05 - Capitulo 1 - Introduccion
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Capítulo 1 Introducción 1.1.- Antecedentes Desde épocas remotas, el hombre ha utilizado la comunicación para transmitir información. El modo de llevar a cabo esta comunicación ha sufrido innumerables modificaciones a lo largo de la Historia, evolucionando desde las primitivas señales de fuego, que transmitían mensajes de gran simplicidad, hasta los modernos enlaces ópticos, que transportan miles de millones de bits cada segundo. La idea de utilizar fibra de vidrio para transmitir pulsos ópticos fue propuesta originalmente por Alexander Graham Bell a finales del siglo XIX; sin embargo, esta propuesta tuvo que esperar alrededor de 80 años para ser llevada a la práctica de forma eficaz, ya que fue entonces cuando tuvieron lugar dos hechos decisivos: 1) aparecieron las primeras fibras de vidrio con pérdidas relativamente bajas a la longitud de onda de la luz utilizada en la comunicación y 2) la electrónica bajó sus precios hasta niveles aceptables para fabricar transceptores y amplificadores comerciales [1]. A día de hoy, las comunicaciones ópticas han adquirido un papel fundamental en la transmisión de elevados volúmenes de datos a grandes distancias. Las comunicaciones ópticas están presentes, actualmente, en la mayor parte de los enlaces intercontinentales. Además, los gobiernos y las compañías de telecomunicaciones de la gran mayoría de los países desarrollados están impulsando la implantación de enlaces de fibra óptica para cubrir las 1 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción comunicaciones nacionales, llegando incluso a instalarse este tipo de medio de transmisión en el bucle de abonado, sustituyendo al obsoleto par de cobre, que ha alcanzado el límite de su capacidad y no es capaz de soportar los modernos servicios que ofrecen los proveedores de telecomunicaciones. Esta tecnología que acerca la fibra óptica hasta el domicilio del abonado se conoce como Fiber To The Home (FTTH) [3]. Los tres hitos principales que han hecho posible la expansión de las comunicaciones sobre fibra óptica son los siguientes [1]: - La invención del diodo LASER, a final de la década de 1950. - El desarrollo de fibras de vidrio de bajo coste, en la década de 1970. Este hito fue posible gracias a las investigaciones de Charles K. Kao, quien, en 1966, realizó una profunda labor para determinar un modo eficaz de transmitir luz a grandes distancias sobre fibras ópticas. De acuerdo con sus conclusiones, con una fibra de vidrio de alta pureza, era posible transmitir señales de luz con bajas pérdidas a una distancia de 100 Km, sobrepasando con exceso los 20 metros que se alcanzaban con las tecnologías comunes de fabricación de fibras de vidrio disponibles en la década de 1960. Los cálculos hechos por Charles K. Kao le supusieron la concesión del premio Nobel de Física en el año 2009 [4]. - La invención del amplificador basado en fibra dopada con erbio (Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA), en la década de 1980. Actualmente, la atención en el campo de las comunicaciones ópticas está centrada en las llamadas All Optical Networks. Éstas son redes en las que el rutado entre usuarios finales se llevará a cabo completamente en el dominio óptico, evitando conversiones al dominio eléctrico, lo que supone un considerable incremento en la capacidad de los enlaces de datos [2]. En realidad, ya existen redes ópticas en las que el rutado se efectúa en el dominio óptico, aunque estas redes aún distan de ser tan eficientes como aquellas en las que el rutado se realiza en el dominio electrónico. La causa principal de este hecho es la gran complejidad que encierra la fabricación de memorias ópticas, lo que hace extremadamente difícil la implementación de los búferes requeridos para llevar a cabo la tarea de rutado. Por otro lado, a medida que la complejidad de los servicios ofrecidos por los proveedores de telecomunicaciones crece y el número de usuarios aumenta, la cantidad de datos que cursan las redes incrementa, lo que hace necesaria la utilización de formatos de modulación apropiados, capaces de transportar grandes cantidades de tráfico con una tasa de error de bit despreciable. Este proyecto se centra en el estudio de dichos formatos de modulación, prestando especial atención a su comportamiento frente a fenómenos lineales y nolineales propios de los canales de comunicaciones ópticas. 2 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción 1.2.- Fundamentos de un sistema de comunicaciones ópticas Los componentes básicos de un sistema de comunicaciones ópticas se muestran en la Fig. 1.1 [1]. Figura 1.1. Esquema general de un sistema de comunicaciones ópticas. A grandes rasgos, el funcionamiento del sistema mostrado en la Fig. 1.1 es el expuesto a continuación1 [1]: - El modulador adapta la señal recibida del codificador electrónico a las características del canal óptico. - La fuente de luz (LED o LASER) emite luz en función del esquema impuesto por el modulador y focaliza el haz producido en el interior de la fibra óptica, que hace las funciones de canal de comunicaciones. - La luz viaja en el interior de la fibra hasta alcanzar el receptor (se han obviado posibles amplificadores entre el transmisor y el receptor). Durante este viaje, los pulsos de luz que se propagan en el interior de la fibra pueden experimentar ensanchamiento, debido al fenómeno de dispersión cromática, y/o pérdida de potencia. - En el receptor, los pulsos de luz excitan un fotodetector, produciéndose pulsos de corriente eléctrica que son proporcionales a la amplitud de los pulsos ópticos recibidos. - La señal eléctrica producida por el fotodetector es amplificada. Tras la amplificación, un detector aísla los pulsos eléctricos, recuperando el reloj con el que se transmitió la señal original. Una vez recuperado este reloj, es posible decodificar la secuencia de bits recibida y, por tanto, recuperar la información que se transmitió. 1 Esta descripción está muy simplificada. Se pueden aplicar diversos formatos de modulación, lo que modificaría ciertos detalles del sistema mostrado en la Fig. 1.1, aunque el concepto general permanece inalterado. 3 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción Como se adelantó al final del apartado anterior, actualmente, los sistemas ópticos no se utilizan únicamente como sistemas punto a punto, sino que también son utilizados para distribuir señales entre diferentes usuarios a través de métodos de rutado más o menos complejos. En este sentido, los sistemas basados en multiplexión por división en longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM) han alcanzado gran relevancia, ya que permiten compartir el soporte de comunicación, incluyendo los amplificadores ópticos (Optical Amplifiers, OAMP), entre diversos canales, cada uno de ellos asociado a una longitud de onda diferente. Mediante la introducción de multiplexores ópticos de agregado y extracción de canales (Optical Add and Drop Multiplexers, OADM), es posible aumentar la complejidad del rutado de señales. La Fig. 1.2 muestra un sistema óptico WDM capaz de realizar tareas de rutado a través de OADMs. Figura 1.2. Esquema general de un sistema WDM. Los componentes básicos de un sistema WDM son los mismos que los presentes en un enlace óptico común, tales como fuentes, moduladores, amplificadores, acopladores, filtros y detectores, más aquellos elementos propios del sistema WDM, como multiplexores y dispositivos de agregado/extracción de canales, entre otros. 1.3.- Ventajas y limitaciones de un sistema de comunicaciones ópticas En la actualidad, es comúnmente aceptado que los sistemas ópticos de comunicación ofrecen innumerables ventajas sobre los sistemas eléctricos, haciendo de los primeros la opción preferida en aquellos escenarios en los que se requiere un canal con un elevado ancho de banda y una probabilidad de error de bit despreciable. Algunos de los motivos que hacen de los sistemas de comunicaciones ópticas la opción deseable en los casos citados son los siguientes [1]: 4 Proyecto Fin de Carrera - Capítulo 1. Introducción Coste del material Para una capacidad de transmisión dada, el coste de la fibra de vidrio es significativamente menor que el de el par de cobre. - Capacidad de datos Tomando como referencia una conversación telefónica, el cable coaxial más eficiente soporta unos 2.000 canales de voz, lo que, asignando una capacidad de 64 Kb/s a cada canal, supone una capacidad total de 128 Mb/s. Esta capacidad es casi mil veces inferior a la capacidad que un único canal de un sistema WDM puede soportar con las tecnologías actuales. Utilizando una única longitud de onda por fibra, se han probado experimentalmente sistemas operando a 100 Gb/s [5] [6]. En el caso de que se multiplexen varios canales en una misma fibra óptica, es posible aumentar esta capacidad unas diez veces, aproximadamente, proporcionando capacidades de transmisión que, sobre cualquier otro medio, son completamente impensables. Estas asombrosas capacidades de transmisión, junto con las bajas pérdidas que este medio de transmisión ofrece en la actualidad, convierten a la fibra óptica en el medio más utilizado en la actualidad para enlaces de largo alcance y alta fiabilidad. - Inexistencia de interferencia electromagnética Debido a la ausencia de conexiones eléctricas, no es posible ni captar ni crear interferencias electromagnéticas, que, en sistemas de otra naturaleza, representan una de las fuentes principales de ruido. Esta es una de las razones por las que el porcentaje de errores en los sistemas ópticos es despreciable. El hecho de que las interferencias electromagnéticas no afecten a las comunicaciones soportadas por fibra óptica implica que, por ejemplo, en un entorno industrial, los datos que se transfieren sobre este medio son inmunes al ruido generado por motores, lo que supone una ventaja notable sobre las comunicaciones soportadas por hilos de cobre. En una red de área extensa (Wide Area Network, WAN), las posibilidades de rutado crecen enormemente con respecto al caso de que se utilice cable de pares como medio de transmisión, ya que, utilizando fibra óptica, es posible hacer el tendido cerca de líneas eléctricas o de distribución de agua sin riesgo alguno para personas. 5 Proyecto Fin de Carrera - Capítulo 1. Introducción Distancia entre regeneradores A medida que una señal se propaga por un canal de comunicación, ésta pierde potencia e incrementa su nivel de ruido. El método tradicional seguido para restaurar la señal, amplificando la potencia y, en ocasiones, eliminando el ruido, consiste en hacerla pasar por un amplificador o un regenerador. Puesto que hoy en día es posible fabricar fibras de vidrio con muy baja atenuación (del orden de 0.2 dB/Km), la distancia media entre regeneradores en sistemas actuales de comunicaciones ópticas oscila entre los 80-100 Km, en el caso de EDFAs, y los 100-160 Km, para los amplificadores de Raman [7]. El número de regeneradores y la espaciación entre ellos es un factor determinante en el precio total del enlace óptico. - Capacidad de datos abierta La capacidad teórica del total de fibra instalada es enorme, lo que implica que los sistemas existentes pueden soportar la capacidad extra que demanden los futuros servicios conforme estos vayan apareciendo en el mercado. Las únicas modificaciones que habría que hacer en el sistema serían adaptar los equipos en ambos extremos del canal (transceptores) y actualizar los regeneradores. A pesar de las numerosas e importantes ventajas, algunas de las cuales, han sido citadas anteriormente, que un sistema de comunicaciones ópticas presenta sobre un sistema de comunicaciones eléctrico convencional, los sistemas ópticos también presentan algunas limitaciones a tener en cuenta. Algunas de estas limitaciones son: - Unión de fibras Dos fibras se unen mediante empalmes por fusión. Este método consiste en elevar la temperatura de los dos extremos a empalmar de las fibras que se van a unir y fundir dichos extremos entre sí. Para obtener un buen resultado, con pérdidas de potencia de señal despreciables, es necesario emplear equipos de precisión. Es especialmente difícil llevar a cabo la fusión bajo determinadas condiciones climatológicas, por lo que ciertos entornos son especialmente adversos. En los primeros tiempos de los sistemas de fibra óptica (a comienzos de la década de 1980), se utilizaban conectores que permitían conectar y desconectar fibras sin necesidad de emplear el proceso de 6 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción fusión. Estos conectores introducían pérdidas muy elevadas en el sistema (alrededor de 3 dB por conector). En los últimos años, los conectores para fibras con núcleos de mayor diámetro (fibras multimodo) han mejorado hasta el punto de que es posible introducir varios de estos conectores en una red de área local (Local Area Network, LAN) sin que se produzcan pérdidas importantes del nivel de señal. - Coste de los equipos Aunque es cierto que el precio de los transceptores ópticos ha decrecido notablemente en los últimos años, todavía es, aproximadamente, el doble que el de aquellos que trabajan en el dominio eléctrico de la señal. - Curvatura de las fibras A medida que la luz viaja por el interior de la fibra óptica, se producen sucesivas reflexiones en el interfaz que separa la cubierta de la misma de su núcleo, siendo este fenómeno el que hace posible el guiado de la luz. Estas reflexiones sólo ocurren si el ángulo que forman el rayo de luz que viaja en el interior de la fibra y la recta normal a la superficie de incidencia de dicho rayo de luz en el punto de incidencia es superior a un ángulo crítico. Si la fibra se dobla excesivamente, la luz escapa de ella, disminuyendo drásticamente la potencia óptica que llega al receptor. El radio de curvatura máximo permisible es específico de cada tipo de fibra, ya que depende de la diferencia entre los índices de refracción de la cubierta y del núcleo de la misma. Mientras mayor sea esta diferencia, menor será el radio de curvatura mínimo tolerado. Por tanto, hay que tomar una solución de compromiso, ya que, por determinados motivos, conviene mantener está diferencia a un valor pequeño. Las ventajas y desventajas que muestran los sistemas ópticos deben ser evaluadas para cada entorno en el que se pretenda realizar una instalación. Por ejemplo, el tipo de fibra que es apto en una red LAN puede ser inadecuado para una red WAN. 7 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción 1.4.- Fenómenos básicos en un sistema de comunicaciones ópticas Es necesario hacer una introducción a algunos fenómenos básicos propios de un sistema de comunicaciones ópticas, ya que serán citados en numerosas ocasiones en capítulos posteriores. 1.4.1.- Propagación de señales en fibras ópticas. Efectos lineales 1.4.1.1.- Dispersión cromática (Chromatic Dispersion, CD) Dispersión es el efecto por el cual las diferentes componentes espectrales que componen un haz de luz se propagan a diferente velocidad en el interior de una guía de ondas, tal como una fibra óptica, llegando al receptor en diferentes instantes de tiempo [2]. Esto se traduce en un ensanchamiento temporal de los pulsos recibidos con relación a los pulsos transmitidos, tal como muestra la Fig. 1.3. tiempo t1 λ1 t2 λ2 t3 λ3 λ1 λ2 λ3 Rx Tx n1 n2 n3 n1 > n2 > n3 Longitud recorrida (a) (b) Figura 1.3. Fenómeno de dispersión cromática. (a) Velocidad de propagación de distintas componentes espectrales. (b) Efecto del fenómeno de dispersión cromática en los pulsos ópticos. 8 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción La CD se debe a dos motivos diferentes [2]: - El índice de refracción del silicio es dependiente de la longitud de onda de la luz que se propaga por él; es decir, n n por lo tanto, diferentes componentes espectrales percibirán diferentes índices de refracción y puesto que v c n siendo v la velocidad a la que la luz se propaga en un medio y n, el índice de refracción de dicho medio, las diferentes componentes espectrales que componen un pulso óptico se propagarán a diferentes velocidades en el interior de la fibra de silicio. Esta componente de la CD se denomina dispersión del material. - La forma de la sección transversal de la fibra tiene un efecto muy importante en la velocidad de grupo de la señal que se propaga por el interior de dicha fibra. Ello es debido a que la energía de cada uno de los modos que componen un pulso óptico se propaga parcialmente por el núcleo de la fibra y parcialmente por su cubierta. Así, el valor efectivo del índice de refracción de un modo concreto estará comprendido entre el valor del índice de refracción del núcleo de la fibra y el valor del índice de refracción de su cubierta, dependiendo la magnitud exacta de este valor efectivo de la proporción de energía del modo que se propague por el núcleo y la que se propague por la cubierta. La distribución de la energía de un modo entre el núcleo de la fibra y la cubierta de la misma es, a su vez, función de la longitud de onda. Por tanto, incluso en ausencia de la componente de dispersión del material, si la longitud de onda cambia, lo que ocurre siempre, ya que toda señal está constituida por un conjunto de longitudes de onda, la distribución de potencia también cambia, dando lugar a que el valor efectivo del índice de refracción del modo se modifiqué. Esta componente de la CD se denomina dispersión de la guía de onda. La Fig. 1.4 [1] muestra la característica de dispersión de una fibra estándar mono-modo (Single-Mode Fiber, SMF). Como se aprecia en la citada figura, los dos tipos de dispersión se cancelan entre sí a una longitud de onda de 1310 nm, por tanto, si la longitud de onda de la señal luminosa que se inserta en la fibra es la citada, el efecto del fenómeno de dispersión sobre esta señal será mínimo [1]. 9 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción Dispersión (ps/nm·Km) 40 30 20 Régimen Normal de Dispersión 10 0 -10 Régimen Anómalo de Dispersión -20 -30 1000 1200 1400 1600 1800 Longitud de onda (nm) Figura 1.4. Característica de dispersión cromática de una fibra mono-modo estándar. Debido a la CD, la duración temporal y la potencia de pico de los pulsos óptico que se propagan en la fibra se modifican, tal como muestra la Fig. 1.3(b). El parámetro que gobierna la evolución de la forma del pulso es la derivada segunda de la constante de propagación, β, es decir β2 = d2 β/dω2. El parámetro es conocido como dispersión de la velocidad de grupo (Group Velocity Dispersion, GVD). En fibras estándar mono-modo, se consideran dos regímenes de dispersión diferentes, dependiendo del signo del parámetro GVD [1]: - Régimen normal de dispersión El régimen normal de dispersión se muestra en la Fig. 1.4 a la izquierda del punto de dispersión nula. En este régimen, las longitudes de onda mayores se propagan en la fibra a una velocidad superior a la que se propagan las longitudes de onda menores. Por tanto, tras viajar por la fibra, el extremo rojo del espectro alcanza el receptor antes que el extremo violeta. Este fenómeno se conoce como chirp positivo. - Régimen anómalo de dispersión El régimen anómalo de dispersión se muestra en la Fig. 1.4 a la derecha del punto de dispersión nula. En este régimen, las longitudes de onda menores se propagan en la fibra a una velocidad superior a la que se propagan las longitudes de onda mayores. Este fenómeno se conoce como chirp negativo. Es obvio que, mientras mayor sea el ancho de banda de los pulsos ópticos que se propagan en fibra, mayor será su espectro óptico y mayor será el efecto de 10 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción la CD sobre ellos. Por tanto, una señal cuyo ancho de banda sea infinitamente estrecho, no se vería afectada por el fenómeno de CD. Desafortunadamente, dicha señal tampoco podría transportar información, ya que cualquier señal, al ser modulada, expande su espectro [2]. Varias técnicas han sido desarrolladas para combatir el efecto de la CD. Entre ellas, destacan las siguientes: Fibra de dispersión no nula y desplazada (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber, NZDSF) Esta fibra ha sido especialmente diseñadas para sistemas WDM. Tiene una dispersión aproximada de 4 ps/(nm·Km) en la banda 1530-1570 nm. Este valor de dispersión tan bajo minimiza los efectos de la CD sobre los pulsos ópticos y, a la vez, evita efectos no deseados como el mezclado de cuatro ondas (Four-Wave Mixing, FWM) entre canales en sistemas WDM [1]. Fibra de compensación de dispersión (Dispersion Compensating Fiber, DCF) Esta fibra tiene un perfil de dispersión negativo en el rango de 1550 nm, por lo que se puede localizar en serie con enlaces soportados por fibras comunes con objeto de cancelar la dispersión introducida por éstas. Normalmente, las DCFs se sitúan en cada amplificador, mientras que las SMFs se sitúan en los vanos [1]. El mapa de CD del sistema descrito se muestra en la Fig. 1.5 [2]. (a) (b) Figura 1.5. Mapa de dispersión cromática de un enlace genérico. (a) Valor de la dispersión cromática en cada punto del enlace. (b) Valor acumulado de la dispersión cromática desde el inicio del enlace hasta un punto determinado. Incluso cuando la CD de las fibras utilizadas en los enlaces es alta, el hecho de alternar fibras cuya CD tiene signos opuestos hace que la dispersión cromática acumulada sea pequeña [2]. 11 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción Un importante problema que presentan las DCFs es el alto valor de las pérdidas que introducen en el sistema. Red de difracción de Bragg Una red de difracción de Bragg es un reflector distribuido construido sobre un pequeño segmento de fibra óptica. El índice de refracción del núcleo del segmento de fibra utilizado para construir la red de difracción es función de la distancia al comienzo de dicho segmento de fibra; es decir, para cada sección longitudinal del citado segmento, el índice de refracción del núcleo del mismo es distinto, por lo que las diferentes longitudes de onda que componen el pulso luminoso que se transmite en el interior de la red de difracción de Bragg son reflejadas en diferentes secciones longitudinales de dicha red de difracción [8]. Según se ha expuesto en apartados anteriores de este capítulo, dada una fibra óptica estándar y un pulso óptico propagándose en su interior, todas las componentes frecuenciales de dicho pulso viajan a velocidades diferentes, lo que da lugar a un ensanchamiento temporal del mismo. De acuerdo con el principio de operación de una red de difracción de Bragg, es posible compensar el ensanchamiento temporal experimentado por pulso óptico; para ello, se hace que las componentes frecuenciales que viajan a mayor velocidad se reflejen en el extremo final de la red de difracción, mientras que las componentes frecuenciales que viajan a menor velocidad se reflejan en el extremo inicial de dicha red (Ver Fig. 1.6 [2]). (a) (b) (c) Figura 1.6. Red de difracción de Bragg. (a) Esquema general. (b) Variación del índice de refracción con la distancia al origen. (c) Variación del retraso introducido por la red en función de la velocidad de propagación de las distintas componentes frecuenciales del pulso óptico. 12 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción Otras técnicas de compensación de dispersión Además de las técnicas de compensación de CD expuestas anteriormente, existen otros métodos para combatir los efectos de dicho fenómeno. Uno de estos métodos consiste en el uso de formatos de modulación específicos y en la optimización de del receptor, lo que permite aumentar la tolerancia del sistema a la CD, haciendo posible la eliminación de otros elementos de compensación y, consecuentemente, disminuyendo costes. El método mencionado se explica en detalle en el capítulo 3. 1.4.1.2.- Dispersión por modo de polarización (Polarization-Mode Dispersion, PMD) Las dos fuentes de dispersión más importantes presentes en fibras ópticas mono-modo son la CD, expuesta en el apartado anterior, y la PMD. Puesto que el efecto de la CD se puede mitigar mediante el uso de fuentes de luz o de formatos de modulación de ancho de banda reducido o mediante la utilización de fibras ópticas adecuadas, la PMD supone el factor de limitación más importante en enlaces ópticos de alta velocidad [2]. El origen de la PMD se encuentra en el hecho de que la velocidad de grupo de una señal depende de su estado de polarización; es decir, diferentes estados de polarización presentan velocidades de grupo distintas. Esto se debe a que la sección elíptica de la fibra óptica hace que los diferentes modos de polarización perciban diferentes índices de refracción, lo que implica que dichos modos se propagarán a distintas velocidades [9]. Por otra parte, la distribución de la energía de la señal entre los diferentes estados de polarización cambia con el tiempo, haciendo que el efecto de la PMD sea función del tiempo también [9]. Es importante resaltar que no sólo la fibra es fuente de PMD, sino que otros componentes del sistema también pueden distorsionar la señal por la acción de este fenómeno. Para reducir los efectos de la PMD, el sistema de comunicaciones ópticas debe incluir algún mecanismo de compensación. La técnica más comúnmente empleada para compensar la PMD consiste en dividir la señal recibida en los modos de polarización lento y rápido y retrasar el modo de polarización rápido hasta anular la diferencia con el modo de polarización lento. Esta compensación se puede llevar a cabo tanto de forma óptica como de forma electrónica. Los métodos electrónicos de compensación de la PMD son atractivos porque permiten una gran integración con los circuitos presentes en el receptor, haciendo posible la fabricación de equipos compactos y la reducción de costes. Esto es especialmente importante en sistemas WDM, donde cada canal necesita 13 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción compensación de la PMD. Además, debido a que el efecto de la PMD depende de las condiciones del entorno, los compensadores de la PMD deben ser capaces de adaptarse a modificaciones de dichas condiciones en cuestión de milisegundos. Este requisito de rapidez y precisión en la adaptación a las condiciones del canal es mucho más simple de llevar a cabo en el dominio electrónico que en el óptico. La compensación electrónica se realiza midiendo la polarización de la señal recibida y actuando sobre un compensador de polarización de acuerdo con las medidas tomadas (ver Fig. 1.7 [10]). Experimentalmente, se ha demostrado la eficacia de la compensación electrónica de la PMD con señales hasta 40 Gbit/s [10]. Figura 1.7. Compensación electrónica de la PMD. 1.4.2.- Propagación de señales en fibras ópticas. Efectos no-lineales 1.4.2.1.- Automodulación de fase (Self-Phase Modulation, SPM) La SPM se debe a que el índice de refracción de la fibra óptica tiene una componente que es dependiente de la intensidad de la señal que viaja en su interior. Esta no-linealidad del índice de refracción altera la fase de la señal proporcionalmente a la intensidad del pulso luminoso. En consecuencia, diferentes regiones del pulso sufren diferentes alteraciones en la fase, introduciendo chirp en la señal óptica [2]. El chirp introducido es proporcional a la potencia de la señal transmitida, por lo que la acción de la SPM será más severa en sistemas que portan elevadas potencias. Este chirp intensifica el ensanchamiento temporal de pulsos originado por la CD, por lo que es muy importante considerar los efectos de la SPM en sistemas con elevadas tasas binarias, donde las consecuencias de la CD son ya significativas [2]. El chirp introducido en la señal óptica por la SPM es positivo y su efecto sobre dicha señal depende del signo del parámetro GVD (ó β2) [2]: - Régimen normal de dispersión cromática (β2 > 0). En este caso, la SPM da lugar a un ensanchamiento de los pulsos transmitidos. 14 Proyecto Fin de Carrera - Capítulo 1. Introducción Régimen anómalo de dispersión cromática (β2 < 0). En este caso, el efecto de la SPM depende fuertemente de la magnitud de la CD neta del sistema. Cuando el efecto de la CD es levemente superior al de la SPM, ésta causa un estrechamiento de los pulsos ópticos, limitando de esta forma el efecto de la CD. 1.4.2.2.- Modulación de fase cruzada (Cross-Phase Modulation, XPM) La transmisión simultánea de varios canales sobre una única fibra en un sistema WDM induce la aparición de efectos intercanal no-lineales, tales como la XPM. XPM es el efecto por el cual la fase óptica de cada canal es modulada por la potencia total del conjunto de señales que viajan por la fibra. Este efecto se debe a la dependencia del índice de refracción de la fibra óptica con la potencia total que ésta transporta. La dispersión cromática transforma estas fluctuaciones de fase en fluctuaciones de intensidad, creando, por tanto, diafonía [11]. Debido al gran número de canales que pueden coexistir en una misma fibra en un sistema WDM, incluso cuando los distintos canales transportan una energía baja, la señal combinada de todos los canales puede portar un nivel alto de energía, aumentando el efecto de la XPM. 1.4.2.3.- Mezclado de cuatro ondas (Four-Wave Mixing, FWM) En un sistema WDM que utilice frecuencias de portadora ω1, ω2, …, ωn, la dependencia del índice de refracción con la intensidad no sólo induce fluctuaciones de fase en el propio canal, sino que también genera la aparición de señales a frecuencias 2 ωi – ωj y ωj + ωj – ωk. Este fenómeno es conocido como FWM [2]. El efecto del FWM es independiente de la tasa binaria del canal, pero es muy sensible al espaciado entre canales y a la magnitud de la dispersión cromática de la fibra. Por tanto, cuando el espaciado entre canales es bajo y/o se utilizan fibras con el punto de dispersión nula desplazado (Dispersion-Shifted Fiber, DSF), los efectos del FWM deben ser considerados incluso en sistemas con tasas binarias moderadas [2]. 1.5.- Organización de la memoria El resto de la presente memoria se divide como se indica a continuación: 15 Proyecto Fin de Carrera - Capítulo 1. Introducción Capítulo 2. Objetivos del proyecto fin de carrera En este capítulo se detallan los objetivos perseguidos en el presente proyecto fin de carrera. - Capítulo 3. Formatos de modulación para comunicaciones ópticas a altos regímenes binarios En este capítulo se exponen diferentes formatos de modulación. Estos formatos de modulación incluyen on/off keying (OOK), muy utilizado en sistemas actuales de comunicaciones ópticas, aunque presenta serios inconvenientes, como una tolerancia baja a la CD; carrier suppressed return-to-zero (CS RZ); duobinario; alternate-mark inversion (AMI); differential phase shifht keying (DPSK), que, entre otras ventajas con respecto al resto de formatos expuestos, permite una mejora de 3 dB en la relación señal a ruido óptica (OSNR) con respecto al formato OOK tradicional; y Partial DPSK. - Capítulo 4. Caso práctico. Simulación En este capítulo se presenta el proceso de simulación realizado para corroborar los resultados expuestos en [33]. Mediante simulación, se verifica que, bajo ciertas condiciones, es posible mejorar la calidad de recepción de una señal DPSK cuando la CD neta presente en el canal de comunicación es no nula. - Capítulo 5. Conclusiones Este capítulo agrupa el conjunto de conclusiones alcanzadas tras la realización de la simulación detallada en el capítulo 4 y del experimento expuesto en el apéndice C. - Apéndice A. Bibliografía En este apéndice se detalla toda la bibliografía que ha sido consultada para escribir la presente memoria. - Apéndice B. Glosario de acrónimos En este apéndice se muestra el conjunto de acrónimos citados en la presente memoria, así como el significado de cada uno de ellos. - Apéndice C. Caso práctico. Experimento En este apéndice se detalla el experimento llevado a cabo en el laboratorio de óptica del Instituto de Telecomunicaciones Avanzadas de la Universidad de Swansea, Reino Unido. 16 Proyecto Fin de Carrera Capítulo 1. Introducción El citado experimento tuvo como objetivo la verificación de las conclusiones mostradas en [33] y, junto con dichas conclusiones, es la base de la simulación detallada en el capítulo 4. - Apéndice D. Datos experimentales Este apéndice reúne las medidas tomadas tanto en la simulación detallada en el capítulo 4 y como en el experimento expuesto en el apéndice C. - Apéndice E. Publicaciones Este apéndice incluye el paper “Experimental Verification of the Dispersion Tolerance Improvement of Partial DPSK with optimized filtering”, escrito a partir de los resultados obtenidos tras finalizar el experimento de laboratorio expuesto en el apéndice C. El citado artículo fue aceptado para ser presentado en ECOC’ 09. 17
