1- Conceptos y Definiciones Básicas de Tecnología Fotónica

                                                                   

En este capítulo se presenta una introducción general sobre los sistemas de comunicación por fibra óptica y una especificación  en nivel sistemático de los bloques que componen un típico sistema. Las principales propiedades sistemáticas de los dispositivos fotónicos críticos de un sistema de comunicación serán presentadas.

 

1.1-Tecnología Fotónica

 

Tecnología Fotónica es la tecnología utilizada para generar, procesar, transmitir y detectar fotones Una aplicación básica de esta tecnología es el transporte de información utilizando fuentes de luz y fibras ópticas (comunicaciones por fibras ópticas). Una portadora óptica es equivalente a una portadora de radiofrecuencia, con una frecuencia en la banda de TeraHertz.

 

OBS- Es usual caracterizar la portadora óptica a través de la longitud de onda, al contrario de los sistemas convencionales que caracterizan la portadora a través de la frecuencia de la onda electromagnética.

 

La relación entre la longitud de onda y la frecuencia de una onda electromagnética es dada por:

Frecuencia (Hz) = velocidad de la  luz ( m.s-1) / longitud de onda (m)

 

 

1.2 - Sistemas de Comunicaciones en Fibras Ópticas

 

Un típico sistema de comunicación es presentado en la figura 1.1. Básicamente el sistema es constituido por un transmisor óptico, un receptor óptico y un cabo de fibra óptica.

 

 

Fig.1.1 - Típico sistema de comunicación por fibras ópticas.

 

La mayoría de los sistemas de comunicación por fibra óptica, actualmente instalados, es del tipo IM/DD es decir, la fuente de luz es modulada directamente y la detección es hecha de manera directa, usando fotodiodo PIN  o fotodiodo de avalancha (APD). Otra clase de sistema es llamada de sistemas coherentes y se basan en el uso de la técnica de modulación en amplitud, frecuencia o fase de la portadora luminosa que presupone coherente. En la recepción pueden ser utilizadas dos técnicas convencionales de detección coherente: homodina o heterodina. Los sistemas de detección coherente ofrecen posibilidades de mejoría del alcance y de la capacidad de transmisión con relación a los sistemas con detección directa. Este tipo de sistema exige fuentes luminosas bastante coherentes y estables, además de fibras ópticas monomodo especiales, capaces de mantener un único estado de polarización del modo propagado. Podemos también clasificar los sistemas fotónicos de acuerdo con el tipo de multiplexación que estos emplean para la transmisión de sus canales de información. De un modo general existen dos tipos de multiplexación en los sistemas ópticos: multiplexación por división en el tiempo (TDM óptico o eléctrico) o multiplexación por división de frecuencia (FDM) o longitud de onda (WDM).

 

1.2.1- Transmisor Óptico

 

El bloque transmisor de un típico sistema de comunicación digital por fibra óptica que utiliza modulación de intensidad directa consiste de los siguientes componentes: generador de señales, un codificador de línea, en el caso de una transmisión digital, un driver y una fuente óptica.

 

 

Figura 1.2.- Modelo en bloques de un transmisor óptico digital.

 

El generador de señales es una representación de la fuente de información que se desea transmitir, pudiendo ser analógica o digital. En el caso de transmisión analógica se puede optar por una sub.-modulación (sistemas SCM) para aumentar la capacidad de transmisión. En el caso de transmisión digital, se usa codificadores de línea para minimizar la ocurrencia de largas secuencias de ceros y/o de unos. Los tipos de codificación de señales son: NRZ - no retorno a cero, RZ - retorno a cero y Manchester. En el código NRZ, en el bit '1' el pulso dura el intervalo de tiempo destinado su transmisión, mientras el bit '0' es representado por la ausencia de pulso En el código RZ el pulso, representando el bit '1', dura la mitad del intervalo del tiempo de un bit. En el bit '0', ocurre la ausencia del pulso. En el código Manchester, cuanto el bit es '1', el pulso dura la primera mitad del intervalo del tiempo de un bit, mientras que el bit '0' ocupa la segunda mitad del intervalo del tiempo. El pulso es representado por una mitad del intervalo de su duración, en el estado alto o bajo, y la otra mitad en su estado complementario. La señal información a ser transmitido, generalmente en forma de tensión eléctrica, es convertido en una señal corriente, por un driver y esta señal corriente modula directamente la fuente de luz. La fuente óptica más usual para los sistemas que serán evaluados en este curso es el láser DFB. Los modelos usuales para evaluar el comportamiento dinámico de estos láseres son las ecuaciones de tasa que serán presentadas en la clase referente a transmisores ópticos. 

 

1.2.3- Canal Óptico

 

La figura abajo muestra una curva típica de transmisión (atenuación y dispersión versus longitud de onda), para las fibras ópticas monomodo de sílice (SiO2). Los mecanismos básicos responsables por la atenuación de las fibras ópticas actuales son: absorción ultravioleta, absorción infrarrojo y dispersión de Rayleigh. La región de menor pérdida está entre 1300 la 1600 nm de longitud de onda, donde la fibra tiene una atenuación de 0,17 Vd./Km. (1550 NM) la 0,4 Vd./km. Dos curvas para la variación del coeficiente de dispersión son presentadas. Una curva para fibras convencionales (SMF) y otra para fibras con dispersión desplazada (DSF). 

 

Figura 1..3 - Característica de transmisión para las fibras ópticas monomodo.


La propiedad básica de una fibra óptica monomodo es su enorme anchura de banda en la región de bajas pérdidas (1300 la 1600 nm), de aproximadamente 25 THz. Para usar esa anchura de banda se necesitan de pulsos ópticos de la orden de los fentosegundos, necesarios para los sistemas TDM que utilicen completamente la capacidad de la fibra. Infelizmente, la transmisión monocanal por la fibra es limitada en velocidad, debido a la real capacidad de la fibra debido a las limitaciones de velocidad de los componentes optoeletronicos y a los efectos dispersivos Mientras se desarrolla la tecnología de pulsos ultra cortos, la anchura de franja, ofrecida por la fibra óptica, es aprovechada de una manera práctica, a través de su división en múltiples canales por medio de diferentes larguras de onda. Esta técnica es conocida como multicanalisation por división de longitud de onda (WDM). Las principales características de la técnica WDM son que la anchura de franja de la fibra es más fácilmente visitada en el dominio de la longitud de onda que en lo del tiempo y que las larguras de ondas discretos forman un conjunto ortogonal de portadoras, que pueden ser separadas, roteadas y conmutadas sin interferencia entre ellas, mientras la potencia óptica total permanece baja. Generalmente, un canal óptico es formado por los siguientes componentes: acopladores ópticos, fibra óptica, amplificadores ópticos y filtros ópticos. La función del acoplador óptico es combinar en una única fibra la potencia de varias señales ópticas, o derivar para varias fibras una señal óptica. El amplificador óptico es usado para amplificar la señal óptica y el filtro óptico para eliminar *señal fuera de la franja o seleccionar algún canal óptico. 

 

1.2.4- Receptor Óptico

 

Una configuración básica es el receptor de detección directa (Fig. 1.4.), el fotodetector convierte el flujo de los fotones incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente es amplificada y procesada. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica, fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD..

Figura 1.4 Modelos de un típicos receptor óptico con detección directa

 

En la práctica, para los receptores de detección directa con fotodiodos PIN, el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido térmico, generado en la salida del fotodiodo. Existe dos  alternativas para superar esta limitación, una  es el uso de fotodiodo de avalancha APD, donde el mecanismo de multiplicación de la corriente fotogenerada en el fotodiodo amplifica la señal fotodetectado. La segunda alternativa es la utilización de un pre-amplificador óptico antes del fotodetector (Fig. 1.2.5), para amplificar el señal óptico antes de la detección.

 

Figura 1.5- Modelo  de un típico receptor óptico con detección directa utilizando un pre-amplificador óptico

 

 Una configuración mas compleja de receptor óptico es el empleo de los receptores de detección coherente, con el nivel de potencia del oscilador local tan alto que el ruido térmico se hace mucho menor que el producto del batimento entre la señal del oscilador local y la señal recibida. La figura 1.6 presenta el esquema simplificado de detección coherente.

 

 

 

Figura 1.6- Modelo  de un típico receptor óptico con detección coherente

 

En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia intermediaria dada por:


 

donde: fFI es la frecuencia intermediaria, fS es la frecuencia de la señal recibida y fLO es la frecuencia do oscilador local.
 

En los sistemas homodinos, la frecuencia intermediaria es igual a cero y, en los heterodinos, ella es diferente de cero, o sea, el espectro está simplemente trasladado de la frecuencia óptica para la frecuencia intermediaria. Por su parte, en el sistema homodino, como la frecuencia intermediaria es nula, ocurre una concentración de las energías de las dos bandas laterales en la única banda existente.



1.2.5- Caracterización de Canales de Comunicación
 

Un canal de comunicación, generalmente es caracterizado por su atenuación y distorsión. Estos dos parámetros definen cuantativamente la calidad de transmisión del canal. En sistemas de comunicación por fibra óptica es usual utilizar como unidad de medida para caracterizar las potencias ópticas, el dBm esto puede ser obtenido quitando el logaritmo, en la base 10, de la potencia óptica, medida en mW La atenuación de la fibra es generalmente presentada en dB/Km. 

 

1.3- Historia de las Comunicaciones Ópticas

 

1.3.1- Los Primeros Sistema de Comunicación

El uso de sistemas de comunicaciones es muy antiguo. Formas primitivas de fuentes ópticas, tales como el sol y el fuego, fueron usadas en la antigüedad para transmitir información en los primeros sistemas ópticos. Claude Chappe, en 1792, transmitió mensajes codificadas usando un semáforo óptico, que permitía la transmisión de señales a la distancias visuales, sobre aproximadamente 320 km. Este es considerado el primer sistema de comunicación digital de alta velocidad, aunque para la terminología actual sea un sistema lento, con una tasa de transmisión de pulsos (B) menor de 1 pulso por segundo (B< 1 b/s).

 

OBS- El producto ancho de banda (B) y la distancia (L) (producto BL) es el principal factor de mérito de un sistemas de comunicaciones. Maximizar este factor es uno de los principales objetivos de la ingeniería de telecomunicaciones.

 

En 1830, el telégrafo eléctrico, usando un esquema digital de transmisión, a través de dos pulsos eléctricos de duraciones diferentes, sustituyó el uso de la luz por la electricidad, y se dio inicio a la era de la comunicación eléctrica. La tasa de transmisión fue aumentada hasta 10 b/s, por el uso de nuevas técnicas de codificación, como el alfabeto Morse. El uso de estaciones repetidoras permitió comunicaciones sobre largas distancias (hasta 1000 Km.). En 1866 entró en operación el primer cabo trasatlántico. La invención del teléfono, en 1876, por Alexander G. Bell trajo un gran cambio en el formato de la señal eléctrica transmitido. El formato digital fue intercambiado por el formato analógico. Esta técnica dominó los sistemas de comunicaciones por casi un siglo.   El desarrollo de las redes telefónicas, el siglo 20, trajo muchos avances en el proyecto de sistemas de comunicaciones. El uso dos cabos coaxiales, en lugar dos cables de par trenzado, aumentó considerablemente la capacidad de los sistemas. En 1940 fue instalado el primer sistema con cabo coaxial de 3 MHz pudiendo transmitir hasta 300 canales de voz o un canal de televisión. Esta limitación llevó al desarrollo de los sistemas de comunicaciones de microondas, donde se usó portadoras electromagnéticas de 1-10 GHz para transmitir la señal a través de alguna técnica de modulación. El primer sistema de microondas comenzó a operar en 4 GHz en 1948. Tanto los sistemas de cabos coaxiales como los sistemas de microondas evolucionaron bastante, llegando a operar a la tasas de transmisión de 100 Mb/s. El sistema coaxial más avanzado opera desde 1975 la una tasa de transmisión de 274 Mb/s. Una severa limitación de los sistemas con cabos coaxiales es la distancia entre repetidores, 1km, lo que lo hace muy caro. Aunque los sistemas por microondas tengan espaciamiento mayores que los de cabo coaxiales, ellos están limitados en su tasa de transmisión por la frecuencia de la portadora de tales ondas. Los sistemas de comunicaciones con el producto BL de 100 (Mb/s).Km., estuvieron disponibles los años 70.

 

 

1.3.2- Sistemas Ópticos de Comunicaciones

 

 

Después de la segunda guerra mundial, se comenzó a estudiar la posibilidad de usar portadoras ópticas para la transmisión de señales, lo que permitiría aumentar significativamente el producto BL. Los años 60 surgieron el láser de gas y la fibra óptica (con una atenuación de más de 1000 dB/Km.). En los años 70, las fibras ópticas presentaban pérdidas de 20 dB/Km. y los diodos láseres de semiconductores de arseneto de galio (GaAs) funcionaban a la temperatura ambiente. A partir de ahí, los sistemas de comunicaciones por fibra óptica comenzaron a popularizarse. De 1974 hasta hoy, fueron desarrollados 5 generaciones sistemáticas, siendo que las cuatro primeras generación son exploradas.

 

 

 

Fig. 1.7- Generaciones de Sistemas de comunicaciones por fibra óptica.

 

 La primera generación de los sistemas de comunicación por fibras ópticas usaba láseres y LEDs de AlGaAs, como fuentes ópticas en la región de 850 nm, fibras multimodo de índice gradual y fotodiodos del tipo PIN y APD de Si. Los valores típicos de atenuación para esta región de largura de onda está en torno a 2,5d B/Km y el producto tasa de transmisión versus distancia, producto BL para tales sistemas es limitada en hasta 500 Mb/s.Km.

 

 

 

Fig. 1.8- Primera Generación de Sistemas.

 

   La segunda generación surgió en el inicio de los años 80. De entrada se usó láseres y fotodetectores de fosfato de indio (InP), con emisión en la región de 1300 nm, en la cual la fibra óptica posee mínima dispersión  y baja atenuación. La distancia entre repetidores fue de 20 km. Esos sistemas empleaban fibras multimodo con atenuación de la orden de 1 dB/Km y dispersión modal, la cual limitaba la tasa de bits en torno a los 100 Mb/s. Esta limitación fue superada por el uso de la fibra óptica monomodo. Resultados experimentales, mostraron, ya en 1981, una transmisión de 2 Gb/s sobre 44 Km. usando fibra monomodo. En 1987 los sistemas comerciales de la segunda generación usando fibra monomodo, operaban en 1300 nm la una tasa de 1.7 Gb/s sobre una distancia de 50 km. El espaciamiento entre los repetidores de los sistemas de la segunda generación era , limitado por las pérdidas de la fibra (1 dB/Km.), en 1300 nm. 

 

 

Fig. 1.9- Segunda Generación de Sistemas.

 

En 1979 se obtuvo atenuaciones de 0,2 dB/Km., en fibras ópticas de sílice, en la región de 1550 nm de longitud de onda, pero la dispersión en esta región es muy grande, la cual imposibilitó el uso de láseres multimodo. Este problema fue resuelto a través del proyecto de fibras con dispersión mínima en 1550 nm y limitando la anchura espectral de los láseres por el uso de láseres monomodo. En 1985, resultados experimentales mostraron la posibilidad de transmitir información de 4 Gb/s sobre distancias superiores a 100 Km., sin embargo sólo en 1990, fue posible obtener sistemas comerciales de la tercera generación. Estos sistemas operan en 1550 nm la una tasa de 2,4 Gb/s.  A través de un proyecto cuidadoso de los transmisores y receptores ópticos es posible extender la tasa hasta 10 Gb/s. En estas velocidades una limitación básica es la modulación directa causando el ''chirp'' (gorjeo) de la fuente óptica. En presencia de la dispersión de la fibra esos efectos degradan el desempeño del sistema. La mejor alternativa es usar fibras con dispersión desplazada juntamente con láseres estrictamente monomodo.

 

 

Fig. 1.10- Tercera Generación de  Sistemas

 

            La cuarta generación de sistemas de comunicación por fibra óptica está relacionada con el aumento de la capacidad de transmitir información a través del uso de la multicanalización de la ancho de banda de una fibra óptica, usando la técnica de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) y multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM). En estos sistemas es esencial el uso de amplificadores ópticos. Se puede optar por detección coherente o detección directa.

 

 

Fig. 1.11- Cuarta Generación de  Sistemas

 

               La quinta generación de sistemas de comunicación por fibras ópticas se halla en estado de investigación y desarrollo. Esta basada en la propagación de solitons, pulsos ópticos que preservan su forma cuando se propagan en una fibra sin pérdidas, neutralizando el efecto de la dispersión a través de la no linealidad de la fibra. Aunque las ideas básicas sobre propagación solí tónica había sido propuesta en 1973, fue sólo en el año 1988 que experiencias de laboratorio mostraron la viabilidad de transmisión de información en 4.000 Km., compensando las pérdidas de la fibra a través de la dispersión estimulada de Raman. A partir de 1989 se ha usado el amplificador óptico de fibra con dopado con erbio para amplificación solí tónica. Sistemas de transmisión experimentales ha sido registrados hasta 1.000 Km. de fibra la una tasa de 10 Gb/s y hasta 350 Km. la una tasa de 20 Gb/s.

 

              1.4- Escenario Actual de la Tecnología Fotónica

 

1.4.1- Tendencias

 

 

 Aunque los sistemas de comunicación por fibra óptica evolucionen constantemente, debido al surgimiento de nuevos dispositivos, los sistemas actuales ha alcanzado un cierto grado de madurez. Si los años 80 y 90 el enfoque era para sistemas de transporte punto a punto, hoy el interés está en los sistemas con funcionalidades o sea redes totalmente ópticas o fotónicas. Para la implementación de estos sistemas, se encuentra en el mercado una gran variedad de componentes tales como LEDs, láseres multimodo y monomodo, moduladores externos, llaves ópticas, roteadores y conversores de longitud de onda, multiplexadores y demultiplexadores de longitud de onda, conectores, acopladores, derivadores, fibras ópticas multimodo y monomodo, fotodiodos, pre-amplificadores de bajo ruido, amplificadores ópticos, etc... 

 


 

1.4.2- Sistemas Virtuales

 

 

 

La tarea de diseñar y analizar un sistema se hizo considerablemente compleja. En este contexto, una herramienta interesante para evaluar la opción sistemática más adecuada para una dada aplicación es el análisis de sistemas de comunicación a través de simulación. Esta técnica ha tenido actualmente un gran popularidad debido al rápido desarrollo y la proliferación de microcomputadores y estaciones de trabajo, que tienen herramientas indispensables en la evaluación del desempeño de sistemas de comunicación. El software LightSim  fue creado con la finalidad de suministrar la posibilidad de evaluar el desempeño de un sistema de comunicación por fibra óptica, así como entender la importancia de cada componente fotónico en el desempeño sistemático, a través de simulación numérica.

 


 
1.5 – Aplicaciones

 

 

1.5.1- Transmisión digital

 

 

 Una de las grandes aplicaciones de la tecnología fotónica es la transmisión de información, principalmente digital. La ventaja de una transmisión digital con relación a la analógica es que los circuitos digitales son de bajo costo, tiene transparencia de formato, y inmunidad al ruido. La gran desventaja está en el consumo de ancho de banda (pero esto no es problema para las fibras ópticas). Las fibras ópticas en sistemas de comunicación son aplicadas en punto a punto o punto a multipunto entroncamientos, redes ópticas: principal, de acceso (FTTC – Fiber To The Curb), fibra hasta el subscriptor (FTTH – Fiber To The Home), y en breve en conjunto con la telefonía celular.

 


1.5.2- Transmisión Analógica

 

 

 Debido a necesidad de una gran tasa de transmisión, las señales de vídeo son actualmente transmitidos analógicamente (CATV). La tendencia es una digitalización de estos sistemas. Otra aplicación de las fibras ópticas en transmisión analógica está en la instrumentación y en sensores ópticos.

 

 

 1.6- Revisión

 


1.6.1-  Canal de comunicación de Shannon (Claude Shannon)

 

 

El modelo de canal de comunicación de Shannon se muestra en la siguiente figura:

 

 

 

 

Fig.1.12- Canal de comunicación de Shannon

 

Lectura Interstate- Claude E. Shannon  A Mathematical Theory of Communication

 

1.6.2-  Digitalización de SeñalesTeorema de Nyquist-Shannon (Harry Nyquist)

 

Un señal de ancho de banda limitada en frecuencia fm (Hz) está unívocamente determinado por muestras que son tomadas por lo menos 2 fm  muestras por segundo. La función muestreo de un señal f(t) en intervalos de T segundos es definida por:

 

 

            La función muestra contiene sólo informaciones acerca de las muestras f(nTs), n = | 1| ,|2|,…

En frecuencia tenemos:

 

 

 

 

 


1.7-  Hechos Históricos

 

 

Para los lectores que les gustan hechos históricos sobre la evolución de las tecnologías electrónicas y fotónicas tenemos el siguiente link (de momento en inglés):

Hechos Históricos

 

 

Referencias Bibliográficas

 


[1]- José A. M. Pereda, “Sistemas y Redes Ópticas de Comunicaciones”, Prentice Hall,   2004.

[2] G. Keiser, " Fiber Optic communication systems ", McGraw Hill, 2004.

[3] G. P. Agrawal, "Fiber Optic Communication Systems", John Wiley & Sons, Inc., 2002.

[4] J. Gowar, "Optical Communication Systems", Prentice Hall, Inc., 1998.