Restricciones físicas en redes fotónicas

Las redes fotónicas, basadas en la transmisión mediante fibra óptica, no están exentas de limitaciones. Algunas de estas limitaciones aplican más a redes de ráfagas o de paquetes ópticos, como es el caso de la sincronización de relojes. Estas restricciones deben tenerse en cuenta en el diseño y planificación de las redes, y recientemente se trata de integrar estas restricciones en el cálculo de caminos ópticos mediante plano de control.

Sincronización de relojes

Los dispositivos receptores utilizados en los sistemas de transmisión óptica actuales no son adecuados para las redes de conmutación de ráfagas. Esto es así porque dichos dispositivos requieren que las señales de entrada tengan potencia y fase constante, cosa que no ocurre en las redes de ráfagas, al no existir señal en todo momento, sino sólo en los momentos en que se transmiten las ráfagas. Los receptores en modo ráfaga están diseñados para adaptarse a la fase y la potencia variantes de las ráfagas recibidas. Otra característica importante de estos receptores es su elevada velocidad de adquisición del reloj. Se han llevado a cabo experimentos en laboratorio con receptores capaces de recuperar el sincronismo de una señal de 2,5 Gbps o de 10 Gbps en decenas de nanosegundos [1].

Atenuación

Cuando una señal óptica se propaga por la fibra, su potencia se ve reducida debido a la atenuación del medio. Esta atenuación es dependiente de la longitud de onda de la señal, y está provocada por la absorción y la dispersión de Rayleigh, principalmente.

La absorción del material está causada por las impurezas que se introducen en el proceso de fabricación de la fibra. Esta absorción es reducida para la mayoría de fibras en los rangos de longitudes de onda de interés, esto es, entre 800 y 1600 nm.

Por contra, la dispersión de Rayleigh está causada por la falta de homogeneidad del material del que se fabrica la fibra, que provoca pequeñas variaciones del índice de refracción. Este fenómeno provoca que la luz se disperse en todas direcciones al interaccionar con partículas de dimensiones muy inferiores a la longitud de onda, pero que no implican un cambio de energía (por tanto, de longitud de onda) de la luz. Por ello, parte de la potencia de la luz se pierde al escapar al confinamiento de la fibra.

En una red de conmutación de ráfagas ópticas, la atenuación limita la distancia máxima a la que puede transmitirse una ráfaga de forma óptica. Esta limitación puede salvarse en parte mediante el uso de amplificadores ópticos, si bien estos introducen ruido y dispersión en la señal.

Dispersión

Cuando una señal óptica está formada por varias longitudes de onda, cada una de las componentes viajará a velocidades diferentes. Esta diferencia de velocidad provoca que la señal se ensanche en el dominio del tiempo, efecto conocido como dispersión. Existen varios tipos de dispersión, entre los que se encuentran la dispersión modal y la dispersión cromática.

La dispersión modal se da cuando se propagan varios modos de la señal a diferentes velocidades por la fibra. Este tipo de dispersión puede eliminarse mediante el uso de fibras monomodo, que tienen un diámetro del núcleo suficientemente reducido como para capturar un único modo de la señal.

Por otro lado, la dispersión cromática se produce como resultado de la variación de la velocidad de la luz con la longitud de onda de dicha luz. Por tanto, si la señal transmitida consta de más de una longitud de onda, algunas componentes viajarán más rápido y otras más despacio.

La dispersión cromática puede ser causada por el material, en el cual el índice de refracción varía con la longitud de onda, o bien por la dependencia del índice de refracción con la fracción de potencia que viaja por el núcleo y la fracción que viaja por el revestimiento de la fibra.

Es posible fabricar fibras con dispersión nula en la ventana entre 1300 nm y 1700 nm [2], aunque restringido a una longitud de onda.

La dispersión en la fibra produce interferencia intersimbólica, que implica que pulsos de luz que se encuentren muy próximos pueden ser indistinguibles si la dispersión es elevada.

Adicionalmente, debido a la dispersión se pueden producir problemas de sincronización en las redes de conmutación de ráfagas ópticas, ya que el paquete de control (o cabecera) de la ráfaga normalmente se transmite por una longitud de onda diferente de la que se utiliza para enviar la ráfaga. Cada una de estas longitudes de onda experimentará una dispersión diferente, provocando que la ráfaga pueda acercarse al paquete de control, o alejarse de él. Este efecto hace necesario ajustar la temporización y establecer márgenes de tiempo para compensar posibles desplazamientos, de manera que no haya problemas con la conmutación de las ráfagas.

No linealidades en la fibra

Los efectos no lineales de la fibra, tales como la dispersión de Raman — Stimulated Raman Scattering (SRS) —, la dispersión estimulada de Brillouin — Stimulated Brillouin Scattering (SBS) — o diversos tipos de mezcla no lineal, tienen un efecto limitador sobre la velocidad de transmisión, el número de canales, el espaciado de los canales y la potencia de la señal transmitida [3].

El mezclado de canales provoca que aparezcan productos de intermodulación, que puede implicar la generación de señales a longitudes de onda que se usan para otros canales de datos, es decir, interferencias. Este problema puede aliviarse con el uso de canales espaciados desigualmente [4].

En la dispersión estimulada de Raman, al incidir la luz sobre el medio material, parte de la potencia sufre un desplazamiento de frecuencia, generando otras longitudes de onda diferentes a la de la luz incidente por interacción con las vibraciones moleculares del material. La dispersión de la señal aumenta cuando se incrementa la potencia de la señal de entrada.

En el caso de la dispersión estimulada de Brillouin, sigue el mismo principio, pero este tipo de dispersión se produce por interacciones acústicas del medio.

En sistemas multicanal, es necesario mantener la potencia de cada canal por debajo de cierto umbral para reducir las pérdidas de potencia que se producen en los canales de menor longitud de onda hacia los canales de mayor longitud de onda.

Además de utilizar potencias reducidas para limitar los efectos de la dispersión, es posible utilizar técnicas como la inversión espectral para cancelar los efectos producidos por la dispersión de Raman [5] o la modulación por cruce de fase para suprimir la dispersión de Brillouin [6].

Referencias

  1. Shrikhande, K. White, I.M. Rogge, M.S. An, F.-T. Srivatsa, A. Hu, E.S. Yam,S.S.-H. Kazovsky, L.G. Performance demonstration of a fast-tunable transmitter and burst-mode packet receiver for HORNET. Optical Fiber Communication Conference and Exhibit, 2001.
  2. J.P. Powers. An Introduction to Fiber Optic Systems. McGraw-Hill Professional, 1993.
  3. Chraplyvy, A.R. Limitations on Lightwave Communications Imposed by Optical-Fiber Nonlinearities. Journal of Lightwave Technology, 1990.
  4. F. Forghieri, R.W. YTkach, A.R. Chraplyvy, D. Marcuse. Reduction of Four-Wave Mixing Crosstalk in WDM Systems Using Unequally Spaced Channels. IEEE Photonics Technology Letters, 1994.
  5. A.G. Grandpierre, D.N. Christodoulides, C.M. McIntosh, J. Toulouse. Stimulated Raman scattering cancellation in wavelength-division-multiplexed systems via spectral inversion. Optical Fiber Communication Conference, 2000.
  6. Sang Soo Lee, Hyun Jae Lee,Wanseok Seo, Seung Gol Lee. Stimulated Brillouin Scattering Suppression Using Cross-Phase Modulation Induced by an Optical Supervisory Channel in WDM Links. IEEE Photonics Technology Letters, 2001.

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