de la onda de señal es conocida y estable. Sin embargo, la polarización del campo eléctrico durante la propagación a través de las fibras ópticas varía aleatoriamente, de tal forma que no es posible conocer de antemano su estado a la entrada del OPC en un sistema real de compensación de dispersión. Estas variaciones aleatorias afectan significativamente a la eficiencia del proceso de FWM, haciendo que la técnica de inversión espectral no sea adecuada para aplicaciones reales. Afortunadamente, se ha investigado activamente en este tema y se han encontrado configuraciones de FWM insensibles a la polarización de la señal de entrada. Entre ellas se encuentran varios experimentos realizados empleando técnicas de diversidad de polarización o utilizando dos ondas de bombeo polarizadas ortogonalmente. Recientemente se han propuesto nuevas técnicas basadas en estructuras interferométricas Mach-Zehnder y SOAs, interferómetros de Sagnac o incluso láseres DFB construidos sobre fibra y que consiguen una dependencia con la polarización tan pequeña como 0,5 db. Además del problema de la polarización, el proceso de conjugación mediante FWM presenta otro efecto no deseado como es el desplazamiento de la portadora óptica. Este es un factor a tener en cuenta en los sistemas de compensación de dispersión mediante OPC, ya que las propiedades de propagación a través del segundo trayecto de fibra serán diferentes, además de que reduce a la mitad el ancho de banda óptico de transmisión disponible. Para evitar este efecto se han propuesto distintas configuraciones basadas en el empleo de dos ondas de bombeo ortogonales. Finalmente, la influencia de otros efectos como distorsión debida a modulaciones residuales de amplitud o de fase de la señal conjugada o ruido de fase de la señal de bombeo también afectan a las prestaciones de la técnica OPC y deben ser tenidas

10 en cuenta en el diseño del conjugador. Efectos no lineales en la fibra óptica El gran atractivo que poseen los sistemas de comunicaciones ópticas se debe a la capacidad que poseen las fibras ópticas para transportar grandes cantidades de información sobre trayectos extensos sin utilizar repetidores. Para aprovechar el ancho de banda disponible pueden multiplexarse numerosos canales a diferente longitud de onda sobre una misma fibra, técnica que se conoce como WDM (wavelength division multiplexing). Adicionalmente, para incrementar los márgenes del sistema se requieren mayores potencias ópticas de transmisión o pérdidas de la fibra inferiores. Sin embargo, todos los intentos realizados para utilizar las capacidades de las fibras ópticas se encontrarán limitados por las interacciones no lineales que se producen entre las portadoras ópticas que transportan la información y el medio de transmisión. Estas no linealidades de la fibra producen interferencia, distorsión y atenuación adicional sobre las señales que se propagan, conduciendo finalmente a degradaciones en el sistema. Entre los fenómenos no lineales más conocidos que se producen en las fibras ópticas de sílice destacan: dispersiones estimuladas de Raman y Brillouin, modulaciones de fase inducidas por las portadoras o mezclado de cuatro ondas. A continuación se analizará en detalle cada uno de ellos así como diversas técnicas para reducir sus efectos. Finalmente, se estudiará una técnica no lineal de propagación de señales por la fibra óptica basada en la excitación de solitones. Modulación de fase cruzada En sistemas que emplean modulación PSK la información se imprime digitalmente sobre la fase de la portadora óptica (típicamente desplazamientos de +p/2 y -p/2 para representar los símbolos lógicos "0" y "1"). Cualquier fuente de ruido de fase conducirá a una degradación en las prestaciones 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. En sistemas monocanal, este fenómeno se conoce como automodulación de fase (SPM, self-phase modulation) y convierte las fluctuaciones de potencia óptica de una determinada onda en fluctuaciones de fase de la misma onda. En sistemas WDM, por otro lado, la modulación de fase cruzada (XPM, cross-phase modulation) 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

11 señales ópticas (efecto Kerr). En el caso del sílice se tiene un valor para este coeficiente de refracción no lineal de cm 2 /W. A pesar de su reducido valor, las elevadas longitudes de interacción típicas de los enlaces ópticos magnifican estos efectos no lineales. 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 penalización de potencia de aproximadamente 0,5 db). En sistemas WDM, además del SPM se tiene XPM por fluctuaciones de potencia en otros canales del espectro. Sin embargo, suponiendo las características de ruido de los láseres anteriormente descritas, la limitación introducida por XPM es despreciable para sistemas con gran número de canales. Por el contrario, la modulación de amplitud residual de los láseres de semiconductor modulados directamente en fase sí que constituye una limitación para el XPM. Los valores típicos de modulación residual pueden alcanzar el 20% de la potencia óptica de salida. Fijando un límite de penalización de 1 db, en la figura 1 se representa la limitación de potencia óptica impuesta por el XPM, donde ahora se observa que sí es más restrictiva. 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. El causante de ello es la propia dispersión cromática de la fibra, la cual es bien sabido que provoca conversiones faseintensidad 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. Mezclado de cuatro ondas La misma no linealidad que da lugar al índice de refracción no lineal participa también en el proceso de mezclado de cuatro ondas (FWM, four-wave mixing) en fibras ópticas monomodo. Este proceso no lineal se caracteriza por batidos 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 f 1 y f 2 por una misma fibra, el proceso no lineal generará dos nuevas bandas laterales a frecuencias 2f 1 - f 2 y 2f 2 - f 1. 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 f ijk = f i + f j - f k, donde i, j y k pueden ser 1, 2 ó 3. Estos nuevos productos

12 generados por FWM se muestran en la figura 2. Si los canales se encuentran igualmente espaciados, algunas de las nuevas ondas generadas tendrán frecuencias coincidentes con las de los canales inyectados en la fibra. De la figura 2 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. 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 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 3 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/kmnm) que en fibras estándar operando a 1550 nm (D = 17 ps/kmnm). En general, los efectos no lineales son mucho más eficientes en regiones de dispersión nula. Precisamente por ello, para la construcción de conjugadores ópticos basados en FWM suelen utilizarse esquemas de amplificador de semiconductor o de fibra de dispersión desplazada. En la figura 1 se puede observar también la limitación de potencia impuesta en el caso del FWM y su comparación con el resto de fenómenos no lineales estudiados. Si exceptuamos el comportamiento en el caso de unos pocos canales, la potencia crítica puede suponerse independiente del número de éstos. De acuerdo con la figura 3, 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 NZDSFs (nearly zero dispersionshifted 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. Este hecho es buena muestra de un principio general: la compensación de efectos no lineales por medio de la generación de otros efectos no lineales. Multiplexado de canales

13 Los diferentes métodos de multiplexado existentes (pasivos frente a selectivos en frecuencia) afectan significativamente sobre los efectos de las no linealidades ópticas. El multiplexado pasivo de N canales empleando por ejemplo una red en estrella reduce la potencia de cada canal inyectado en la fibra por un factor N. Mayores grados de multiplexación conducen a potencias por canal inferiores. Por lo tanto, la potencia por canal inyectada en la fibra decrece con el número de canales tal y como se muestra en la figura 1 para dos potencias ópticas de transmisor distintas: 10 y 50 mw, suponiendo que no existen pérdidas adicionales en el proceso de multiplexado. Para saber si un determinado efecto no lineal provocará degradación en el sistema debemos comprobar si la curva asociada con dicha no linealidad se encuentra por encima o por debajo de la curva que representa la potencia del transmisor óptico. En el caso particular de la figura 1, se deduce que utilizando un transmisor de 50 mw nos encontramos limitados por SRS por encima de los 100 canales, por SBS por debajo de 20 canales, por FWM por debajo de los 50 canales, y por XPM en cualquier caso. Si se reduce ahora la potencia de transmisión a 10 mw, sólo el SBS y el FWM constituyen limitación en el caso de transmisiones con menos de 10 canales. Por el contrario, en el caso de multiplexado selectivo en frecuencia la potencia por canal inyectada en la fibra es independiente del número de canales. Consecuentemente, estos sistemas serán más susceptibles de degradaciones producidas por efectos no lineales. Especialmente cuidadoso debe ser el diseño del sistema en el caso del SBS y del FWM, ya que su influencia es también independiente del número de canales. Solitones ópticos Para incrementar la capacidad de transmisión de las fibras ópticas (mayor cantidad de bits de información por unidad de tiempo) es necesario reducir la anchura de los pulsos ópticos generados por el transmisor. Pero además de la propia limitación tecnológica que puede existir (anchuras de pulso del orden de femtosegundos), la dispersión cromática de la fibra conduce al inevitable ensanchamiento de los pulsos durante la propagación, tanto mayor conforme los pulsos son más estrechos. Este ensanchamiento de los pulsos provoca finalmente interferencia entre símbolos y la degradación de la señal a la salida del fotodetector. La solución a este problema viene posibilitada por los solitones, un tipo de pulsos que se caracterizan por mantener su forma durante la propagación a través de la fibra. Los solitones ópticos son pulsos de luz que viajan libres de distorsión sobre grandes longitudes de fibra óptica como consecuencia de un balance entre los efectos dispersivos y no lineales. En especial y bajo ciertas condiciones de diseño, el SPM inducido por la no linealidad de la fibra produce un chirp de frecuencia que compensa el ensanchamiento producido por la dispersión cromática, evitando de este modo la utilización de regeneradores ópticos. La propagación de los solitones a través de la fibra óptica se rige por la ecuación de Schrödinger no lineal. De hecho, la expresión matemática en el dominio del tiempo de la forma de onda del solitón es la única solución estable de la ecuación de

14 Schrödinger. Las soluciones más habituales son las que tienen un perfil en forma de secante hiperbólica. Cuando el orden es igual a 1 se le llama solitón fundamental, y es el utilizado en sistemas de transmisión dado que los demás no mantienen su forma aunque sí evolucionan de forma periódica con la distancia. En la figura 4 se representa la evolución con la distancia por la fibra del solitón de segundo orden. Para su representación se han utilizado unidades normalizadas de intensidad, tiempo y distancia, en este último caso con respecto al período de repetición del pulso. Obsérvese cómo el pulso inicial modifica su forma para posteriormente volver a recuperarla al final del período de repetición (este patrón se repite a lo largo de toda la longitud del enlace de fibra óptica). Aunque se ha comentado que la forma del pulso se mantiene durante la propagación, todavía es necesaria la presencia de amplificadores ópticos a lo largo del trayecto para restaurar el nivel de potencia del pulso y mantener las propiedades del solitón. Los sistemas de comunicaciones ópticas típicos que emplean transmisión por solitones se caracterizan por enlaces de fibra de gran distancia (L > km) divididos en trayectos de longitud del orden de 50 km entre los cuales se sitúan amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) con una ganancia tal que compensa las pérdidas del tramo de fibra previo. Las distancias entre amplificadores coinciden con múltiplos del período espacial de repetición de los pulsos. No obstante, la máxima velocidad de transmisión alcanzable con esta técnica viene limitada por una serie de factores como pueden ser la interacción mútua entre los distintos pulsos o el ruido ASE introducido por los amplificadores ópticos. La interacción entre solitones adyacentes tiene lugar cuando los pulsos se encuentran excesivamente cercanos (anchuras de pulso inferiores a 5 ps) y se manifiesta en una atracción que conduce finalmente a la colisión de los pulsos. Por otra parte, la adición de ruido de emisión espontánea a un solitón, además de degradar la relación señal a ruido, provoca que se modifique su energía y frecuencia central de forma aleatoria. Como resultado de ello, se producen fluctuaciones de potencia y jitter temporal a la salida del fotodetector (efecto Gordon-Haus) que limitan el valor máximo alcanzable del producto entre la tasa de bit y la distancia de propagación. Diversas técnicas para compensar estas degradaciones han sido estudiadas. Algunas de ellas consisten en emplear solitones de diferente amplitud, amplificación limitada en banda, ganancia no lineal o filtrado de frecuencia deslizante. Los filtros utilizados para reducir el jitter pueden ser del tipo Fabry-Perot o Butterworth. En el caso de filtros de Butterworth, se obtienen mejores prestaciones debido a su comportamiento maximalmente plano y a una menor inestabilidad. La gran aplicación de la técnica de transmisión basada en solitones se encuentra en los sistemas de comunicaciones de gran capacidad y larga distancia, como por ejemplo los enlaces de fibra transoceánicos. Científicos del NTT (Nippon Telephone & Telegraph) de Japón han demostrado ya la transmisión libre de errores de una señal de 40 Gbit/s sobre km de fibra, lo que confirma el gran potencial de esta

15 técnica, especialmente si se combina con esquemas DWDM. Sistemas de comunicaciones ópticas híbridos WDM-SCM Las fibras ópticas disponen de un gran ancho de banda de transmisión del orden de Terahercios. Para aprovechar esta enorme capacidad de espectro óptico pueden emplearse distintas técnicas de multiplexación de la información a transmitir, como por ejemplo la multiplexación en longitud de onda (wavelength division multiplexing, WDM). Pero en el caso de los sistemas ópticos analógicos todavía es posible aumentar un escalón más el nivel de multiplexación si modulamos cada portadora óptica con la señal multicanal de RF proveniente de un transmisor CATV o receptor de TV satélite. Esta técnica de multiplexación en el dominio eléctrico se conoce con el nombre de SCM (subcarrier multiplexing). Surgen de este modo los llamados sistemas híbridos WDM-SCM, los cuales analizaremos en el presente artículo. Sistemas WDM La técnica de multiplexación WDM permite aumentar de una forma económica la capacidad de transporte de las redes ópticas existentes. Por medio de multiplexores y demultiplexores, los sistemas WDM combinan multitud de canales ópticos sobre una misma fibra, de tal modo que pueden ser amplificados y transmitidos simultáneamente. Cada uno de estos canales, a distinta longitud de onda, puede transmitir señales de diferentes velocidades y formatos. Las redes DWDM (Dense WDM) transportan 80 canales OC-48/STM-16 de 2,5 Gbit/s (un total 200 Gbit/s), ó 40 canales OC-192/STM-64 de 10 Gbit/s (un total de 400 Gbit/s). Una de las principales ventajas de los sistemas WDM es su modularidad, la cual permite crear una infraestructura conocida como "grow as you go", que se basa en añadir nuevos canales ópticos al sistema de forma flexible en función de las demandas de los usuarios. Así, los proveedores de servicio pueden reducir los costes iniciales significativamente, al tiempo que desarrollan progresivamente la infraestructura de red que les servirá en el futuro. Adicionalmente, las labores de gestión y enrutamiento de la red tienden a realizarse completamente en el dominio óptico, lo que les proporciona gran flexibilidad. Sin lugar a dudas, la tecnología clave para el desarrollo de las redes WDM ha sido el amplificador óptico. Los amplificadores ópticos se encuentran optimizados para operar en una determinada zona del espectro de frecuencia, de acuerdo con el tipo de fibra utilizada en el sistema. En particular, los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) se encuentran optimizados para trabajar en tercera ventana (1550 nm) y presentan un ancho de banda de unos 30 a 40 nm. Suponiendo una separación entre longitudes de onda de 100 GHz (0,8 nm), es posible amplificar simultáneamente hasta 40 canales de 10 Gbit/s, una capacidad total de 400 Gbit/s por fibra. No obstante, los requisitos impuestos en el diseño y fabricación de los EDFA son bastante restrictivos. La razón es que pequeñas variaciones de la ganancia del amplificador sobre canales individuales conducen a un crecimiento exponencial cuando se colocan cadenas de amplificadores en línea, ya que el espectro es el mismo para todos ellos. Las prestaciones de los amplificadores

16 ópticos construidos en la actualidad han mejorado considerablemente, con niveles de ruido mucho menores y ganancia más plana que son características esenciales en los sistemas DWDM. A principios de los 90 comenzó a utilizarse lo que se conoce como transmisión WDM bidireccional de banda ancha, realizando una de las comunicaciones en la región de 1550 nm (tercera ventana) y el otro sentido de transmisión a 1310 nm (segunda ventana). Posteriormente, a mediados de los 90 se desarrolló el WDM de banda estrecha, caracterizado por una separación reducida entre canales y por el establecimiento de comunicaciones bidireccionales 2x2 y 4x4 a 2,5 Gbit/s y 1550 nm sobre enlaces punto a punto de gran longitud. Finalmente, la tecnología DWDM apareció a finales de los 90, donde se introdujeron múltiples grupos de servicios y múltiples longitudes de onda por grupo sobre una misma fibra. Así, algunos ejemplos serían la transmisión de 16, 32/40 ó 64/80/96 longitudes de onda con multiplexación por división en el tiempo a 2,5 y 10 Gbit/s. Incluso ya se está pensando en UDWDM (Ultra DWDM) con la transmisión de 128 y 256 longitudes de onda transportando cada una de ellas velocidades de 2,5 Gbit/s, 10 Gbit/s y hasta 40 Gbit/s. El estándar de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define una cuadrícula de longitudes de onda permitidas dentro de la ventana que va desde los 1525 nm hasta los 1565 nm tal y como se muestra en la figura 1. Así, el espaciado entre dos de estas longitudes de onda permitidas puede ser de 200 GHz (1,6 nm), 100 GHz (0,8 nm), o incluso menos. La técnica WDM se considera "densa" (DWDM) cuando este espaciado es de 100 GHz o inferior. El transmisor óptico es un elemento clave en este tipo de sistemas, ya que debe proporcionar longitudes de onda muy precisas debido a la proximidad de los canales. Normalmente, el transmisor consiste en un array de diodos láser donde la longitud de operación de cada uno se selecciona por medio del filtro grating de la estructura DFB (Distributed Feedback). Posteriormente, por medio de un ligero desplazamiento de temperatura se efectúa un ajuste más preciso (variación en longitud de onda de 0,1 nm/ºc). Además del ajuste en la longitud de onda de operación, los láseres empleados en los sistemas DWDM necesitan garantizar la estabilidad de la longitud de onda durante el tiempo de vida del dispositivo. Por ello, los fabricantes de láseres efectúan pruebas de control a diferentes temperaturas y corrientes de funcionamiento, obteniéndose valores típicos de deriva de la longitud de onda inferiores a 0,02 nm por año. Sistemas SCM Los sistemas de subportadoras multiplexadas (subcarrier multiplexing, SCM) se utilizan comúnmente para la transmisión de señales de RF sobre enlaces de fibra óptica. SCM es una técnica en la que una señal de banda ancha compuesta por diversos canales multiplexados en frecuencia se aplica directamente a un láser modulado en intensidad. Estos sistemas se caracterizan por acomodar en el espectro tanto canales analógicos como digitales, transportando señales de voz, datos, vídeo, audio digital, TV de alta definición, y cualquier combinación de servicios que se desee. Cada usuario puede servirse con una única subportadora, o bien distribuir una señal multicanal entre todos los usuarios. Su enorme flexibilidad

17 los hace muy atractivos en el caso de aplicaciones de banda ancha, especialmente si los servicios se originan desde distintos proveedores utilizando esquemas de modulación y anchos de banda diferentes. La configuración básica de un sistema SCM se muestra en la figura 2. Un gran número de subportadoras de microondas, moduladas con las señales a transmitir, se combinan para generar una señal multiplexada en frecuencia. Esta señal compuesta se aplica ahora junto con la corriente de polarización a un láser de semiconductor o modulador externo, el cual actuará como transmisor óptico del sistema. La señal óptica modulada en intensidad se transmite sobre un enlace de fibra óptica monomodo y finalmente se fotodetecta utilizando un fotodiodo InGaAs p-i-n de banda ancha. En el caso de aplicaciones que requieran mayor sensibilidad en el receptor, tales como redes de distribución con múltiples etapas de repartidores pasivos o troncales de CATV, se puede utilizar un fotodiodo InGaAs APD de banda ancha que presenta una mayor ganancia. La señal de microondas recibida puede amplificarse por medio de un amplificador de banda ancha y bajo ruido o un receptor p-i-n-fet. Comercialmente existen amplificadores de bajo ruido con anchos de banda de 2-8 GHz y figuras de ruido menores que 2 db. En el caso de un receptor p-i-n-fet con ancho de banda de DC a 8 GHz, es posible un valor rms de corriente de ruido en torno a los 12 pa/hz -1/2, equivalente a una figura de ruido de un amplificador de 2,5 db. Esta solución sería válida en un sistema SCM híbrido que combinara una señal digital banda base junto con canales de alta frecuencia. En un sistema de distribución a abonados, como por ejemplo CATV, sólo necesitamos seleccionar un canal para la demodulación. Por tanto, se puede utilizar simultáneamente un oscilador local sintonizable, un mezclador y un filtro de banda estrecha para seleccionar el canal SCM deseado y bajarlo a una frecuencia intermedia más conveniente para realizar finalmente la demodulación. En el caso de los receptores de TV satélite, todos estos componentes electrónicos se integran dentro del elemento conocido como LNB (low-noise block), que consiste en un amplificador con 1 db de figura de ruido, un mezclador y un oscilador local de banda X. La calidad de los sistemas SCM, dado que se trata de sistemas ópticos analógicos, se mide al igual que ocurre con los sistemas radio sobre fibra por medio de la relación portadora a ruido (CNR) de las subportadoras y del nivel de distorsión de intermodulación (CSO/CTB) a la entrada del demodulador del receptor. En el caso de transportar señales multicanal CATV con modulación AM-VSB se exigen unos niveles de CNR mayores de 50 db y de CSO/CTB menores de -60 dbc. Por el contrario, si se transmiten canales con modulación digital los requisitos anteriores se reducen en unos 30 db. Sistemas WDM-SCM La mayoría de redes WDM transportan tráfico homogéneo, por ejemplo todos los

18 canales ópticos transportan tramas SONET (Synchronous Optical NETwork) OC-48 (2,5 Gbit/s) y OC-192 (10 Gbit/s). Sin embargo, en el caso de tráfico no homogéneo (bien analógico/digital, o bien digital con distintas velocidades y formatos de modulación) resulta más eficiente acudir a soluciones alternativas. En esta situación, la solución consiste en proporcionar un nuevo nivel de multiplexación sobre cada uno de los canales ópticos, es decir SCM. De este modo se llega a un esquema de multiplexación híbrido WDM-SCM, en el cual se tiene un canal de información independiente por cada una de las subportadoras que componen cada uno de los canales ópticos WDM. Las señales SCM a diferentes longitudes de onda provenientes de distintos transmisores ópticos pueden multiplexarse en el dominio óptico empleando un combinador e inyectarse posteriormente en una misma fibra. En la figura 3 se representa el espectro óptico típico de uno de estos sistemas. En especial, alguna de las portadoras ópticas podría estar modulada directamente por una señal digital en banda base. La ventaja de este esquema de multiplexación conjunto es que permite enrutar cada portadora hacia un determinado nodo óptico en función de su longitud de onda, y posteriormente seleccionar la subportadora de cada usuario en el dominio eléctrico. En combinación con la modulación directa, la técnica WDM-SCM no requiere una circuitería compleja de estabilización de frecuencia. Además, no necesita control de polarización ni filtros selectivos. La inclusión de nuevos usuarios se realiza de forma flexible sin modificar la arquitectura de la red, simplemente acomodando nuevos canales ópticos o subportadoras de RF. Por último, no es necesaria ningún tipo de sincronización entre los transmisores y los receptores. Una de las principales fuentes de degradación de los sistemas WDM-SCM es el proceso no lineal de mezclado de cuatro ondas que se produce a lo largo del trayecto de propagación por la fibra óptica. Para evitarlo es indispensable trabajar en zonas de dispersión cromática no nula. Es por ello que se utilizan las llamadas fibras de dispersión desplazada casi nula (NZDSF, nearly zero dispersion-shifted fiber), puesto que además se reducen los niveles de dispersión cromática. De hecho, el efecto conjunto de la dispersión cromática y de la automodulación de fase introducida por la fibra en el caso de potencias ópticas elevadas es la principal causa de distorsión no lineal sobre la señal multicanal SCM a la salida del fotodetector. Adicionalmente, otro factor perjudicial lo constituye la diafonía producida por diversos efectos no lineales como por ejemplo la modulación de fase cruzada o la dispersión estimulada de Raman. Finalmente, cuando los canales SCM a una misma longitud de onda se introducen en el sistema empleando transmisores ópticos distintos, la interferencia que se produce en el fotodetector entre los espectros ópticos del ruido de fase de cada uno de los láseres da lugar a un fondo de ruido que afecta principalmente a las frecuencias bajas de la señal (menores de 1 GHz). Para evitarlo es necesario el empleo de láseres con reducido ancho de línea. Gestión de redes ópticas mediante tonos piloto

19 Las tareas de supervisión y gestión de las redes WDM pueden realizarse empleando tonos piloto generados por medio de modulación de amplitud de la señal. Esta técnica es atractiva desde el punto de vista de que no necesita ninguna fuente óptica adicional. En realidad, la introducción de tonos piloto en los canales WDM puede considerarse como una multiplexación WDM-SCM. En la figura 4 se muestra esquemáticamente el proceso de enrutamiento de los canales WDM en una red óptica empleando un conmutador controlado por medio de la información transportada por los tonos piloto de cada uno de los canales. Ahora bien, dado que los convertidores de longitud de onda utilizados en los conmutadores fotónicos tienen una función de transferencia no lineal (en contraposición a los acopladores, filtros y amplificadores), es necesario prestar atención a la influencia de estos efectos no lineales sobre los tonos piloto. En un experimento reciente (A. Kloch et al., Photon. Technol. Lett., pp , 1998) se estudió la influencia de un convertidor de longitud de onda basado en un interferómetro de Michelson sobre estos tonos piloto, y la degradación que provocaba sobre las señales transmitidas. El montaje experimental utilizado se muestra en la figura 5. Un tono piloto de 40 KHz con un índice de modulación del 27 % se inserta por medio de modulación directa en un láser operando a 1555 nm. Posteriormente, la señal óptica se modula externamente con una PRBS de 2,5 Gbit/s y se aplica al convertidor de longitud de onda. La señal convertida a 1553 nm finalmente se fotodetecta para observar su espectro y realizar medidas de BER. Tras el proceso de conversión de longitud de onda aparece un armónico a 80 khz, reduciendo la relación señal a ruido del tono piloto en aproximadamente 5 db. La función de transferencia sinusoidal del convertidor es la responsable de la generación de componentes frecuenciales a múltiplos de la frecuencia del tono piloto. Fijando como requisito un BER = 1e-9 se demostró que la inclusión del tono piloto producía una penalización de potencia inferior a 1 db. Estas mismas medidas se repitieron para tonos piloto de frecuencias comprendidas entre 10 khz y 10 MHz, obteniéndose idénticos resultados. En resumen, un canal WDM que transporta un tono piloto puede convertirse sin deteriorar la calidad de la señal significativamente. En la literatura existen multitud de protocolos de enrutamiento en redes ópticas que hacen uso de la información transportada por los tonos piloto SCM. Algunos de ellos colocan todos los tonos piloto en el interior de un mismo canal óptico habilitado para tal efecto, de tal forma que el conmutador se encuentra sintonizado a dicho canal y obtiene la información de enrutamiento de todos los canales WDM. Por otro lado, también existe la posibilidad de colocar los tonos piloto de forma individualizada sobre cada uno de los canales WDM, tal y como se representaba en la figura 4. Acceso inalámbrico por infrarrojos La creciente demanda de conexiones de corta distancia y alta velocidad en áreas

20 metropolitanas, unido al hecho de que en muchos casos la infraestructura de cable no puede cubrir el elevado ancho de banda que requieren los edificios de negocios de zonas densamente pobladas, conduce a la adopción de soluciones alternativas como puede ser el acceso inalámbrico por infrarrojos. Este tipo de tecnología permite la transmisión de datos de alta velocidad empleando señales ópticas que se propagan por el espacio libre. En este sentido, estos enlaces ópticos se asemejan a los sistemas de fibra óptica. La principal diferencia es que en un sistema de comunicaciones ópticas convencional, la salida del transmisor óptico (láser o LED) se enfoca en el interior de una fibra óptica, mientras que en el caso que nos ocupa la salida se radia a través del aire hasta la unidad receptora empleando un haz muy estrecho. El rango de frecuencias en el que operan estos sistemas se encuentra en torno a los 200 THz, lo cual se corresponde con longitudes de onda de 1 micrómetro. Más concretamente, los equipos comerciales suelen trabajar en dos bandas: nm y nm. Estas bandas coinciden con las llamadas primera y tercera ventana de los sistemas de fibra óptica convencionales. La banda de 1300 nm, correspondiente a la segunda ventana de la fibra, no se emplea habitualmente porque presenta unas pobres características de propagación a través de la atmósfera. Así pues, un enlace de infrarrojos está compuesto por un par de transceptores unidos entre sí por medio de sendos haces láser, lo que da como resultado un enlace de comunicaciones bidireccional y balanceado (mismo ancho de banda en ambos sentidos de transmisión). Las características más importantes del transceptor, junto con algunos valores típicos, se enumeran en la tabla I. Tabla I. Especificaciones del transceptor FlightPath TM 622 Mbps de LightPointe. Transmisor óptico VCSEL Longitud de onda 850 nm Divergencia del haz 2 mrad Potencia óptica transmitida 3,9 mw Receptor óptico SiAPD Sensibilidad del receptor -38 dbm Rango dinámico 28 db Distancia recomendada 300 m Protocolo ATM/SONET IEC/EN CLASS 3B Dimensiones y peso 135x165x500 mm - 9,6 kg Para el buen funcionamiento del sistema resulta imprescindible que haya visión directa entre ambos transceptores. Luego a la hora de escoger el lugar donde se van a emplazar los equipos se debe asegurar que no existe ningún obstáculo a lo largo de todo el enlace teniendo en cuenta el ángulo de divergencia del haz. Por ejemplo, considerando una divergencia de 2 mrad, se obtendría un diámetro de haz de 60 cm a una distancia de 300 m. Los transceptores se pueden instalar tanto en exteriores