Sistemas de comunicación por Fibra Óptica de Alta Capacidad

22 CSI Boletín 51 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN POR FIBRA ÓPTICA DE ALTA CAPACIDAD Diego  F.  Grosz Departamento  de  Física  y  Matemática,  Instituto  Tecnológico  de  Buenos  Aires  (ITBA),  Eduardo  Madero  399,  C1106AD, Ciudad  Autónoma  de  Buenos  Aires.  Buenos  Aires,  Argentina.  Teléfono:  4314-7778  Ext:570,  e-mail:  [email protected]. Resumen En este trabajo se hace una revisión de los conceptos básicos necesarios para entender el funcionamiento de los sistemas de comunicación óptica de alta capacidad que han posibilitado la gran difusión de las comunicaciones a escala planetaria, tanto desde el punto de vista del diseño del sistema como de sus componentes.Se muestran, también, diferentes técnicas de amplificación óptica y el enorme impacto que éstas han tenido en el incremento de la capacidad de transporte de información de los modernos sistemas de comunicación. Por último, se discuten las perspectivas y desafíos futuros en el área.Palabras Claves: fibras ópticas, sistemas de comunicación, WDM, amplificación óptica la mejor alternativa para superar este problema. Sin embargo, las fibras ópticas disponibles en la época presentaban una atenuación de la señal excepcional- mente alta, del orden de un decibel / m (en unidades lineales,  esto  representa  una  atenuación  de aproximadamente  20%  por  cada  metro  recorrido), tornándolas imprácticas para aplicaciones reales. En 1970 se fabricaron las primeras fibras ópticas de «baja atenuación»:  20 dB/km en la región de longitudes de onda de 1  µ m [4]. Al mismo tiempo, el desarrollo de láseres  de  semiconductores  capaces  de  operar  a temperatura  ambiente  permitió  contar  con  fuentes ópticas compactas. Figura 1 Evolución de la capacidad de los sistemas de comunicación. Es interesante notar que, durante un período de aproximadamente 100 años, los sistemas transmitían señales eléctricas  analógicas (tomado de la Ref. [8]). Artículos de interés La era moderna de las comunicaciones comienza en 1830 con la invención del telégrafo [1]. Los hitos importantes  en  la  evolución  de  los  sistemas  de comunicación están resumidos en la Fig.1, donde se muestra el incremento de la capacidad de los sistemas de comunicación en los últimos 170 años. La capacidad está definida usando la «figura de mérito» de tasa x distancia,  expresada  ésta  en  bits  transmitidos  por segundo (bits/s) y kilómetros (km). Esta figura de mérito captura  adecuadamente  el  concepto  de  que  no  es importante solamente cuánta información es transmitida por unidad de tiempo, sino qué tan lejos es el alcance. Hitos  históricos  señalados  en  la  Fig.1  incluyen  la invención del teléfono [2], la introducción de sistemas operando sobre cables coaxiles (1940) y enlaces de microondas (1948). En 1980 se introduce el primer sistema óptico comercial operando a una tasa de 45 Mb/s, poniendo fin  a  un  período  de  aproximadamente  100  años dominado por los sistemas de comunicación eléctricos y analógicos. Ya en la segunda mitad del siglo XX se advirtió que utilizar luz como medio de transporte de información podía incrementar significativamente la capacidad de los sistemas de comunicación. Sin embargo, hubo que esperar la demostración del primer láser en 1960  para contar con una fuente de luz coherente e intensa [3]. El siguiente problema lo constituyó la ausencia de un medio de transmisión adecuado que confinara a la luz transmitida. En los años 60 muchas ideas fueron consideradas, inclusive la de utilizar lentes gaseosas. En 1966 se sugirió que las fibras ópticas podían representar

23 CSI Boletín 51 La  disponibilidad  de  fibras  ópticas  de  baja atenuación y de fuentes ópticas adecuadas dio un gran impulso  al  desarrollo  de  sistemas  de  comunicación óptica de alta capacidad. «Ventanas»  de  comunicación  y  generaciones  de sistemas de comunicación óptica La evolución de la capacidad de los sistemas de comunicación  óptica,  y  de  las  correspondientes «ventanas» de transmisión y generaciones, se muestra esquemáticamente en la Fig.2. En esta figura se detallan las longitudes de onda que caracterizan a las respectivas «ventanas»  de  transmisión:  0.8,  1.3  y  1.5  µ m.  Para sistemas que operan en longitudes de onda de 1.5  µ m se  detalla,  también,  la  aparición  de  nuevas «generaciones» que, empleando diferentes técnicas, permitieron incrementar ampliamente la capacidad de transmisión de estos sistemas. limitados a una capacidad menor a 100 Mbits/s debido a la dispersión modal propia de las fibras multimodo. Este último problema fue solucionado mediante el uso de fibras  monomodo  y,  en  1987,  ya  existían  sistemas comerciales con capacidades de 1.7 Gbits/s y repetidores separados por 50 km. Desde el punto de vista de la atenuación de la fibra, está claro que es deseable trabajar en torno del mínimo en la región de  λ  = 1.55  µ m (ver Figura 3.1), donde la atenuación es  α  = 0.2 dB / km. Esta región es llamada «tercera  ventana».  Sin  embargo,  las  llamadas  fibras monomodo standard (Standar Single Mode Fiber-SSMF) presentan un valor de dispersión cromática elevado en la tercera ventana. La dispersión cromática, cómo mostraremos en la próxima sección, es consecuencia de la dependencia del índice de refracción de la fibra con la longitud de onda; es decir, diferentes componentes de frecuencia de  los  pulsos  transmitidos  viajan  a  diferentes velocidades, produciendo un ensanchamiento temporal de los pulsos transmitidos. Este efecto puede originar la superposición de diferentes pulsos, aumentando así la probabilidad de ocurrencia de errores de detección (ver apéndice 3). La búsqueda de una fibra óptica que presentara un  mínimo  de  dispersión  cromática  en  la  tercera ventana llevó al desarrollo, y posterior introducción comercial a comienzos de los años 90, de las llamadas fibras DSF (Dispersion-Shifted Fibers). Estas fibras tienen una dispersión cromática aproximadamente 10 veces inferior al de las fibras monomodo estándar. Posteriormente, y por motivos que explicaremos más adelante, la introducción de las fibras DSF llevó a la producción de nuevos tipos de fibras ópticas con valores de dispersión en la tercera ventana mayores a las DSF pero menores a las fibras estándar. Estas fibras son llamadas NZ-DSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fibers). Finalmente la introducción comercial a comienzos de  los  años  90,  de  los  amplificadores  ópticos  y  de esquemas de Wavelength Division Multiplexing (WDM), en los cuales se transmiten varios «canales» a diferentes longitudes de onda por la misma fibra óptica, produjo un enorme incremento de la capacidad de transmisión de los sistemas de transporte óptico. Conceptos básicos de fibras ópticas En  su  forma  más  simple,  una  fibra  óptica  está formada por un núcleo de vidrio con índice de refracción n 1  rodeada por una capa de índice de refracción n 2 , siendo n 2  ligeramente menor a n 1  de modo de aprovechar el fenómeno de reflexión total en la interface entre Figura 2 Evolución de los sistemas de comunicación óptica (tomado de la Ref. [8]). La  primera  generación  de  sistemas  de comunicación óptica, introducida comercialmente en 1980, operaba en longitudes de onda de 0.8  µ m, i.e. la llamada  «primera  ventana  de  las  comunicaciones ópticas».  Estos  sistemas  operaban  a  una  tasa  de transmisión  de  45  Mbits/s  con  una  distancia  entre repetidores (puntos de regeneración de la señal) de 10 km.  La  máxima  distancia  posible  entre  repetidores estaba dada por la atenuación de la fibras ópticas que limitaban la relación señal-ruido entregada por el sistema. Quedaba  claro  en  la  época  que  era  deseable transmitir información en longitudes de onda más largas aprovechando la menor atenuación de las fibras y así consiguir aumentar la distancia entre repetidores. Esto impulsó el desarrollo de láseres de semiconductores que emitieran luz en longitudes de onda de 1.3  µ m, donde la atenuación de la fibra es menor a 1 dB/km. Esta nueva generación  operando  en  la  «segunda  ventana»  fue introducida  en  la  primera  mitad  de  los  80  y,  como explicaremos  más  adelante,  estos  sistemas  estaban  

24 CSI Boletín 51 los dos medios. Estas fibras se denominan «step-index» para diferenciarlas de las llamadas «graded-index» en las cuales el índice de refracción decrece de forma gradual desde el centro del núcleo hacia la interface (ver   Fig.  3.1-2).  Dos  parámetros  importantes  que caracterizan a las fibras ópticas son la diferencia relativa de índices de refracción núcleo-capa  ∆  dada por ∆  = (n 1 -n 2 ) / n 1 , y el llamado «parámetro V», dado por 2 2 2 1 0 Q Q D N 9 − = , donde k 0  = 2 π / λ ,  λ  es la longitud de onda y a es el radio del núcleo de la fibra. Este parámetro indica el número de modos que se pueden propagar en la fibra y se puede demostrar que una fibra «step-index» permite propagar un sólo modo si V   2.405. Las fibras que satisfacen esta condición se llaman «fibras monomodo»; de lo contrario, se llaman «fibras multimodo». La diferencia geométrica más relevante entre las fibras monomodo y las multimodo viene dada por el tamaño del núcleo.  Para estas últimas, el radio a es típicamente  25-30  µ m,  mientras  que  las  fibras monomodo,  con  diferencias  relativas  de  índice  de refracción  ∆   ~  0.003,  tienen  radios  típicamente menores a 5  µ m. Además, las fibras multimodo sufren del  fenónemo  de  «dispersión  modal»  por  el  cual diferentes  modos  «viajan»  a  diferentes  velocidades, conduciendo al ensanchamiento temporal de los pulsos de  forma  mucho  más  severa  que  en  el  caso  de  la dispersión cromática. Es por este motivo que no se usan fibras  multimodo  para  sistemas  de  alta  capacidad, restringiéndose su uso a sistemas «cortos» (algunas decenas de kilómetros de alcance). El radio b de la capa de índice de refracción n 2  es mucho  menos  crítico  siempre  y  cuando  sea  lo suficientemente  grande  como  para  confinar completamente al modo. Un valor típico es b = 62.5  µ m y es el mismo tanto para fibras monomodo como para fibras multimodo. Otro parámetro importante a tener en cuenta es el que caracteriza a la pérdida de potencia que experimenta una señal que viaja por una fibra óptica. Llamemos P 0  a la potencia óptica al comienzo de la fibra. Después de recorrer una longitud L, la potencia transmitida P T  es P T  = P 0  exp (- α L), donde el coeficiente de atenuación  α , da una medida de todas las pérdidas de la fibra óptica. Es común expresar a  α  en unidades de dB/km. La conversión entre las unidades lineales y de decibeles viene dada por α   dB = - (10 / L)   log (P T  / P 0 ) = 4.343  α . Como es de esperar, el coeficiente de atenuación depende  de  la  longitud  de  onda  (ver  Fig.4),  como discutimos en la sección anterior, adquiere su valor mínimo  α  = 0.2 dB / km en la tercera ventana ( λ  = 1.5 µ m). En el rango de longitudes de onda de interés, el coeficiente de atenuación muestra una dependencia con la  longitud  de  onda  dada,  esencialmente,  por  el «scattering de Rayleigh» (el mismo fenómeno por el cual el cielo es azul) [5]. Sin embargo, en la región de 1.4  µ m existe  una  resonancia  en  la  absorción  material correspondiente  a  una  armónica  de  la  frecuencia vibracional del ion OH (impureza presente en el vidrio de silicio del núcleo de la fibra) que ocurre en  λ  = 2.73 µ m. Existen, desde el año 2000, fibras ópticas disponibles comercialmente en las cuales esta resonancia no está presente y que, por lo tanto, tienen pérdidas uniformes y muy bajas en toda la región espectral de 1.3 – 1.6  µ m (segunda y tercera ventana). Figura 3.1 Corte transversal de una fibra óptica y la respectiva variación de índice de refracción en función de la coordenada radial, para fibras «step-index» (usadas en sistemas de alta capacidad) y «graded-index» (usadas en sistemas de baja capacidad, como redes locales).   Figura 3.2 «Principio de funcionamiento» de una fibra óptica (corte longitudinal): el fenómeno de «reflexión total» confina la luz (es decir, la «guía») para rayos que ingresen con un ángulo menos que  θ r .

25 CSI Boletín 51 Conceptos básicos de sistemas de comunicación por fibra óptica Casi todos los sistemas ópticos de alta capacidad transmiten información digital (bits «0» y «1») modulando la amplitud (y, por lo tanto, la intensidad) de una onda «portadora». De esta forma, los bits «0» y «1» quedan representados por la presencia o no de luz en el instante de  detección.  El  tiempo  asignado  para  un  bit determinado («bit slot»), T, está relacionado con la tasa del sistema, B, por B = 1 / T. Un bit «1» será representado por un pulso en el intervalo de tiempo asignado; el bit «0» estará representado por la ausencia de pulsos en el intervalo. En general, la «velocidad de transmisión» de un sistema se especifica por su tasa B y se expresa, en sistemas de alta capacidad, en Gb/s (10 9  bits transmitidos por segundo). Los modernos sistemas de comunicación operan a tasas B   10 12  bit/s (1 Tb/s). Como mencionamos al comienzo de esta sección, los  sistemas  ópticos  transmiten  información  por modulación de amplitud. Sin embargo, en los últimos años,  han  ganado  popularidad  los  formatos  de modulación de «fase»; estos formatos, en los cuales la información se transmite modulando la fase de una onda portadora, y que han sido empleados en sistemas de comunicación  electrónicos  y  de  radio  desde  hace muchos años, permiten, en sistemas ópticos,  ampliar la distancia transmitida y, tal vez, ofrecer mayor resistencia a degradaciones «no-lineales» de la información [6]. Los  bloques  fundamentales  de  un  sistema  de comunicación son: •  Transmisor: toma la información (secuencia de bits) que es una señal eléctrica (por ejemplo, una o varias llamadas telefónicas) y la transforma en una secuencia de bits «óptica» en algún formato determinado. Este paso se llama «codificación». En  general, en sistemas ópticos de alta capacidad, el transmisor está formado por un láser continuo (CW, Continuous Wave) que opera en una longitud de onda en  tercera  ventana    λ   =  1.55  µ m,  seguido  por  un modulador externo. El modulador se comporta como una «llave» óptica que es controlada por la secuencia eléctrica de pulsos (bits) que se quiere transmitir; un bit «1» corresponderá a un estado de baja pérdida óptica del modulador (deja pasar la luz del láser) y un bit «0» a un estado de alta pérdida (bloquea la luz). El «contraste» entre la potencia del bit «1» y la del bit «0» se denomina grado de extinción y es un parámetro importante en el diseño de un sistema óptico: cuanto mejor es el grado de  extinción  menor  será  la  relación  señal-ruido requerida  para  obtener  un  nivel  de  desempeño determinado. •  Canal de comunicación: el medio físico que permite que los bits lleguen del transmisor al receptor. En nuestro caso  este  medio  es  la  fibra  óptica.  El  canal  de comunicación, en general, «corrompe» la información transmitida mediante la adición de ruido y distorsiones «lineales» (que no dependen de la potencia de la señal transmitida) y «no-lineales» (que dependen de la potencia de la señal transmitida). La elección del formato de codificación  está  generalmente  basada  en  su «resistencia» a las distorsiones lineales y no-lineales y, posiblemente, a sus características espectrales. •   Receptor:  recibe  la  secuencia  de  bits  ópticos,  la transforma en una secuencia de bits «eléctricos» (este paso  se  denomina  «fotodetección»),  recupera  la «sincronización» (se dice que «recupera el reloj») y toma una decisión sobre el valor del bit recibido mediante la comparación con un valor de umbral generalmente fijo 1 : si la potencia recibida en el intervalo de tiempo supera al valor de umbral el detector decidirá «1», caso contrario decidirá «0». Un error de detección se produce cuando un bit «1» transmitido es detectado como un bit «0» y viceversa. Los  sistemas  de  comunicación  modernos  de  alta capacidad trabajan con «tasas de error» inferiores a una detección errónea cada 10 16  bits transmitidos (un sólo error cada diez mil billones de bits!). Para cumplir con este estricto criterio a lo largo de toda la vida útil del sistema  (típicamente  20  años)  se  utilizan  técnicas electrónicas de corrección de errores (Forward Error Correction), implementadas en el receptor, que permiten mantener una adecuada tasa de error aún en presencia de degradaciones de relación señal-ruido, lineales y no- lineales [7]. El costo que se paga es el de transmitir la información a una tasa que puede ser entre 7% y 20% mayor.  Esto  se  denomina  «overhead»  y    requiere  la utilización  de  componentes  electrónicos  de  mayor ancho de banda (y costo, sobre todo para sistemas que operan a tasas de 40 Gb/s). Figura 4 Curvas de atenuación y dispersión para diferentes tipos de fibras ópticas.              !          "          #          $          %          6 ‡‡   r ˆh ‡v‚ Ã qÃ7 x €     %          &           #           "          !           $                     Xh‰ryrt‡uÁ€          TTHà     Avir…         9TA         !                                        !     9 v   †ƒ r… †vy Ã   ƒÃ†  À   [   Ãx   €    (')$          U…ˆrXh‰     r         svir…          6‡‡rˆh‡v‚Ã hyyÃsvir…Ç’ƒr†              

26 CSI Boletín 51 Efectos lineales: dispersión cromática El índice de refracción del núcleo de una fibra óptica depende de la longitud de onda de la luz que se propaga  en  ella.  Este  fenómeno  se  conoce  como «dispersión material» y hace que los pulsos aumenten su duración temporal a medida que se propagan en la fibra. Este mecanismo, cómo se muestra en la Fig.5, puede producir errores de detección originados en la presencia de potencia óptica en los bits «0». Una forma aproximada del «factor de ensanchamiento temporal» de un pulso de forma «gaussiana» está dada por [8] 2 2 0 2 0 1 1     + = 7 / % 7 7 , donde T 1  es la duración del pulso a la salida de la fibra de longitud L. T 0  es la duración inicial del pulso y b 2  es el llamado «parámetro de Dispersión de la Velocidad de Grupo» (parámetro de GVD-Group Velocity Dispersion); este parámetro nos dice cómo varía la velocidad del pulso con la frecuencia y es consecuencia de la dispersión material del núcleo de la fibra óptica. En  la  práctica,  los  sistemas  de  alta  capacidad emplean Módulos Compensadores de Dispersión (DCMs, según la sigla en inglés) que permiten cancelar el efecto de la dispersión cromática acumulada. Estos DCMs son, generalmente, fibras ópticas con parámetro  β 2    0 aunque, recientemente, se han introducido módulos que se basan en otros principios y no requieren fibras ópticas (como, por ejemplo, DCMs basados en interferómetros de Gires-Tournois [9]). Efectos no-lineales: automodulación de fase (Self Phase Modulation-SPM) El  origen  de  los  efectos  no-lineales  está  en  la dependencia del índice de refracción del núcleo de la fibra óptica con la intensidad de los pulsos transmitidos. Este fenómeno se conoce como «efecto Kerr óptico». El índice de refracción queda expresado como [10]: ( ) , Q Q , Q R 2 , + = ω , donde n 0  es el índice de refracción a baja intensidad (y cuya dependencia con la frecuencia  ω  es el origen de la dispersión cromática), n 2  es el índice de refracción «no- lineal» y, para fibras ópticas de silicio, tiene un valor aproximado de 3x10 -20  Watts/m 2 ; I es la intensidad de los pulsos transmitidos (i.e., potencia por unidad de área). Como consecuencia del efecto Kerr óptico, un pulso con potencia P(t) que se propaga a través de una fibra óptica de longitud L ensancha su espectro una cantidad ∆ω  dada (despreciando la atenuación de la fibra óptica) [5] por ( ) GW W G3 / γ ω = ∆ , donde  γ  es el llamado «parámetro no-lineal» expresado como  F $ Q HII 0 2 ω γ = ,  ω 0   es  la  frecuencia  central  del pulso,  A eff   es  el  «área  efectiva  del  modo»  (que  vale, aproximadamente, A eff  =  π r 2 , donde r es el radio del núcleo de la fibra) y c es la velocidad de la luz en el vacío. En fibras ópticas usadas en sistemas de comunicación  γ varía, típicamente, entre 1.2 y 2 (W-km) -1 . El efecto de la SPM es, por lo tanto, el de aumentar el ancho espectral de los pulsos transmitidos. En la práctica este efecto por si solo no afecta el desempeño del sistema de transmisión. Sin embargo, la combinación de efectos de dispersion cromática con efectos de SPM puede  conducir  a  la  degradación  de  los  pulsos transmitidos o, en algunos casos muy particulares, a una mejora del rendimiento del sistema. Es importante notar que los efectos no-lineales dependen  de  la  potencia  de  la  señal  transmitida;   )LEHU   vp‚€vtÃiv‡†  ‚ˆ‡t‚vtÃiv‡†  iv‡Ãƒr…v‚q     "               ‡v€r  LQ   RXW   )LEHU   vp‚€vtÃiv‡†  ‚ˆ‡t‚vtÃiv‡†  iv‡Ãƒr…v‚q     "               ‡v€r  LQ   RXW   )LEHU   vp‚€vtÃiv‡†  ‚ˆ‡t‚vtÃiv‡†  )LEHU   vp‚€vtÃiv‡†  ‚ˆ‡t‚vtÃiv‡†  iv‡Ãƒr…v‚q     "               ‡v€r  LQ   RXW   Figura 5 Efecto de la dispersión cromática sobre la tasa de error en un sistema digital. Una forma de estimar el impacto de la dispersión cromática en un sistema se obtiene al pedir que los pulsos transmitidos conserven la mayor parte de su energía en el intervalo temporal que tienen asignado (i.e., en el respectivo bit slot), lo cual impone una cota superior  al  cociente  T 1   /  T 0 .  Esto  se  traduce  en  la condición [8] % / β 2 1 4 ≤ / , donde B es la tasa del sistema 2 . Es decir, un sistema limitado por efectos de dispersión cromática podrá transportar información a una tasa máxima de 10 Gb/s a lo largo de, aproximadamente, 30 km de fibra SSMF, con un parámetro  β 2  = -20 ps 2 /km.

27 CSI Boletín 51 recordando que ésta decrece como consecuencia de la atenuación  α  de la fibra óptica, eventualmente se vuelven muy pequeños comparados con los efectos lineales. Si no despreciamos la atenuación de la fibra, la ecuación anterior se modifica: ( ) GW W G3 / HII γ ω = ∆ , donde la «longitud efectiva»  L eff  ~ 1 /  α . Para una fibra óptica típica L eff  ~ 20 km. El concepto de longitud efectiva es muy útil: una señal que viaja por una fibra de longitud L   L eff  experimentará efectos no-lineales en los  primeros  20  km,  aproximadamente;  es  decir, mientras la potencia de la señal es grande. Si L   L eff , los efectos no-lineales serán importantes a lo largo de toda la longitud de la fibra. Más adelante definiremos una longitud efectiva para los fenómenos no-lineales con mayor precisión. Efectos no-lineales en sistemas WDM: modulación de fase cruzada (X Phase Modulation-XPM) y mezcla de cuatro ondas (Four Wave Mixing-FWM). Como mencionamos más arriba, los sistemas WDM son sistemas en los cuales varias longitudes de onda, cada  una  transportando  diferente  información,  son «multiplexadas» y transmitidas por una misma fibra óptica.  Este  esquema  ha  permitido  aumentar enormemente  la  capacidad  de  transmisión  de  los sistemas de comunicación óptica. En sistemas WDM, y como consecuencia del índice de refracción no-lineal, las diferentes longitudes de onda, o «canales», interactúan dando origen a los fenómenos de «modulación de fase cruzada» XPM y de «mezcla de cuatro ondas» FWM. La modulación de fase cruzada actúa de modo semejante a la automodulación de fase; sin embargo, en el caso de la XPM, el ensachamiento espectral que sufre un canal con potencia P 1 (t) en presencia de un canal con potencia P 2 (t) está dado por [5]: ( ) ( ) GW W G3 / GW W G3 / 2 1 2 γ γ ω + = ∆ . donde el primer término es la SPM y el segundo término es la XPM. Obervamos que el efecto de la XPM es el de producir una interacción entre diferentes canales. En presencia  de  dispersión,  este  efecto  conduce  a  la distorsión de los pulsos transmitidos y representa un factor limitante en el desempeño de los sistemas WDM de alta capacidad. El fenómeno de FWM consiste en la creación de nuevas frecuencias a partir de las frecuencias de los canales transmitidos en un sistema WDM. Si tres canales con frecuencias f i , f j , f k  se propagan por la misma fibra, la interacción de FWM producirá una nueva componente de frecuencia (ver Fig.6): f ijk  = f i  + f j  - f k . La eficiencia de este proceso depende fuertemente de la dispersión de la fibra, como podemos ver en la Fig.6.   En casos donde la dispersión de la fibra es muy baja (fibra DSF) la generación de «tonos» de FWM es muy alta e, incluso, puede producirse una resonancia en  la  interacción  de  FWM  para  determinados espaciamientos de frecuencia entre canales WDM [11]. La  generación  de  nuevas  frecuencias  a  través  del mecanismo de FWM afecta al desempeño de un sistema de comunicación de dos formas diferentes: •  la  frecuencia  generada  f ijk   crece  a  expensas  de  la potencia de las frecuencias transmitidas f i,j,k . •  f ijk  puede coincidir con la frecuencia de un cuarto canal transmitido, interfiriendo con éste y degradando la calidad de los pulsos transmitidos al momento de la recepción. Para combatir los efectos de FWM se utilizan fibras NZ-DSF 3  que tienen dispersión cromática acotada en el rango de longitudes de onda de interés y, posiblemente,   '6)   1=      '6)   O   O      O      O      O      QRLVH IORRU   '6)   1=      '6)   O   O      O      O      O      QRLVH IORRU   Figura 6 Efecto de FWM y su dependencia con la dispersión de la fibra: un pequeño valor de dispersión cromática (fibras NZ-DSF) es suficiente para impedir la generación de tonos de FWM.

28 CSI Boletín 51 un espaciamiento en frecuencia no-uniforme a lo largo de  la  banda  de  transmisión,  de  modo  de  evitar  la interferencia  entre  las  frecuencias  generadas  y  las transmitidas. Esta última opción, sin embargo, no suele utilizarse en la práctica y el uso de una fibra NZ-DSF adecuada suele ser suficiente para evitar los efectos de FWM. En general, para sistemas de muy alta capacidad (varios canales de 10 Gb/s), los efectos de XPM son mucho más importantes que los de FWM y son el factor determinante del desempeño del sistema. Escalas típicas de los fenómenos lineales y no-lineales Los efectos de atenuación, dispersión cromática y no-lineales  tienen  asociadas  escalas  de  longitud características. En el caso de la atenuación, vimos que esta escala estaba dada por una longitud efectiva L eff  ~ 1/ α . Las restantes longitudes características están dadas por: Longitud de Dispersion: L D  = T 0 2  /  β 2  Longitud No-Lineal: L NL  = 1/(  γ  P o ) donde T 0  y P 0  son la duración y potencia inicial del pulso transmitido, respectivamente. Estas longitudes caracte- rísticas nos permiten prever qué efecto será relevante en un sistema dado. Por ejemplo, un sistema que opere a 10 Gb/s (T 0  = 100 ps), sobre fibra SSMF ( β 2  = -20  ps 2 /km) con una potencia inicial P 0  = 2 mW tiene L D  = 500 km y L NL  ~ 410 km. Si la longitud de fibra es tal que L   L D , L NL  entonces los efectos dispersivos y no-lineales serán pequeños. Es decir, para un segmento de L = 50 km sólo deberemos tener en cuenta la atenuación de la fibra. En cambio, si la potencia inicial es de P 0  = 20 mW, entonces L NL  ~ 40 km, comparable con la longitud del enlace; en este caso, los efectos no-lineales serán más importantes  que  los  dispersivos  y  no  podrán despreciarse.  En  un  sistema  de  última  generación, operando  a  una  tasa  B  =  40  Gb/s,  la  longitud  de dispersión para fibra SSMF es de L D  ~ 30 km, de modo que los efectos dispersivos se vuelven muy importantes en enlaces cortos. Es  importante  recalcar  que  las  longitudes características introducidas en esta sección son útiles para estimar la importancia relativa de los diferentes efectos, pero será necesario recurrir a la simulación numérica y experimental para conocer exactamente que impacto tendrán en un sistema en particular. Solitones Ópticos En las secciones anteriores discutimos los efectos de dispersión cromática y automodulación de fase; estos efectos tienen asociadas longitudes características que nos permiten prever, para un sistema determinado, cuál dominará  las  características  de  la  propagación.  En particular, los casos en los cuales uno de los efectos es dominante  son  muy  interesantes  porque  admiten soluciones analíticas. En el caso más general, la evolución de  la  señal  transmitida  puede  ser  complicada  y  se requerirá de simulaciones numéricas y/o experimentales para determinar la evolución de los pulsos. Existe, sin embargo, un interesante caso en el cual estos efectos tienen una magnitud similar y, aún así, es posible obtener una solución analítica para la evolución de los pulsos transmitidos. Físicamente, el efecto de la dispersión cromática es el de «reacomodar» las componentes de frecuencia del  pulso  debido  a  la  diferencia  de  velocidad  que experimentan. En el llamado «régimen de dispersión normal», caracterizado por un parámetro de GVD  β 2    0, las componentes «rojas» (baja frecuencia) viajan más rápido que las componentes «azules» (alta frecuencia). En el «régimen de dispersión anómala» ( β 2    0) ocurre lo opuesto. En particular, en la tercera ventana, la mayor parte de las fibras ópticas que se emplean en sistemas de comunicación tiene un parámetro de GVD  β 2    0. En cuanto al efecto de automodulación de fase, como discutimos anteriormente, es responsable de crear nuevas frecuencias a medida que el pulso se propaga. Ambos fenómenos, dispersión cromática y SPM, tienen como resultado la aparición de chirp en los pulsos transmitidos, es decir, los pulsos adquieren un exceso de ancho espectral  4 . Es posible mostrar que, en el régimen anómalo (y despreciando la atenuación de la fibra), los efectos de GVD y SPM pueden cancelarse exactamente para un pulso cuya forma inicial es de la forma secante hiperbólica (sech(T/T 0 )) y cuando la relación entre los parámetros iniciales satisface: γ P 0  = | β 2 | / T 0 2 , es decir, L D  = L NL . Un pulso que tenga una forma del tipo sech y duración y potencia iniciales que satisfagan esta última condición se propagará sin cambios en su perfil temporal/espectral 5 . Este pulso, llamado soliton, no sufre distorsiones no importa cuan lejos se propague, lo cual lo transforma en un candidato ideal para sistemas de comunicación. En la práctica, sin embargo, podemos notar que el balance entre los efectos dispersivos y no-lineales no puede mantenerse indefinidamente debido a la pérdida de potencia del pulso por la atenuación de la fibra óptica 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  llamadas  «dispersion- decreasing fibers» (DDF) que presentan una atenuación

29 CSI Boletín 51 que disminuye con la distancia de forma exponencial, es decir, «siguiendo» la pérdida de potencia y, de ese modo, manteniendo punto a punto el balance entre la dispersión cromática y la auto-modulación de fase. Sin embargo, estas fibras sólo se usan en experimentos de laboratorio y no en sistemas comerciales. Sistemas WDM de alta capacidad Un sistema WDM de alta capacidad consiste de un transmisor WDM, una serie de segmentos de fibra óptica y  un  receptor  WDM.  El  sistema  se  muestra esquemáticamente en la Fig.7. El transmisor WDM está formado por N-transmisores con láseres de longitudes de  onda  λ 1   ...   λ N   que  son  «multiplexados»  (por  un dispositivo Array Waveguide Router, AWG), amplificados por un Amplificador a Fibra Óptica Dopada con Erbio (EDFA, ver Apéndice 5) y transmitidos por el enlace. Este enlace está formado por una secuencia de segmentos (spans, en la jerga) de fibra óptica seguidos por EDFAs. Típicamente,  cada  segmento  mide  80-120  km, dependiendo  del  tipo/atenuación  de  la  fibra  óptica utilizada; en sistemas submarinos, estos segmentos miden entre 40-50 km (lo que ayuda a mantener una elevada relación señal-ruido). Los amplificadores EDFAs colocados al final de cada segmento de fibra compensan la pérdida del segmento precedente, volviendo la potencia de la señal al nivel que tenía al comienzo del sistema. La atenuación de 100  km  de  fibra  óptica  es  de,  típicamente,  22  dB (corresponde a un factor de atenuación de la señal de, aproximadamente,  160  veces);  por  lo  tanto,  estos amplificadores  exhiben  ganancias  de  17  a  24  dB (factores  de  150  a  250  en  unidades  lineales).  Es importante notar que el EDFA no sólo amplifica la señal sino que, como todo amplificador, introduce ruido. De esta forma, la relación señal-ruido se degrada en la cadena  de  amplificadores;  esta  degradación  de  la relación señal-ruido, sumada a las distorsiones lineales (dispersión cromática) y no-lineales (SPM, XPM, FWM), determinan la distancia máxima que la señal transmitida puede recorrer aún pudiendo ser detectada con una adecuada tasa de error. Por último, el receptor consiste en un «demultiplexor» (también un dispositivo AWG) que separa los canales; los  canales  individuales  son  detectados  por  sendos receptores. Actualmente, sistemas WDM disponibles comer- cialmente son capaces de transmitir 160 canales a una tasa de 10 Gb/s cada uno, es decir, un total de 1.6 Tb/s cubriendo distancias de ~500 km. Para sistemas que operan a tasas de 10 Gb/s o mayores,  como  vimos  anteriormente,  la  dispersión cromática  de  la  fibra  puede  representar  un  severo problema. Por este motivo, en cada segmento no sólo se amplifica  la  señal  recibida  sino  que,  también,  se compensa  la  dispersión  del  segmento  de  fibra precedente utlizando DCMs. Como estos DCMs atenúan a los canales transmitidos, suelen colocarse entre etapas las etapas amplificadoras de un EDFA. De esta forma es posible  cubrir  grandes  distancias  sin  necesidad  de «regenerar» a los pulsos. La posibilidad de utilizar DCMs que  no  compensen  exactamente  la  dispersión  del segmento anterior añade un grado mayor de flexibilidad en el diseño del sistema. De esta forma se introduce el concepto de mapas de dispersión: mediante la elección de diferentes  DCMs  es  posible,  no  sólo  reducir  las distorsiones  no-lineales 6 ,  sino  también  ajustar  la magnitud de la dispersión cromática acumulada que Figura 7 Diagrama esquemático de un sistema WDM. Un dispositivo «multiplexor» (generalmente un dispositivo AWG [ver Ref. 8]) combina a los diferentes canales. Éstos se transmiten por una cadena de segmentos de fibra (SSMF o NZ-DSF, generalmente) seguidos por amplificadores ópticos EDFAs. En el detalle se muestra la estructura de un EDFA: dos etapas amplificadoras y un módulo de compensación de la dispersión (DCM). Los puntos de amplificación de la señal se llaman «repetidores». Los canales son finalmente de-multiplexados y enviados a sendos receptores. La tasa de error debe ser mejor a 10 -16  en sistemas de última generación. Tx y Rx: transmisores y receptores, respectivamente. BER: bit-error-rate (tasa de error). N: número de canales WDM.                   O                                      O                                      O                  Q                    P        X[                  O                                      O                                      O                  Q                    GH        P        X[                  (')$                '                                         Ãx€                    TTHA…Ãà                    Ia                                        9TA                    7[                    5[                    '&0                                     VW                    †‡htr                    !                    QG                    †‡htr                    / a                  ±                   N   P                %(5         O                                      O                                      O                  Q                    PX[                  O                                      O                                      O                  Q                    GHPX[                     (')$                '                                         Ãx€                    TTH     A…Ãà                    Ia                                        9TA                    7[                    5[                    '&0                                     VW                    †‡htr                    !                    QG                    †‡htr                    / a                  ±                   NP                %(5      1 [   EV RU   EV QH[W JHQHUDWLRQ  EV

30 CSI Boletín 51 tienen los pulsos a lo largo del sistema; éste es un punto particularmente  importante  en  sistemas  de  largo alcance, en los cuales se implementan puntos de acceso a lo largo del recorrido [14]. A fines de los años 90 emergieron dos tendencias en el campo de los sistemas de transporte óptico de alta capacidad. Por un lado, la de intentar cubrir distancias «continentales»  sin  necesidad  de  regenerar  la información transmitida en puntos intermedios y, por el otro, la introducción de la siguiente generación de sistemas ópticos, operando a tasas de 40 Gb/s por canal. Los llamados sistemas de Ultra-Long-Haul (ULH) capaces de cubrir distancias del orden de 4 000 km utilizan una serie de nuevas tecnologías tales como formatos  de  modulación  resistentes  a  distorsiones lineales y no-lineales, módulos de compensación de la dispersión cromática de «banda ancha», ecualización dinámica de los canales WDM y amplificación Raman distribuida (ver Apéndice 5 y Ref. [15]). La introducción comercial de sistemas de 40 Gb/s por canal, ocurrida a comienzos de 2002 [16], requirió de grandes avances en electrónica de alta velocidad, con componentes de anchos de banda superiores a los 40  GHz,  y  del  desarrollo  de  dispositivos  de compensación de la dispersión dinámicos (TDCs). Desde el punto de vista «físico», los sistemas de ultra-long- haul  de  10  Gb/s  están,  en  general,  limitados  por fenómenos de XPM (es decir, «inter-canal») mientras que los sistemas de 40 Gb/s están limitados por fenómenos de SPM («intra-canal»). En particular, en 1998, cobró gran importancia el estudio de los fenómenos no-lineales en sistemas de alta velocidad con la introducción de los conceptos de XPM y FWM intra-canal (IXPM e IFWM) [18], abriendo un nuevo campo de estudio de fenómenos no-lineales en sistemas de comunicación óptica. Tanto para sistemas ULH de 10 Gb/s como para sistemas  de  40  Gb/s,  donde  los  requerimientos  de relación señal-ruido para mantener una tasa de error son  más  sensibles,  se  han  introducido  técnicas  de amplificación óptica de mejor desempeño de ruido, como la amplificación Raman, formatos de modulación de mayor sensibilidad 7  y mejor desempeño no-lineal. Recientemente  se  ha  anunciado  el  interés  en desarrollar componentes para la próxima generación de sistemas ópticos operando a tasas de 160 Gb/s por canal [19]. Por último, cabe preguntarse, ¿para qué es necesario desarrollar  tecnologías  para  canales  cada  vez  más veloces  en  vez  de  incrementar  la  capacidad  de  los sistemas WDM simplemente agregando nuevos canales? La  respuesta  a  esta  pregunta  tiene  que  ver  con  el problema  de  la eficiencia espectral,  es  decir,  qué  tan próximos  en  frecuencia  pueden  colocarse  canales modulados a una determinada tasa B y, en definitiva, cómo aprovechar al máximo el ancho de banda de los amplificadores disponibles y, eventualmente, del canal de comunicación que es la fibra óptica. Es posible mostrar que, para una capacidad total dada es conveniente usar menos canales, pero más rápidos. Esto se debe a las distorsiones no-lineales, que pasan de ser inter-canal a intra-canal. Sin embargo, éste no  es  un  tema  cerrado  y  debemos  esperar  nuevos desarrollos en un campo que ha sido tremendamente dinámico en los últimos 20 años. Conclusiones y perspectivas futuras En este trabajo discutimos los conceptos básicos necesarios  para  entender  el  funcionamiento  de  los sistemas  de  comunicación  por  fibra  óptica  de  alta capacidad.  Vimos  cómo  la  introducción  de  los amplificadores  ópticos  y  de  técnicas  de  WDM permitieron un enorme aumento de la capacidad de estos sistemas. Los sistemas actuales son capaces de transportan caudales de información de 1.28 Tb/s (1.28 billones de bits por segundo) a través de distancias continentales (4 000 km) sin necesidad de regeneración de los pulsos transmitidos. La nueva generación de sistemas WDM operando a tasas de 40 Gb/s por canal es capaz de transportar 2.56 Tb/s a través de distancias superiores a 1 000 km e, incluso,  ya  se  ha  demostrado  cómo  duplicar  esta capacidad con tecnologías disponibles hoy en día. La  capacidad  de  una  fibra  óptica  es  de, aproximadamente, 20 THz (es decir, 20 Tb/s) alrededor del mínimo de atenuación en  λ  = 1.5  µ m. Vemos que, por lo tanto, aún se está muy lejos de utilizar totalmente el  ancho  de  banda  provisto  por  una  fibra  óptica monomodo. Nuevas  tecnologías  y  conceptos  tales  como: formatos  de  modulación  resistentes  a  distorsiones lineales  y  no-lineales,  amplificación  óptica  Raman, módulos de compensación de la dispersión cromática fijos y sintonizables, códigos de corrección  de errores, entre otros, permitirán, en el futuro próximo, ampliar la capacidad de transmisión de los sistemas ópticos de modo que continúen siendo la infraestructura sobre la cual se sustenta el rápido crecimiento de las comuni- caciones a escala planetaria. Agradecimientos: el autor agradece gentilmente a M. L. Cancilieri y a R. Perazzo por su apoyo y entusiasmo.

31 CSI Boletín 51 Apéndice  1:  Evolución  de  la  capacidad  de  los  sistemas  de comunicación  óptica En la Figura 2 se muestran la 1. a   ventana  ( λ  = 0.85  µ m), 2. a   ventana  ( λ   =  1.3  µ m)  y  3. a   ventana  ( λ   =  1.5  µ m)  de  las comunicaciones  ópticas.  La  introducción  comercial  del amplificador  óptico  posibilitó  un  enorme  incremento  de  la capacidad  de  transmisión  a  partir  de  la  introducción  comercial de  sistemas  empleando  técnicas  de  Wavelength  Division Multiplexing  (WDM).  En  la  figura  se  señalan,  además,  las diferentes  «generaciones»  de  sistemas  de  comunicación  en  la 3. a   ventana.  Sistemas  de  próxima  generación,  introducidos comercialmente  en  2002,  hacen  uso  de  la  propagación  de «solitones» 1   (pulsos  que  mantienen  su  forma  mediante  la cancelación de los efectos de dispersión a través de efectos no- lineales)  para  alcanzar  enormes  capacidades  (más  de  1  Tb/s) transmitidas  por  distancias  de  miles  de  kilómetros. 1 Estrictamente hablando, y como discutimos anteriormente, los pulsos transmitidos no son solitones, sino pulsos «aproximadamente» solitónicos.Los sistemas operan en el régimen de dispersion-managed soliton. Apéndice 2: Atenuación y dispersión de fibras ópticas En  la  Figura  4  se  muestran  la  atenuación  y  dispersión  de fibras monomodo estándar (SSMF), de dispersión dislocada (DSF) y de dispersión dislocada no-nula (NZ-DSF). Se muestra también el ancho de banda de 20 THz de las fibras ópticas (o, de forma equivalente,  20  Terabits/s)  y  la  región  en  la  que  operan  los amplificadores  ópticos  (EDFAs).  La  llamada  «primera  ventana» de  las  comunicaciones  ópticas  corresponde  a    una  longitud  de onda de 0.85  µ m. La «segunda ventana» opera en  λ   = 1.3  µ m, aprovechando  una  menor  atenuación  (del  orden  de  0.35  dB/ km) y el mínimo de dispersión cromática de las fibras SSMF. La «tercera ventana» opera en el mínimo de atenuación en  λ  = 1.5 µ m. Las fibras DSF fueron introducidas (a comienzos de los 90) para  hacer  coincidir  el  mínimo  de  dispersión  cromática  con  el mínimo de atenuación. La introducción comercial de transmisores de mayor potencia hizo que los efectos no-lineales, debidos a la dependencia del índice de refracción de la fibra con la intensidad de  los  pulsos  transmitidos,  se  volvieran  el  factor  limitante  del desempeño de los sistemas de comunicación óptica en la tercera ventana.  En  el  «régimen  no-lineal»  es  deseable  que  la  fibra presente  una  cantidad  limitada,  pero  no-nula,  de  dispersión cromática;  esto  motivó  el  diseño  e  introducción  comercial  de las fibras NZ-DSF en la segunda mitad de los 90. Apéndice 3: Efecto de la dispersión cromática En la Figura 5 vemos cómo pulsos cortos (representando la  transmisión  de  un  bit  «1»)  sufren  ensanchamiento  temporal provocado  por  la  dependencia  del  índice  de  refracción  del núcleo de la fibra óptica con la longitud de onda. En términos coloquiales: diferentes colores viajan a diferentes velocidades dentro de la fibra. La consecuencia de este efecto es la superposición de  pulsos  (bits),  que  se  pone  de  manifiesto  especialmente cuando se transmiten secuencias binarias «101»: en la figura, el  detector  tendrá  problemas  para  decidir  si  la  secuencia transmitida es «101» o «111». Como es de esperarse, el efecto de  la  dispersión  cromática  se  vuelve  más  importante conforme  el  sistema  opera  a  tasas  mayores  (dado  que  los pulsos  transmitidos  tienen  duración  proporcionalmente  más corta).  La  forma  en  que  se  combate  este  efecto  es  mediante el uso de «módulos de compensación de la dispersión» (DCMs, según  la  sigla  en  inglés)  que  se  insertan  en  cada  repetidor. Estos  módulos  pueden  tener  elevadas  pérdidas,  por  lo  que se  hace  necesario  introducir  amplificadores  ópticos  de  dos etapas  (ver  apéndice  5). Apéndice 4: Mezcla de Cuatro Ondas En  la  Figura  6  se  muestra  el  efecto  de  transmitir  cuatro canales WDM separados por 1 a 1.5 nm en una fibra DSF de 25 km de longitud y en una fibra NZ-DSF de 50 km de longitud; los canales son transmitidos con potencias encontradas típicamente en sistemas WDM de alta capacidad. El efecto es notable: en el caso  de  la  fibra  DSF  hay  una  enorme  generación  de  «tonos»  o «bandas  laterales»  a  expensas  de  la  potencia  de  los  canales transmitidos. Sin embargo, el efecto más grave para el sistema proviene  de  la  interferencia  de  estos  tonos  con  los  canales  de información,  llevando  a  un  substancial  aumento  de  la  cantidad de  errores  detectados.  El  uso  de  una  fibra  NZ-DSF,  con  una pequeña  dispersión  en  la  banda  de  transmisión,  anula prácticamente  este  efecto. Apéndice 5: amplificación óptica discreta (EDFAs) y distribuida (Raman) En la Figura 8.1 se muestra el espectro de ganancia de un amplificador  óptico  (EDFA)  en  la  «C-band»,  comprendida  en  el rango  de  longitudes  de  onda  entre  1530–1560  nm.  La disponibilidad  de  un  mecanismo  de  amplificación  óptica  en  la tercera  ventana  fue  la  clave  de  la  introducción  de  técnicas  de WDM,  incrementando  enormemente  la  capacidad  transmitida por  fibra  y  posibilitando  alcanzar  distancias  transmitidas «totalmente  ópticas»  mucho  mayores. En  la  Figura  8.2  se  muestra  el  espectro  de  ganancia  de EDFAs  en  las  «C-band»  y  en  la  banda  extendida  «L-band».  La necesidad de actualizar sistemas de un sólo canal a un esquema WDM en fibras DSF llevó al desarrollo de componentes ópticos en  la  «L-band»,  en  la  región  de  1575  a  1607  nm.    El  ancho  de banda total utilizable es de, aproximadamente, 64 nm. Con los actuales  sistemas  de  WDM  «denso»  (DWDM),  es  posible «acomodar» 160 longitudes de onda de 10 Gbps cada una en la bandas  «C+L». En  la  Figura  8.3  se  muestran  en  detalle  las  bandas  de transmisión  para  sistemas  WDM  «densos»  (DWDM)  o  «de  baja granularidad»,  Coarse-WDM  (CWDM).  Estos  últimos  sistemas utilizan  canales  separados  por  20  nm  (en  comparación  con  los 0.4 a 0.8 nm encontrados en sistemas  DWDM) y son atractivos para  tendidos  urbanos  donde  se  busca  aumentar  la  capacidad transmitida,  pero  no  maximizarla.  En  estos  casos  se  vuelve necesario  contar  con  una  fibra  óptica  que  no  presente  una resonancia de atenuación en torno de  λ  = 1.4  µ m. Estas fibras fueron  introducidas  comercialmente  a  fines  de  los  90.  En  la figura  se  compara  la  atenuación  de  un  fibra  AllWave  de  OFS, Furukawa  Electric  con  la  de  una  fibra  monomodo  standard.  Se muestran  también  las  bandas  C,  L  y  S.  Esta  última  ganó  fuerza con  la  introducción  comercial  de  amplificadores  Raman discretos.  Sin  embargo,  actualmente  no  existen  sistemas comerciales  de  alta  capacidad  que  operen  en  esta  banda. Otro  mecanismo  de  amplificación  óptica  se  basa  en  la amplificación Raman, o amplificación distribuida: potentes láseres «bombean» a la fibra óptica en dirección opuesta (en general y, en algunos casos en ambas direcciones) a la propagación de los canales  WDM.  Estos  láseres,  en  longitudes  de  onda  ~100  nm menores  a  las  de  la  banda  que  se  desea  amplificar,  proveen amplificación  a  las  señales  transmitidas,  disminuyendo  la atenuación del segmento de fibra y, por lo tanto, mejorando la relación  señal-ruido.  La  amplificación  Raman  es  un  efecto  no- lineal, es decir, es más intenso cuanto menor es el área del núcleo de la fibra; esto llevó a que, recientemente, se introdujeran nuevas generaciones de fibras ópticas optimizadas para operar en sistemas que  hagan  uso  de  técnicas  de  amplificación  distribuida.  La evolución de la potencia de la señal transmitida en presencia de amplificación  Raman  se  muestra  en  la  Figura  8.4.

32 CSI Boletín 51 En la Figura 8.5 se muestra el esquema de un «repetidor» óptico operando en las bandas C y L. Son necesarios filtros para separar  (splitter)  y  combinar  (combiner)  las  respectivas  bandas; esto se debe a que son amplificadas por diferentes EDFAs. Esto lleva  a  la  duplicación  de  componentes  de  ópticos.  El  repetidor descripto  es,  además,  un  repetidor  «híbrido»:  combina amplificación  mediante  EDFAs  con  amplificación  Raman distribuida. En  la  figura  8.6  se  muestra  el  esquema  de  un  repetidor Raman. En este caso se puede operar el sistema en una banda de longitudes  de  onda  «continua».  Este  tipo  de  repetidor  fue introducido  comercialmente  en  2002  y,  entre  otras  ventajas, presenta  un  mejor  desempeño  de  ruido,  tamaño  reducido  y flexibilidad  de  operación  para  sistemas  DWDM  de  altísima capacidad.   Figura 8.1 Espectro de ganancia de un EDFA («C-band»).   Figura 8.2 Espectro de ganancia de un EDFA en C-band y L-band. Figura 8.3 Bandas de transmisión WDM y atenuación de una fibra «AllWave» que no presenta una resonancia en  λ  = 1.4  µ m, permitiendo utilizar esta banda para la transmisión de canales.   Figura 8.4 Evolución de la potencia de la señal con y sin bombeo Raman. El efecto de la amplificación distribuida es el de mejorar la relación señal-ruido del segmento de fibra. S   C   &   &   DCM   /   /   DCM   Splitter   Combiner   Sh€hÃ   Qˆ€ƒ†   Sh€hÃ   Qˆ€ƒ†   +\EULG S   C   &   &   DCM   /   /   DCM   Splitter   Combiner   Sh€hÃ   Qˆ€ƒ†   Sh€hÃ   Qˆ€ƒ†   S   C   &   &   DCM   DCM   /   /   DCM   DCM   Splitter   Combiner   Sh€hÃ   Qˆ€ƒ†   Sh€hÃ   Qˆ€ƒ†   +\EULG Figura 8.5 Repetidor óptico «híbrido».   DCM   5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS 5DPDQ 5HSHDWHU   DCM   5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS DCM   5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS DCM   DCM   5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS 5DPDQ 3XPS 5DPDQ 5HSHDWHU   Figura 8.6 Repetidor óptico «Raman». Notas:1 Recientemente se han introducido detectores con umbral de detección variable o «dinámico» en sistemas de comunicación de  alta  capacidad.2 Para formas de pulsos típicamente usados en sistemas de comunicación esta condición es equivalente a pedir que el 95% de  la  energía  del  pulso  permanezca  en  el  intervalo  asignado.3 Las fibras NZ-DSF son las que suelen utlizarse en tendidos nuevos,  aunque  las  fibras  ópticas    SSMF  son,  en  abrumadora mayoría,  las  más  utilizadas  a  escala  global.4 Específicamente,  los  pulsos  que  estaban  «limitados  por transformada»,  para  los  cuales  el  producto  del  ancho  espectral por  el  ancho  temporal  es  el  mínimo  posible,  dejan  de  estarlo.  

33 CSI Boletín 51 5. La primera demostración de la existencia de solitones en el contexto  de  las  fibras  ópticas  data  de  1973  [12].  La  primera observación  experimental  fue  hecha  en  1980  [13].6. La  relación  entre  los  mapas  de  dispersión  y  la  distorsión no-lineal que sufren los pulsos es no trivial y descubrirla requiere de  intensas  simulaciones  numéricas  y/o  experimentales.  En particular, sistemas que operan a diferentes tasas y que, por lo tanto,  pueden  estar  limitados  por  diferentes  interacciones  no- lineales,  requerirán  distintos  mapas  de  dispersión;  éste  es  un tema  de  particular  interés  en  sistemas  de  «tráfico  híbrido»  en los  cuales  se  transmiten  canales  WDM  con  diferentes  tasas simultáneamente  [17].7. La  «sensibilidad»  de  un  sistema  transmisor-receptor  nos da una idea de que relación señal-ruido se necesita para mantener una  determinada  tasa  de  error.  Un  formato  «más  sensible» requerirá  de  una  menor  relación  señal  ruido  para  un  tasa  de error  dada. Referencias [1] A. Jones, Historical Sketch of the Electrical Telegraph, Putnam, New York, (1852). [2] A. G. Bell, U.S. Patent No. 174,465 (1876).[3] T. H. Mainman, Nature 187, p.493 (1960).[4] F. P. Kapron, D. B. Keck, and R. D. Maurer, Appl. Phys. Lett. 17, p.423 (1970). [5] G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics 3 rd  Ed., Academic Press (2001). [6] A. H. Gnauck et al., «2.5 Tb/s (64 ´ 42.7 Gb/s) Transmission Over 40x100-km NZDSF Spans Using RZ-DPSK Format and All-Raman Amplification», Proceedings of the Optical Fiber  Communication  Conference  (OFC),  post-deadline paper FC2-1, California, US (2002). [7] S. A. Vanstone, P. C. Van Oorschot, An Introduction to Error Correcting Codes with Applications 1 st  Ed., Kluwer Academic Publishers (1989). [8] G. P. Agrawal, Fiber-Optic Communication Systems 2 nd  Ed., John Wiley & Sons (1997). [9] X. Shu et al., «Tunable Dispersion Compensator Based on Distributed Gires-Tournoois Etalons», IEEE Photon. Techn. Lett., 15, 8, p.1111 (2003). [10] R. W. Boyd, Nonlinear Optics 2 nd  Ed., Elsevier (2003). [11] D. F. Grosz,  C. Mazzali, S. Celaschi, A. Paradisi, H. L. Fragnito,»Modulation Instability Induced Resonant Four- Wave  Mixing  in  WDM  Systems»,    IEEE  Photon.  Techn. Lett., 11, 3, p.379 (1999). [12] A. Hasegawa and F. Tappert, «Transmission of stationary nonlinear optical pulses in dispersive dielectric fibers, I. Anomalous dispersion», Appl. Phys. Lett., 23, p.142 (1973). [13] L.  F.  Mollenauer,  R.  H.  Stolen,  and  J.  P.  Gordon, «Experimental observation of picosecond pulse narrowing and solitons in optical fibers», Phys. Rev. Lett., 45, p.1095 (1980). [14] D. F. Grosz, A. Agarwal, S. Banerjee, D. N. Maywar, and A.  P.  Küng,  «All-Raman  Single-Wideband  DWDM Transmission Systems for Ultra-Long-Haul and Ultra-High- Capacity,»  J. of  Lightwave Techn., 22, 2, p.423 (2004). [15] A.  Küng,  A.  Agarwal,  S.  Banerjee,  D.  F.  Grosz,  D.  N. Maywar, M. Movassaghi and T. H. Wood, «10Gb/s and 40Gb/s ultra-long haul transmission on a common all- Raman single-wide-band platform», European Conference on  Optical  Communication  ECOC,  invited  paper  1.1.1, Copenhagen, Denmark (2002). [16] http://www.lucent.com/solutions/core_optical.html[17] A. Agarwal, S. Banerjee, D. F. Grosz, A. P. Küng, D. N. Maywar, T. H. Wood, «Ultra-long-haul transmission of 40 Gb/s RZ-DPSK in a 10/40G hybrid system over 2500 km of NZ-DSF», IEEE Photon. Techn. Lett., 15, 12, p.1779 (2003). [18] R.-J.  Essiambre,  B.  Mikkelsen,  and  G.Raybon,  «Intra- channel cross-phase modulation and four-wave mixing in  high-speed  TDMsystems»,  Electron.  Lett.,  35,  18, p.1576, (1999). [19] S. Matsumoto, M. Takabayashi, K. Yoshiara, T. Sugihara, T. Miyazak, F. Kubota, «Divided Thin-Film Heater for 160- Gb/s RZ Transmissions», IEEE Photon. Techn. Lett., 16, 4, p. 095 (2003). Algunos libros útiles de referencia en el área son:• B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics 1 st  Ed., John Wiley & Sons (1991). • I.  P.  Kaminow  and  T.  Li,  Eds.,  Optical  Fiber Telecommunications  IVA:  Components  4 th   Ed.,  Academic Press (2002). • I.  P.  Kaminow  and  T.  Li  Editors,  Optical  Fiber Telecommunications IVB: Systems and Impairments 4 th  Ed., Academic Press (2002).   Diego Grosz obtuvo el título de Licenciado en Física en 1993 en la Universidad de Buenos Aires (UBA) y el título de Doutor em Ciências, especialidad Física, en 1998 en la Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Campinas, São Paulo, Brasil. Durante su tesis doctoral se desempeñó como investigador en el grupo de G. P. Agrawal, en el Institute of Optics, University of Rochester, NY, en el área de óptica no-lineal en fibras ópticas. En el período 1998-1999 se desempeñó como investigador en el Grupo de Fenômenos Ultra-Rápidos e Comunicações Ópticas, Campinas, SP, en el área de efectos no-lineales en sistemas de comunicación WDM. Entre 1999 y 2003 se desempeñó como Member of the Technical Staff, Bell Labs, Lucent Technologies, New Jersey, USA, trabajando activamente en el diseño de LambdaXtreme, el sistema de comunicación DWDM más avanzado que existe actualmente. Ha publicado cerca de 40 trabajos en revistas especializadas  y conferencias internacionales y tiene cinco patentes pendientes en los EE.UU. en el área de sistemas y componentes de comunicación óptica. Sus trabajos han sido citados por la comunidad internacional más de un centenar de veces; es miembro del cuerpo editorial de la revista Telecomunicações y reviewer de las revistas IEEE Journal of Lightwave Technology y IEEE Photonics Technology Letters. Fue Profesor Visitante del Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires y, actualmente, es Profesor Asociado en el Departamento de Física y Matemática del Instituto Tecnológico de Buenos Aires (ITBA). En el 2003 el Dr. Grosz recibió el premio «Ernesto Galloni» de incentivo a físicos jovenes otorgado por la Academica Argentina de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.