Dispositivos y técnicas de compensación de dispersión cromática Lunes, 14 Noviembre 2011
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 (erbiumdoped fiber amplifier, EDFA) permite cubrir grandes distancias. Ahora ben, 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. 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 limite que suele expresarse normalmente por medio del producto ancho de banda-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 d inversión espectra. A continuación comentaremos más en detalle en qué consiste cada uno de estos métodos. Fibras compensadoras de dispersión
Las fibras compensadoras de dispersión (dispersión 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 D1 y L1 a la dispersión y longitud del enlace de fibra, y D2 y L2 a la dispersión y longitud de la DCF, respectivamente, entonces la condición para compensar dispersión puede escribirse como: D1L1 + D2L2 = 0. Suponiendo que tenemos un enlace óptico formado por 100 km de fibra estándar (D=17 ps/km.nm), la dispersión acumulada durante la propagación a través del mismo sería de 1700 mps/nm. Luego basándonos en una DCF con un parámetro de dispersión de aproximadamente -100 ps/km.nm, 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 medo 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 “precompensación” 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 10.12 km de fibra estándar (recientes avances han conseguido producir fibras cuya dispersión excede los -200 ps/km.nm). 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/km.nm con idénticas pérdidas que la fibra estándar. Fibras de dispersión desplazada
Las fibras de dispersión desplazada (dispersión 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 mm2 frente a 70-80 mm2 para fibras estándar) que comporta una intensificación de la 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 nelaces 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 de 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 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. Observése 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 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 a distancia de transmisión puede aumentarse considerablemente. Técnica de inversión espectral
La técnica de inversión espectral, también conocida como OPC (optical phase conjugation), se ha demostrado como un método eficiente para compensar las degradaciones producidas por la dispersión cromática en enlaces de comunicaciones ópticas de gran distancia. Esta técnica se basa en situar en mitad del enlace óptico un dispositivo conjugador que se encarga de invertir la fase de la señal óptica. Suponiendo que ambos tramos de fibra antes y después del conjugador son de idénticas características y longitud, la propagación a través del segundo de ellos compensar la dispersión acumulada a la salida del primero. El nombre de inversión espectral proviene del propio proceso de conjugación, ya que éste es equivalente a girar el espectro de modulación. De este modo, la dispersión acumulada durante el segundo trayecto de fibra se resta ahora de la introducida durante la primera parte del enlace. En la figura 5 se representa de forma esquemática el diagrama de bloques de un sistema que emplea la técnica OPC. Aunque generalmente se utiliza L1=L2=L/2, también es posible emplear longitudes distintas si se ajustan otros parámetros del enlace como pueden ser la potencia óptica o las características de dispersión y no linealidad de las fibras.
Una de las principales ventajas de la técnica OPC es que también compensa las degradaciones introducidas por el efecto conjunto de dispersión cromática y efecto no lineales. Además, a diferencia de las técnicas basadas n el uso de DCFs o CFGs, los resultados de ecualización obtenidos con la técnica OPC presentan una reducida sensibilidad frente a variaciones de los parámetros a longitudes de fibra del sistema, por lo que no es necesario un diseño excesivamente cuidadoso del enlace. De este modo, el dispositivo OPC puede situarse en un lugar común (estación e control) y compartirse entre un determinado número de nodos ópticos interconectados por enlaces de fibra de longitudes ligeramente distintas, con el consiguiente ahorro económico. Utilizando esta técnica se ha demostrado a nivel de laboratorio de transmisión de señales de 40 Gbit/s sobre 400 km de SSMF, lo que confirma la eficacia en la compensación de la dispersión cromática. En la actualidad se trabaja en la aplicación de esta técnica en las redes ópticas DWDM de nueva generación. Construcción del conjugador óptico
Dado que el dispositivo OPC es el elemento clave, entraremos a analizarlo con algo más de detalle. La construcción del conjungador 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 (tour-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 necesario 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 scarttering 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 entra de las mismas por encima de un cierto valor que depende directamente de la 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 a 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 interferómetros 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 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 en cuenta en el diseño del conjugador.
