2. Redes y tecnología WDM

2.1 Evolución de las redes WDM

A lo largo de los últimos años diversos factores han propiciado el importante desarrollo tecnológico de todos los equipos y servicios relacionados con las telecomunicaciones: grandes avances técnicos, liberalización del sector, crecimiento de la red Internet... Todos estos factores están convirtiendo nuestra era en la era de la información y las comunicaciones. Esta revolución de las telecomunicaciones avanzadas, conocida por la Sociedad de la Información, Autopistas de la Información o Aldea Global, descentralizará y flexibilizará la economía, modificará los hábitos de vida de las personas y, en definitiva, transformará radicalmente la sociedad [1].

Para que esta revolución tenga lugar, es necesario mejorar las infraestructuras que soportarán servicios multimedia de diversa índole. Así, el éxito de esta revolución global sin precedentes depende en gran medida de la instalación de redes de gran capacidad y bajo coste, siendo la fibra óptica el medio elegido para los sistemas de telecomunicación.

En un principio la tecnología óptica fue implantada para sistemas de transmisión a larga distancia, pero ahora está reemplazando al cable coaxial y de cobre de las redes telefónicas locales, de las redes de televisión por cable y de las redes de datos de área local. La completa explotación de todas las posibilidades que ofrece la fibra óptica no es sencilla, pero se ha progresado tremendamente en los últimos 20 años [2], durante los cuales la capacidad de las redes de largo recorrido se ha duplicado cada dos años. Considerando un crecimiento anual del 100 %, llegamos a que los requerimientos de capacidad para la próxima generación de equipos será del orden de terabits, para el periodo inmediatamente posterior al año 2010.

Es interesante hacer un breve recordatorio de la historia de las tecnologías de redes transmisión. Tras evolucionar de las comunicaciones analógicas a las digitales, y de PDH a SDH, el objetivo está ahora en pasar de SDH a WDM. SONET (Synchronous Digital Network) en Norte América y SDH (Synchronous Digital Hierarchy) en Europa son los estándares de transmisión digital a larga distancia que resuelven los problemas de gestión y mantenimiento de los equipos, así como en la inserción y extracción de las señales de jerarquías inferiores, de menor capacidad, presentados por su predecesor PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy) [4].

La tecnología de transporte SDH permite diferentes tasas de bit o STM (Synchronous Transport Module), desde STM-1 (155 Mbps) hasta STM-64 (10 Gbps). La protección se ofrece a través de topologías en anillo, posibilitadas gracias a ADM (Add and Drop Multiplexers), capaces de reconfigurarse del fallo de un enlace en menos de 50 ms [6]. Otras características importantes de SDH son la compatibilidad con la tecnología de transporte precedente, es decir, PDH, la posibilidad de transportar nuevos formatos de señales como ATM (Asynchronous Transfer Mode), estandarización mundial, monitorización de errores y su potente funcionalidad de administración.

Si consideramos la capacidad de las diferentes tecnologías como la tasa de transmisión de bits típica utilizada y el factor de multiplexación ofrecido por los nodos de conmutación y multiplexación, podemos ver una clara evolución:

• Inicialmente la transmisión digital era capaz de soportar 2 Mbps, en el primer nivel de multiplexación o multiplexores básicos, teniendo 64 Kbps cada una de las señales tributarias. Estos 64 Kbps conforman la tasa de bit de las redes telefónicas tradicionales.
• El siguiente paso fue mejorar la eficiencia en la transmisión, permitiendo tasas de bit más altas introduciendo cross-connects, principalmente manuales pero en algunos países, como en Francia e Inglaterra, automáticos. La señal agregada pasó a tener una capacidad de 140 Mbps y un factor de multiplexación de 2 Mbps. Por supuesto también hay tasas de bit intermedias, tales como 8 Mbps o 34 Mbps. Esta tecnología es PDH.
• Un paso mayor, que está de hecho en desarrollo en todos los países del mundo, es la introducción de SDH. Actualmente el factor de multiplexación es de 150 Mbps y es posible una capacidad de 10 Gbps. Nótese, de nuevo, que son posibles otras tasas de bit intermedias.
• Una nueva etapa está en el uso generalizado de la WDM, que aún no ha sido totalmente estandarizado debido la rápida evolución de estos equipos, lo que imposibilita producir recomendaciones a tiempo y constituye una clara desventaja frente a SDH. Ya no se está lejos de alcanzar una capacidad de 320 Gbps, 32 longitudes de onda, con un factor de multiplexación de 10 Gbps. No obstante, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) ha propuesto recientemente una primera recomendación importante para la disposición de las longitudes de onda a 1,6 nm, o múltiplos suyos, en el rango de 1.530 a 1.560 nm, y se prevé que de aquí al año 2000 aparezcan un buen número de recomendaciones concernientes a esta nueva tecnología [3].
• El paso siguiente se dará posiblemente en torno al año 2010 [3] y requerirá grandes avances que superen las limitaciones de la WDM, consiguiendo incrementar el factor de multiplexación a 320 Gbps con una capacidad total de 10 Tbps, o quizás la combinación de WDM con el principio de TDM en el dominio óptico.

En efecto, la mejor técnica a corto plazo para llegar a aprovechar todo el ancho de banda ofrecido por una fibra óptica, sin necesidad de cambiar todos los equipos y enlaces existentes, es la WDM. La tecnología WDM es estos momentos, ampliamente utilizada en redes de cable de fibra óptica submarinos internacionales [7], consiguiendo unas capacidades y una funcionalidad inimaginables hace tan sólo cinco años.

Sistemas transoceánicos transportando más de 16 longitudes de onda ya son posibles a lo largo de distancias de 8.000 km. Estos sistemas transportan un STM-16, 2,5 Gbps, en cada longitud de onda, soportando una capacidad máxima de 40 Gbps por fibra. También son posibles 6 canales a 5 Gbps sobre distancias similares. El principal reto en el diseño de estos sistemas es cómo conseguir un mayor número de longitudes de onda sobre distancias de alrededor de 12.000 km. Se debe tener un especial cuidado seleccionando las características de dispersión de cada fibra y el espaciado entre longitudes de onda. En un futuro próximo se podrá incrementar la capacidad a un STM-64, 10 Gbps, por longitud de onda. Además, la seguridad y disponibilidad son requerimientos absolutamente necesarios de las redes submarinas, por lo que muchos tramos utilizan componentes redundantes y topologías en anillo.

Actualmente hay varias redes transoceánicas en diseño y construcción. Una de estas redes es Africa ONE, que fue el primer proyecto que planeó utilizar tecnología WDM, concebida como un anillo de cable de fibra óptica submarino dando acceso a más de 2,5 Gbps a toda la costa africana sobre más de 40.000 km, aunque ha sufrido varios retrasos en el comienzo de su instalación.

Otro proyecto es Sea-Me-We-3, que a finales de 1998, cuando entre en servicio, será la primera red submarina que utilice encaminadores de longitudes de onda y multiplexores add/drop. Esta red será instalada con una capacidad superior a 8 longitudes de onda en cada fibra transportando cada fibra un STM-16. Sea-Me-We-3 conectará más de una docena de países entre el Sur y mitad Este de Asia y el Este de Europa.

Los tres sistemas WDM conocidos por Atlantis-2, Columbus-3 y Americas-II formarán, cuando se finalicen a mediados de 1999, un anillo alrededor del Océano Atlántico Sur, conectando países de cuatro continentes. A diferencia de las redes Africa ONE y Sea-Me-We-3, permitirán que la capacidad y el encaminamiento del tráfico sea cambiada una vez que el sistema esté operativo, reduciendo el coste inicial por utilizar menos longitudes de onda de las que podrá soportar.

Las redes China-US y Atlantic Crossing-1 (AC-1) serán construidas con la más avanzada tecnología WDM disponible hoy en día, con el fin de conseguir la máxima capacidad posible en mayores distancias que las redes actualmente instaladas a lo largo del Pacífico y del Atlántico, es decir TAT-12/13 y TPC-5, completadas en 1996 [2]. Ambos sistemas están constituidos por redes en anillo apiladas WDM que transportan tráfico en pares de cuatro fibras. China-US está diseñada para transportar 8 longitudes de onda a 2,5 Gbps sobre una distancia máxima de 12.000 km. AC-1, en cambio, transportará 4 longitudes de onda a 2,5 Gbps en cada fibra sobre un máximo de 7.000 km. AC-1 conectará cuatro puntos costeros de distintos países mediante cuatro segmentos de cable separados: U.S.-U.K., U.K.-Países Bajos, Países Bajos-Alemania y Alemania-U.S.

Se prevé que a finales de 1999 todas estas redes submarinas estén ya finalizadas y operativas, conectando más de 90 países con 100.000 km de cable submarino.

La investigación y desarrollo de las redes WDM en redes regionales y MAN (Metropolitan Area Network) ha madurado considerablemente en pocos años, además de haberse incrementado el número de prototipos experimentales que actualmente están siendo probados en Europa [8], Estados Unidos [9] y Japón. La evolución esperada para las nuevas arquitecturas de red óptica WDM se espera que sea similar a la observada en las redes SDH, y se ilustra esquemáticamente en la Figura 2.2. Ya se ha anticipado que la próxima generación de Internet, red donde el crecimiento de usuarios ha sido especialmente espectacular, casi exponencial como muestran los datos de la Figura 2.3, empleará backbones ópticos basados en WDM.

En cuanto a los programas de investigación y desarrollo europeos a corto plazo, cabe destacar el ACT (Advanced Communications Technologies and Services) [10], cuyo principal objetivo es conseguir que la futura infraestructura de banda ancha se base en tecnologías de fibra óptica. Para ello se tratará de recurrir lo menos posible a la conversión entre los dominios eléctrico y fotónico, aprovechando al máximo la dimensión de la longitud de onda. Actualmente hay dos proyectos ACT que se ocupan en concreto del problema de redes de transporte ópticas transeuropeas utilizando WDM: OPEN (Optical Pan-European Network) y PHOTON (Pan-European Photonic Overlay Network) [12].

El proyecto OPEN, encabezado por Alcatel, trata aplicaciones submarinas con WDM. Por otro lado PHOTON, que engloba a empresas como Siemens, Deutsche Telekom, PTT Austria, Phillips, BCC y Telecom Austria, implementará una red basada en fibra estándar monomodo ya instalada, y demostrará transmisión WDM con velocidades superiores a 10 Gbps sobre más de 500 km. Para ello tratará con amplificación, compensación de dispersión, encaminamiento de longitudes de onda y funciones de conexión de cruce.

De cualquier forma, la instalación de sistemas WDM está siendo realidad en tramos submarinos, mientras que el acercamiento de la fibra hasta la casa no será un hecho en un plazo más o menos corto [1], debido al compromiso entre el coste de la instalación y las ventajas que se podrán obtener. Sin embargo, varias previsiones señalan cifras que invitan a ser optimistas, diciendo que el mercado de multiplexores por división en longitud de onda, sólo en Estados Unidos, crecerá desde los 80 millones de dólares en el año pasado, hasta los 330 millones en el 2000 [2], mientras que en Europa las cifras son menores, partiendo de 400.000 dólares de ventas ese mismo año pasado, y llegando a los 238 millones de dólares para el año 2001. Y que la implantación de fibra óptica seguirá su expansión, creciendo desde los 22,8 millones de kilómetros en el año 1995, hasta los 63 millones en el año 2001 [3], con implantación mayoritaria en los Estados Unidos, Japón y China, con unas ventas de 100 millones de dólares en rejillas de Bragg.

Todas estas inversiones propiciarán que en unos cinco años la red de transporte europea experimente un profundo cambio, posibilitado por las soluciones WDM ofrecidas a los operadores europeos por los principales suministradores de dispositivos ópticos: Ericsson, Lucent, Pirelli, Ciena, GPT-Siemens, Alcatel, Nortel y DCS.

2.2 Dispositivos ópticos para redes WDM

Utilizando la multiplexación por división en longitud de onda se podrán conseguir anchos de banda del orden de los 50 THz [13], pero el éxito de las redes depende mucho de la tecnología de dispositivos ópticos. Por ello, los diseñadores de la siguiente generación de redes ópticas deben conocer las propiedades de fibras y componentes ópticos actuales [5].

2.2.1 Fuentes de luz

Las fuentes de luz utilizadas en óptica integrada son los fotodiodos emisores de luz y los láseres de inyección o diodos láser, ya sea en una estructura simple de unión p-n, o en heteroestructuras [14]. Ambos tipos de fuentes tienen además la ventaja de que, introduciendo impurezas o dopantes, se puede modificar la frecuencia de emisión. El compuesto más utilizado en el rango de longitudes de onda de 1,1 a 1,6 µm es el InGaAsP.

Los diodos láser tienen como valores típicos una potencia de salida de 20 mW, frecuencia de modulación de 10 GHz y anchura espectral de 0,7 nm. Por ser fuentes de luz coherentes, son necesarios para la utilización de detectores coherentes, los cuales dan lugar a una mejora de la sensibilidad y selectividad del sistema. Son utilizados en las fibras multimodo.

Los fotodiodos emisores de luz se caracterizan por una potencia de salida de 1 mW, frecuencia de modulación de 50 GHz y anchura espectral de 50 nm. Son siempre utilizados en fibras monomodo. Son más baratos que los LED (Light Emitting Diode), y de momento, su tiempo de vida operativa es mayor. Los LED más utilizados son los de emisión superficial, que con un correcto diseño pueden utilizarse en sistemas de hasta 500 Mb/s, a costa de perder potencia de emisión. Los LED de emisión lateral suponen una mejora de prestaciones, aumentando la potencia acoplada a la fibra y reduciendo la anchura espectral, aunque presentan inconvenientes como la complejidad de fabricación y alimentación de los diodos láser.

En ocasiones, cuando la fuente de luz no está directamente acoplada a la fibra a través del circuito integrado, el haz se focaliza por medio de lentes adecuadas, que suelen ser objetivos de microscopio o lentes GRIN. También son utilizados prismas y redes de difracción y, sobre todo, acopladores direccionales para pasar luz de una fibra a otra.

Las fuentes de luz más utilizadas en las redes WDM son los láseres y, en concreto, los láseres sintonizables, que permiten emitir diferentes longitudes de onda. Los láseres sintonizables se basan en efectos mecánicos, acustoópticos o electroópticos.

Antes de explicar el principio de funcionamiento y características de los láseres sintonizables, se debe recordar que un láser consiste en dos espejos que forman una cavidad, un medio láser que ocupa la cavidad y un dispositivo de excitación. El dispositivo de excitación inyecta una corriente en el medio láser, que está hecho de una sustancia cuasiestable. La corriente excita los electrones en los átomos del medio láser, y cuando un electrón retorna al estado menos energético, emite un fotón de luz. El fotón se refleja en los espejos a ambos extremos de la cavidad y pasa de nuevo a través del medio. La emisión estimulada tiene lugar cuando el fotón pasa muy cerca de un electrón excitado.

Los láseres sintonizados mecánicamente utilizan una cavidad Fabry-Perot adyacente al medio de emisión del láser, con el fin de filtrar las longitudes de onda no deseadas. La selección de la longitud de onda se lleva a cabo ajustando la distancia entre los dos espejos de la cavidad externa, de forma que solo la longitud de onda deseada interferirá constructivamente con sus múltiples reflexiones en la cavidad. Este método ofrece un rango de sintonía que abarca prácticamente todo el espectro de ganancia útil del láser semiconductor, unos 500 nm, pero el tiempo de sintonía es del orden de 1 a 10 ms. La longitud de la cavidad también puede limitar las tasas de transmisión, salvo que se utilice un modulador externo. Los láseres de cavidad externa suelen tener una estabilidad en la frecuencia de emisión muy buena.

En los láseres sintonizados acustoóptica o electroópticamente, el índice de refracción en la cavidad externa cambia utilizando ondas acústicas o corriente eléctrica, respectivamente. El cambio en el índice da lugar a la transmisión de luz a diferentes frecuencias. En estos tipos de láseres sintonizables, el tiempo de sintonía de la frecuencia de emisión deseada está limitado por el tiempo requerido por la luz para interferir constructivamente a la nueva frecuencia.

Los láseres acustoópticos combinan un rango de sintonía moderado, unos 83 nm, con un tiempo de sintonía también moderado, de alrededor de 10 µs. Aunque este tiempo de respuesta no es suficiente para conmutación de paquetes con canales de multigigabits por segundo, supone una mejora importante sobre los láseres sintonizados mecánicamente. Los láseres electroópticos tienen tiempos de sintonía de 1 a 10 ns, pero el rango de sintonía es de solo unos 7 nm.

Los láseres sintonizados por inyección de corriente forman una familia de transmisores que permiten la selección de la frecuencia de emisión a través de una rejilla de difracción. El DFB (Distributed Feedback Laser) usa una rejilla de difracción dispuesta en el medio donde se produce el efecto láser. En general, la rejilla consiste en una guiaonda en la cual el índice de refracción alterna periódicamente entre dos valores. Solo las longitudes de onda que se corresponden con ese periodo de la rejilla sufrirán interferencia constructiva. El resto de frecuencias interferirán destructivamente y no se propagarán a través de la guiaonda. En concreto, la condición para la propagación viene dada por:

donde D es el periodo de la rejilla. El láser se sintoniza inyectando una corriente que origina un cambio en el índice de refracción de la región de la rejilla.

Cuando la rejilla se mueve fuera del medio láser, el láser se denomina láser DBR (Distributed Bragg Reflector). La selección de la frecuencia de emisión en este tipo de láser es discreta, y los tiempos de sintonía son menores a 10 ns. Como consecuencia de que el cambio del índice de refracción en el láser DBR está limitado, este láser tiene un rango de sintonía bastante pequeño, unos 10 nm, que puede proporcionar alrededor de 25 canales.

La Figura 2.4 ilustra el concepto de multiplexación por división en longitud de onda utilizando fuentes y receptores ópticos sintonizables, o bien una matriz de láseres fijos. Una matriz de láseres consiste en un cierto número de láseres integrados en un único componente, con cada láser operando a una frecuencia diferente. La ventaja de utilizar matrices de láseres es que cada una de las longitudes de onda de la matriz es modulada de manera independiente, con lo cual pueden tener lugar múltiples transmisiones simultáneamente. La desventaja es que el número de longitudes de onda disponibles en una matriz de láseres es fijo y actualmente está limitado a 20 [5].

En [15] se presenta un láser MFL (Multi-Frequency Laser) capaz de producir una tasa conjunta de 10 Gbps (16 x 622 Mbps) en 16 canales consecutivos espaciados exactamente 200 GHz, y se compara el MFL con una matriz de láseres DFB. Se llega a la conclusión de que para aplicaciones con un pequeño número de canales es preferible la matriz de DFBs, pues son más compactos. Sin embargo, a medida que aumenta el número de canales o longitudes de onda, la posibilidad de controlar el espaciado entre los canales ópticos y el bajo coste por longitud de onda puede pesar sobre la desventaja del tamaño.

2.2.2 Fibra óptica

La fibra óptica [16], y en particular la fibra óptica monomodo, se ha convertido en el medio de transmisión más atractivo, debido entre otros motivos, a [17]:

• Bajas pérdidas de transmisión y alto ancho de banda. Mientras que parece que no puede rebasarse la capacidad de 1 GHz en el cable coaxial, a través de fibra óptica se podrán llegar a transmitir más de 1 THz, en caso de que la tecnología llegue a proporcionar detectores suficientemente rápidos. El máximo teórico es de 50 THz de ancho de banda, pero este máximo se ve limitado por las no linealidades de la fibra [13]. La baja atenuación de la señal es otra ventaja, consiguiendo distancias entre repetidores superiores a 100 km en tercera ventana. Las tasas de error de los sistemas de comunicaciones ópticas son menores de 10^-11. Por lo tanto, el cable de fibras ópticas puede transportar más datos en mayores distancias, reduciendo el número de equipos, complejidad y coste del sistema.
• Pequeño tamaño y peso, lo cual facilita la instalación y transporte, frente a los gruesos y pesados cables coaxiales.
• Inmunidad a interferencias. Las fibras ópticas, por su naturaleza dieléctrica, son insensibles a interferencias electromagnéticas.
• Aislamiento eléctrico. Puesto que las fibras ópticas se construyen a partir de silicio, que es un aislante eléctrico, no hay que preocuparse con llevarlos a tierra o por la diafonía eléctrica.
• Seguridad de la señal. La fibra óptica supone una mayor seguridad ante ataques de intrusos en busca de la información transmitida, pues la señal óptica queda muy bien confinada en las guías de ondas, y las pequeñas emanaciones son rápidamente absorbidas por un recubrimiento opaco alrededor de la fibra.
• Abundante presencia de los materiales en la naturaleza. El silicio, material que principalmente constituye las fibras ópticas, es muy abundante y barato, ya que se encuentra en la arena ordinaria. Lo que sí resulta caro es el proceso de purificación de dicho semiconductor [16].
• Posibilidad de integración. Se están consiguiendo grandes avances en la integración óptica, miniaturizando todos los componentes que componen el sistema de transmisión e insertándolos en un chip o pastilla de alrededor de 1 cm² de un material adecuado [18].

Por el momento son las fibras ópticas los elementos que limitan la capacidad y longitud del sistema de comunicaciones. Se debe a tres efectos: la dispersión, las pérdidas y la no linealidad.

Los efectos no lineales [19] pueden tener un impacto significativo en el desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticas WDM [5]. Es el fenómeno que peor se controla por la dependencia de la intensidad del pulso de luz que viaja a través de la fibra. El ligero incremento, de alrededor de 10^-7, que un campo óptico produce en el índice de refracción de la fibra depende de la intensidad de la señal óptica y del índice de refracción del núcleo. De esta forma, la no linealidad cambia la fase de la onda dependiendo de su intensidad y la distancia viajada, dando lugar, puesto que la frecuencia es la diferencial temporal de la fase, a la aparición de nuevas frecuencias en el pulso: menores frecuencias en su parte delantera y mayores en su parte trasera. Este fenómeno no lineal, conocido por SPM (Self-Phase Modulation), limita la potencia de entrada a la fibra y produce un ensanchamiento espectral considerable de los pulsos que se propagan en ésta.

En las fibras ópticas de salto de índice, el índice de refracción del núcleo y el del revestimiento, ligeramente menor, son constantes. Esto es, el perfil del índice de refracción para este tipo de fibras da un salto en la interfaz núcleo-revestimiento, como se muestra en la Figura 2.5. En la Figura 2.5(a) se presenta una fibra de salto de índice multimodo, es decir, que permite la propagación de varios modos a su través. El diámetro del núcleo en este tipo de fibras es de alrededor de 50 µm o mayor, frente a los 2 o 10 µm en las fibras monomodo. En ambos casos el revestimiento suele ser de 125 µm. En las fibras monomodo sólo se propaga un modo transversal electromagnético, típicamente el HE₁₁ o modo fundamental, lo cual se refleja en la Figura 2.5(b) mediante la representación de un único rayo.

Una fibra óptica de índice gradual soporta un único modo si la frecuencia normalizada definida como

siendo λ la longitud de onda de la luz en el vacío y a el radio del núcleo, es menor que 2,4048. El número de modos M que en una fibra multimodo viene dado aproximadamente por

La ventaja de las fibras ópticas monomodo es la baja dispersión intermodal, o ensanchamiento de los pulsos transmitidos, ya que un sólo modo es transmitido, mientras que con una fibra multimodo de salto de índice se produce una dispersión considerable debido a las distintas velocidades de grupo de los modos propagativos. En las fibras monomodo la dispersión es debida al cambio del índice equivalente del modo fundamental con la longitud de onda, conocida por dispersión intramodal o cromática. La dispersión intermodal va a suponer una seria restricción al ancho de banda: como la diferencia entre el tiempo de llegada de los diferentes modos es muy pequeña, se solapan unos con otros aunque el pulso de entrada a la fibra sea muy estrecho, siendo el resultado final un pulso ensanchado en el dominio del tiempo. A este fenómeno por el cual la velocidad de grupo del modo fundamental depende de la frecuencia, de modo que las diferentes componentes espectrales del pulso viajan a una velocidad diferente, se conoce por GVD (Group-Velocity Dispersion).

Una forma sencilla de reducir la dispersión intermodal es reducir el número de modos, lo cual se consigue disminuyendo el diámetro del núcleo, reduciendo la apertura numérica o incrementando la longitud de onda de la luz. No obstante, las fibras multimodo también presentan ventajas, como la posibilidad de utilizar fuentes ópticas incoherentes, mayores aperturas numéricas y diámetros del núcleo que facilitan el acoplamiento a la potencia de entrada emitida por las fuentes ópticas, menor coste y menores requerimientos de tolerancia en los conectores de fibra.

Ejemplos de aplicaciones de las fibras ópticas de salto de índice son los cables submarinos, en el caso de las monomodo, y las redes de transmisión de datos, en el caso de las multimodo.

Para reducir la dispersión intermodal en fibras multimodo, se utilizan fibras cuyo núcleo no tiene un índice de refracción constante, sino que toma la forma de un perfil gradual:

siendo Δ la diferencia relativa de índices de refracción y α un parámetro que determina la característica del perfil del índice de refracción en el núcleo de la fibra, como se muestra en la Figura 2.6.

Si el parámetro α se ajusta convenientemente, puede conseguirse que los caminos ópticos de todos los rayos sean similares, ya que las trayectorias más largas pasan por lugares donde el índice de refracción es menor, con lo que la dispersión intermodal se hace mucho más pequeña que en las fibras de núcleo de índice constante. Este mecanismo es ilustrado en la Figura 2.7. Los mejores resultados se obtienen para un perfil de índice gradual parabólico, esto es, para α ≈ 2. Otra de las ventajas de este tipo de fibras es que reducen el ángulo crítico.

Un ejemplo de la aplicación de las fibras de índice gradual es la unión de centrales telefónicas, siendo su principal desventaja frente a las fibras de salto de índice su mayor coste.

En [20] se presentan con más detalle las características más importantes y los principios de diseño de las fibras ópticas que se utilizan en los sistemas WDM: fibras monomodo estándar, de dispersión desplazada, de dispersión desplazada no nula, de compensación de la dispersión y de dispersión aplanada.

Con las modernas fibras ópticas es posible transmitir información sobre un amplio rango espectral. Actualmente se dispone de fibras ópticas monomodo hechas de silicio con pérdidas menores a 0,2 dB/km en la tercera ventana, correspondiente a una longitud de onda de 1,55 µm. El problema histórico de estas fibras era la dispersión, cercana a los 17 ps/nm·km, que era nula en la segunda ventana, correspondiente a una longitud de onda de 1,31 µm, pero con la desventaja de sufrir una mayor atenuación, unos 0,5 dB/km, debido fundamentalmente al aumento de scattering Rayleigh a medida que disminuye la longitud de onda.

Gracias a las fibras ópticas DSF (Dispersion Shifted Fiber), en las que mediante un índice de refracción escalonado desde el centro hasta los bordes se consigue desplazar el mínimo de dispersión hasta la tercera ventana, se resolvía parcialmente este problema. El problema de utilizar fibras DSF es que no se comportan tan bien en sistemas WDM como en sistemas monocanal, debido al fenómeno conocido como FWM (Four-Wave Mixing), producido por la combinación de dos o más portadoras ópticas que generan nuevas ondas a una frecuencia mezcla de las que ellas presentan. Este fenómeno, originado de nuevo por la naturaleza no lineal del índice de refracción de la fibra, es más intenso si la dispersión es nula a la longitud de onda de operación, pues las señales indeseadas se moverán a la misma velocidad que las señales deseadas, dando lugar a una interferencia significativa y reduciendo considerablemente el rendimiento del sistema.

Otra solución mejor para afrontar el problema de la dispersión cromática es la utilización de rejillas de Bragg, más baratas y de menor tamaño y peso. Las componentes de longitudes de onda diferente de un pulso ensanchado en las rejillas se reflejan a posiciones específicas a lo largo del dispositivo. El resultado es un retardo de grupo diferencial, con el máximo retardo proporcional a la longitud de la rejilla. Su principal inconveniente es la dependencia de la temperatura, que además varía mucho para rejillas aparentemente similares, pero con pequeñas variaciones en sus materiales y técnica litográfica de fabricación.

Las fibras NZDSF (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber) han sido diseñadas para reducir las no linealidades propias de los sistemas WDM. Su principio básico es hacer que la dispersión no sea nula en la banda de ganancia de los amplificadores dopados con erbio, reduciendo el efecto del FWM, aunque lo suficientemente pequeña para no suponer restricciones en el ancho de banda debidas a la dispersión cromática.

Las fibras DCF (Dispersion Compensating Fiber) son fibras con una dispersión negativa muy grande, utilizadas para compensar la dispersión de las fibras monomodo estándar en la tercera ventana. Actualmente pueden invertir los efectos de la dispersión cromática sufrida por las señales en tercera ventana, utilizadas como una especie de sintonización a priori y posteriori en la forma de un carrete de fibra de una determinada longitud, situada en el final de cada enlace entre repetidores.

Otra fibra interesante es la conocida como FDF (Flattened Dispersion Fiber), que presenta un mínimo de dispersión en 1.310 nm y 1.550 nm. Su relativamente alta atenuación, en torno a 0,28-0,3 dB/km, y alto precio, está retrasando su utilización.

Los efectos de la no linealidad y la dispersión dependen del formato de los pulsos ópticos, que por lo general es NRZ (Non Return to Zero). Los sistemas NRZ necesitan una dispersión baja, o preferiblemente nula, a la longitud de onda de operación. El problema de este requerimiento ya ha sido resaltado, y es que en los sistemas WDM la no linealidad tiene efectos más severos con dispersión cero.

Una propuesta tecnológica de futuro muy interesante, una vez se hallan resuelto ciertos problemas, es la utilización de solitones ópticos [19] para codificar los datos. Su origen está en que los efectos del GVD y SPM, que actuando independientemente limitan el rendimiento de los sistemas de comunicaciones por fibra óptica, pueden ser compensados entre sí mediante pulsos con una forma, amplitud, anchura y potencia bien determinadas, conocidos por solitones. En la propagación de solitones, la velocidad de la mitad trasera del pulso en el dominio del tiempo tiende a incrementarse y la de la mitad delantera a decrementarse, por fenómenos físicos no lineales, compensándose. De este modo, una vez alcanzado el equilibrio entre dispersión y no linealidad, se puede mantener a lo largo de distancias de hasta millones de kilómetros, regenerando la señal mediante amplificadores ópticos, con lo cual los solitones viajan sin sufrir distorsión alguna.

La posibilidad de multiplexar solitones en bastantes longitudes de onda, sin sufrir la interacción entre canales de los pulsos NRZ, los hacen especialmente interesantes en los sistemas WDM [22]. Hasta hace poco, la capacidad total de transmisión de solitones WDM no había superado los 160 Gb/s, mientras que la máxima conseguida mediante codificación NRZ era de 100-160 Gb/s, con 5 Gb/s por canal. En [23] se demuestra por primera vez la posibilidad de enviar 160 Gb/s de datos WDM, 20 Gb/s × 8 canales, codificados con solitones, sobre más de 10.000 km, con una distancia entre amplificadores de 50 km.

En óptica integrada [24], las señales luminosas viajan a través de guías de onda planas a modo de tiras microscópicas producidas en un substrato monolítico, en general de niobato de litio (LiNbO₃) o arseniuro de galio (GaAs), tal y como se muestra en la Figura 2.8. La principal cuestión es que la guía sea transparente y que tenga un índice de refracción mayor que todos los medios que la rodean, para que pueda conducir luz por diversas reflexiones totales.

Las fibras ópticas son dispuestas conjuntamente en cables [16], cuyo principio es similar al convencional para cables coaxiales. La diferencia fundamental es que, puesto que las fibras ópticas no son conductoras, no es necesario un aislamiento eléctrico entre ellas. Además, son cables más elásticos. Los cables son necesarios ya que, aunque aumentan el precio de la fibra, facilitan su manejo y protección, y aumentan la resistencia a aplastamientos y a la degradación por humedad y calor.

2.2.3 Acopladores

El término acoplador [24] abarca todos los dispositivos que combinan la luz en una fibra, o bien la separan de esta.

Un divisor es un acoplador que divide la señal óptica procedente de una fibra en dos o más fibras. La razón de división es el porcentaje de la potencia que viaja por cada una de las salidas. Para un divisor de dos puertos, la razón de división más común es 50:50, aunque pueden ser fabricados divisores de cualquier razón.

Un combinador es el dispositivo inverso del divisor. Una señal de entrada al combinador sufre una pérdida de alrededor de 3 dB de potencia.

Un acoplador 2×2, en general, está constituido por un combinador 2×1 seguido por un divisor 1×2, cuyo efecto es dispersar las señales desde las dos fibras de entrada a las dos fibras de salida. Una implementación típica es el acoplador en derivación bicónica fusionada, que consiste básicamente en dos fibras ópticas o guiaondas rectangulares fusionadas, como se ilustra en la Figura 2.9. Además de la división de potencia 50:50 en el acoplador, la señal experimenta ciertas pérdidas de retorno. Si la señal entra por una entrada del acoplador, alrededor de la mitad de la potencia de la señal va por cada una de las salidas. Sin embargo, una cantidad de potencia es devuelta por el acoplador, típicamente entre 40 y 50 dB. Otro tipo de pérdidas son las de inserción, que ocurren, por ejemplo, cuando los ejes del núcleo de la fibra y del acoplador no están alineados.

Los acopladores englobados en una configuración Mach-Zehnder han sido muy utilizados en tecnologías comerciales como dispositivos de multiplexación en longitud de onda [25]. Estos dispositivos de multiplexación, al igual que los basados en rejillas de Bragg, son más baratos que otras tecnologías propuestas y son más fáciles de mejorar en cuanto a incrementos en el número de canales a multiplexar, porque emplean el mismo tipo de bloques para 4, 8, 16 y 32 canales [14].

2.2.4 Moduladores

Para la transmisión de datos a través de una fibra óptica, la información ha de ser primero codificada, o modulada, en la señal láser. Las técnicas analógicas incluyen AM (Amplitude Modulation), FM (Frequency Modulation) y PM (Phase Modulation) [14]. Las técnicas digitales incluyen ASK (Amplitude Shift Keying), FSK (Frequency Shift Keying) y PSK (Phase Shift Keying) [14].

De estas técnicas, la ASK binaria es el método preferido de modulación digital debido a su simplicidad. En la ASK binaria, también conocida por OOK (On-Off Keying), la señal es conmutada entre dos niveles de potencia. El nivel de menor potencia representa el bit “0”, mientras que el nivel de mayor potencia representa el bit “1”.

En los sistemas que emplean OOK, la modulación de la señal puede conseguirse mediante el simple cambio del láser de activo a desactivo, lo cual se conoce por modulación directa. En general, sin embargo, esto conduce a un chirp, variación de la amplitud y frecuencia de la señal emitida por el láser, cuando el láser está activo. Una solución más adecuada para tasas de bit muy altas, mayores o iguales a 2 Gbps, es tener un modulador externo que modula la luz emitida por el láser. El modulador externo bloquea o deja pasar la luz dependiendo de la corriente que se le aplique.

El interferómetro Mach-Zehnder (MZ) puede ser utilizado como un dispositivo de modulación externa. Se aplica un voltaje a una de las dos guiaondas, creando un campo eléctrico que da lugar a que las señales en las guías estén en fase o desfasadas 180º, interfiriendo, respectivamente, de forma constructiva o destructiva. Así, la luz que emite el láser pasará a través del dispositivo o será bloqueada. Actualmente hay disponibles moduladores de amplitud MZ de más de 75 GHz [26]. Una de las ventajas de utilizar dispositivos ópticos integrados como el interferómetro MZ es que el láser y el modulador pueden ser integrados en una sola estructura, lo cual resulta más eficiente en coste. Además, integrando el láser con el modulador, se elimina la necesidad de controlar la polarización y resulta en un menor chirp.

2.2.5 Amplificadores

Los amplificadores ópticos [14] difieren de los amplificadores optoelectrónicos en que sólo actúan elevando la potencia de la señal, no reconstruyendo su forma temporal. De este modo, la amplificación óptica supone una total transparencia de los datos, es decir, es independiente del formato de modulación de la señal.

Las redes digitales actuales, como por ejemplo SONET y SDH, aunque utilizan la fibra óptica como único medio de transmisión, todavía se basan en amplificación optoelectrónica [12]. En ésta se detecta la señal luminosa para convertirla en corriente eléctrica, amplificándola por vía electrónica y luego, con esta corriente amplificada y filtrada, se modula un láser y se introduce la señal de nuevo en la fibra.

En un sistema WDM, cada longitud de onda necesitaría ser separada antes de ser amplificada electrónicamente, y después recombinada antes de ser retransmitida. Así, para eliminar la necesidad de multiplexores y demultiplexores ópticos en los amplificadores, los amplificadores ópticos deben regenerar la señal óptica sin convertirla previamente en una señal eléctrica. Además, gracias a su alta ganancia y potencia de salida, se consigue duplicar o triplicar la distancia óptima entre repetidores eléctricos. La desventaja es clara: se amplifica el ruido además de la señal, degradándose la relación señal a ruido en el receptor.

Los amplificadores ópticos utilizan el principio de la emisión estimulada. Los dos tipos básicos de amplificadores ópticos son los amplificadores láser semiconductores y los amplificadores dopados con tierras raras, que serán presentados a continuación. Las características más relevantes de estos amplificadores se muestran en la Tabla 2.1.

Un amplificador de semiconductor láser consiste en un láser semiconductor modificado. Una señal débil es enviada a través de la región activa del semiconductor, que, vía emisión estimulada, resulta en la emisión desde el semiconductor de una señal más potente.

Los tipos principales de amplificadores láser son el amplificador Fabry-Perot, que es básicamente un semiconductor láser, y el TWA (Travelling-Wave Amplifier). La principal diferencia entre ambos amplificadores es la reflectividad de los espejos extremos, de alrededor de un 30 % en los Fabry-Perot y un 0,01 % en los TWA. Esto va a originar más resonancias en el amplificador Fabry-Perot, resultando en anchos pasos de banda de unos 5 GHz. Evidentemente, esto no es deseable en sistemas WDM, por lo que son más apropiados los TWA.

Las ganancias que consiguen los amplificadores de semiconductor actuales son de alrededor de 25 dB, con una saturación de ganancia de 10 dBm. Tienen una sensibilidad a la polarización de 1 dB, y un ancho de banda de alrededor de 40 nm. La gran ventaja de estos amplificadores es que pueden integrarse con otros componentes.

Se están estudiando también los amplificadores láser basados en MQW (Multiple Quantum-Well), capas alternadas de materiales semiconductores que confinan los electrones y huecos en un menor número de estados energéticos, ya que presentan mayor ancho de banda y más ganancia de saturación que los dispositivos de volumen. A su vez proporcionan tiempos de conmutación más rápidos. La desventaja es su mayor sensibilidad a la polarización.

Los amplificadores de fibra dopada con tierras raras [20] son tramos de fibra dopados con un elemento capaz de amplificar la luz. El elemento más común es el erbio, que proporciona ganancia en la región de 1.525-1.560 nm. En la parte final de la fibra, un láser transmite una señal bastante intensa a una longitud de onda menor, la cual excita los átomos dopantes transfiriéndolos a un estado de mayor energía. Esto permite que la señal óptica con los datos estimule los átomos excitados, produciendo emisión estimulada. La ganancia típica de los EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) está en torno a los 25 dB, aunque experimentalmente ya se ha demostrado la posibilidad de conseguir ganancias superiores a 51 dB. En general, los láseres de bombeo utilizados trabajan a 980 y 1.480 nm, con una eficiencia en ganancia de 10 dB/mW y 5 dB/mW, respectivamente. El ancho de banda de ganancia a 3 dB es de alrededor de 35 nm y la ganancia de saturación de unos 10 dBm. En la Figura 2.10 queda reflejado el esquema de un EDFA.

En segunda ventana, los amplificadores conocidos por PDFFA (Praseodymium-Doped Fluoride Fiber Amplifier) [27] han acaparado recientemente una gran atención, pues tienen unas características de diafonía y de ruido muy bajas, y posibilitan altas ganancias. Son capaces de operar sobre un rango de unos 50 nm en la región de 1.280-1.330 nm.

Las limitaciones de la amplificación óptica son el espectro de ganancias asimétrico de los amplificadores ópticos, es decir, no se amplifican todas las longitudes de onda por igual, y que se amplifica por igual tanto señal como ruido. Además, la región activa del amplificador puede emitir fotones espontáneamente, lo cual constituye una fuente de ruido adicional. En definitiva, una señal óptica de múltiples longitudes de onda atravesando una serie de amplificadores ópticos tendrá la potencia distribuida entre sus diferentes longitudes de onda, desequilibrándose progresivamente. No obstante, son muchas las propuestas para conseguir igualar esta ganancia [5].

2.2.6 Conmutadores

Un conmutador [5] es un dispositivo que permite o impide totalmente la transferencia de luz de una guía a otra próxima.

Como ya se ha comentado, las redes actuales emplean un procesamiento electrónico y utilizan la fibra óptica sólo como un medio de transmisión. La conmutación y procesamiento de los datos se desarrollan convirtiendo la señal óptica de nuevo a su forma electrónica nativa. Tales redes se basan en conmutadores electrónicos.

Los conmutadores electrónicos presentan una alta flexibilidad en términos de funciones de encaminamiento y conmutación; la velocidad de la electrónica, sin embargo, es incapaz de aprovechar todo el ancho de banda ofrecido por la fibra óptica. Además, la conversión electroóptica en un nodo intermedio de la red introduce un retardo adicional.

Estos factores han impulsado el desarrollo de redes totalmente ópticas en las cuales los conmutadores ópticos son capaces de conmutar los datos ópticos de grandes anchos de banda, sin conversión electroóptica.

Los conmutadores pueden dividirse en dos grupos: dispositivos relacionales y dispositivos lógicos. Los dispositivos relacionales son necesarios para conmutación de circuitos y los lógicos para conmutación de paquetes.

La relación es una función de las señales de control aplicadas al conmutador y es independiente de los contenidos de las señales o datos a su entrada. Una propiedad de los dispositivos relacionales es que la información que entra y pasa a través de él no puede cambiar o influir la relación actual entre las entradas y las salidas, es decir, hay transparencia de datos. La transparencia de datos puede considerarse una ventaja del dispositivo relacional, aunque la misma característica puede ser a su vez una debilidad, ya que origina una pérdida de flexibilidad: porciones individuales de las cadenas de datos no pueden ser conmutadas independientemente.

En un dispositivo lógico, la señal que transporta la información que llega al dispositivo controla su estado. Para esta clase de dispositivos, al menos uno de los componentes dentro del sistema debe ser capaz de cambiar los estados o conmutar tan o más rápidamente que la tasa binaria de la señal. Esta capacidad da al dispositivo una flexibilidad añadida pero limita la máxima tasa binaria que puede ser utilizada.

Un equipo de conmutación relacional muy importante es el cross-connect. Es fácil describir los estados del dispositivo considerando el caso de un cross-connect 2×2. Éste presenta dos estados, el de cruce y el de barra. En el estado de cruce, la señal que entra por la entrada superior sale por la salida inferior, y la que entra por la entrada inferior sale por la salida superior. En el estado de barra, la señal que entra por la entrada superior sale por la salida superior, y la señal que entra por la entrada inferior sale por la salida inferior.

Los cross-connects ópticos siguen dos pautas tecnológicas [5]: el conmutador directivo genérico, en el cual la luz a través de alguna estructura es físicamente dirigida a una de las dos salidas; y el conmutador de puerta, en el cual se utilizan puertas de amplificadores ópticos para seleccionar y filtrar las señales de entrada a puertos de salida específicos.

Un dispositivo lógico muy interesante es el encaminador de longitudes de onda. El encaminamiento de longitudes de onda se consigue demultiplexando las diferentes longitudes de cada puerto de entrada, opcionalmente conmutando cada longitud independientemente, y después multiplexando las longitudes de onda en cada puerto de salida.

El encaminador de longitudes de onda puede ser no configurable, en el caso de que no haya una etapa de conmutación entre los demultiplexores y los multiplexores y las rutas para las diferentes señales que llegan a cualquier puerto de entrada están fijadas; o reconfigurable, en el caso de que la función de encaminamiento del conmutador pueda ser controlada electrónicamente [5]. La Figura 2.11 muestra un esquema de un encaminador de longitudes de onda configurable.

El WGR (Waveguide Grating Router), también conocido por AWG (Arrayed Waveguide Grating), es una implementación del encaminador de longitudes de onda [28]. Un WGR proporciona un encaminamiento fijo de una señal óptica desde un determinado puerto de entrada a un determinado puerto de salida, basándose en la longitud de onda de dicha señal. Es decir, cada señal entrando a través de un puerto de entrada será encaminada a un puerto de entrada diferente, dependiendo de su longitud de onda. Además, diferentes señales a la misma longitud de onda pueden entrar simultáneamente a diferentes puertos de entrada y aún así no interferirán unas con otras en los puertos de salida.

En comparación con un acoplador en estrella pasivo, en el cual una longitud de onda dada sólo puede ser utilizada en un único puerto de entrada, el WGR con N puertos de entrada y N puertos de salida es capaz de encaminar un máximo de 2N conexiones, frente al máximo de N conexiones en el caso del acoplador en estrella pasivo. Además, puesto que el WGR es un componente integrado, puede ser fácilmente fabricado a bajo coste. La desventaja del WGR es que es un dispositivo con una matriz de encaminamiento fija, y ésta no puede ser reconfigurada.

2.2.7 Detectores

La misión de un receptor óptico es convertir la señal óptica de nuevo al dominio eléctrico y recuperar los datos que son transmitidos a través del sistema de comunicaciones ópticas. Se distinguen dos tipos de detectores dependiendo de la naturaleza de la modulación de la señal óptica: los detectores incoherentes y los detectores coherentes.

En los receptores que emplean detección directa, o detectores incoherentes, un fotodetector convierte el haz de fotones que le llega, modulado en intensidad, en un haz de electrones. El haz de electrones es amplificado y pasa a través de un detector de umbral. El que un bit sea un cero lógico o un uno depende de si el haz está por debajo o encima del umbral en el tiempo de duración de ese bit. Es decir, la decisión se hace en función de la ausencia o presencia de luz durante el tiempo de bit.

Los dispositivos básicos para la detección óptica son los fotodiodos PN, consistentes en una unión p-n, y el fotodiodo PIN, donde un material intrínseco se ubica entre las regiones p y n del material [14]. En su forma más simple, el fotodiodo es básicamente una unión p-n en inversa. A través del efecto fotoeléctrico, la luz incidente en la unión originará la emisión de pares electrón-hueco tanto en las regiones n como la p del fotodiodo. Los electrones creados en la región p se dirigirán a la región n, y los huecos de la región n cruzarán ésta hasta la p, resultando en un flujo de corriente.

La otra forma alternativa a la detección directa es la detección coherente [14], presentada en la Figura 2.12, en la cual la información de fase es utilizada en la codificación y detección de las señales. Los receptores basados en detección coherente utilizan un láser monocromático como oscilador. La señal óptica de entrada se añade a la señal del oscilador, y la señal resultante es detectada por un fotodiodo. La salida del fotodiodo es integrada sobre el período de símbolo, y el umbral de detección es utilizado para conseguir el haz de bits.

Aunque la detección coherente es más compleja que la detección directa, permite la detección de señales débiles de un entorno ruidoso. En los sistemas ópticos, sin embargo, es difícil mantener la información de fase requerida para la detección coherente. Puesto que los láseres emiten varias pequeñas bandas espectrales no nulas, la señal transmitida consiste en un número de frecuencias con fases y amplitudes variables. El efecto es que la fase de la señal transmitida experimenta aleatorias y significativas fluctuaciones en torno a la fase deseada. Estas fluctuaciones de fase dificultan la reconstrucción de la información de fase a partir de la señal transmitida, limitando así la eficiencia de los sistemas de detección coherente.

Como quedó reflejado en la Figura 2.4, el bloque receptor puede consistir en un filtro sintonizable seguido de un único fotodetector, o de un demultiplexor seguido de una matriz de fotodetectores.

2.2.8 Filtros

Los filtros ópticos [13] se caracterizan por su rango de sintonía, o rango de longitudes de onda accesibles mediante el filtro, y por el tiempo de sintonía, o tiempo necesario para seleccionar la longitud de onda que dejará pasar el filtro. Otros parámetros importantes en ciertos filtros son:

• El FSR (Free Spectral Range), que es el período con el que se repite la característica del filtro pasobanda. En general, depende de parámetros físicos en el dispositivo, como las longitudes de la cavidad o guiaondas.
• La finesse, que es la magnitud de la anchura de la función de transferencia. Es la razón entre la FSR y el ancho de banda del canal, donde éste último se define como el ancho de banda a 3 dB del canal.

El número de canales en un filtro óptico viene limitado por el FSR y la finesse. Todos los canales deben ubicarse dentro de un FSR. Si la finesse es grande, la función de transferencia es más estrecha, pudiendo insertar un mayor número de canales en una FSR. Con una finesse pequeña, los canales deberían espaciarse más para evitar la diafonía, lo cual resulta en un menor número de canales. Una solución para incrementar el número de canales es poner en cascada varios filtros de diferentes FSR.

Uno de los filtros ópticos más utilizados es el Etalón. El Etalón consiste en una cavidad formada por dos espejos paralelos. La luz entra desde una fibra de entrada en la cavidad, y se refleja un cierto número de veces entre los espejos. Ajustando la distancia entre los espejos, se puede seleccionar una única longitud de onda para que se propague en la cavidad, mientras que el resto de longitudes de onda interfieren destructivamente. La distancia entre los espejos puede ser ajustada mecánica o físicamente, moviendo los espejos o cambiando el índice de refracción efectivo de la cavidad. Un ejemplo de Etalón sintonizado mecánicamente es el filtro Fabry Perot, que será descrito en el capítulo 3.

Otro tipo de filtro óptico es el interferómetro MZ, cuyo esquema se ilustra en la Figura 2.13. La longitud del camino óptico en una de las guiaondas se controla mediante un retardo ajustable en una de las dos ramas del interferómetro, capaz de producir una diferencia de fase de 180º entre las dos señales cuando éstas se recombinan. Las longitudes de onda para las que la diferencia de fase es precisamente de 180º son filtradas. Construyendo una cadena con estos elementos, se puede seleccionar la única longitud de onda deseada.

Aunque la cadena MZ promete ser un dispositivo de bajo coste, por poder fabricarse en material semiconductor, el tiempo de sintonía es todavía del orden de milisegundos, debido a que los desfasadores se suelen basar en el efecto termoóptico y el control de la sintonía es complejo.

Mediante los filtros acustoópticos se consiguen tiempos de sintonía bastante pequeños. En éstos, ondas de radiofrecuencia pasan a través de un transductor, consistente en un cristal piezoeléctrico que convierte las ondas sonoras en un movimiento mecánico. Las ondas sonoras cambian el índice de refracción, lo cual posibilita al cristal actuar como una rejilla. La luz incidente en el transductor se difractará un ángulo que depende del ángulo de incidencia y la longitud de onda de la luz. Cambiando las ondas de radiofrecuencia, puede seleccionarse una única longitud de onda para que pase a través del material, mientras que el resto de longitudes interfieren destructivamente. Si se hace pasar más de una onda de radiofrecuencia simultáneamente a través de la rejilla, se pueden filtrar varias longitudes de onda.

El tiempo de sintonía del filtro acustoóptico es de unos 10 µs y su rango de sintonía está entre los 1.300 y 1.560 nm, permitiendo ubicar unos 100 canales. Su principal inconveniente es su ancha función de transferencia, siendo incapaces de filtrar la diafonía entre canales adyacentes si los canales están muy juntos, limitando así el número de canales posibles.

Puesto que el tiempo de sintonía del filtro acustoóptico está limitado por la velocidad del sonido, son preferibles cristales con índices de refracción que cambian aplicando corrientes eléctricas. Para ello se utilizan electrodos sobre dicho cristal. Puesto que el tiempo de sintonía sólo está limitado por la velocidad de la electrónica, el tiempo de sintonía puede ser del orden de varios nanosegundos, pero el número de canales que se pueden seleccionar es muy pequeño, en torno a 10.

Los filtros de cristal líquido Fabry-Perot constituyen una prometedora línea de investigación tecnológica. El diseño de un filtro Fabry-Perot LC (Liquid Crystal) es similar al diseño de un filtro Fabry-Perot, pero la cavidad consiste en un LC. El índice de refracción del LC es modulado por una corriente eléctrica para filtrar la longitud de onda deseada, como en un filtro electroóptico. El tiempo de sintonía es del orden de milisegundos y el rango de sintonía de 10-40 nm. Estos filtros tienen bajos requerimientos de potencia y su fabricación es muy barata.

En la Tabla 2.2 se resumen las características de los receptores sintonizables actuales. Se puede ver cómo el rango y tiempo de sintonía son inversamente proporcionales, salvo para los filtros Fabry-Perot LC.

Una alternativa a los filtros sintonizables es la utilización de filtros fijos o dispositivos de rejilla. Los dispositivos de rejilla filtran, típicamente, una o más señales de longitud de onda diferente desde una única fibra. Tales dispositivos pueden ser utilizados para fabricar multiplexores ópticos.

La rejilla de difracción es la implementación más utilizada de los filtros ópticos. Se trata esencialmente de una capa plana de material transparente con una fila de surcos paralelos cortados en él. La rejilla separa la luz en sus distintas longitudes de onda mediante la reflexión de la luz incidente en los surcos en todos los ángulos. Para ciertos ángulos bien determinados, sólo una longitud de onda interfiere constructivamente y el resto de longitudes lo hace destructivamente. Esto permite seleccionar la longitud de onda deseada ubicando un filtro sintonizable a la longitud de onda adecuada en el ángulo apropiado.

En la fibra de rejilla de Bragg es fotoinducida una variación periódica del índice de refracción en el núcleo de una fibra óptica. La rejilla de Bragg reflejará una longitud de onda dada de la luz de vuelta a la fuente, mientras pasan el resto de longitudes de onda. Una desventaja de las rejillas de Bragg es que el índice de refracción de la rejilla varía con la temperatura y, al incrementarse ésta, son reflejadas más longitudes de onda. Las fibras de rejilla de Bragg pueden utilizarse como multiplexores o filtros sintonizables.

Otra alternativa para el filtrado de longitudes de onda son los filtros de interferencia de capa fina. Son filtros semejantes a los dispositivos de fibras de rejilla de Bragg, con la excepción de que son fabricados depositando capas alternadas de bajo y alto índice de refracción sobre una capa de substrato. Esta tecnología tiene como inconvenientes: baja estabilidad térmica, altas pérdidas de inserción y pobre característica espectral.

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