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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

TRANSMISIONES ÓPTICAS

MEDIANTE EL USO DE SOLITONES

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

P R E S E N T A N

ELÍAS ALVAREZ GUTIÉRREZ CARLOS GUSTAVO HERNÁNDEZ ALCÁNTARA

GUILLERMO ALEJANDRO QUIROZ UGALDE

ASESORES DR. RAÚL CASTILLO PÉREZ

ING. J. NANCY MONDRAGÓN MEDINA

MÉXICO, D. F. 2007

“La verdadera educación consiste en obtener lo mejor de uno mismo”

Mahatma Ghandi

“Caer está permitido. Levantarse es obligatorio” Proverbio

Agradecimientos Agradezco primeramente a Dios por darme tanto los medios necesarios como a una familia grandiosa que sin ellos no hubiera sido posible este gran logro en mi vida. Así mismo agradezco a mis padres y hermanos por toda la paciencia que me brindaron durante el transcurso de mi carrera ya que gracias a su apoyo y consejos hoy concluyo una etapa más. Sin dejar de mencionar a mis amigos quienes siempre estuvieron a mi lado en los momentos difíciles y en los momentos felices, que gracias a su compañerismo salimos adelante en nuestra carrera.

Elías

Son muchas las personas que han contribuido a formar la persona que ahora soy. Simplemente… agradezco a Dios por haberlas puesto en mi camino.

Carlos A mis padres A mis hermanos Agradezco lo mejor de su lucha Por hacer de mi vida una grata lucha, en el mundo por motivar el sentimiento de amistad Agradezco lo mejor de sus deseos por darme una razón de apoyo en mí Agradezco lo que ustedes me enseñaron largo caminar. Agradezco el futuro que me forjaron en la austeridad. Guillermo Agradezco lo mejor que ustedes son Agradezco sus triunfos y fracasos Agradezco sus ilusiones y esperanzas Por que moldearon la persona que simplemente les agradece.

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones i

ÍNDICE

Objetivos vi

Justificación vii

Introducción viii

Capitulo1

TRANSMISIÓN POR FIBRAS ÓPTICAS 1

1.1 ÓPTICA GEOMÉTRICA 1

1.2 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ 2

1.3 TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS 3

1.3.1 Fibra multimodo de índice escalonado (o abrupto) 4

1.3.2 Fibra multimodo de índice gradual 6

1.3.3 Fibra monomodo 8

1.4 DEGRADACIÓN DE LA SEÑAL EN FIBRAS ÓPTICAS 8

1.4.1 Atenuación 9

1.4.1.1 Absorción material 10

1.4.1.1.1 Pérdidas intrínsecas 10

1.4.1.1.2 Pérdidas extrínsecas 11

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones ii

1.4.1.2 Perdidas por scattering 11

1.4.1.2.1 Scattering Rayleigh 12

1.4.1.2.2 Scattering Mie 12

1.4.1.3 Pérdidas por acoplamiento 12

1.4.1.4 Pérdidas debidas a imperfecciones en la fibra 13

1.4.2 DISPERSIÓN 14

1.4.2.1 Dispersión intermodal 15

1.4.2.2 Dispersión cromática (intramodal) 15

1.4.2.3 Dispersión de velocidad de grupo 17

1.4.2.4 Dispersión material 17

1.4.2.5 Dispersión de guía de onda 18

14.2.6 Dispersión por modo de polarización 20

Capitulo 2

EFECTOS NO LINEALES 22

2.1 NO LINEALIDADES 22

2.1.1 Efecto Kerr 24

2.2 SCATTERING RAMAN ESTIMULADO SRS 25

2.2.1 Soluciones y mitigación del efecto 27

2.3 SCATTERIN BILLOUIN ESTIMULADO SBS 27


2.4 CHIRP 29

2.5 AUTO-MODULACIÓN DE FASE 29


Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones iii

2.6 MEZCLADO DE CUATRO ONDAS FWM 30


2.7 MODULACIÓN DE FASE CRUZADA XPM 33


2.8 SOLITONES 35

2.8.1 Los solitones en la fibra y sus propiedades 35

Capitulo 3

SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS POR SOLITÓN 38

3.1 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICAS 39

3.2 TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN POR SOLITONES 42

3.2.1 Interacción entre solitones 43

3.3 FUENTES ÓPTICAS 44

3.3.1 Emisión de luz 46

3.3.2 Tipos de diodo láser 49

3.3.2.1 Láser Fabry-Perot 50

3.3.2.2 Láser Monomodo 51

3.3.2.3 Láser de realimentación distribuida (DFB) 53

3.3.2.3.1 Láser DFB con modulador externo 55

3.3.2.3.2 Láser DFB sintonizable 56

3.3.2.4 Láser de pozos cuánticos múltiples 56

3.3.2.5 Láser de solitón 57

3.3.3 Láseres utilizados en la transmisión de solitones 59

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones iv

3.4 DETECTORES ÓPTICOS 61

3.4.1 Absorción de luz 61

3.4.2 Tipos de fotodetectores 62

3.4.2.1 Detectores PIN 63

3.4.2.2 Detectores APD 65

3.5 DISPOSITIVOS ÓPTICOS PASIVOS 67

3.5.1 Atenuador 68

3.5.2 Acoplador 68

3.5.3 Aislador 69

3.5.4 Conector y empalme 69

3.5.5 Circulador 70

3.5.6 Polarizador 71

3.5.7 Rejilla de difracción 71

3.5.8 Filtros ópticos 72

3.5.8.1 Filtros Fabry-Perot 72

3.5.8.2 Filtros Mach-Zehnder 74

3.6 AMPLIFICADORES ÓPTICOS 75

3.6.1 Amplificadores de fibra dopada con erbio 77

3.6.2 Amplificadores Raman 81

3.7 DEMOSTRACIÓN DE LA TRANSMISIÓN POR SOLITÓN EN FIBRAS 83

3.7.1 Transmisión por solitón con diodos laser y amplificadores de fibra

dopada 86

3.7.2 Transmisión por solitón sobre fibra muy larga con compensación

de perdidas por ganancia Raman 90

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones v

Capitulo 4

SISTEMAS DE TRANSMISIÓN WDM POR SOLITON 92

4.1 WDM 94

4.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN 96

4.2.1 Transmisor 96

4.2.2 Fibras de dispersión desplazada 97

4.2.3 El modelo del amplificador óptico 97

4.2.4 Características de las colisiones entre canales 98

4.3 EL EFECTO DE LA AMPLIFICACIÓN A SEGMENTOS 99

4.4 MANEJO DE DISPERSIÓN 99

4.5 EFECTOS SOBRESALIENTES 100

4.5.1 Fondo y motivación de sistemas de transmisión por fibra óptica 101

Conclusiones 102

Glosario 103

Bibliografía 107

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones vi

OBJETIVOS

Objetivo General

Comprender cómo es posible lograr la generación y transmisión de solitones en sistemas de

comunicaciones ópticas desde el punto de vista de ingeniería, sentando algunas bases teóricas

para estudios posteriores en el tema.

Objetivos particulares

Describir las características y los fenómenos de las fibras ópticas que dan lugar al surgimiento de

los solitones, así como los factores que determinan su transmisión.

Revisar las variaciones y configuraciones de los componentes que se utilizan en los sistemas

ópticos para hacer posible la transmisión de los solitones.

Considerar la aplicación de los solitones en esquemas de multicanalización por división de

longitud de onda para mejorar las características de desempeño de un sistema de comunicaciones

ópticas, describiendo algunas de las investigaciones que se encuentran en desarrollo.

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones vii

JUSTIFICACIÓN

Nos hemos enfocado en el estudio de una filosofía de trabajo que permite aprovechar el gran

ancho de banda de la fibra óptica y la posibilidad de transmitir señales a grandes distancias y a

grandes velocidades, ventajas que son imposibles de igualar en cualquier otro medio de

transmisión pero que aún no se ha explotado en su totalidad.

Para abarcar mayores distancias es necesario incrementar la potencia del transmisor pero este

proceso se ve limitado por el surgimiento de efectos no lineales. En la propagación de solitones

se aprovechan estas no linealidades para obtener transmisiones de miles de kilómetros

conservando la forma de dicho pulso. Esto atrajo nuestra atención y es por ello que se decidió

realizar una investigación sobre las transmisiones ópticas mediante el uso de solitones, siendo

una opción para las comunicaciones trasatlánticas y para comunicaciones que requieren

transmisión de grandes cantidades de información. Otro factor que provocó la inclinación de

nuestra investigación por este tema fue la posibilidad de combinar la tecnología WDM y la

generación de solitones, con la cual se alcanzan tasas de transmisión de datos en terabits por

segundo.

Actualmente, los experimentos con solitones están dejando de ser un elemento puramente teórico

para pasar a una opción práctica. A menos que se desarrollen nuevas tecnologías dentro de las

fibras ópticas o nuevos medios de transmisión, los solitones constituyen una expectativa futura en

la que se permita aprovechar la infraestructura de las comunicaciones ópticas con la que ya se

cuenta.

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones viii

INTRODUCCIÓN

A pesar de las nuevas filosofías de trabajo, las nuevas estructuras de sistemas o los nuevos

formatos de transmisión, el avance en las comunicaciones ópticas lo han dado los desarrollos

tecnológicos en componentes y dispositivos fotónicos. Este proceso, que empezó alrededor de

1975, y que continúa hasta la fecha, puede agruparse en varias generaciones cuya implantación

comercial ha seguido muy de cerca a sus experimentos en el laboratorio [8]. La Figura 1 presenta

el periodo de tiempo en el que ha perdurado cada generación, así como el incremento en el

producto BL1; resaltando que cada generación trae consigo cambios fundamentales que ayudan a

mejorar el desempeño de futuros sistemas.

Figura 1. Evolución de los sistemas de comunicaciones ópticas.

1 La capacidad de un sistema de comunicaciones suele especificarse a través del producto BL (capacidad‐distancia), donde B representa la velocidad de transmisión (Gb/s) y L la separación entre repetidores (km).

Introducción

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones ix

La primera generación de sistemas de comunicaciones ópticas operaba en longitudes de onda de

0.8 µm (la llamada primera ventana2) y fue introducida comercialmente en 1978. En principio,

utilizaba fibras multimodo de salto de índice, fuentes ópticas de GaAs y fotodetectores de Si. La

capacidad de transmisión que podía conseguirse era alrededor de 45 Mbps con una separación

entre repetidores (puntos de regeneración de la señal) de 10 km. Estos primeros sistemas estaban

limitados por la dispersión intermodal por el tipo de fibra utilizada, por lo que se comenzaron a

emplear las fibras multimodo de índice gradual que disminuían el efecto del ensanchamiento del

pulso. Pronto se demostró que se podía incrementar la distancia entre repetidores si se cambiaba

la longitud de onda de transmisión hacia la segunda ventana (1.3 µm), donde las pérdidas se

reducían a menos de 1 dB/km y la dispersión cromática era mínima. El principal inconveniente

para poder llevar esto a cabo, estaba en poder disponer de fuentes ópticas y fotodetectores

capaces de transmitir y recibir a dicha longitud de onda.

Con el desarrollo de los láseres Fabry-Perot de InGaAsP y los fotodetectores de Ge. La segunda

generación de sistemas de comunicaciones ópticas estuvo disponible a principios de 1980. La

separación entre repetidores aumentó hasta unos 20 km, pero la velocidad de transmisión estaba

limitada a menos de 100 Mb/s debido a la dispersión en las fibras multimodo, por lo que pronto

se comenzarían a hacer intentos de utilizar fibras monomodo. Al principio no fue sencillo trabajar

con este tipo de fibras; pero una vez que se superaron los problemas mecánicos de fabricación,

acoplamiento y empalme, se consiguieron desarrollar sistemas muy robustos y optimizados

(velocidades por arriba de 1.7 Gb/s con distancias entre repetidores de 50 km) [4].

La limitación de los sistemas de segunda generación venía impuesta por la atenuación de la fibra

en segunda ventana, y la solución consistía en trasladar la longitud de onda de transmisión a la

tercera ventana (1.55 µm), donde la atenuación presenta su mínimo valor en torno a los 0.2

dB/km. Esta migración dio lugar a los sistemas de tercera generación, pero por el contrario, otra

serie de problemas asociados a la dispersión cromática tuvieron que comenzar a ser considerados.

2 Las ventanas de transmisión hacen referencia a las principales longitudes de onda sobre las que se realizan las transmisiones por fibra óptica dado que presentan menores pérdidas por atenuación.

Introducción

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones x

El problema de la dispersión podía ser solucionado ya sea desplazando la longitud de onda de

mínima dispersión de segunda a tercera ventana, alterando la geometría y/o composición del

material de la fibra, para obtener las denominadas fibras de dispersión desplazada, o reduciendo

el ancho espectral de las fuentes ópticas empleadas con el desarrollo de los láseres de

realimentación distribuida (DFB) y posteriormente los láseres de reflecxión de Bragg distribuida

(DBR). Los sistemas de comunicaciones ópticas de tercera generación operando a 2.5 Gb/s y

manteniendo una distancia entre repetidores alrededor de 85 km, estuvieron disponibles

comercialmente para 1990. Estos sistemas son capaces de operar a una velocidad de hasta 10

Gb/s utilizando fibras de dispersión desplazada junto con láseres monomodo DFB [2].

Una desventaja de los sistemas de tercera generación radica en que la señal debe ser regenerada

periódicamente mediante costosos repetidores electrónicos. La primera alternativa planteada para

incrementar la separación entre repetidores consistía en hacer uso de los sistemas coherentes3;

pero pronto pasaron a un segundo plano con la aparición de los amplificadores ópticos de fibra

dopada con erbio EDFA, los cuales permiten amplificar la señal de información en el dominio

óptico. Así, los sistemas de cuarta generación hacen uso de la amplificación y de la

multicanalización del ancho de banda de la fibra mediante el uso de la técnica WDM 4

(wavelength-division multiplexing) para incrementar la velocidad de transmisión y distancia

entre repetidores. El ámbito de aplicación más inmediato y relevante hacia el que se encaminaron

este tipo de sistemas fueron los enlaces submarinos.

La quinta generación de los sistemas de comunicaciones ópticas está basada en la transmisión por

solitones (pulsos que conservan su forma durante su propagación en fibra óptica, neutralizando el

efecto de la dispersión a través de la no linealidad de la fibra) como una técnica muy útil en la

transmisión a grandes distancias y alta velocidad. También se busca extender el rango de

3 Los sistemas coherentes hacen uso de esquemas de detección homodina y heterodina para mejorar la sensibilidad en el receptor y solventar algunos problemas existentes en la transmisión.

4 WDM hace referencia a un esquema en el cual múltiples portadoras ópticas, con diferentes longitudes de onda, son moduladas usando cadenas independientes de bits para ser posteriormente transmitidas por la misma fibra.

Introducción

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones xi

longitudes de onda sobre el cual puede operar un sistema WDM mediante el uso de nuevos

esquemas de amplificación como lo es la amplificación Raman. Aunado a ello, un nuevo tipo de

fibra conocida como fibra seca, ha sido producida con la propiedad de que las pérdidas en la fibra

son pequeñas en toda la región de longitudes de onda que va de 1.3 a 1.65 µm [4].

Como hemos visto, los avances más significativos dentro de las comunicaciones ópticas se han

producido prácticamente durante las últimas tres décadas y siguen generándose a un ritmo

vertiginoso. Es por eso que en este trabajo se trató de sintetizar aquello que consideramos lo que

hasta cierto punto promete ser el siguiente paso en las redes de comunicaciones ópticas: la

transmisión por solitones. Aunque los solitones aún no han alcanzado una condición que los

muestre como una solución ya operativa, es posible que en muy poco tiempo esta situación

cambie.

Para entender porqué los solitones son necesarios en los sistemas de comunicaciones por fibra

óptica, debemos considerar algunos de los problemas que limitan la distancia y/o la capacidad de

las transmisiones ópticas de datos. Los principales efectos físicos que gobiernan la propagación

de señales en fibras ópticas se pueden dividir en dos grupos: efectos lineales, que son

independientes de la intensidad de la señal y efectos no lineales, que dependen de la potencia de

la señal y de la tasa de bits [1].

Por ello, en el Capítulo 1 se trata la radiación óptica desde el punto de vista de rayos que, aunque

no es totalmente correcto para cualquier situación, sí da una imagen gráfica de cómo se propaga

la luz dentro de una fibra óptica. Se plantean los principales tipos de fibras existentes y se

muestran sus propiedades físicas. Finalmente se describen los dos efectos lineales más

importantes que limitan la propagación de la señal en una fibra óptica y que dependen de la

longitud de onda de la señal: la atenuación y la dispersión. Es importante hacer notar que los

efectos dispersivos pueden utilizarse también de forma beneficiosa en los sistemas de

comunicaciones ópticas, y éste es el caso de los solitones.

Introducción

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones xii

En el Capítulo 2 se consideran los efectos no lineales más importantes que pueden limitar o

mejorar el desempeño de las fibras ópticas. Estos efectos se deben considerar cuando se diseñan

sistemas de gran capacidad y larga distancia que impliquen altos niveles de potencia y en los que

se transmiten señales a diferentes longitudes de onda; clasificándolos en efectos dispersivos

(scattering) y en efectos relacionados con el efecto Kerr. En este capítulo también se describe la

formación y propagación de los solitones en una fibra, presentándolos como la solución más

sencilla (estable) de la ecuación no lineal de Schrödinger que incluye un operador lineal (que

toma en cuenta los efectos dispersivos) y un operador no lineal (relacionado con la modulación

de fase no lineal), pero sin adentrarse tanto en describir cálculos físicos y matemáticos complejos.

En el Capítulo 3 se introducen los componentes usados comúnmente en un sistema de

comunicaciones ópticas y sus variaciones para adecuarlos a la transmisión por solitones. Para

ello, principalmente se necesita que la red sea totalmente óptica, disponer de fuentes láseres

capaces de generar pulsos de muy corta duración y esquemas de amplificación que sean capaces

de compensar las pérdidas introducidas por la fibra.

En el Capítulo 4 se presenta una manera de tomar ventaja del gran ancho de banda que posee la

fibra óptica mediante la transmisión de pulsos ultracortos (solitones) combinados con esquemas

WDM para mejorar las transmisiones a largas distancias. El que los sistemas de

multicanalización por longitud de onda sean el tema central de las comunicaciones ópticas hoy en

día, justifica que la bibliografía dedicada al tema crezca continuamente, de manera análoga a

como se multiplican los sistemas de este tipo instalados y operativos en todo el mundo. Es por

ello que en el capítulo se dejan de lado algunos aspectos sobre WDM y se enfoca más en ofrecer

una visión global del tema, que cumpla con los objetivos de nuestro trabajo.

Al final de este trabajo, se expondrán las conclusiones a las que hemos llegado en base a la

utilización de los solitones dentro de las comunicaciones ópticas.

Transmisiones ópticas mediante el uso de solitones 1

Capítulo 1

TRANSMISIÓN POR FIBRAS ÓPTICAS

Para entender el funcionamiento de un sistema de comunicaciones ópticas, en este capítulo

describimos los conceptos y principios básicos de propagación de la luz en una fibra óptica a

partir de las leyes de la óptica geométrica; se explican los principales tipos de fibras ópticas que

existen y finalmente se estudian los mecanismos de atenuación y dispersión que ocurren en ellas.

1.1 ÓPTICA GEOMÉTRICA

La óptica es la parte de la física que estudia las propiedades de la luz. Si solo se tienen en cuenta

las trayectorias seguidas por la luz (los rayos), sin considerar la naturaleza física de las ondas

electromagnéticas, entonces su estudio pertenece al campo de la óptica geométrica. La

propagación de la luz en una fibra óptica puede ser analizada mediante el empleo de las leyes de

la óptica geométrica.

La luz se compone de ondas electromagnéticas que se propagan en el vacío a una velocidad v del

orden de 300 000 km/s. Estas ondas transportan energía y se caracterizan por sus frecuencias de

oscilación f; asimismo, pueden determinarse por medio de otro parámetro llamado longitud de

onda λ, que se define como la relación entre su velocidad de propagación y su frecuencia [12].

Capítulo I. Transmisión por fibras ópticas


v

f

Si su longitud de onda está comprendida entre 0.4 μm y 0.8 μm, las ondas electromagnéticas

tienen la particularidad de excitar al ojo humano, y de esta forma pueden ser visibles. En tal caso

se les designa con el nombre de luz visible.

En un medio dieléctrico (aislante eléctrico), la luz se propaga a una velocidad v menor, en

comparación con la que alcanza en el vacío, c. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío

y la velocidad en el dieléctrico se llama índice de refracción del dieléctrico. Este índice de

refracción n es una característica específica del medio [13].

cn

v

1.2 REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE LA LUZ

La luz puede transmitirse, reflejarse o refractarse al incidir, con cierto ángulo, en la superficie de

separación que existe entre dos medios dieléctricos de diferente índice de refracción [11]. Si

ambos medios son homogéneos y sin pérdidas, el resultado es una división del rayo en dos, uno

reflejado y otro refractado, propagándose, cada uno de ellos por cada uno de los medios

existentes. El primero lo hará siguiendo una trayectoria que forma un ángulo con la normal al

plano de separación de los medios, igual al de incidencia, Figura 1.1 (a), mientras que el

refractado lo hará de acuerdo con la Ley de Snell:

1 1 2 2sen senn n

(1.1)

(1.3)

(1.2)



Este fenómeno, para el caso de n2 > n1 (la luz pasa de un medio menos denso a uno más denso),

se cumplirá para cualquier ángulo de incidencia, mientras que si n2 < n1 (la luz pasa de un medio

mas denso a uno menos denso), la situación cambia. Para un cierto ángulo de incidencia θ1c, se

llegará a cumplir que θ2 = 90º, o lo que es igual:

21

1

sen c

n

n

Éste ángulo es el que se conoce como ángulo crítico, y todas las correspondientes a ángulos

1 1c> , se encuentran dentro del caso que se conoce como reflexión total interna. En ella no

existe ningún rayo de luz propagándose por el segundo medio, esto es, no aparece un rayo

refractado, Figura 1.1 (b).

Figura 1.1. Reflexión y refracción de un rayo de luz al incidir sobre una superficie de separación entre

dos medios dieléctricos. (a) Caso general. (b) Situación en la que sólo existe rayo reflejado.

1.3 TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

La fibra óptica básicamente consiste de un núcleo de fibra de vidrio o plástico, una cubierta y una

capa protectora. Estas fibras se basan en el principio de la reflexión total para que la luz incidente

pueda ser guiada por el núcleo. Para esto la fibra tiene un índice de refracción constante en el

(1.4)



núcleo y está cubierta por un revestimiento con un índice de refracción menor. Esta cubierta

puede ser el aire, cuando la fibra no cuente con el revestimiento. El valor de n del aire es la

unidad y por lo tanto es menor al índice del núcleo. Aunque este caso no es usual ya que durante

la manipulación para su instalación pueden generarse ralladuras, manchas, contactos con medios

con índice de refracción no previstos y muchas otras posibles variaciones externas, lo que

ocasionará un cambio en la reflexión y una “fuga” del rayo de luz.

Las fibras ópticas se clasifican en función de su perfil de índice de refracción (índice escalonado

o gradual) y la cantidad de rayos luminosos (monomodo y multimodo) incidentes en el núcleo.

En esta clasificación la fibra puede comportarse como multimodo o monomodo dependiendo de

la longitud de onda de la radiación óptica que se propague por ella [15].

1.3.1 Fibra multimodo de índice escalonado (o abrupto)

El comportamiento del rayo de luz dentro del núcleo de la fibra óptica de índice escalonado será

como el descrito en la Figura 1.2, que muestra cómo son introducidos los haces de luz con

diferente longitud de onda creando un cono a la entrada limitado por el ángulo critico [12].

Figura 1.2. Esquema de la fibra óptica multimodo de índice escalonado.



Los rayos de luz (también llamados modos) se propagan por medio de reflexiones totales en

forma de zig-zag dentro del núcleo. Los haces que rebasan por poco el ángulo critico sufrirán una

reflexión y refracción. Los más alejados al ángulo crítico sufrirán una reflexión por el medio

exterior por lo que no se podrá ser transmitido. El ángulo de entrada (ángulo de aceptación)

estará descrito por medio de la ecuación:

22

21

2

1

211 1 nn

n

nnsennsen ca

donde:

αc = ángulo refractado.

n1 = índice de refracción de la cubierta.

n2 = índice de refracción del núcleo.

El ángulo de aceptación de la fibra determina el límite entre la radiación que se propaga por ella

y la que será radiada al medio circulante. El valor de su seno es la apertura numérica (NA) de la

fibra que indica el número de modos posibles que se pueden propagar por el núcleo. La apertura

numérica se expresa con la siguiente ecuación:

22

21 nnsenNA a

Una propiedad de las fibras para una longitud de onda dada que nos permite determinar el

máximo número de modos que pueden existir en el núcleo de una fibra, es la frecuencia

normalizada V, definida como:

NAa

V2

donde: a = radio del núcleo.

(1.5)

(1.6)

(1.7)



De esta manera, se puede aproximar el número de modos N que una fibra puede soportar

aplicando la fórmula:

2

2

VN =

Para un número razonablemente grande de modos:

Si V ≤ 2.405, sólo un modo se propagará.

Si V > 2.405, más de un modo se propagará.

1.3.2 Fibra multimodo de índice gradual

Se utiliza en enlaces de más alta capacidad de información. La diferencia de este tipo de fibra

radica en que está compuesta por capas cilíndricas con índices de refracción que va variando

gradualmente desde el centro con un índice de refracción mayor (máximo) hasta llegar a la

cubierta con un menor índice (mínimo). La consecuencia de este arreglo de índices de refracción

es que cualquier rayo de luz que se propague por esta fibra va sufriendo una refracción pasando a

la capa siguiente, cada vez con un ángulo menor, con respecto al eje, que el que tenía la capa

anterior. Este proceso se repetirá periódicamente hasta alcanzar su ángulo crítico sufriendo

entonces una reflexión total y dirigirá su trayectoria hacia el centro de la fibra. Esto provoca un

desplazamiento ondulatorio que periódicamente cruza por el centro de la fibra como se muestra

en la Figura 1.3 [15].

(1.8)



Figura 1.3. Esquema de la fibra óptica multimodo de índice gradual.

Con esto se logra reducir casi por completo la dispersión intermodal (de la que hablaremos más

adelante) ya que la velocidad longitudinal o axial de todos los modos es la misma y por lo tanto,

toda la información llegará al mismo tiempo. Este fenómeno funciona de la siguiente manera:

“los rayos que recorren un camino muy alejado del eje, en su posición extrema encontrarán un

índice de refracción más pequeño que el que hay cerca del eje. Debido a ello, la velocidad que

tendrán será mayor allí que en el centro de la fibra. Los modos de orden bajo, que circulan muy

próximos al eje, durante todo su camino verán un índice de refracción de valor alto y, en

consecuencia su velocidad será mayor” [11]. En conclusión a todo esto, una longitud mayor se

compensa con una velocidad mayor, mientras que una longitud menor se recorre con menor

velocidad; por lo tanto aunque esté compuesto por un gran número de modos el pulso llegará al

receptor sin ensancharse.

Llevando a la práctica este principio del índice gradual se observa que tiene una gran desventaja:

el rayo cuando pasa de capa en capa sufre un fenómeno de reflexión y refracción obteniendo dos

rayos y así sucesivamente obteniendo una mayor atenuación.



1.3.3 Fibra monomodo

Este tipo de fibras se utilizan para telecomunicaciones de gran distancia y capacidad. Físicamente

se pueden diferenciar de las demás por unas dimensiones más reducidas de su núcleo en

comparación con fibras anteriores. En cuanto a su forma de transmisión, sólo se propaga un modo

por el núcleo como se muestra en la Figura 1.4. Con estas características se logra una transmisión

a frecuencias mayores, llegando a transmitir hasta 100 Gbits/km.

Figura 1.4. Esquema de la fibra óptica monomodo.

1.4 DEGRADACIÓN DE LA SEÑAL EN FIBRAS ÓPTICAS

En un sistema de comunicaciones ópticas, la fibra óptica constituye el canal de transmisión por

excelencia. Este canal debe estar en condiciones de realizar la mejor transmisión posible de una

señal óptica. Sin embargo, existen diferentes factores que limitan la extraordinaria capacidad de

transporte de información que posee la fibra. Es por lo tanto fundamental el estudio de sus

características de propagación y transmisión.

La atenuación de la señal es una de las propiedades más importantes de una fibra óptica, pues

reduce la potencia de la señal que llega al receptor. Como el receptor óptico necesita de una

cantidad mínima de potencia para recuperar la señal correctamente, la atenuación entonces

determina en gran medida la separación máxima entre el transmisor y el receptor en un sistema



de comunicaciones ópticas. Otro factor de igual importancia es la dispersión de la señal. Los

mecanismos de dispersión en una fibra generan que los pulsos de señal óptica que viajan a través

de ella se ensanchen, generando errores en la salida del receptor y limitando la capacidad de

información que puede transmitir la fibra.

1.4.1 Atenuación

La atenuación de una señal (también conocida como pérdidas en la fibra), se define como la

relación que existe entre la potencia óptica de salida Pent de una fibra de longitud L con la

potencia óptica de entrada Psal. El símbolo α es comúnmente usado para expresar atenuación en

decibeles por kilómetro:

sal

ent

P

P

Llog

10

Como se observa en la Figura 1.5, la atenuación que sufre la luz al propagarse a lo largo de la

fibra óptica está en función de la longitud de onda, tanto para fibras monomodo como multimodo.

Los mecanismos básicos de atenuación en una fibra son principalmente absorción, scattering5 y

pérdidas debidas a imperfecciones en la fibra [2]. La absorción depende únicamente del material

que constituye la fibra, mientras que las otras dos se derivan tanto de éste como de las

irregularidades existentes en el material.

5 La palabra scattering presenta una dificultad para traducirse en el campo de las comunicaciones ópticas. Se puede traducir como dispersión, pero puede confundirse con el mecanismo de dispersión para referirse al fenómeno de ensanchamiento de los pulsos. Por ello se optó por tomar la palabra algunas veces en inglés para designar a los fenómenos en donde la energía que transporta la señal se pierde al ser redireccionada fuera del medio de transmisión o bien al cambiar su longitud de onda.

(1.9)



Figura 1.5. Curva típica que muestra los principales mecanismos de atenuación presentes en la

transmisión por fibra óptica.

1.4.1.1 Absorción material

La absorción material puede ser dividida en dos categorías. Las pérdidas intrínsecas corresponden

a la absorción causada por la sílica pura (material usado para la fabricación de las fibras),

mientras que las pérdidas extrínsecas son las pérdidas causadas por impurezas en la fibra [3].

1.4.1.1.1 Pérdidas intrínsecas

Dado un material específico, debido a su constitución molecular, habrá absorción de la señal a

determinadas longitudes de onda. Para moléculas de sílica (SiO2), ocurren tanto resonancias

electrónicas en la región ultravioleta (λ < 0.4 µm), como resonancias vibratorias en la región de

infrarrojo (λ > 7 µm). Debido a la naturaleza amorfa de la sílica pura, estas resonancias se

presentan en forma de bandas de absorción cuyas colas se extienden hasta la región de la luz



visible. En el rango de longitudes de onda comprendido entre 1300 y 1550 nm, este tipo de

absorción no supera los 0.03 dB/Km. Estas pérdidas son las mínimas que podrían aparecer en

cualquier tipo de fibra que se fabrique con sílica (a menos que nuevos materiales sean utilizados

para transportar señales ópticas), independientemente de la tecnología que se emplee.

1.4.1.1.2 Pérdidas extrínsecas

Se originan debido a la presencia de impurezas (de ahí que también se les conozca como pérdidas

por impurezas). Algunas de las impurezas causantes de estas pérdidas son: hierro, cobre, níquel,

magnesio y cromo; que son fuertes fuentes de absorción en las bandas de longitudes de onda de

nuestro interés. Las técnicas modernas de fabricación han logrado reducir estas pérdidas a valores

muy pequeños (menos de una parte por billón) para obtener pérdidas menores a 1 dB/Km. Pero la

principal fuente de absorción extrínseca es la presencia de residuos de vapor de agua durante los

procesos de fabricación de la fibra (reacciones de hidrólisis). Concentraciones equivalentes a

0.003 partes por millón generan pérdidas del orden de los 20 dB/Km; es por ello que la

concentración del ión OH contenido en la fibra debe ser reducido a menos de una parte en 100

millones para mantener valores de pérdidas bajos. Sin embargo, este tipo de atenuación no es

uniforme en todo el espectro, el principal pico de absorción del ión OH se encuentra cerca de

2.73 µm y en sus armónicos, localizados en 1.39, 1.24 y 0.95 µm.

1.4.1.2 Pérdidas por scattering

El material de la fibra no es el único que da lugar a pérdidas en ella. Toda irregularidad

estructural, por muy microscópica que sea, hace que la luz que pasa a través de ella experimente

una serie de fenómenos debidos, principalmente, a la interacción de las ondas electromagnéticas

con las diferentes irregularidades existentes en el material; por ejemplo, espacios huecos,

diferencias de densidad o de composición en el material, etc. El tipo de interacción variará de

acuerdo con la relación existente entre la longitud de onda (λ) de la radiación incidente y el



tamaño de la irregularidad. Cuando λ es mucho menor que dichas irregularidades, se presenta la

scattering Rayleigh, y si λ es mayor se trata de la scattering Mie [1].

1.4.1.2.1 Scattering Rayleigh

Esta pérdida es causada por diminutas fluctuaciones de densidad y variaciones en la

concentración molecular de la fibra, como burbujas, inhomogeneidades y grietas; procedentes del

proceso de fabricación y muy difíciles de eliminar. La scattering Rayleigh es una función inversa

de la longitud de onda. Esto implica que (con respecto a estas pérdidas) es conveniente trabajar a

una longitud de onda lo mayor posible. Pero por encima de 1600 nm, la absorción infrarroja se

vuelve dominante.

1.4.1.2.2 Scattering Mie

Este tipo de scattering ocurre por inhomogeneidades a lo largo de la longitud de la fibra o

imperfecciones en la frontera entre el núcleo y la cubierta. Afortunadamente, la mayor parte de

todas estas imperfecciones puede ser eliminada si se tiene cuidado durante la fabricación. Por

ello, este tipo de scattering no suele tomarse en cuenta en las fibras actuales. En el caso de que

exista, su repercusión sobre la señal transmitida no es tan relevante; las pérdidas se encuentran

típicamente por debajo de 0.03 dB/Km.

1.4.1.3 Pérdidas por acoplamiento

Una característica importante de las fibras ópticas es su habilidad de colectar luz emitida por una

fuente. Cuando se acopla una fuente a una fibra óptica se presentan dos mecanismos de perdidas,

uno de ellos está relacionado con el desacoplamiento de áreas, y el otro esta relacionado con la

apertura numérica.



El desacoplamiento de área se presenta cuando el patrón de radiación de la fuente es más grande

con respecto al área transversal del núcleo. Existen dos medios para reducir este problema: el

primero consiste en reducir la distancia entre la fuente y la fibra; el segundo consiste en emplear

fuentes con patrones pequeños de radiación y en particular más pequeños que el núcleo

Aunque el área iluminada por la fuente sea menor que el área del núcleo, existen otras perdidas

asociadas con el hecho de que las fuentes tienen un cono de emisión. Si el cono de emisión de la

fuente es más grande que el cono de aceptación de la fibra, la energía del rayo que no sea

contenida por el cono de aceptación de la fibra no será acoplada a ella.

1.4.1.4 Pérdidas debidas a imperfecciones en la fibra

Incluyen principalmente pérdidas por macro y micro dobleces (Figura 1.6), así como pérdidas por

la geometría de la fibra. Los microdobleces son fluctuaciones (en escala pequeña) en el radio de

curvatura del eje de la fibra. Son causados ya sea por uniformidades durante la fabricación de

cables de fibra o por presiones laterales creadas durante el cableado de la fibra. Los

microdobleces incrementan el valor de la atenuación debido a que la curvatura genera un

acoplamiento de energía repetitivo entre los modos guiados y los no guiados dentro de la fibra.

Los macrodobleces hacen referencia al radio de curvatura de la fibra. Doblar un cable de fibra

(generalmente en instalaciones de edificios) por debajo del radio mínimo especificado por el

fabricante puede ocasionar pérdidas (atenuación) en la transmisión e incluso se puede llegar a

romper la fibra óptica que se encuentra dentro del cable [7]. Finalmente, las pérdidas por la

geometría de la fibra se relacionan con la concentricidad núcleo/cubierta (alineación del núcleo

con la cubierta), diámetro exterior de la cubierta (que determina el tamaño de la fibra) y

enrollamiento de la fibra (número de curvaturas a lo largo de la longitud de la fibra).



Figura 1.6. Esquema ilustrativo de un micro (izquierda) y un macro (derecha) doblez.

1.4.2 Dispersión

Se puede realizar una transmisión digital en la fibra óptica, en cuyo caso, la información que

circula por la fibra tiene la forma de pulsos de luz [12]. A veces, al cero numérico (o señal baja)

le corresponde una ausencia de luz, mientras que al uno numérico (o señal alta) le corresponde

una presencia de luz. La información se transmite entonces por secuencias de pulsos luminosos

en la fibra. Entre más pulsos luminosos por unidad de tiempo sea posible inyectar, mayor será la

capacidad de transmisión de la fibra. Para que la información luminosa pueda utilizarse en un

extremo de la fibra, es necesario, primero, que la atenuación de la luz no sea demasiado grande, y

además que la información pueda reconocerse, es decir, que pueda distinguirse si la señal que

llega es alta o baja. Es necesario que la información no haya sido modificada, de manera que

puedan diferenciarse los pulsos. Si en la fibra se llega a producir un ensanchamiento en la

duración de los pulsos luminosos, pueden mezclarse dos pulsos sucesivos diferentes en la entrada

de la fibra y con esto hacer que la información se pierda (véase la Figura 1.7). Este

ensanchamiento de los pulsos obliga a aumentar el tiempo entre dos pulsos sucesivos y por tanto,

a reducir el ancho de banda de la modulación en una fibra y en consecuencia la capacidad de

transmisión de la información. A este ensanchamiento de los pulsos de luz mientras viajan a lo

largo de la fibra óptica se le llama dispersión.



Figura 1.7. Pérdida de la información debida al ensanchamiento de los pulsos transmitidos (a)

para un ciclo de trabajo bajo y (b) para un ciclo de trabajo elevado.

1.4.2.1 Dispersión intermodal

En una fibra óptica no todos los modos se propagan siguiendo las mismas trayectorias. Los

modos de orden pequeño van prácticamente en línea recta, mientras que los de orden elevado

reciben un gran número de reflexiones totales. Al final de la fibra, la energía de los diferentes

modos llega retrasada en tiempo con respecto al modo principal, haciendo que el pulso se

ensanche. Esta diferencia de tiempo que tardan los diferentes modos en recorrer una longitud

dada de fibra se conoce como dispersión intermodal de una fibra y es significativa para fibras

multimodo [2].

1.4.2.2 Dispersión cromática (intramodal)

La principal ventaja de las fibras monomodo es que la dispersión intermodal no existe debido a

que la energía del pulso transmitido es transportada por un solo modo. Sin embargo, el

ensanchamiento del pulso no desaparece por completo. Las fuentes de luz nunca son

monocromáticas y la luz emitida por estas fuentes está constituida por la suma de ondas de

diversas longitudes de onda. Si se inyecta luz de diversas longitudes en una dirección dada (modo



especificado), esta luz se propaga a diferentes velocidades, según sea la longitud de onda, y si se

descompone en función del tiempo, da como resultado un retardo entre las diferentes longitudes

de onda en el extremo de la fibra, aun cuando se hayan inyectado en el mismo instante. La

dispersión cromática D tiene dos contribuciones, la dispersión material DM y la dispersión de guía

de onda DW (Figura 1.8) [10]. En la mayoría de los tratamientos teóricos que se le dan a la

dispersión cromática, por simplicidad se asume que estas dos dispersiones pueden ser calculadas

por separado y después sumadas para dar la dispersión total del modo (D = DM + DW), expresada

en unidades de ps/(km-nm)6. Para una fibra normal, D ≈ 15 ps/(km-nm) en 1500 nm.

Figura 1.8. Dispersión material y de guía de onda en función de la longitud de onda para una

fibra monomodo.

La dispersión cromática en un enlace de fibra óptica es acumulativa con la distancia y es sensible

tanto a incrementos en el número y la longitud de enlaces por tándem como a incrementos en la

tasa de bits (incrementar la tasa de bits incrementa la tasa de modulación del láser, que a su vez 6 Es el ensanchamiento en picosegundos que le ocurre a un pulso con un ancho de banda de 1 nm mientras se propaga por 1 km de fibra óptica.



incrementa el ancho de sus bandas espectrales). En sistemas WDM, la dispersión cromática no es

significativamente influenciada por incrementos en el número de canales ni por la reducción de

su espaciamiento; sin embargo, su control es crítico [2].

1.4.2.3 Dispersión de velocidad de grupo

Se puede considerar que la señal modulada por una fuente óptica excita a todos los modos por

igual, que cada modo lleva una misma cantidad de energía a través de la fibra y que cada modo

contiene todas las componentes espectrales en el rango de longitudes de onda sobre el cual la

fuente transmite. Mientras la señal se propaga a través de la fibra, cada componente espectral

viaja independientemente y experimenta un retraso de tiempo por unidad de longitud en la

dirección de propagación. Se puede definir entonces a la velocidad de grupo (vg) como la

velocidad a la cual la energía de un pulso viaja a lo largo de la fibra [7]. El hecho de que la

velocidad de grupo dependa de la frecuencia genera el ensanchamiento del pulso, debido a que a

cada componente espectral de cualquier modo en particular le toma diferente cantidad de tiempo

recorrer una distancia determinada. Como resultado de estas diferencias en tiempo, el pulso de

señal óptica se dispersa. En algunos sistemas de comunicaciones ópticas, este efecto se

incrementa con la anchura espectral de las fuentes ópticas.

1.4.2.4 Dispersión material

La dispersión material (DM) es causada por el ancho del espectro de la fuente de luz. Al

propagarse todas las líneas espectrales correspondientes a las longitudes de onda de la fuente de

luz, éstas viajan a diferentes velocidades de propagación, lo que origina el ensanchamiento de los

pulsos. Ocurre porque el índice de refracción del material que forma a la fibra varía con la

longitud de onda y, en consecuencia, con la frecuencia óptica (Figura 1.9). De esta manera, como

la velocidad de grupo vg es a su vez una función del índice de refracción, las diferentes



componentes espectrales para un modo dado viajarán a velocidades diferentes, dependiendo de la

longitud de onda. En la región de 850 nm, longitudes de onda superiores se propagan más rápido

que longitudes de onda inferiores; por el contrario, en la región de 1550 nm, longitudes de onda

inferiores se propagan más rápido que longitudes de onda superiores a este valor. Cerca de la

región de 1300 nm, existe una longitud de onda λZ sobre la cual DM es positiva y debajo de la cual

DM es negativa. Llamada longitud de onda de dispersión cero varía en el rango de 1270 a 1290

nm y depende del radio del núcleo y de la variación del índice de refracción del núcleo. La

dispersión material es significativa para las fibras monomodo [2].

Figura 1.9. Variaciones en el índice de refracción de la sílica en función de la longitud de onda.

1.4.2.5 Dispersión de guía de onda

Esta dispersión es debida a los parámetros ópticos y geométricos de la fibra. Los efectos de la

dispersión de guía de onda (DW) pueden aproximarse suponiendo que el índice de refracción del



material es independiente de la longitud de onda. Se genera debido a que una fibra monomodo

sólo confina cerca del 80% de la potencia óptica en el núcleo. La dispersión surge porque el 20%

restante de la luz que se propaga en la cubierta viaja más rápido que la luz confinada en el núcleo.

La cantidad de dispersión de guía de onda depende del diseño de la fibra. Para fibras multimodo,

esta dispersión es muy pequeña comparada con la dispersión material y por lo tanto puede ser

ignorada. DW es negativa en el rango completo de longitudes de onda 0 a 1600 nm. El principal

efecto de la dispersión de guía de onda es desplazar λZ entre 30 y 40 nm para que la dispersión

total sea cero cerca de 1300 nm. Como las contribuciones de guía de onda DW dependen de

parámetros de la fibra como el radio del núcleo y de la diferencia de los índices de refraccción, es

posible diseñar fibras tales que λZ se desplace a la región de 1550 nm. Tales fibras se llaman

fibras de dispersión desplazada. Todo lo anterior, sugiere la posibilidad de optimizar la

transmisión fijando en una misma longitud de onda la mínima atenuación y la mínima dispersión

temporal. Esto es, se desplaza el punto de mínima dispersión hacia el de mínima atenuación,

quedando situado el punto de trabajo en la tercera ventana (1550 nm). En la práctica más usual,

ese desplazamiento se logra alterando el perfil de índice del núcleo y las condiciones de dopado

del mismo. También es posible adaptar las contribuciones de guía de onda tal que la dispersión

total D sea relativamente pequeña sobre el rango completo de longitudes de onda que va de 1300

a 1600 nm; estas fibras son llamadas fibras de dispersión aplanada. La Figura 1.10 muestra una

comparación entre ellas [2].



Figura 1.10. Relación entre la longitud de onda y el parámetro de dispersión D para una fibra

estándar, de dispersión desplazada y de dispersión aplanada.

La dispersión de guía de onda puede ser usada para generar fibras de dispersión disminuida, en

las que la dispersión de velocidad de grupo disminuye a lo largo de la fibra debido a las

variaciones en el radio del núcleo. En otro tipo de fibras, conocidas como fibras compensadoras

de dispersión, esta dispersión posee una magnitud más grande; colocando un pequeño tramo de

fibra, se compensa la dispersión cromática acumulada en el enlace óptico, aunque presenta mayor

atenuación que la fibra estándar (aproximadamente 0.5 dB/km) y una menor área efectiva [1].

1.4.2.6 Dispersión por modo de polarización

Un factor importante para el ensanchamiento de los pulsos es la llamada birrefringencia; asociada

a las componentes de polarización ortogonal del modo fundamental de la fibra. Desde el punto de

vista de polarización, dos modos son transportados en una fibra monomodo; un modo dominante

que viaja en el eje x y otro modo que viaja en el eje y. En condiciones reales, las fibras ópticas



experimentan considerables variaciones en la uniformidad y forma del núcleo a lo largo de su

longitud, y además, sufren tensiones de tipo mecánico y estructural que rompen la circularidad

del núcleo. En estas condiciones se modifica la orientación de los ejes y la velocidad de

propagación correspondiente a cada uno de ellos (directamente relacionada con la magnitud de la

birrefringencia local). Si un pulso de entrada excita a ambas componentes de polarización, este

pulso se ensancha ya que las dos componentes se dispersan a lo largo de la fibra debido a sus

diferentes velocidades de grupo; lo que se conoce como dispersión por modo de polarización

(PDM). Las imperfecciones en la fibra pueden incrementar o contrarrestar la PDM; sin embargo,

hasta ahora no hay manera de mitigarla, sólo reducirla mediante un estricto control de calidad

durante el proceso de fabricación de las fibras. En un sistema de fibra óptica, esta dispersión

puede afectar al incremento en la tasa de bits por canal, al incremento en la longitud del enlace,

así como al incremento en el número de canales (sistemas WDM más densos) [3].


Capítulo 2

EFECTOS NO LINEALES

La fibra óptica es un medio de propagación no lineal. Cuando se propagan señales a baja potencia

los efectos no lineales son despreciables, mostrándose de manera clara la propagación de la señal.

Al incrementar la capacidad, longitudes y el ancho de banda de la fibra óptica, se necesita

incrementar la potencia de la señal y/o disminuir las pérdidas de la fibra [16]; es cuando se hacen

notables los efectos no lineales, los cuales limitan la potencia de la señal, descartando la

posibilidad de incrementarla indefinidamente.

2.1 NO LINEALIDADES

Estas no linealidades que se presentan modifican el funcionamiento del sistema conforme se

aumenta la potencia de la señal.

Todas estas modificaciones en la señal producen interferencia, distorsión, la acumulación de

ruido de cualquier amplificador óptico y atenuación adicional sobre las señales que se propagan,

conduciendo finalmente a degradaciones en el sistema. También afectan el área efectiva del

núcleo de la fibra, número y espaciado de canales ópticos en sistemas multicanal (WDM), ancho

de línea de la fuente y la longitud general del sistema sin regeneración. Pero no del todo son

Capítulo II. Efectos no lineales


malignos estos efectos. En los últimos años se ha puesto mucha atención e interés en estos efectos

no lineales ya que pueden utilizarse para mejorar las propiedades de transmisión en la fibra.

En el diseño de sistemas de comunicaciones por medio de fibra óptica de alta capacidad y largas

longitudes, se debe tener en cuenta el hecho que la señal de salida no varíe de forma directamente

proporcional con la potencia de la señal de entrada y que el espectro de la señal no sea

distorsionado y se generen nuevas frecuencias ópticas. Por lo tanto se consideran los efectos no

lineales los cuales se deben evitar o por lo menos reducirlos al mínimo, limitando el nivel de la

potencia, es decir, poniendo condiciones de máxima potencia acoplándola con un límite de la

razón señal a ruido y un máximo de capacidad.

Entre los fenómenos no lineales más conocidos que se producen en las fibras ópticas de silicio

destacan: dispersiones estimuladas de Raman y Brillouin, modulaciones de fase inducidas por las

portadoras o el mezclado de cuatro ondas. Los efectos no lineales son importantes,

principalmente, en sistemas WDM de larga distancia, amplificados y no regenerados. De este

tema se hablará en el Capitulo 4.

Las consecuencias de una transmisión no lineal incluyen:

1) La generación de señales adicionales dentro del canal (llamadas señales fantasmas).

2) Modificaciones de la fase y la forma de los pulsos.

3) La generación de luz en otras longitudes de onda.

4) La interferencia entre señales de longitudes de onda.

Las primeras dos provienen de la auto-modulación de fase y son usados en la generación de

pulsos solitones, cuya modulación de fase no lineal compensa la dispersión de velocidad de grupo

lineal de la fibra. El tercero y cuarto provienen del mezclado de cuatro ondas y de los efectos de

scattering Raman estimulado y/o scattering Brillouin estimulado. Estos pueden ser aprovechados

cuando se desea generar o amplificar longitudes de onda adicionales, pero por lo regular deben

ser evitados en los sistemas [9].



Los efectos no lineales se pueden clasificar en dos grupos:

o Efectos dispersivos (scattering).

o Efectos no dispersivos con relación al efecto Kerr.

Los efectos no lineales de Brillouin y Raman son caracterizados como dispersivos. Estos efectos

dispersivos se relacionan con la interacción con los fotones ópticos (señal de luz) y los fonones

(estados vibratorios). Estos efectos pueden ser vistos como una “dispersión” en el bombeo de luz

en donde se transfiere energía a los haces (o canales) de menor energía. En ambos casos (efecto

no lineal de Brillouin y Raman) la energía es transferida de una señal a otra con una longitud de

onda de menor energía conocida como la onda de Stokes, con la perdida de energía siendo esta

absorbida por una vibración del medio [16].

2.1.1 Efecto Kerr

El efecto Kerr es el cambio de índice de refracción de un material bajo la influencia de un campo

eléctrico, y consiste en la dependencia del índice de refracción del medio con la intensidad de la

señal [2]. La fase depende de la intensidad del campo óptico y provoca distorsión por la

modulación cruzada, la auto-modulación de fase, el mezclado de cuatro ondas y la formación de

solitones. Dicho efecto puede ser expresado mediante

InnIn 20)(

donde:

n0 = índice de refracción lineal de la fibra

n2 = coeficiente no lineal

I = intensidad de la señal

(2.1)



2.2 SCATTERING RAMAN ESTIMULADO SRS (Stimulated Raman Scattering)

Se refiere a la interacción que sufren las señales ópticas con las vibraciones mecánicas

moleculares del material de la fibra. Esta interacción se da con un fotón que incide sobre una

molécula y le entrega parte de su energía a la vibración mecánica de la molécula. La porción de

energía que queda de la señal, es irradiada con una longitud de onda más larga que con la que

originalmente se produjo en el transmisor, debido a la energía que se perdió. Esto ocasiona una

reducción en su frecuencia óptica y por lo tanto un aumento en el ancho de banda. Este

desplazamiento de frecuencia coincide precisamente con la frecuencia de vibración de las

moléculas (llamada frecuencia de Stokes). Todo esto produce que “la potencia de los canales de

menor longitud de onda (frencias altas) se reduzca y que esta potencia se transfiera a los canales

de longitud de onda más largos (frecuencias bajas)”, como se muestra en la Figura 2.1 [3].

Figura 2.1. Transferencia de potencia de la señal en longitudes de onda menores a las mayores.

A esta transferencia de potencia se le conoce como bombeo. La eficiencia del proceso no lineal es

directamente proporcional a la potencia de bombeo, la longitud efectiva de la fibra y un

coeficiente de ganancia que depende del material, e inversamente proporcional al área efectiva de

la fibra.



El proceso puede ser estimulado por un segundo fotón que aparece en esta longitud de onda más

larga, de modo que el fotón incidente surge como dos de ellos. A este proceso se le llama

amplificación estimulada Raman.

El efecto SRS provoca el acoplo de canales diferentes en sistemas WDM separados en frecuencia

menos de 15 THz que se acoplarán entre sí por medio del SRS que da lugar a la diafonía

(crosstalk). Para unos cuantos canales, el límite de potencia decrece como 1/N (donde N=número

de canales) debido a que el espectro Raman es bastante ancho y las potencias de todos los canales

contribuyen al proceso de SRS. Conforme se añaden más canales, el ancho de banda óptico

ocupado aumenta y las interacciones entre canales resultan más significativas, decreciendo el

límite de potencia óptica como 1/2N, (donde N=número de canales) [2]. En la Figura 2.2 se

muestra el numero máximo de canales antes de que aparezcan los efectos no lineales en una

transmisión en la ventana de los 1550 nm, con una fibra que presenta un atenuación de 0.2 dB por

kilómetro, tiene un área efectiva de 50 μm2, y una longitud efectiva de 22 km.

1000

100

10

1

0.1

0.011 10 100 1000

Número de canales

Efecto de mezclado de cuatro ondas (FWM)

Efecto de Dispersión Estimulada de Brillouin (SBS)

Efecto de Dispersión Estimulada de Raman (SRS)

Efecto de modulación de fase cruzada (XPM)

Parámetros: λ= 1550 nmα= 0.2 dB/Km.Aeff=50 μm2

Leff=22 km

Figura 2.2. Potencia máxima por canal para evitar la influencia de distintos efectos no lineales.



2.2.1 Soluciones y mitigación del efecto

Una posible solución para eliminar estos efectos de diafonía consiste en el empleo de la técnica

de inversión espectral. La técnica de inversión espectral consiste en la conjugación de la señal

óptica ya que esta equivale a girar el espectro de modulación invirtiendo la fase de la señal y se

ha utilizado con éxito en la cancelación de la diafonía producida por SRS en redes WDM.

En sistemas unicanal, el espectro no deseado puede ser quitado con filtros. Sin embargo para

sistemas WDM aun no hay una técnica para eliminar este efecto. También se puede reducir éste

disminuyendo la potencia óptica de entrada.

2.3 SCATTERING BRILLOUIN ESTIMULADO SBS (Stimulated Brillouin Scattering)

Este efecto no lineal es muy similar al SRS a diferencia de que éste depende de las ondas sonoras

en lugar de las vibraciones moleculares. En este efecto interaccionan la onda luminosa y una

onda sonora. Las ondas sonoras en el cristal causan una variación en el índice de refracción. Este

efecto puede ser descrito como una interacción de tres ondas: entre la onda original óptica, la

onda acústica y la onda de Stokes [2]. Las tres ondas deben satisfacer la ley de conservación de la

energía y está descrita como:

aS pf20

donde:

ω0 = es la frecuencia angular de la onda óptica inyectada, y es llamada onda de bombeo.

ωs = es la frecuencia angular de la onda de stokes.

fa = la frecuencia de la onda acústica esta es aproximadamente 11.1 GHz en fibras convencionales

El ancho de banda del SBS en fibras de silicio, es de unos 20 - 100 MHz a 1550 nm. En este caso,

la máxima ganancia del SBS se producirá para láseres con anchos de línea inferiores a 20 MHz.

(2.2)



A diferencia del SRS, el cual puede actuar en ambas direcciones, el SBS se produce únicamente

en la dirección de propagación opuesta a la del bombeo, generando una onda reflejada hacia el

transmisor y provocando la atenuación de la potencia óptica inyectada. En el caso de fibras

estándar operando a 1550 nm la onda dispersada se encuentra desplazada con respecto a la onda

incidente una frecuencia de unos 11 GHz [7].

Con respecto al nivel de potencia óptica crítico para el cual el SBS degrada la calidad del sistema,

éste se encuentra en torno a los 3 mW considerando los parámetros típicos de la Figura 2.2. En

sistemas multicanal WDM puede demostrarse que cada canal óptico interactúa con la fibra

independientemente de los otros, por lo que la potencia crítica se mantiene constante aumentando

el número de canales del sistema. En la Figura 2.2 se representa precisamente este hecho. Por

último, conviene indicar que el SBS es bastante sensible al formato de modulación empleado.

Velocidades de modulación elevadas producen espectros ópticos anchos y una reducción de la

amplificación estimulada por Brillouin.

2.3.1 Soluciones y mitigación del efecto

El empleo de modulaciones PSK permite reducciones mayores que el uso de modulaciones ASK

o FSK. Para aumentar el nivel de potencia crítico del SBS en sistemas modulados en intensidad

suelen utilizarse técnicas de modulación de fase de la portadora óptica que no afectan al proceso

de detección directa. Un efecto beneficioso se obtendría empleando modulación directa frente a

modulación externa debido precisamente al chirp de frecuencia introducido en el transmisor

óptico que provoca un ensanchamiento del espectro de modulación. Con sistemas unicanal el

espectro no deseado puede ser eliminado con filtros. Sin embargo ninguna técnica ha eliminado

el efecto por completo en sistemas WDM. Los efectos pueden ser reducidos si se reduce la

potencia de entrada.



2.4 CHIRP

Un sistema de frecuencia modulada pulsada o chirping es un sistema de espectro ensanchado en

el que la portadora de radiofrecuencia se modula con un periodo fijo y una secuencia de trabajo

fijo. En otras palabra son los cambios rápidos de niveles de potencia que ocurren para

velocidades de transmisión aproximadas a 10 GHz pueden alterar ligeramente las características

del láser causando un cambio de frecuencia en la salida. El chirp de frecuencia puede limitar el

desempeño de sistemas que operan en 1550 nm. Al principio de cada pulso transmitido la

frecuencia de portadora se modula en frecuencia causando un ensanchado adicional.

El chirp aparece como una pequeña cantidad de ruido y como variaciones en la longitud de onda

dependiendo de la construcción del láser. El chirp puede ampliar el ancho espectral de un láser,

que resultaría en dispersión cromática. Este problema se puede superar usando fibras de

dispersión desplazada o empleando esquemas que compensan la dispersión. Estos chirp de

frecuencia pueden ser eliminados mediante el uso de moduladores externos, ya que una fuente de

luz, se encuentra en funcionamiento todo el tiempo [2].

2.5 AUTO-MODULACIÓN DE FASE SPM (Self-Phase Modulation)

Cuando el nivel de salida acoplado de una fuente de luz es demasiado alto la señal puede modular

su propia fase. Es decir, convierte las fluctuaciones de potencia óptica de una determinada onda

en fluctuaciones de fase de la misma onda [3].

Los fenómenos de SPM en fibras estándar se producen debido a la existencia de una componente

del índice de refracción dependiente de la intensidad de las señales ópticas (efecto Kerr). Esto

causa un ensanchamiento o compresión del pulso transmitido dependiendo del signo (ya sea

positivo o negativo) de la dispersión cromática. Esto causa una asimetría en los extremos de la



banda de la señal de salida, a longitudes de onda mayores en el inicio del borde de la señal, y a

longitudes de onda más cortas en el borde final del pulso [2].

La auto-modulación de fase aumenta con la potencia transmitida. Es más destructiva para tasas de

bit altas y tiempos de subida del pulso son más cortos. Generalmente este efecto es más

significativo en sistemas con alta dispersión acumulativa o sobre sistemas con longitudes muy

grandes. En sistemas WDM con canales muy juntos, el ensanchamiento espectral puede crear

interferencia entre los canales.

2.5.1 Soluciones y Mitigación del efecto

La auto-modulación de fase disminuye cuando el valor de la dispersión cromática es muy

pequeño o es cero; o con un aumento en el área eficaz de la fibra [3].

2.6 MEZCLADO DE CUATRO ONDAS FWM (Four-Wave Mixing)

La misma no linealidad que da lugar al índice de refracción no lineal participa también en el

proceso de mezclado de cuatro ondas en fibras ópticas monomodo [2]. Este proceso no lineal se

caracteriza por mezclados de tercer orden entre las portadoras ópticas que dan lugar a la aparición

de nuevas frecuencias a la salida del medio de transmisión. Considerando que se propagan dos

portadoras a frecuencias ópticas f1 y f2 por una misma fibra, el proceso no lineal generará dos

nuevas bandas laterales a frecuencias 2f1 - f2 y 2f2 - f1. Estas bandas laterales se propagarán junto

con las dos ondas iniciales aumentando su amplitud a expensas de la energía de las originales. De

forma similar, tres canales propagándose por la fibra darán lugar a la generación de nueve ondas

adicionales a frecuencias fijk = fi + fj - fk, donde i, j y k pueden ser 1, 2 ó 3. Estos nuevos productos

generados por FWM se muestran en la Figura 2.4. Si los canales se encuentran igualmente

espaciados, algunas de las nuevas ondas generadas tendrán frecuencias coincidentes con las de



los canales inyectados en la fibra. De la Figura 2.4 se desprende que las nuevas ondas generadas

por FWM degradarán considerablemente las prestaciones en sistemas WDM con gran número de

canales. Los efectos inmediatos serán una atenuación adicional de la potencia de los canales y

fenómenos de diafonía [3].

Figura 2.4. Productos de FWM generados por tres portadoras ópticas.

El FWM puede ocurrir cuando se propagan tres señales de frecuencia muy parecida (constantes

de propagación y velocidad similares) generando nuevas frecuencias (fenómeno similar a la

distorsión por intermodulación de los sistemas eléctricos). El mezclado de dos canales (ωi, ωj)

modula un tercer canal (ωk) con la frecuencia diferencia generando un nuevo tono lateral, ωk + ωi

- ωj. El problema del FWM en muy severo en sistemas WDM que utilizan fibras de dispersión

desplazada (DSF) ya que la ausencia de dispersión provoca que las ondas de frecuencia diferente

se propaguen con una velocidad de grupo muy similar. Y aun más en sistemas DWDM.

La eficiencia del proceso no lineal de FWM depende del espaciado de los canales y de la

dispersión de la fibra. Las velocidades de grupo de las ondas iniciales y generadas son distintas

como consecuencia de la dispersión cromática. Esto provoca la destrucción de la condición de



adaptación de fases del proceso de FWM y reduce la eficiencia de potencia en la generación de

nuevas ondas. La eficiencia del FWM decrece cuando aumenta la diferencia entre las velocidades

de grupo, por lo que valores de dispersión o separaciones entre canales mayores conducen a

menores eficiencias. En la Figura 2.5 se representan las curvas de eficiencia de FWM en función

de la separación entre canales y para dos valores distintos de dispersión cromática. De la figura se

deduce que el FWM es bastante más eficiente en fibras de dispersión desplazada (D = 1

ps/km·nm. Donde D es el valor de dispersión desplazada) que en fibras monomodo estándar

(Standard Single-Mode Fiber SSMF) operando a 1550 nm (D = 17 ps/km·nm). En general, los

efectos no lineales son mucho más eficientes en regiones de dispersión nula [2].

Figura 2.5. Eficiencia de FWM para dos tipos de fibra óptica.

De acuerdo con la Figura 2.5, un método para reducir las degradaciones introducidas por el FWM

en sistemas multicanal WDM consiste en emplear fibras dispersivas para conseguir aumentar la

desadaptación de fases del proceso no lineal. Sin embargo, dado que valores elevados de

dispersión cromática conducen a otro tipo de degradaciones, suelen emplearse las llamadas



NZDSFs (nearly zero dispersion-shifted fibers). Este tipo de fibras se caracterizan por valores de

dispersión suficientemente reducidos, pero no nulos, para evitar simultáneamente los efectos

dispersivos y no lineales. Finalmente, se ha demostrado que la técnica de inversión espectral

(conjugación óptica) también resulta válida para compensar las degradaciones producidas por

FWM.


Se puede mitigar el efecto con un espaciado de canal no uniforme, aunque la energía sigue

perdiéndose. En fibras monomodo se mitiga reduciendo la potencia de entrada y puede permitir la

operación multicanal pero puede comprometer las ventajas económicas de la amplificación

óptica. Una forma de evitar el FWM es utilizar fibras con una dispersión significativa.

2.7 MODULACIÓN DE FASE CRUZADA XPM (Cross Phase Modulation)

En sistemas que emplean modulación PSK la información se imprime digitalmente sobre la fase

de la portadora óptica (típicamente desplazamientos de +π/2 y -π/2 para representar los símbolos

lógicos "0" y "1"). Cualquier fuente de ruido de fase conducirá a una degradación en el

funcionamiento de dichos sistemas. Precisamente una no linealidad óptica que afecta solamente a

la fase de la señal que se propaga por la fibra es el índice de refracción no lineal, el cual da lugar

a una modulación de fase inducida por la portadora [9].

En sistemas WDM, por otro lado, la modulación de fase cruzada XPM, convierte las

fluctuaciones de potencia óptica de un determinado canal en fluctuaciones de fase en el resto de

canales. Para idénticos parámetros del sistema, el fenómeno no lineal de XPM es el doble de

eficiente que el SPM. Los fenómenos de SPM y XPM en fibras estándar se producen debido a la

existencia de una componente del índice de refracción dependiente de la intensidad de las señales



ópticas (efecto Kerr). En el caso del silicio se tiene un valor para este coeficiente de refracción no

lineal de 3x10-16 cm2/W. A pesar de su reducido valor, las elevadas longitudes de interacción

típicas de los enlaces ópticos magnifican estos efectos no lineales [3].

Las fluctuaciones de potencia en los láseres de InGaAsP son bastante pequeñas y aumentan de

forma aproximada con la raíz cuadrada de la potencia óptica. Incluso para potencias ópticas de

100 mW, las fluctuaciones de potencia son inferiores a 1 mW. Estos valores conducen a un ruido

de fase inferior a 0,04 radianes, el cual es considerablemente pequeño en sistemas con

modulación de fase (0,15 radianes de ruido de fase corresponden a una atenuación de potencia de

aproximadamente 0,5dB). En sistemas WDM, además del SPM se tiene XPM por fluctuaciones

de potencia en otros canales del espectro.

Aunque sólo se ha considerado el caso de modulaciones de fase para estimar la degradación que

producen los fenómenos no lineales de SPM y XPM, debemos tener en cuenta que estos efectos

también son significativos en sistemas con modulación de intensidad y detección directa. La

causante de ello es la propia dispersión cromática de la fibra, la cual provoca conversiones de

fase - intensidad con la consiguiente degradación a la salida del fotodetector. Para evitar estas

conversiones sería suficiente con utilizar fibras de dispersión desplazada, si bien debemos tener

en cuenta que estas fibras son más no lineales que las fibras estándar [3].


Puede ser controlado por la selección apropiada del espaciado entre canales en los sistemas

WDM y DWDM. Una separación de 100 GHz puede ser suficiente para reducir los efectos de

XPM en un sistema con 5mW de potencia por canal.



2.8 SOLITONES

Si de algún modo nosotros pudiéramos librarnos del scattering en una línea de fibra óptica y

operar alrededor del punto de mínima atenuación en la ventana 1550 nm transmitiendo a 10

Gbps, podríamos ampliar la distancia entre regeneradores a aproximadamente 1000 kilómetros.

Esto favorecería enormemente los enlaces submarinos. Esto puede ser posible con la generación

de solitones aprovechando los efectos no lineales de la fibra.

Un solitón es un pulso ultracorto7 que tiene la forma de una secante hiperbólica y que no cambia

su forma aun cuando atraviesa líneas de fibra muy largas. Esto es debido a la dispersión y a los

efectos no lineales de la fibra.

La palabra solitón fue usada por primera vez al describir ciertas ondas observadas en canales de

agua. En 1965 esto fue usado en pulsos en medios dispersivos no lineales que se comportan como

partículas, ya que ellos mantienen su forma aun en la presencia de perturbaciones. Los solitones

en la fibra óptica fueron estudiados por primera vez en 1973 por Hasegawa y Tapper, y

experimentalmente fueron observados en 1980 por Mollenauer, Stolen, y Gordon. Hoy en día

muchos esfuerzos de investigación han sido dedicados al estudio de los solitones y su uso en

sistemas de telecomunicación porque tienen un comportamiento peculiar de conservar su forma

durante la propagación. En esta sección se trata de dar a conocer el concepto de solitón y repasar

algunas de sus características principales.

2.8.1 Los solitones en la fibra y sus propiedades

La presencia de solitones en las fibras ópticas es el resultado de un equilibrio entre la dispersión

de velocidad de grupo (GVD) y la auto-modulación de fase (SPM). Como se vio en las secciones

7 Un pulso ultracorto tiene un periodo que esta dado en picosegundos y recientes investigaciones han revelado pulsos con tiempo de duración dado en femtosegundos.



anteriores la GVD ensancha pulsos ópticos durante su propagación dentro de la fibra excepto

cuando el pulso chirp [2].

Los pulsos con chirp pueden experimentar la contracción del pulso durante la primera etapa de

propagación siempre que el parámetro GVD resulte negativo. La SPM, siendo resultado de la

dependencia de la intensidad del índice de refracción, impone un chirp al pulso óptico. Es difícil

de imaginarse que en ciertas condiciones SPM y GVD pueden cooperar de tal modo que el chirp

de la SPM inducido puede perfectamente cancelar el ensanchamiento de GVD del pulso. El pulso

óptico entonces se propaga en forma de un solitón.

La expresión fundamental para describir al solitón fundamental (de primer orden) es:

( ) ( )s0, N sechU t t=

donde:

Ns = El orden del solitón.

τ = ancho del pulso.

sech(τ) = Es la función secante hiperbólica.

Esto es un pulso parecido a una campana cuyo ancho de 3 dB. En la Figura 6 se muestra la forma

de amplitud del solitón fundamental, donde es comparado con un pulso gaussiano de la misma

anchura.

(2.3)



Figura 6. Forma de Pulso del solitón fundamental (línea continua) y de un pulso gaussiano (línea

punteada) con la misma anchura de 3 dB.

Por la Ecuación 2.3, el solitón fundamental conserva su forma durante la propagación. La

ecuación no lineal Schrödinger describe matemáticamente los solitones dentro de las fibras

cuando se requiere la solución de la ecuación de onda en medios dispersivos no lineales.

Aa

AAigt

Ab

t

Aib

z

A

2622

3

33

2

22

Una característica importante del solitón fundamental es que esto es una solución estable de la

ecuación no lineal Schrödinger. Esto quiere decir que un solitón perturbado recobra su forma

inicial en su evolución a lo largo de una fibra.

(2.4)


Capítulo 3

SISTEMAS DE COMUNICACIONES ÓPTICAS POR SOLITÓN

Un sistema de comunicaciones ópticas es muy parecido a los otros sistemas de comunicaciones

en uso. La principal diferencia radica en la longitud de onda de la señal utilizada para transmitir

información. Entre más elevada sea la frecuencia de una onda electromagnética, mayor será la

cantidad de información que ésta pueda transmitir. Esta diferencia hace que su comportamiento

sea muy diferente, tanto en lo referente a sus propiedades de transmisión a través de cualquier

medio como al de los dispositivos capaces de generar y detectar el tipo de radiación empleada

[8]. La estructura más sencilla de clasificar estos sistemas consiste en un transmisor, un canal de

comunicación y un receptor; sin embargo, existen muchos otros componentes que deben ser

considerados para realmente poder hablar de un sistema de comunicaciones ópticas.

El propósito de este capítulo es presentar los conceptos básicos de estos dispositivos, poniendo un

interés especial en aquellos encargados de generar a los solitones (fuentes ópticas) y aquellos que

hacen posible su transmisión por la fibra óptica a grandes distancias (amplificadores ópticos). Al

final del capítulo se ilustran algunos de los experimentos que han conseguido notables resultados

en la transmisión por solitones.

Capítulo III. Sistemas de comunicaciones ópticas por solitón


3.1 DESCRIPCIÓN DE UN SISTEMA DE COMUNICACIONES ÓPTICAS

En la Figura 3.1 se muestra una configuración detallada de un enlace de comunicaciones ópticas

con sus elementos fundamentales [5].

Figura 3.1. Configuración general de un enlace de comunicaciones ópticas.

La misión del transmisor óptico consiste principalmente en la conversión de la señal de

información eléctrica que se desea transmitir a una señal óptica compatible con la fibra óptica.

Dicha conversión la realiza el elemento del transmisor conocido como fuente óptica. La

circuitería electrónica (driver) se encarga de suministrar la señal de alimentación y control que

requiere la fuente óptica; así como de ajustar los niveles y formato de la señal electrónica

generada por un equipo terminal de línea a los exigidos por dicha fuente.

Una vez que la señal óptica se ha inyectado en el medio de transmisión, son necesarios otros

dispositivos que realicen tareas de naturaleza auxiliar a las puramente relacionadas con su

transmisión, tales como división y suma de señales, filtrado, acoplamiento de potencia,



enrutamiento, conmutación, control del estado de polarización, aislamiento, línea de retardo, etc.

Esta necesidad se hace especialmente presente cuando una determinada tecnología de

comunicaciones evoluciona desde la implementación de sencillos sistemas, hasta redes de

comunicaciones más complejas [5].

La señal que se propaga a través de la fibra debe ser detectada y transformada en una señal

eléctrica, tanto si llega a un repetidor intermedio como si lo hace a su destino final. La parte del

receptor óptico está constituida por un fotodiodo (que convierte una señal óptica en eléctrica),

una etapa preamplificadora de bajo ruido y una parte electrónica final de proceso de la señal. El

fotodiodo es un diodo de semiconductor polarizado en inversa que transforma la señal óptica

presente a su entrada en corriente eléctrica a su salida. La potencia óptica se encuentra en banda

base, es decir, varía de acuerdo a la modulación y no a la frecuencia óptica. La corriente que

proporciona el detector es muy débil, por lo que debe amplificarse con preamplificadores

especiales, diseñados para trabajar con detectores ópticos. La señal amplificada se procesa

eléctricamente ya sea filtrándola, desmodulándola o regenerándola.

En la práctica, todos los transmisores y receptores ópticos incluyen en su terminación un pequeño

tramo de fibra óptica (de 1 a 2 m de longitud) denominado pigtail, que constituye su salida (en el

caso de los transmisores) o su entrada (en el caso de los receptores) y que permite acoplar la

fuente y el receptor de la luz a la fibra.

El canal de transmisión puede contener varias uniones entre fibras ópticas, pudiendo ser de tipo

provisional o removible, empleando un conector, o de tipo permanente, empleando un empalme

de fibra óptica. La primera opción se utiliza generalmente para conectar los transmisores o

receptores, mientras que la segunda se utiliza para unir tramos de fibra entre sí. En ambos casos,

para proceder a la unión, es necesario preparar los extremos de ambas fibras mediante procesos y

técnicas especiales, con el fin de evitar reflexiones de señal y scattering adicional que

incrementarían de forma notable las pérdidas de la unión.



La transmisión por fibra óptica engloba distancias que van desde unos pocos metros hasta miles

de kilómetros. Si, debido a diferentes causas (como la atenuación y la dispersión), la señal óptica

se degrada a lo largo de su transmisión de forma significativa, es preciso regenerarla [14].

Tradicionalmente esta función venía siendo realizada por los denominados repetidores

intermedios. Para regenerar la señal óptica procedente de la fibra, es preciso realizar primero una

conversión optoeléctrica, en la que la señal pasa primero por un receptor óptico para ser

transformada en señal eléctrica. Una vez que se dispone de la señal eléctrica, ésta pasa por una

etapa electrónica de procesado de señal que realiza una serie de operaciones que engloban a la

restauración de potencia, la restauración de su forma temporal y la resincronización. Una vez

realizadas dichas funciones, la señal regenerada se vuelve a convertir en señal óptica por medio

de un transmisor, y se envía a la siguiente etapa del enlace. Los repetidores electrónicos presentan

una serie de inconvenientes. En primer lugar, son caros, ya que deben incluir un transmisor y un

receptor óptico de calidad igual a la de los equipos terminales del enlace, además de una parte

electrónica de procesado de señal, generalmente de alta frecuencia. En segundo lugar, y quizás

más importante, son poco flexibles, ya que están diseñados para operar a una máxima frecuencia

de señal (generalmente impuesta por la parte electrónica), de manera que, para incrementar la

velocidad de transmisión de un enlace, se deben modificar todos los repetidores. En tercer lugar,

no son transparentes al formato de la señal, y se requiere de configuraciones diferentes si se trata

de señales analógicas o digitales. En cuarto lugar, no se aprovecha el potencial ancho de banda de

una fibra óptica al hacer que algunas etapas de la transmisión sean puramente electrónicas. Para

evitar estos inconvenientes, es necesario disponer de un repetidor óptico sin necesidad de

convertir la señal óptica a eléctrica. Esta función de restauración de potencia puede conseguirse

haciendo uso de los amplificadores puramente ópticos, lo que redunda en una mejora

significativa de la transmisión. El hecho de que la amplificación puede hacerse, al mismo tiempo,

sobre señales con diferentes longitudes de onda sin necesidad de separarlas previamente, ha dado

lugar al desarrollo posterior de los sistemas de multicanalización por longitud de onda WDM que

son la base de las comunicaciones ópticas de los últimos años [11].



3.2 TRANSMISIÓN DE INFORMACIÓN POR SOLITONES

En un sistema que utiliza a la fibra óptica como medio de transmisión, la información se

transmite (en forma analógica o digital) por la luz que se propaga en la fibra. En el primer caso,

se modula la intensidad (cantidad) de luz que se inyecta en la fibra. En la transmisión digital o

numérica, la luz se emite en forma de pulsos de corta duración. Un método de modulación

frecuentemente utilizado en comunicaciones ópticas es el denominado on-off keying (OOK) [10],

por el que un 1 lógico se codifica por la presencia de luz en el intervalo de bit correspondiente,

mientras que un 0 lógico está representado por la ausencia de luz en dicho intervalo de bit. La

información, codificada bajo formas de pulsos luminosos, puede ser transmitida de esta manera.

El sistema de comunicaciones es más eficiente cuanto mayor sea la cantidad de información que

pueda transmitirse a gran distancia. Es por ello que el estudio de los solitones se ha vuelto muy

interesante dentro de las comunicaciones ópticas. Sin embargo, su uso requiere de importantes

cambios comparados con sistemas convencionales que no son por solitón.

El primer paso para el diseño de un sistema de comunicaciones ópticas es decidir cómo la señal

eléctrica será convertida en una cadena óptica de bits. Generalmente, la salida de una fuente

óptica se modula aplicando la señal eléctrica ya sea directamente a la fuente óptica o a un

modulador externo. Existen dos formatos de modulación diferentes para generar una cadena

óptica de bits, mostrados en la Figura 3.2 [2]. En el formato de retorno a cero (RZ), cada pulso

óptico representado por un bit 1 es más pequeño que el intervalo de un bit, y su amplitud regresa

a cero antes de que la duración del bit termine. En el formato de no retorno a cero (NRZ), el

pulso óptico permanece a lo largo del intervalo de bit y su amplitud no regresa a cero entre dos o

más bits 1 sucesivos. Comúnmente se usa el formato NRZ debido a que el ancho de banda de la

señal es más pequeño (alrededor del 50%) comparado con el formato RZ. Sin embargo, el

formato NRZ no puede ser empleado cuando los solitones se usan como bits de información;

debido a que el ancho del pulso debe ser de una pequeña fracción de la duración del bit para

asegurarse que los solitones vecinos se encuentran a una distancia adecuada.



Figura 3.2. Cadena de bits 010110… codificada usando el formato (a) RZ y (b) NRZ.

La Figura 3.3 muestra una cadena de bits por solitón en formato RZ. El espaciamiento típico

entre solitones es superior a cuatro veces su ancho completo a medio máximo (FWHM8).

Figura 3.3. Cadena de bits por solitón en formato RZ.

3.1.1 Interacción entre solitones

Por razones prácticas, se debe tratar de comprimir a los solitones tanto como nos sea posible. Sin

embargo, la presencia de pulsos vecinos perturba a los solitones simplemente porque el campo

óptico combinado no es una solución de la ecuación no lineal de Schroedinger. Una manera de

8 La relación que existe entre la potencia pico del pulso y el ancho del pulso se conoce como ancho completo a medio máximo FWHM (full width at half‐maximum). FWHM es el ancho espectral en nanómetros (nm) de una fuente óptica a la mitad del nivel pico de potencia óptica.



evitar este fenómeno consiste en incrementar la separación entre solitones, ya que la fuerza de

interacción depende de este espaciamiento. Para una distancia lo suficientemente grande, se

espera que las desviaciones en la posición de los solitones sean lo bastante pequeñas para que el

solitón permanezca en su posición inicial dentro de la ranura de tiempo durante toda la distancia

de transmisión. Este espaciamiento además, limita la velocidad de transmisión de un sistema de

comunicaciones por solitón. El espaciamiento puede ser disminuido en un factor de dos usando

amplitudes desiguales para los solitones vecinos; ya que pequeñas variaciones en la potencia pico

no perjudican que los solitones se conserven. La interacción entre solitones puede también ser

modificada por el chirp de frecuencia que se genera en los pulsos de entrada [2].

3.3 FUENTES ÓPTICAS

Aunque existen diferentes materiales y tecnologías posibles para la fabricación de fuentes

ópticas, diversas condiciones, como la banda de frecuencias o longitudes de onda en las que se

desea transmitir, la compatibilidad de dimensiones del área de emisión con las de la fibra óptica,

la posibilidad de modulación a muy altas velocidades, la facilidad y el bajo costo de fabricación;

hacen que las fuentes ópticas de semiconductor sean la alternativa más apropiada.

Las fuentes ópticas de semiconductor pueden asociarse en dos grandes grupos [4]. Por una parte,

se encuentran aquellas que generan luz mediante el mecanismo de emisión espontánea. Este tipo

de fuentes, denominadas diodos electroluminiscentes o LEDs, son generalmente de bajo costo. Se

caracterizan por su gran ancho espectral en ausencia de modulación y su relativa ineficiencia de

acoplo de potencia a la fibra óptica, lo que las hace únicamente apropiadas para aplicaciones de

corta distancia y velocidades de transmisión pequeñas en las que se emplea fibra multimodo

como medio de transmisión.

Para aplicaciones que soportan altas velocidades de modulación y/o grandes distancias, como es

el caso de los solitones, es preciso disponer de una fuente óptica de gran pureza espectral para no

sufrir restricciones importantes debido a la dispersión cromática, y que además sea capaz de



acoplar una gran cantidad de potencia óptica en el núcleo de una fibra monomodo. Estas fuentes

son los láseres de semiconductor, que constituyen el segundo grupo de las fuentes para

comunicaciones ópticas. Estos dispositivos funcionan como osciladores ópticos, donde el

mecanismo de amplificación es debido a la emisión estimulada y la realimentación viene

determinada por la propia estructura del dispositivo. Son en consecuencia fuentes emisoras de luz

coherente, es decir, monocromática (ancho espectral muy pequeño) y muy directiva.

Hay que decir en primer lugar que, debido a los requisitos impuestos por las fibras que van a ser

empleadas y por los enlaces que se van a efectuar dentro de un sistema de comunicaciones

ópticas por solitones, hay una serie de condiciones que el emisor de luz debe cumplir. Entre las

más importantes encontramos:

o Pequeño ancho espectral del pico de emisión, con el fin de limitar la dispersión cromática de

la fibra.

o Capacidad de ser modulado hasta frecuencias muy por encima de los GHz.

o Tener un tiempo rápido de respuesta.

Las dos diferencias más significativas que existen entre un led y un diodo láser se muestran en la

Figura 3.4 [11]. En ella se comparan la forma de línea de emisión de ambos y la potencia óptica

de salida, en función de la corriente eléctrica aplicada. Como se aprecia, el espectro emitido por

el led es, al menos, diez veces más ancho que el de un láser. Este hecho implica que para la

transmisión por solitones, un led no será válido. Por lo que en este trabajo nos enfocaremos

solamente a las características de funcionamiento y a las configuraciones de los diodos láser.



Figura 3.4. Comparación entre el comportamiento de un láser de semiconductor y un led.

3.3.1 Emisión de luz

En condiciones normales, la mayoría de los materiales absorben luz en vez de emitirla. El

proceso de absorción se observa en la Figura 3.5, donde los niveles de energía E1 y E2

corresponden al estado de reposo y al estado de excitación de los átomos de un medio absorbente.

Si la energía del fotón9 (E) es casi la misma que la diferencia de energía E2-E1; el fotón es

absorbido por el átomo y termina en el estado de excitación. Como resultado, la luz incidente es

atenuada. Los átomos excitados eventualmente regresan a su estado normal de reposo emitiendo

luz en el proceso. Esta emisión de luz puede ocurrir mediante dos procesos fundamentales

conocidos como emisión espontánea y emisión estimulada, también mostrados en la Figura 3.5

[10]. En el caso de emisión espontánea, los fotones son emitidos en diferentes direcciones y no

existe relación de fase entre ellos. Por el contrario, la emisión estimulada se inicia por un fotón ya

existente que llega mientras el átomo está excitado, provocando instantáneamente el regreso del

electrón hacia el estado de reposo y la emisión de un nuevo fotón. El fotón emitido no sólo

coincide en energía (o en frecuencia) con el fotón que provocó la transición, sino también en sus

9 La energía de un fotón E depende solo de su frecuencia v y están relacionadas mediante E=hv, donde h es la constante de Planck (h=6.626x10‐34 J.s).



otras características como dirección de propagación y fase. Hay amplificación de luz puesto que a

partir de un fotón se obtienen dos. Es el efecto láser.

Figura 3.5. Tres procesos fundamentales ocurren entre los dos estados de energía de un átomo: (a)

absorción, (b) emisión espontánea y (c) emisión estmulada.

En un semiconductor intrínseco, esto es, un semiconductor en el que no existe ningún tipo de

impurezas adicionales de otros elementos, estos procesos, en lugar de producirse entre niveles de

energía, se producen entre dos bandas de energía, Figura 3.6 [2]. El nivel fundamental

corresponde a la banda de valencia Ev, mientras que el nivel excitado corresponde a la banda de

conducción Ec. La emisión estimulada sólo se provoca si hay más átomos en la banda de

conducción que en la de valencia. Este no es un estado normal y se dice que hay inversión de

población, realizada por la operación de bombeo que consiste, para un semiconductor, en poner

suficientes electrones en la banda de conducción.

Figura 3.6. Los electrones en la banda de conducción y los huecos en la banda de valencia pueden

recombinarse y emitir un fotón mediante emisión espontánea o emisión estimulada.



Para que el efecto láser pueda producirse en el semiconductor es necesario producir esta

inversión de población (bombeo) y disponer de una cavidad resonante para que exista

amplificación (realimentación). La cavidad resonante sirve para amplificar ciertos modos a fin de

obtener emisión monocromática. Si en el medio en el que se encuentra la cavidad existe inversión

de población, los fotones generan otros fotones en fase durante cada travesía. Así es como se

realiza la amplificación de la luz, como indica la palabra láser (light amplification by stimulated

emission of radiation).

La forma más natural de obtener inversión de población en un material semiconductor, es

mediante la inyección de corriente en una unión10 p-n. Así, la generación de la luz es el resultado

de un proceso de recombinación radiativa entre los electrones de la banda de conducción y los

huecos de la banda de valencia (Figura 3.7) [10]. Para favorecer la generación de la luz en alguna

de las dos zonas se suele dopar de forma asimétrica con impurezas que sean capaces, una vez

introducidas en el material, de aportar electrones o de originar huecos. Por ejemplo, si la zona p

se dopa más que la n, es mayoritaria la difusión de huecos y por lo tanto la generación de la luz se

produce predominantemente en la zona n de la unión.

Figura 3.7. Unión p-n bajo la aplicación de una tensión directa.

10 Es la unión de un semiconductor tipo p con uno tipo n, que se consiguen dopando a un semiconductor intrínseco con impurezas cuyos átomos tengan un sobrante (para el tipo n) o un faltante (para el tipo p) de electrones en su última capa respectivamente.



3.3.2 Tipos de diodo láser

Actualmente se fabrican láseres para 850 nm y otros para 1300-1550 nm a base de aleaciones de

semiconductores de los grupos III y V de la tabla periódica. Las estructuras más habituales

corresponden, en principio, a las representadas en la Figura 3.8 [14], y son:

o Láseres de homounión. Se trata de una configuración que posee un mismo tipo de material

semiconductor (a base de aseniuro de galio, GaAs) a ambos lados de la unión y en la que la

única diferencia es el tipo de dopaje que tienen. Sus dimensiones típicas son muy reducidas y

no se requiere de un mecanismo adicional para el bombeo, una vez aplicada una tensión

directa, habrá inversión de población y, consecuentemente, generación de luz. Una sucesión

de pulsos eléctricos se traducirá en una sucesión análoga de pulsos ópticos. La configuración

de la cavidad resonante se realiza en estos dispositivos simplemente por pulido de dos caras

opuestas del monocristal de GaAs, dejando los otros lados con cierta rugosidad de forma que

no puedan actuar como espejos, suprimiendo otras posibles oscilaciones en direcciones no

deseadas.

o Láseres de heterounión. El dispositivo ya no está fabricado a partir de un único material, el

GaAs, sino que ahora aparecen también compuestos de GaAlAs. La capa activa, esto es,

donde se produce la emisión, es la zona de GaAs que tiene un espesor entre 0.1 y 0.3 μm. Las

otras dos capas pasan ahora a cumplir unas funciones específicas diferentes ajenas a las

puramente eléctricas de la unión debido a los índices de refracción de los componentes

usados. Con ello, si la luz se ha generado en la capa activa, aparece un efecto de guiado,

similar al que tiene lugar en el núcleo de las fibras ópticas, quedando confinada la radiación

óptica en esta zona, que es donde puede producirse ganancia. Queda ahora hacer una

aclaración con respecto a la longitud de onda de la radiación emitida por estos compuestos.

En el caso de los compuestos GaAlAs, esta longitud de onda se encuentra entre 670 y 870

nm, bastante alejada de las zonas de interés actual en comunicaciones ópticas (segunda y

tercer ventana). Para llegar a valores más altos es preciso acudir a otro tipo de compuestos

basados en el sistema InP que puede ya cubrir el margen de 920 a 1670 nm.



Figura 3.8. Estructuras habituales y variación del índice de refracción para un diodo láser de

homounión, de heterounión simple y de heterounión doble.

3.3.2.1 Láser Fabry-Perot

Una manera sencilla de proporcionar la realimentación requerida por un láser es mediante una

cavidad Fabry- Perot [11]. En esta estructura (Figura 3.9), una onda óptica incidente sufre

sucesivas reflexiones entre los espejos que forman la cavidad, de manera que la onda resultante a

la salida está formada por la interferencia múltiple de aquellas ondas que van saliendo de la

cavidad después de cada travesía. Así es como se realiza la amplificación de la luz. Una parte de

la luz puede ser emitida hacia el exterior si los espejos poseen una cubierta anti-reflejante; la luz

sale entonces, y sigue el eje de la cavidad resonante. La emisión resultante es muy directiva.

Figura 3.9. Cavidad resonante Fabry-Perot



El láser de Fabry-Perot (FP) permite un patrón de radiación multimodo como el ilustrado en la

Figura 3.10 [3]. Podemos observar que la salida de un láser FP tiene una línea espectral

dominante en la longitud de onda deseada y líneas secundarias con amplitudes menores separadas

alrededor de 1 nm. A pesar de que la potencia total de salida es relativamente estable, pueden

existir variaciones en la potencia de cada modo individual. Este fenómeno, que se conoce como

particionamiento de modos, incrementa el ruido en la señal de salida cuando se transmite sobre

fibra con dispersión cromática, limita el alcance en sistemas que operan a velocidades superiores

a cientos de Mb/s en fibras con bajas pérdidas y se ve afectado por pequeñas reflexiones de luz

que regresan al láser debidas a fuentes externas (como conectores).

Figura 3.10. Espectro de emisión de un láser Fabry-Perot en 1300 nm.

3.3.2.2 Láser monomodo

En enlaces de larga distancia, las condiciones impuestas por la dispersión son muy críticas; por lo

que se han propuesto diversas modificaciones al láser Fabry-Perot para que se emita un único

modo. Se debe tratar entonces de reducir al máximo el ancho espectral de la fuente. Existen

diferentes maneras de conseguirlo.

Una de ellas es utilizando láseres de cavidad externa que contienen elementos selectivos de

longitud de onda, aunque suelen ser muy voluminosos. Los láseres monomodo están diseñados

para que las pérdidas de cavidad sean distintas para los diferentes modos longitudinales de la

cavidad, y de este modo, el modo longitudinal con las pérdidas por cavidad más pequeñas se

convierta en el modo dominante [3].



Los láseres de cavidad acoplada, están compuestos por dos cavidades, que podrían considerarse

como independientes una de la otra, capaces de interactuar ópticamente de manera aislada. Las

dos cavidades formadas son, por la forma en la que han sido realizadas, del tipo clásico de Fabry-

Perot. Estas fuentes poseen características variables de funcionamiento que permiten la variación

de la longitud de onda a la salida, por lo que se emplean en aplicaciones tales como la

multicanalización por longitud de onda [11]. En este tipo de láser, la luz se acopla a una cavidad

externa y una porción de la luz reflejada es realimentada en la cavidad del láser. No es necesario

que la realimentación de la cavidad externa se encuentre en fase con el campo óptico dentro de la

cavidad del láser debido a que los cambios de fase ocurren en la cavidad externa. Esta

realimentación en fase sucede solamente para los modos que tienen una longitud de onda cercana

a la longitud del modo dominante de la cavidad externa [2].

Finalmente, los láseres de emisión por superficie de cavidad vertical o VCSEL, se caracterizan

porque la emisión de luz es en dirección perpendicular al plano de la unión p-n en lugar de

propagarse a lo largo de la zona activa de forma paralela al plano de unión p-n. Debido a esto, la

longitud de la cavidad es mucho más reducida (< 10 μm) con lo que la separación entre las

frecuencias propias del resonador es muy elevada, garantizándose de esta forma la operación

como láser monomodo. Al ser el resonador de tipo cilíndrico, el patrón modal de campo generado

es aproximadamente circular y al ser su emisión superficial, el acoplo de potencia a la fibra es

muy sencillo. Este tipo de láseres también se utilizan en sistemas WDM [4].

Hasta este momento, se han presentado una serie de posibilidades que presentan algunas

características muy cercanas a las que buscamos para nuestra fuente óptica. A continuación, se

verán otras que también se aproximan a este objetivo planteado, y que se han utilizado con mayor

frecuencia en algunos de los experimentos más significativos para la transmisión de solitones

ópticos.



3.3.2.3 Láser de realimentación distribuida (DFB)

Desde el punto de vista de operación del dispositivo, los láseres de semiconductor que utilizan el

mecanismo de realimentación distribuida se pueden clasificar en dos grupos: láseres DFB y

láseres de reflexión de Bragg distribuida DBR (distributed Bragg reflector). La estructura de

ambos láseres aparece en la Figura 3.11 [2].

Figura 3.11. Estructuras de láser DFB y DBR.

La realimentación en un láser DFB (distributed feedback laser), como su nombre lo indica, se

realiza de manera continua a lo largo de toda una determinada zona del láser. La manera de

conseguir la realimentación ya no consiste en los espejos que formaban la cavidad de Fabry-

Perot, sino ahora es mediante una rejilla de difracción de Bragg11 localizada en la región activa

del dispositivo. Toda rejilla de difracción tiene unas características de trabajo que dependen de la

relación existente entre la longitud de onda de la luz que incide sobre ella y del tamaño de los

surcos que forman la rejilla. Para unos ciertos valores de ambos parámetros, sólo una parte de la

radiación incidente puede ser reflejada, con lo que se obtiene así un fenómeno de avance y

retroceso simultáneo en la onda. Si al mismo tiempo que se produce este hecho, tiene lugar

11 Una rejilla de difracción de Braga, en un medio material, se configura mediante la variación periódica de su índice de refracción a través de diferentes mecanismos. En algunos casos esta estructura que se forma puede ser estable, configurando un dispositivo con unas características determinadas, y en otros, puede ser formado de forma temporal y alterar sus propiedades según una señal externa.



también el de la emisión estimulada, se habrá conseguido una realimentación distribuida [11]. El

láser DFB lleva incorporado elementos selectivos de longitud de onda, que separan dos de las

capas de la estructura del láser, lo que provoca una variación periódica del índice de refracción.

Al variar este índice, se refleja una parte de la potencia óptica, con lo que se ven favorecidas unas

longitudes de onda con respecto a otras. Aquellas que interfieran de modo que estén en fase, se

verán reforzadas y escaparán de la zona activa.

Un láser DFB puede ser desestabilizado por pequeñas cantidades de realimentación de la luz

(incluso menores al 1%) que pueden afectar el desempeño del sistema. Esta realimentación puede

reducirse usando capas antireflejantes, cortes angulares en el extremo de la fibra o instalando

aisladores entre el láser y el conector de fibra.

Para asegurar un óptimo desempeño de un láser DFB, se le agregan diversos componentes como

fotodiodos PIN para monitorear su salida, dispositivos de calentamiento o enfriadores

termoeléctricos para controlar la temperatura de la unión del láser y circuitos de realimentación

para controlar y mantener la frecuencia deseada. El principal objetivo de un láser de este tipo es

atenuar los modos subsidiarios y obtener la potencia máxima en el modo dominante (con

diferencias de nivel de 20 dB), para transmitir una señal de luz con un ancho espectral muy

angosto (menor a 0.1 nm); lo que la convierte en la fuente óptica con el menor ancho espectral de

todos los tipos de láseres en el mercado, resultando en un láser costoso [3]. Fue desarrollado

durante la década de los ochentas y es utilizado en sistemas WDM.

El láser DBR es similar al láser Fabry-Perot, con la diferencia de que incorpora espejos selectivos

en frecuencia implementados por medio de reflectores de Bragg a ambos lados de la cavidad. En

este tipo de láseres, la realimentación sigue siendo continua, pero no tiene lugar ya al mismo

tiempo que tiene lugar la emisión estimulada. Ambas regiones se encuentran separadas

físicamente y cada fenómeno tiene lugar de manera aislada.



3.3.2.3.1 Láser DFB con modulador externo

Las fuentes ópticas anteriores funcionan a base de modulación directa, que consiste básicamente

en ‘prender’ y ‘apagar’ el láser para representar al bit 1 o al bit 0. Otra manera de modulación

consiste en usar un modulador externo, el cual se coloca en la interfaz de salida entre la fuente

láser de la onda portadora y el cable de fibra. Un modulador óptico actúa como una compuerta.

La compuerta se cierra para un 0 binario y se abre para un 1 binario. Ambos conceptos de

modulación se presentan en la Figura 3.12 [3].

Figura 3.12. Concepto de una fuente óptica utilizando (a) modulación directa y (b) un modulador externo.

Los moduladores ópticos se encuentran diseñados para controlar la cantidad de potencia óptica

transmitida a la fibra y reducir el ensanchamiento del pulso a causa del chirp. El desempeño de

este tipo de moduladores se mide a partir de su tasa de extinción12 y su ancho de banda de

modulación. La modulación externa consiste en hacer pasar la onda luminosa por una guía de

onda que al aplicar un voltaje externo varía sus propiedades refractivas y se altera la fase de la

onda, con lo cual se puede modular la fase de la misma, todo sin manipular la fuente luminosa.

12 La tasa de extinción de un sistema se define como la relación entre la potencia transmitida cuando se envía un 1 lógico y la potencia transmitida cuando se envía un 0 lógico. En un sistema ideal, sin ruido, este valor sería infinito.



El modulador Mach-Zehnder (MZ) es un tipo de interferómetro que hace uso del material

LiNbO3 y esquemas que aprovechan el fenómeno del mezclado de cuatro ondas. El índice de

refracción de materiales de este tipo puede variarse aprovechando el efecto Kerr que ocurre al

inducirse un campo eléctrico, obteniendo tasas de extinción superior a 20 (13 dB) y un ancho de

banda de modulación de 75 Gb/s. En los moduladores de electroabsorción, una capa transparente

de semiconductor absorbe luz cuando se aplica un voltaje externo permitiendo una tasa de

extinción de 15 dB o superior y un ancho de banda de modulación entre 20 y 60 Gb/s [3].

3.3.2.3.2 Láser DFB sintonizabe

La longitud de onda (o si se prefiere la frecuencia) puede cambiarse si se modifica la temperatura

de un medio mediante cambios en la corriente o a través de controladores de temperatura. Estos

controladores modifican el índice de refracción de los materiales con los que se fabrica un láser,

para que sea capaz de generar un ancho espectral pequeño a la salida. El rango de sintonización

de un láser DFB está limitado a aproximadamente 5 nm, y si la temperatura de sintonización se

incrementa, la eficiencia en la potencia de salida del láser disminuye. Utilizando comúnmente

tres de estos dispositivos acoplados a una sola salida, se puede mejorar el rango de sintonización

[3].

3.3.2.4 Láser de pozos cuánticos múltiples

Son láseres que poseen una zona activa llamada pozo cuántico13 en la que, mediante el control

adecuado de crecimiento del cristal en fase de fabricación, se consigue forzar a los electrones a

cambiar su comportamiento, reduciendo la constante de tiempo del sistema, la fluctuación de la

longitud de onda y la corriente de umbral, mejorando notablemente la potencia de emisión y el

efecto chirp con relación a los del tipo Fabry-Perot. Como modelo simplificado para ver su

funcionamiento se suele tomar la estructura de pozo cuántico más sencilla (Figura 3.13) en la que

13 Una estructura semiconductora se designa de pozo cuántico cuando las dimensiones de las zonas en las que se ve confinado el movimiento de electrones y huecos, son como máximo, del orden de 50 nm.



los electrones se encuentran en libertad para moverse en cualquier dirección paralela a la

heterounión y sólo encuentran impedimento para hacerlo de manera perpendicular. Esta

configuración es la más sencilla posible, pero la situación más usual, es la de situar varias de

ellas, una al lado de otra y configurando una especie de apilado de capas cuánticas, consiguiendo

así, un pozo cuántico múltiple MQW [11].

Figura 3.13. Estructura y dimensiones típicas correspondientes a un láser de pozo cuántico.

La adopción de este tipo de estructuras en la fabricación de diodos láser reporta, entre otras, las

siguientes ventajas: incremento en la ganancia y reducción de la corriente umbral de oscilación,

mayores frecuencias de modulación (por encima de 20 GHz), reducción del chirp de frecuencia,

así como del ancho espectral.

3.3.2.5 Láser de solitón

Cuando se pretende generar pulsos extremadamente angostos (como los solitones), se corre el

riesgo de que una gran cantidad de la energía del pulso no se comprima y permanezca en forma

de colas de energía alrededor de la punta central del pulso. El láser de solitón representa una

manera de obtener pulsos ultra cortos sin necesidad de enfrentarse a esa limitación [1].

Como se muestra en la Figura 3.14, el láser de solitón consiste en dos cavidades: la cavidad

principal y la cavidad que contiene a la fibra, llamada cavidad de control. Ambas cavidades se

encuentran acopladas mediante un espejo en común. La cavidad principal corresponde a un



bombeo sincronizado del láser, continuamente sintonizable de banda ancha centrado en λ ≈ 1500

nm. Sin la cavidad de control, el láser produce pulsos con un ancho igual o superior a 8 ps. Una

fracción controlada de la energía del pulso de salida viaja alrededor de la cavidad de control

donde la fibra comprime el pulso y lo envía de regreso a la cavidad principal, generando pulsos

más angostos. De este modo, se comprimen sucesivamente los pulsos en la fibra hasta que se

convierten en solitones, y la operación del láser se vuelve estable. Una exitosa respuesta de

ambas cavidades requiere que el pulso que regresa de la cavidad de control posea una fase

correcta con respecto a los pulsos que circulan por la cavidad principal. Este láser de solitón

emite una cadena de pulsos que son muy uniformes entre sí (alto y ancho). Podemos decir,

entonces, que el límite en la producción de pulsos ultra cortos en un láser por solitón se encuentra

dado por las propiedades de dispersión de la fibra en la cavidad de control. Uno de los pulsos más

cortos (60 fs FWHM) generados directamente por el láser de solitón se obtiene utilizando una

fibra de dispersión aplanada especial en la cavidad de control, con D = 0 en dos longitudes de

onda, 1370 y 1620 nm.

Figura 3.14. Representación esquemática de un láser de solitón.



3.3.3 Láseres utilizados en la transmisión de solitones

Los sistemas de comunicaciones por solitón necesitan de una fuente óptica capaz de generar

pulsos libres de chirp del orden de picosegundos, con una forma lo más cercana a una secante

hiperbólica (sech) y con altas tasas de repetición determinadas por la frecuencia de modulación.

La fuente debe operar en la región de longitudes de onda cercana a 1550 nm, ya que en esa región

son mínimas las pérdidas en la fibra y los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) son

usados para compensarlas.

Experimentos recientes para la transmisión por solitones usan la técnica de ganancia conmutada

para generar pulsos ópticos con una duración de 20 a 30 ps. Estos pulsos son amplificados

simultáneamente y comprimidos dentro de un EDFA después de haber pasado a través de un

filtro óptico de banda angosta; siendo posible generar pulsos ópticos de 17 ps de ancho casi libres

de chirp, y con tasas de repetición en el rango de 6-24 GHz.

Para comunicaciones por solitón se prefiere usar el láser de modos enclavados en fase ya que el

tren de pulsos emitidos por este tipo de láser esta casi libre de chirp. La técnica de modos

enclavados en fase se usa generalmente modulando el láser con una frecuencia igual a la

diferencia de frecuencia que existe entre los dos modos longitudinales vecinos. Sin embargo, la

mayoría de los láser de semiconductor usan una pequeña cavidad (menor a 0.5 mm) que resulta

en una frecuencia de modulación de más de 50 GHz. Una configuración con cavidad externa se

usa para incrementar la longitud de la cavidad y reducir la frecuencia de modulación. Un láser de

semiconductor con cavidad de 4 mm de largo puede generar un tren de pulsos de 10 GHz. Un

láser DBR ha generado pulsos de 3.5 ps a tasas de repetición de 40 GHz. Un modulador de

electroabsorción, combinado con un láser semiconductor, puede generar un tren de pulsos libres

de chirp con duración de 10 a 20 ps a una tasa de repetición de 20 GHz. En 1996, la tasa de

repetición de láseres con modulador integrado pudo incrementarse a 50 GHz. Un modulador de

pozos cuánticos múltiples también se puede utilizar para generar un adecuado tren de pulsos en la

transmisión por solitón. Los láseres de modos enclavados en fase son otra alternativa aunque

necesiten un láser de semiconductor para el bombeo y un modulador con cavidad interna LiNbO3.



La Figura 3.15 muestra el diseño de una fuente de pequeños pulsos ópticos. El uso de una rejilla

genera estabilidad en la longitud de onda (alrededor de 0.1 nm), además de ofrecer un mecanismo

auto-sintonizable que permite modos enclavados en un amplio rango de frecuencias de

modulación. Se usa un calentador termoeléctrico (TE) para sintonizar la longitud de onda de

operación en un rango de 6-8 nm cambiando la longitud de onda asociada con la rejilla. Esta

fuente genera pulsos con la forma de solitón de 12-18 ps de ancho, con tasas de repetición de

hasta 40 GHz y puede ser utilizada para velocidades de transmisión de 40 Gb/s [2].

Figura 3.15. Diagrama del (a) dispositivo y (b) el empaquetado de una fuente de pulsos de solitón.

Por otro lado, la formación de pulsos no lineales en una fibra de dispersión desplazada se usa

para generar un tren de pulsos ultracorto. La idea básica consiste en inyectar un haz en operación

de onda continua o CW (continuous-wave) con una modulación senoidal débil en la fibra. La

combinación de la GVD, la SPM y la disminución de la dispersión, transforma la señal modulada

senoidalmente en un tren de pulsos ultra cortos. La tasa de repetición de estos pulsos depende de

la frecuencia de modulación senoidal inicial. Para este propósito se utilizan dos láseres DFB [2].



3.4 DETECTORES ÓPTICOS

El detector convierte la señal óptica que procede de la fibra en señal eléctrica como primera parte

del proceso de recepción; a continuación, la señal se regenera, bien para llevarla a un equipo

terminal o para ser incorporada a la siguiente etapa de un repetidor óptico. Los sistemas que

operan actualmente incorporan la detección directa de una señal que moduló en intensidad a la

portadora de la fuente láser; el detector se limita a obtener una corriente a partir de la luz

modulada incidente, por lo que esta corriente será proporcional a la corriente recibida y

corresponderá a la forma de onda de la moduladora.

Los detectores empleados comúnmente en las comunicaciones ópticas, pueden también ser

utilizados para la transmisión por solitones. Una vez superado el problema de generar estos

pulsos de corta duración y continuando con la idea de que los solitones son pulsos que mantienen

su forma y amplitud durante su propagación a lo largo de un sistema de comunicaciones ópticas,

resulta fácil comprender que incluso su detección se llevaría a cabo de manera más sencilla que

para aquellas señales que son detectadas aún cuando han sido degradadas por su transmisión a lo

largo de la fibra [14]. Las características principales que debe tener son:

o Alta sensibilidad a la longitud de onda de operación.

o Contribución mínima al ruido total del receptor.

o Ancho de banda grande (respuesta rápida).

3.4.1 Absorción de luz

De manera análoga a como se aprovecha el proceso de generación de fotones, mediante la

recombinación de pares electrón-hueco para la emisión de luz, el fenómeno inverso se emplea en

mecanismos aptos para la recepción de luz. Si los fotones tienen una energía hv superior al ancho

de la banda prohibida del material, cada uno de ellos podrá ser absorbido (Figura 3.5) a costa de



ceder su energía a un electrón del borde de la banda de valencia, que ascenderá a la de

conducción [10].

3.4.2 Tipos de fotodetectores

En principio, el tipo más sencillo de detector corresponde a la unión p-n (fotodiodo) de un

semiconductor cuyo intervalo de energía entre las bandas de valencia y conducción es pequeño,

lo que permitirá que un fotón que incida en la unión tenga suficiente energía para permitir la

creación de un par electrón-hueco. Ambos portadores circularán en sentidos opuestos, creando

una fotocorriente sobre el circuito externo. Hay, sin embargo, tres problemas asociados a este

proceso de fotodetección. Primero, no todos los fotones incidentes son absorbidos: además de la

luz reflejada en la cara del fotodetector, que se pierde, sólo una fracción del flujo que llega a

penetrar será absorbida. Segundo, incluso considerando el flujo realmente absorbido, no todos los

pares electrón-hueco llegan a incorporararse a la corriente externa del dispositivo. Y tercero, un

fotodiodo optimizado en cuanto a las dos consideraciones previas puede tener mal

comportamiento en altas frecuencias y por tanto, un ancho de banda muy limitado [4].

Existen muchos fotodetectores que pueden ser usados en sistemas de comunicaciones por fibra

óptica (Figura 3.16); sin embargo, hay dos a los que se recurre más por los diseñadores de estos

sistemas debido a la respuesta espectral con la que trabajan.



Figura 3.16. Respuesta espectral de distintos fotodiodos.

3.4.2.1 Detectores PIN

La dificultades presentadas para un detector simple p-n, pueden ser solventadas introduciendo

una capa semi-aislante y de alta resistividad en la región activa (ahora llamada intrínseca) entre

las regiones p y n del fotodiodo anterior. Esta nueva estructura es la que se denomina fotodiodo

PIN y aparece en la Figura 3.17 [11]. Si a un dispositivo como éste se le aplica una tensión de

polarización en inversa, la región intrínseca se vacía totalmente de portadores y se genera un alto

valor de campo eléctrico. El campo impulsa a los portadores generados hacia afuera con pocas o

ninguna recombinaciones, debido a la gran aceleración que les imprime por efecto de su alto

valor. La generación de portadores fuera de esta zona y su posterior difusión puede, sin embargo,

ocasionar pérdidas por recombinación, afectando al tiempo de respuesta del detector e influyendo

en el ancho de banda máximo admisible. Su ancho de banda queda limitado por el tiempo

empleado por las cargas en atravesar la región de absorción y es proporcional a la velocidad de

los portadores en la misma [14].



Figura 3.17. (a) Estructura y campo eléctrico en un fotodiodo PIN. (b) Curva característica de corriente-

voltaje (como parámetro la potencia óptica incidente).

La Tabla 3.1 enlista las características de operación de tres fotodiodos PIN comunes [2]. La

responsividad es la razón de la corriente de salida del detector a su potencia óptica de entrada.

Aún cuando no hay potencia óptica presente, una pequeña corriente inversa fluye a través del

diodo cuando se haya polarizado inversamente; esta es la llamada corriente de oscuridad ID. La

corriente de oscuridad es causada por la generación térmica de portadores de carga libres en el

diodo. Por ser de origen térmico, se incrementa rápidamente con el aumento de temperatura. La

saturación, se refiere al estado de operación donde la potencia óptica de entrada es mayor que la

corriente de salida y el voltaje no puede seguir la entrada de forma lineal. Cuando el diodo está

saturado, el detector responde a los cambios de entrada óptica un poco más lentamente,

provocando distorsiones de la señal y disminuyendo los tiempos de respuesta en el receptor,

limitando su ancho de banda. Por otra parte, la velocidad de respuesta de un fotodetector está

limitada por lo que se denomina el tiempo de transición, que es el tiempo que le toma a los

portadores de carga libres recombinarse. El tiempo de subida es el tiempo para que la corriente de

salida del detector cambie de un 10% a un 90% del valor máximo de la señal observada.



Tabla 3.1. Características de fotodiodos PIN comunes.

Parámetro Unidades Si Ge InGaAs

Longitud de onda μm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7

Responsividad A/W 0.4-0.6 0.5-0.7 0.6-0.9

Rendimiento cuántico % 75-90 50-55 60-70

Corriente de oscuridad nA 1-10 50-500 1-20

Tiempo de subida ns 0.5-1 0.1-0.5 0.02-0.5

Ancho de banda GHz 0.3-0.6 0.5-3 1-10

Voltaje de polarización V 50-100 6-10 5-6

3.4.2.2 Detectores APD

Un fotodiodo de avalancha (APD) es un simple detector PIN con ganancia. Estos detectores

funcionan según el principio de avalancha electrónica, polarizando inversamente un diodo de

unión p-n en un punto cercano al de la ruptura de unión. El elevado campo eléctrico producido

por la tensión aplicada da lugar a que los electrones y huecos generados en la colisión fotónica

generen nuevos portadores por efecto de la alta energía cinética adquirida en el campo eléctrico;

esto es, el impacto de un electrón originado en la zona intrínseca con otro electrón hará que este

último pase de la banda de valencia a la de conducción al transferirle aquel su energía. En esas

condiciones, podrán obtenerse ganancias superiores a 100 [14]. La configuración más simple para

estos fotodiodos puede verse en la Figura 3.18, así como la distribución de campo que aparece en

su interior. El dispositivo está configurado por dos capas externas n y p, entre las que aparecen

ahora dos nuevas zonas. Una con características casi intrínsecas o con un dopaje muy leve donde

se absorben los fotones y el campo es muy reducido, y otra que posee una resistividad muy alta

en la que aparece el campo intenso. Esta diferencia entre zonas puede hacerse bien por variación

en el nivel de dopaje o por las composiciones de los materiales que lo constituyen.



Figura 3.17. (a) Estructura y campo eléctrico en un fotodiodo APD. (b) Curva característica de corriente-

voltaje (como parámetro la potencia óptica incidente).

Los fotodiodos APD son 10 veces más sensibles que los diodos PIN y requieren de menos

amplificación adicional; poseen velocidades de respuesta mayores y por lo tanto permiten la

transmisión de mayores tasas de información. Su desventaja radica en que los tiempos de

transición son muy largos y su vida útil es muy corta. La Tabla 3.2 compara algunas de las

características de operación de detectores APD de Si, Ge e InGaAs comúnmente utilizados [2].

Tabla 3.2. Características de fotodiodos APD comunes.

Parámetro Unidades Si Ge InGaAs

Longitud de onda μm 0.4-1.1 0.8-1.8 1.0-1.7

Responsividad A/W 80-130 3-30 5-20

Ganancia - 100-500 50-200 10-40

Corriente de oscuridad nA 0.1-1 50-500 1-5

Tiempo de subida ns 0.1-2 0.5-0.8 0.1-0.5

Ancho de banda GHz 0.2-1 0.4-0.7 1-10

Voltaje de alimentación V 200-250 20-40 20-30



3.5 DISPOSITIVOS ÓPTICOS PASIVOS

Entenderemos por dispositivos pasivos aquellos componentes que realizan funciones sobre las

señales que se propagan a través de ellos distintas a las de generación, transmisión, amplificación

y detección de la luz.

Existen diversos criterios que pueden emplearse para clasificar estos componentes pasivos.

Dependiendo de la tecnología empleada, pueden ser de óptica de bloque, de fibra óptica e

integrados [5]. En el primer caso, se emplean componentes ópticos tradicionales, tales como

prismas, lentes y espejos para la implementación del dispositivo, resultando una configuración

voluminosa en la mayoría de las ocasiones. Ejemplos de esta categoría son los atenuadores,

aisladores y circuladores. En el segundo caso, los componentes están fabricados tomando como

base la propia fibra óptica, por lo que no se necesita de elementos adicionales para acoplar las

señales desde la fibra de entrada hasta la fibra óptica de salida. Ejemplo de este tipo de

componentes son los acopladores o divisores de potencia, rejillas de difracción y filtros ópticos.

En el tercer caso, los componentes están basados en guías de onda integradas fabricadas sobre

substratos cristalinos, dando lugar a los denominados circuitos ópticos integrados. El tipo de

componentes que pueden implementarse en esta tecnología es similar a los obtenidos en

tecnología de fibras, con una estructura mucho más compacta.

Otro criterio que puede emplearse para la clasificación de componentes pasivos se basa en la

función que realizan [7]. Existen, por ejemplo, dispositivos de conexión (conectores, empalmes),

terminaciones de red (finalizar un puerto de salida para evitar reflexiones de señal), dispositivos

de acoplo de señal (necesarios para la división y combinación de potencia óptica en redes locales

y de abonado) y los filtros ópticos (para la selección de canales ópticos en sistemas WDM).

A continuación, se describirán algunos de estos dispositivos que forman parte de un sistema de

comunicaciones ópticas, a partir de las definiciones tomadas de la ITU-T14 en su recomendación

14 La Unión Internacional de Telecomunicaciones (ITU) es el organismo encargado de regular las telecomunicaciones, a nivel internacional, entre las distintas administraciones y empresas operadoras.



G.671. Si el lector está más interesado en extender el tema, la bibliografía [3, 5, 7, 11]

proporciona una variedad de configuraciones y de parámetros que deben considerarse antes de

proceder a la selección de estos dispositivos. Nos enfocaremos un poco más a la descripción de

los filtros ópticos de Fabry-Perot y Mach-Zehnder por sus aplicaciones comunes en experimentos

con solitones.

3.5.1 Atenuador

Se trata de un componente pasivo que genera una atenuación controlada a la señal que se

transmite en una línea de fibra óptica. Es decir, la función de un atenuador es la de reducir el

nivel de potencia óptica de la señal a su entrada. Esta operación es necesaria, por ejemplo, cuando

se desea prevenir la posible saturación de un receptor debido a una señal óptica muy intensa a su

entrada, o cuando es preciso evitar la aparición de fenómenos no lineales provocados por el

efecto Kerr. Los atenuadores son generalmente utilizados a la salida de un transmisor para

adaptar la potencia de salida a las necesidades requeridas por otros dispositivos en el enlace,

como en los EDFAS (amplificador de fibra dopada con erbio) que se utilizan en sistemas WDM.

Estos atenuadores deben de poseer altas pérdidas por retorno15 (> 40 dB) para asegurarse de no

dañar al transmisor.

3.5.2 Acoplador

Se trata de estructuras que transfieren potencia óptica de una a varias fibras ópticas o viceversa.

Esto es, que pueden dividir la luz por trayectorias separadas o tomar diferentes señales de luz y

combinarlas en una sola trayectoria. El hecho de que la señal deba ser recibida por diferentes

terminales implica que la potencia emitida deba repartirse de forma equivalente entre todos los

que van a recibirla. Esto conlleva a elevar los niveles de potencia transmitida hasta niveles

15 Se refiere a la fracción de la potencia de entrada que se regresa debido a la implementación de un componente pasivo.



compatibles con los necesarios para la recepción. Según la naturaleza de las fibras que se deseen

interconectar, los acopladores suelen ser monomodo o multimodo. Por otra parte, un acoplador

no es un elemento totalmente pasivo siempre. En el caso, por ejemplo, de señales compuestas por

diferentes longitudes de onda (WDM), el acoplador debe ser capaz de diferenciar unas de otras y

encaminar la que correcta por la fibra correspondiente (proceso de selección).

3.5.3 Aislador

La función de un aislador es la de permitir la propagación en un enlace de fibra óptica en un

determinado sentido, impidiéndola en sentido contrario. La aplicación más común de los

aisladores es a la salida de los láseres para evitar la realimentación de señal desde el enlace óptico

hasta la fuente, provocándole un comportamiento inestable. También son empleados como

componentes dentro de los amplificadores de fibra dopada para evitar la posibilidad de que éstos

se comporten como osciladores.

3.5.4 Conector y empalme

Un conector es un componente normalmente adherido a un cable de fibra óptica o en aparatos

ópticos con el propósito de proporcionar conexiones y desconexiones frecuentes de cables de

fibra óptica, mientras que un empalme es una unión permanente (en la mayoría de los casos) cuyo

propósito general es el de acoplar potencia óptica entre dos fibras. Antes de conectar o empalmar

dos fibras es necesario preparar sus caras exteriores adecuadamente, con el fin de evitar

reflexiones de señal y scattering adicional que incrementarían de forma notable las pérdidas de la

unión.

Las configuraciones de conectores que se pueden encontrar en el mercado son casi tan

abundantes como fabricantes, por eso que la interoperabilidad implica la posibilidad de utilizar

conectores del mismo tipo, pero que proceden de distintos fabricantes; quienes además



proporcionan información estadística principalmente de las pérdidas por retorno (se desea que

estas pérdidas sean mayores a 40 dB), las pérdidas por inserción16 (que no llegan a sobrepasar 1

dB), así como de algunas características mecánicas y ambientales. Los empalmes se clasifican en

empalmes por fusión y empalmes mecánicos. En los primeros, la terminación de las fibras se une

de manera permanente por métodos de fusión, y en los segundos esta unión puede o no ser

permanente y se realiza por medios físicos (mecánicos). Algunos de los posibles desajustes que

pueden presentarse entre dos fibras en el momento previo al de su unión van desde

desalineamientos de sus núcleos hasta falta de paralelismo entre sus caras. En la actualidad

existen máquinas empalmadoras automáticas que consiguen uniones con pérdidas del orden de

los 0.06 dB.

3.5.5 Circulador

Un circulador en un dispositivo de n terminales. Si el circulador es ideal, la señal óptica

introducida por una terminal 1 sale directamente por una terminal 2, la introducida por la terminal

2 sale por la terminal 3, y así sucesivamente hasta que la señal de la terminal n salga por la

terminal 1 (de manera circular). Estos dispositivos se emplean en diversas aplicaciones, por

ejemplo, en situaciones donde se comparte una misma fibra para transmitir señales en sentidos

opuestos de propagación, el circulador permitirá separar las señales generadas en el transmisor

que se envían al enlace de aquellas provenientes del enlace que se han de encaminar al receptor.

Al igual que ocurre con los aisladores, es recomendable disponer de circuladores cuyo

comportamiento sea independiente del estado de polarización de la señal que incide sobre ellos.

16 Es una reducción de la potencia óptica (en decibeles) entre un puerto de entrada y uno de salida de un componente pasivo.



3.5.6 Polarizador

Un polarizador es un dispositivo que idealmente transmite íntegramente la componente de

polarización lineal del campo eléctrico alineada en dirección a su eje de transmisión, bloqueando

la propagación de su componente ortogonal, aunque en la práctica, los polarizadores no suprimen

completamente esta componente, y tampoco la componente paralela al eje de transmisión

atraviesa el polarizador sin pérdidas. El funcionamiento como polarizador se basa en dar

preferencia a una de las dos componentes ortogonales en que puede descomponerse el estado de

polarización del campo eléctrico, mientras que la otra sufre unas pérdidas muy elevadas al

propagarse por el polarizador. Entre estos dispositivos encontramos a los retardadores de onda,

que introducen un desfase (o retardo de fase) entre los dos estados de polarización ortogonales

del campo eléctrico; a los rotadores de polarización, que giran el plano de polarización de un

campo eléctrico linealmente polarizado a su entrada un determinado ángulo, cuyo sentido de giro

no cambia al hacerlo el sentido de la propagación; y finalmente, a los divisores de polarización,

que son dispositivos de una entrada y dos salidas cuya función consiste en descomponer la señal

a su entrada en dos señales de polarizaciones lineales ortogonales, cada una de las cuales

abandona al dispositivo por una salida diferente; mientras que un combinador de polarización

realiza la función inversa a la del divisor.

3.5.7 Rejilla de difracción

Este componente pasivo se utiliza para compensar la dispersión cromática en una trayectoria de

fibra. Las redes de difracción encaminan las longitudes de onda que puedan estar presentes en

una banda de frecuencias ópticas, por trayectorias diferentes, de acuerdo con su valor. Su función

es por ello, desmulticanalizar señales en las que estén presentes diferentes canales ópticos. El

dispositivo suele estar formado por una superficie reflectante sobre la que se han trazado miles de

surcos paralelos muy finos. Al incidir sobre una superficie así, un haz de luz se ve dispersado en

todas las direcciones o difractado en cada surco. Las ondas de luz procedentes de los distintos

surcos se refuerzan mutuamente en determinadas direcciones y se anulan en otras (interferencia).



3.5.8 Filtros ópticos

Existen diversas aplicaciones de los modernos sistemas de comunicaciones ópticas para las que

es necesario disponer de elementos capaces de discriminar y/o seleccionar determinado rango de

frecuencias ópticas. Entre ellas podemos destacar la selección de canales en sistemas multicanal

basados en la multicanalización por división de longitud de onda WDM, la eliminación de ruido

producido por emisión espontánea amplificada en sistemas que empleen amplificadores ópticos

como repetidores, la extracción de señales de control, el encaminamiento o conmutación de

señales por su longitud de onda, etc. Esta tarea corresponde a los filtros ópticos, cuya misión es,

precisamente, realizar dicha función en el dominio óptico sin conversiones intermedias de la

señal en el dominio electrónico.

En todos los filtros siempre será necesario indicar algunas características que determinen sus

posibles aplicaciones. Entre los parámetros que, en todo filtro, habrá que considerar están los

siguientes:

o El ancho de banda que permita pasar deberá ser independiente de la temperatura.

o Bajas pérdidas causadas por inserción y diafonía.

o Las pérdidas deberán ser independientes del estado de polarización de la luz.

o Buen control del dispositivo.

3.5.8.1 Filtros Fabry-Perot

La base de un filtro Fabry-Perot (también conocido como filtro interferencial) fue vista cuando

analizamos la cavidad Fabry-Perot (Figura 3.9) en la sección 3.3.2.1. Su principio de

funcionamiento es muy simple: una parte de la luz incidente sobre el dispositivo en el primer

espejo es reflejada por la cavidad, mientras que otra penetra dentro de ella propagándose a través

de un medio amplificador hasta llegar al segundo espejo. De ésta, parte sale fuera de la cavidad

atravesando dicho espejo, y parte se refleja, realimentándose y propagándose de nuevo a través



del medio de la cavidad (en sentido contrario) hacia el primer espejo. Así el rayo luminoso

incidente sufre, al entrar en la cavidad, múltiples reflexiones. Las señales reflejadas a su vez

interfieren con la señal incidente, y ahora éstas poseen una longitud de onda que será un múltiplo

entero de la señal, sufriendo interferencia constructiva y transmitiéndose fuera de la cavidad, en

caso contrario la interferencia es destructiva y la señal es atenuada.

Una cubierta anti-reflejante sobre la que incide una radiación óptica es capaz de permitir el paso

de todas aquellas longitudes de onda que cumplan una determinada condición relacionada con el

espesor de la cubierta y los índices de refracción de la misma y del medio que la rodea. Si a

continuación de la cubierta que constituye el resonador se sitúa otra con, por ejemplo, un índice

de refracción diferente, serán bloqueadas cierto número de longitudes de onda. Solamente

pasarán aquellas que coincidan en ambas estructuras. Esta configuración con dos cubiertas anti-

reflejantes puede repetirse un determinado número de veces configurando lo que se conoce como

filtro interferencial o multicapa. Una consideración para tener en cuenta, es que las longitudes de

onda ópticas que no son transmitidas, son reflejadas, como se muestra en la Figura 3.19 [11]. En

ella puede verse la forma de separar cinco longitudes de onda mediante cuatro filtros

interferenciales: para cada frecuencia óptica, cada uno de ellos es capaz de transmitir una

determinada y reflejar las restantes. Esta forma de trabajo permite la adopción de arquitecturas de

enrutamiento de longitudes de onda de acuerdo con los objetivos del sistema de comunicaciones.

Figura 3.19. Empleo de filtros Fabry-Perot para separar diferentes canales ópticos.

Un filtro óptico requiere de un mecanismo de selección de longitudes de onda y pueden ser

clasificados en dos grandes categorías dependiendo de si es la interferencia o la difracción óptica



el mecanismo físico fundamental que utilizan. Hay entonces filtros de longitudes de onda fijas

(como el descrito anteriormente) y filtros sintonizables. Algunas de las propiedades que se

buscan en un filtro sintonizable incluyen un amplio rango de sintonización para maximizar el

número de canales que pueden ser seleccionados, pero a la vez evitar las interferencias de canales

adyacentes; rápida velocidad de sintonización para minimizar el tiempo de acceso y que generen

pocas pérdidas por inserción (máximo 1.5 dB en la banda de paso y mínimo 40 dB en la banda de

supresión). Este tipo de filtros desempeñan una importante función en los sistemas WDM y

DWDM (multicanalización por longitud de onda densa).

3.5.8.2 Filtros Mach-Zehnder

La Figura 3.20 muestra la configuración de un filtro o interferómetro de doble haz, también

conocido como Mach-Zehnder [5]. Está compuesto por dos acopladores y dos tramos de fibra de

diferente longitud. Por las entradas 1 y 2 pueden introducirse dos radiaciones con longitudes de

onda diferente. Ambas entradas se unen mediante un acoplador, de tal manera que a su salida,

ambas señales aparezcan por las dos trayectorias posibles con igual intensidad, siendo la señal

resultante en cada trayectoria, la semisuma de las intensidades a la entrada del dispositivo.

Ambas señales recorren por el interior del interferómetro dos recorridos con trayectorias ópticas

diferentes. A la salida, vuelven a unirse y el resultado dependerá de esa diferencia de trayectorias

que haya recorrido cada señal. Si ambas trayectorias fueran idénticas, la superposición sería una

superposición de señales en fase con lo que la intensidad resultante volvería a ser la de partida.

Si, por el contrario, la diferencia de trayectorias es tal que las señales correspondientes a cada

radiación óptica se encuentran desfasadas, la interferencia será destructiva y la resultante será

nula. Resulta obvio que al ser las dos señales que hemos introducido de diferente longitud de

onda, la diferencia de caminos ópticos para cada una de ellas, será distinta. Y así puede darse el

caso, si el diseño se ha hecho a tal fin, que una de ellas tenga a la salida interferencia

constructiva, con lo que la señal de salida será máxima, mientras que la otra experimente

interferencia destructiva y no aparezca a la salida. La función realizada ha sido así la de filtrado

de dicha frecuencia óptica.



Figura 3.20. Esquema de un filtro óptico Mach-Zehnder.

El interferómetro Mach-Zehnder no es tan selectivo como el filtro Fabry-Perot ya que la salida

del primero está compuesta por la interferencia entre dos señales, mientras que en el caso del

segundo, la señal de salida se obtiene a partir de la interferencia de infinitas señales. No obstante,

es posible implementar filtros ópticos muy selectivos a partir de interferómetros Mach-Zehnder

con una configuración en cascada. Para conseguir filtros muy selectivos es importante, en primer

lugar, que todos los acopladores empleados en la implementación sean de 3 dB (para evitar el

efecto Brillouin), y en segundo lugar, que el periodo espectral de cada interferómetro corresponda

a la banda útil del filtro Mach-Zehnder.

3.6 AMPLIFICADORES ÓPTICOS

Un amplificador óptico permite la regeneración de la potencia perdida por las señales debido a la

atenuación de la fibra, directamente en el dominio óptico; pero, además, puede funcionar como

cualquier otro amplificador, de manera que puede emplearse para compensar no sólo las pérdidas

introducidas por la fibra, sino también las debidas a otros elementos como por ejemplo los

componentes pasivos que realizan tareas de división de señal [5].

Los solitones son una solución al problema del ensanchamiento del pulso causado por la

dispersión de la fibra, pero no hacen nada contra la atenuación que un pulso que viaja por la fibra

experimenta por lo que, estrictamente, en un sistema de comunicación convencional no es posible

propagar solitones a menos que se logre eliminar la atenuación de la fibra o se utilicen las



llamadas fibras de dispersión disminuida que presentan una atenuación que disminuye con la

distancia. Sin embargo estas fibras sólo se usan en experimentos de laboratorio y no en sistemas

comerciales [6]. Para superar el efecto generado por las pérdidas en la fibra, los solitones deben

ser amplificados periódicamente ya sea utilizando la amplificación a segmentos o a través de la

amplificación distribuida (Figura 3.21) [1].

Figura 3.21. Esquemas de amplificación (a) a segmentos y (b) distribuida para compensar las pérdidas en

la fibra en un sistema de comunicaciónes por solitón.

En la amplificación a segmentos, los amplificadores ópticos son colocados periódicamente a lo

largo del enlace de fibra de tal manera que las pérdidas entre dos amplificadores sean

perfectamente compensadas por la ganancia del amplificador. Un parámetro de diseño de gran

importancia es la distancia entre amplificadores, la cual debe ser tan grande como sea posible

para minimizar costos. Para sistemas que no son por solitón, esta distancia es comúnmente de 80

a 100 km. La razón por la que esta distancia es menor en sistemas por solitón es que los

amplificadores ópticos aumentan la energía del solitón a lo largo de unos cuantos metros sin

permitir la recuperación del solitón fundamental. El solitón amplificado ajusta su ancho

dinámicamente a lo largo de la sección de fibra que se encuentra después del amplificador;

aunque también parte de su energía se presenta como ondas dispersivas durante este ajuste. Este

tipo de dispersión puede acumularse a lo largo de un gran número de etapas amplificadoras por lo

que debe evitarse. Una forma de hacerlo es reduciendo el espaciamiento entre amplificadores de



tal manera que el solitón no se perturbe mucho sobre esta corta distancia. Los solitones

evolucionan poco sobre una distancia que es corta comparada con la longitud de dispersión

(periodo del solitón); lo que ocasiona que el ancho del solitón permanezca virtualmente sin

cambios aún cuando la potencia pico varía considerablemente en cada sección entre dos

amplificadores. En general, los cambios en la energía del solitón están acompañados por cambios

en su ancho. Grandes (o rápidas) variaciones en la potencia pico pueden destruir un solitón si su

ancho cambia rápidamente a través de las emisiones de ondas dispersivas, lo que impone una

severa limitación para la velocidad de transmisión y el espaciamiento entre amplificadores para

un sistema de comunicación por solitón [2].

El esquema de amplificación distribuida es superior a la amplificación a segmentos ya que

compensa las pérdidas en cada punto del enlace por fibra y se obtiene por medio del proceso de

scattering estimulado en un medio no lineal. Si se utiliza una amplificación distribuida mediante

el proceso Raman, es decir, que la fibra óptica convencional por si misma se convierta en un

medio amplificador, las pérdidas en la fibra pueden, en un principio, ser compensadas por

completo y un solitón puede ser transmitido en la fibra prácticamente una distancia indefinida.

Sin embargo, si el bombeo Raman se inyecta periódicamente a la fibra, la ganancia Raman

cambia periódicamente a lo largo de la distancia de transmisión por solitones, provocando

variaciones en el ancho del solitón y ocasionando interacciones con los solitones vecinos [1]. El

esquema de amplificación distribuida puede observarse con más detalle si se analiza el

funcionamiento de los amplificadores de efecto Raman descrito en la sección 3.4.2.

3.6.1 Amplificadores de fibra dopada con erbio

Actualmente, los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) operando en la región de

1550 nm son de gran interés para las comunicaciones ópticas debido a sus grandes ventajas como

su gran ganancia (más de 30 dB), bajas pérdidas (ruido), amplio ancho de banda, ganancia

insensible a la polarización y gran potencia de salida. Estos amplificadores necesitan de un

bombeo externo con un láser de onda continua CW a una frecuencia óptica ligeramente superior a



la que amplifican. Las dos posibilidades básicas son las que se muestran en la Figura 3.22. En la

primera, la radiación de bombeo se introduce a la fibra amplificadora, mediante un acoplador,

conjuntamente con la señal de entrada y por ello ambas se propagan en igual sentido a lo largo de

la fibra. En la segunda, por el contrario, el bombeo se propaga en sentido contrario a la señal que

se va a amplificar. Una tercera posibilidad, no representada en la figura, es la de realizar un doble

bombeo con las dos configuraciones anteriores actuando simultáneamente; la ganancia, en este

caso, puede llegar a duplicar la de un bombeo simple, pasando de unos 17 dB a cerca de 35 dB.

Hay que indicar también que el bombeo en sentido opuesto al de propagación de la señal permite

ganancias más altas que el realizado en el sentido de la propagación, aunque, por el contrario, sus

características de ruido son peores [11]. El bombeo a una determinada longitud de onda genera

ganancia mediante la inversión de población. El espectro de ganancia depende de los esquemas

de bombeo así como de la presencia de otros dopantes en el núcleo de la fibra.

Figura 3.22.Posibles configuraciones de bombeo en un amplificador de fibra dopad: (a) bombeo en el

mismo sentido de la señal y (b) bombeo en sentido inverso.

Aunque son varios los diseños posibles a la hora de implementar un amplificador de fibra dopada

con erbio, en general existe una serie de elementos imprescindibles, como son el medio activo

donde se produce la inversión de población (fibra con núcleo dopado), la fuente láser para el

bombeo, un acoplador, uno o varios aisladores y (en ocasiones) un filtro de banda angosta. La

Figura 3.23 muestra un diagrama a bloques de un EDFA [1].



Figura 3.23. Diagrama a bloques de un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA).

Un bombeo eficiente para el EDFA es posible usando un transmisor láser de semiconductor cerca

de las longitudes de onda de 980 y 1480 nm. El ancho espectral del diodo láser es

aproximadamente de 20 nm alrededor de 1480 nm, pero todas las componentes espectrales

contribuyen a la generación de inversión de población en los iones de erbio. La combinación

relativamente baja de iones de erbio y una longitud larga de fibra resulta en una gran ganancia,

superior a la que puede ser alcanzada con una longitud pequeña de fibra.

Uno de los aspectos más característicos del comportamiento del amplificador óptico y que lo

diferencia de otros componentes de un sistema de comunicaciones, es el que se refiere al ruido

que introduce, proveniente de la propia amplificación; de la radiación espontánea que genera a lo

largo del tramo de fibra dopada. Los amplificadores ópticos presentan un tipo de ruido que es

característico de ellos. Es el que se denomina amplificación de ruido espontáneo o ruido ASE

(amplified spontaneous emission). Una vez bombeado el material dopante, no todos los

electrones que se encuentren en un nivel excitado caerán al nivel inferior a través de un proceso

de emisión estimulada; algunos de ellos lo harán mediante emisión espontánea y, a su vez,

algunos de estos generarán fotones que se desplacen en el sentido de la señal, viajando con ella.

En su desplazamiento por el tramo dopado pasarán por zonas en las cuales hay inversión de

poblaciones y podrán dar lugar a nuevas emisiones estimuladas que ya no serán coherentes con la

radiación de entrada pero que serán amplificadas. Estas señales no serán señales con contenido de

información sino que serán ruido, cubriendo un margen de longitudes de onda superior al de la

señal de entrada. Además de ello, al ser amplificada sustraerá una parte de la inversión de

poblaciones obtenida, lo que repercutirá en parte en la amplificación de la señal [11].



Los EDFA tienen tres aplicaciones principales (Figura 3.24), con la principal ventaja de que

pueden amplificar al mismo tiempo varios canales de diferentes longitudes de onda, sin necesidad

de separarlos previamente. La primera (a) es como un amplificador usado para incrementar la

potencia de entrada de la señal en una fibra óptica. Este amplificador se instala después de la

fuente de luz. La segunda aplicación (b) de un EDFA es como un repetidor óptico usado para

amplificar la señal atenuada y retransmitirla a la siguiente sección de fibra, requiriéndose de una

potencia grande de salida. La tercera aplicación (c) es como un preamplificador para incrementar

la sensibilidad en el receptor. Aquí se instala en frente del fotodetector, requiriéndose

características de bajo ruido. Una cuarta aplicación (también mostrada en la figura) es en la que el

hecho fundamental no es el de trabajar en grandes distancias sino el de necesitar altas potencias

ópticas para distribuirlas a un conjunto de estaciones receptoras [1]. La ubicación de un

amplificador óptico depende del uso que se pretenda hacer de él. De esta ubicación dependerá la

potencia que la señal tenga a su entrada y con ello su comportamiento.

Figura 3.24. Localizaciones posibles para un amplificador óptico de acuerdo con las necesidades del

sistema.



3.6.2 Amplificadores Raman

El efecto Raman estimulado tiene lugar cuando una radiación monocromática de alta intensidad

pasa a través de un medio material. Si éste cumple unas determinadas condiciones, el resultado de

la interacción de ambos es la aparición de una nueva longitud de onda, de mayor valor que la

inicial. El efecto Raman estimulado utilizado es, en principio, análogo al proceso de emisión

estimulada visto anteriormente (Sección 3.3.1). Pero existe una diferencia esencial: si en aquel

caso el fotón que provocaba la emisión estimulada de otro seguía presente en la radiación,

después de haberse producido la interacción, aquí no ocurre lo mismo. En el caso del Raman

estimulado se genera un nuevo fotón, de menor energía (menor frecuencia) y la diferencia de

energías es transferida al material donde se convierte en vibraciones moleculares. Como

consecuencia de este proceso, el fotón inicial deja de estar presente en la radiación, Así que los

amplificadores Raman deben ser bombeados ópticamente para producir ganancia.

La Figura 3.25 muestra como una fibra puede ser usada como un amplificador Raman. Las

radiaciones de la señal y el bombeo, con diferentes frecuencias, se inyectan en la fibra mediante

un acoplador. La energía se transfiere del bombeo a la señal mediante el proceso Raman

estimulado mientras ambas radiaciones se van propagando dentro de la fibra. La señal que

provocará el efecto de estimulación será la de la onda que va por la fibra y transmite la

información. La señal de bombeo se puede acoplar a la fibra tanto en la misma dirección en la

que se transmite la señal o en el sentido contrario. Es más habitual el bombeo contradireccional

para evitar la amplificación de otras componentes no lineales [2].

Figura 3.25. Esquema de un amplificador Raman de fibra.



Si por la fibra se propaga más de un canal, cada una de estas frecuencias estimulará el efecto

Raman con su propia frecuencia y con ello la intensidad correspondiente a la misma se

amplificará. Si el bombeo es el adecuado, todos los distintos canales que pueden transmitirse por

una fibra podrán amplificarse, siempre que sus frecuencias se encuentren dentro de la zona en la

que el material puede generar efecto Raman. Esta zona vendrá caracterizada por el espectro de

ganancia Raman del material empleado, en este caso la propia fibra de sílice. En la Figura 3.26 se

muestra el espectro de ganancia Raman para diferentes tipos de fibra, la monomodo convencional

SMF, la de dispersión desplazada DSF y la compensadora de dispersión DCF. La dependencia de

la ganancia Raman con la frecuencia es casi la misma para los tres tipos de fibra [6].

Figura 3.26. Eficiencia de ganancia Raman para fibra estándar (SMF), de dispersión desplazada (DSF) y

compensadora de dispersión (DCF).

Los amplificadores Raman se basan en un una interacción no lineal entre la señal óptica y la señal

de bombeo de alta potencia. De esta forma, la fibra convencional ya instalada puede ser usada

como medio con ganancia para la amplificación Raman. Sin embargo, es mejor emplear fibras

especialmente diseñadas en las que se introducen dopantes y se reduce el núcleo de la fibra para

incrementar su no linealidad [2].

Una de las ventajas que ofrecen los amplificadores Raman es que pueden llegar a trabajar de una

manera complementaria a los EDFA, en el sentido de cubrir un margen de frecuencias no



cubierto por éstos. Si el pico de los EDFA se encuentra alrededor de los 1535 nm, los Raman

tienen su pico a frecuencias más bajas Esto implica que la suma de los dos amplificadores puede

conducir a una curva casi plana entre 1530 nm y 1600 nm. Se ha demostrado la transmisión por

solitón para 6 000 km con amplificadores Raman, circulando un pulso de 50 ps en lazos de 42 km

de longitud de fibra [6].

3.7 DEMOSTRACIÓN DE LA TRANSMISIÓN POR SOLITÓN EN FIBRAS

A principios de 1973, Hasegawa y Tappert señalaron que las fibras monomodo serían capaces de

transmitir solitones estables. Estas fibras eliminan el problema de múltiples velocidades de grupo

desde el inicio, y sus características no lineales y dispersivas se encuentran bien definidas. Sin

embargo, los primeros experimentos tuvieron que esperar hasta el desarrollo de dos dispositivos

clave a finales de los setentas. El primero fueron las fibras con bajas pérdidas en la región de

longitud de onda donde los solitones son posibles (≈ 1500 nm), y el segundo fue una fuente capaz

de generar pulsos del orden de picosegundos, el láser de modos enclavados en fase. Estos

experimentos demostraron que no existían problemas con la generación de solitones y

estimularon la posibilidad de realizar un sistema completo de comunicaciones ópticas basado en

solitones.

Muchas de las ideas acerca de los solitones fueron primeramente trabajadas (y en algunos casos

descubiertas o concebidas) en términos abstractos y puramente matemáticos, pero la existencia de

claros resultados experimentales ha generado explicaciones más concretas y prácticas que ayudan

en el surgimiento de nuevas ideas [1].

El interés que se ha puesto en la transmisión por solitones en fibras ópticas se debe

principalmente a las limitaciones existentes en la velocidad de transmisión en sistemas lineales

originadas por la dispersión (para sistemas PCM) o por no linealidades (para sistemas

coherentes). Los recientes logros obtenidos para la propagación por solitones ópticos muestran un



gran potencial para futuros sistemas de comunicaciones ópticas de muy alta velocidad y largas

distancias.

Para la generación del solitón en la fibra es necesario generar un pulso ultracorto y muy intenso a

la salida de un láser. Dicho pulso, al inyectarse en una fibra óptica, provoca la aparición de

fenómenos no lineales. En concreto, el fenómeno no lineal de interés es el efecto Kerr, por el cual

el índice de refracción del núcleo (y por tanto, la dispersión cromática de la fibra) varía en

función de la intensidad de la señal. Eligiendo los parámetros del pulso de manera adecuada es

posible compensar mediante el efecto Kerr la dispersión cromática de la fibra, obteniendo en

consecuencia una cancelación de la dispersión total y, en consecuencia, un mantenimiento de la

forma del pulso.

Para que un pulso mantenga su forma es imprescindible que las pérdidas en la fibra desaparezcan.

Ello se consigue mediante el empleo de amplificadores ópticos. Las pérdidas en la fibra pueden

ser compensadas por amplificadores de fibra dopada y/o ganancia Raman en los sistemas de

fibra.

A pesar de que los amplificadores ópticos representan un elemento fundamental para la

implementación de sistemas de comunicaciones ópticas por solitón, son a su vez, una importante

limitación. La acumulación de ruido de emisión espontánea amplificada provoca la existencia de

jitter 17 . Estas variaciones en la frecuencia central del solitón producen variaciones en su

velocidad18. Este efecto, llamado Gordon-Haus, limita el número de amplificadores y por lo

tanto, el máximo producto ancho de banda por distancia. El efecto Gordon-Haus puede, no

obstante, reducirse considerablemente mediante el empleo de filtros ópticos posteriores a los

amplificadores. En cualquier caso, la capacidad de los sistemas de solitones es impresionante,

17 Variaciones de frecuencia generadas por el amplificador que se convierten en variaciones temporales de la velocidad de grupo. Estas variaciones en la velocidad de grupo cambian la posición del solitón dentro de una ranura de tiempo. 18 Cada vez que se añade ruido a la señal, se modulan de manera aleatoria las frecuencias portadoras del solitón. Entonces, la dispersión cromática de la fibra convierte estas variaciones de frecuencia en una variación en el tiempo de llegada de los pulsos.



como así lo aseguran algunos de los resultados experimentales más significativos mostrados en

los Tablas 3.3 y 3.4 [4].

Tabla 3.3. Experimentos más significativos de sistemas por solitones sin control del efecto Gordon-Haus.

λ (nm) B (Gb/s) L (km) Fuente Ancho de

solitón (ps)

Número

de AO

BL

(Gb/s)km

1.55 40 65 GS-DFB + ME +

B-EDFA + O-MUX

7.5 4 2 600

1.552 10 1 000 GS-MQW + ME +

2 B-EDFA

45 20 10 000

1.552 20 1 020 GS-MQW + ME +

2 B-EDFA

12 40 20 000

1.552 10 1 200 GS-MQW + ME + B-EDFA 23 23 12 000

1.558 5 3 000 DFB + EAM +

B-EDFA

35 91 15 000

1.532 2.4 12 000 ML-LD + EM 50 480 29 000

GS-DFB = Láser de realimentación distribuida con ganancia conmutada; ME = Modulador externo;

B-EDFA = Amplificador de potencia de fibra dopada con erbio; O-MUX = Multiplexor óptico;

GS-MQW = Láser de pozos cuánticos múltiples con ganancia conmutada;

DFB = Láser de realimentación distribuida; EAM = Modulador de electroabsorción;

ML-LD = Láser de modos enclavados en fase

Tabla 3.4. Experimentos más significativos de sistemas por solitones con control del efecto Gordon-Haus.

λ (nm) B (Gb/s) L (km) Fuente Ancho de

solitón (ps)

Número

de AO

BL

(Gb/s)km

1.552 10 106 GS-DFB + ME + B-EDFA

+ FPI

36-42 cada

50 Km

107

1.555 2.5 14 000 ML-LD + EM + AOS 50 cada

27 Km

35 000

1.556 10 20 000 ML-EDFL 18 cada

26 Km

100 000

FPI = Interferómetro de Fabry- Perot; ML-EDFL = Láser de fibra dopada con erbio y de modos

enclavados en fase



3.7.1 Transmisión por solitón con diodos láser y amplificadores de fibra dopada

Para generar solitones ópticos con tasas altas de repetición (Gb/s) en sistemas de comunicaciones

por fibra, las fuentes de diodos láser son una buena alternativa dadas sus ventajas de alta

velocidad de modulación y pequeño tamaño. Para mantener la transmisión por solitones en

distancias superiores a varios cientos e incluso varios miles de kilómetros, los amplificadores de

fibra dopada con erbio y/o amplificadores Raman son los mejores candidatos para futuros

sistemas de comunicaciones ópticas de muy alta velocidad y largas distancias. Diversos

experimentos con solitones ópticos utilizando diodos láser y amplificadores de fibra dopada con

erbio y/o amplificadores Raman han sido presentados en años recientes [6].

La Figura 3.27 muestra uno de estos experimentos: transmisiones por solitón libres de error a 3.2-

5 Gbit/s para 100 km utilizando amplificadores de erbio. La fuente láser para la generación del

solitón es un láser DFB, cuya potencia promedio de salida es alrededor de 2-3 mW. Con la

técnica de ganancia conmutada, se puede generar un tren de pulsos de 27 ps con una tasa de

repetición del orden de GHz. Se usa un resonador de Fabry-Perot (FPR) como un filtro espectral

de banda angosta para obtener los pulsos ópticos aunque esto disminuya la potencia promedio

transmitida a 1/10 de la potencia de entrada. El ancho de banda del FPR es 0.18 nm y el

espaciamiento de la cavidad es cercano a 200 μm. Posteriormente el pulso es acoplado en un

modulador de intensidad de luz del tipo Mach-Zehnder LiNbO3 para conmutar el tren de

solitones. La fibra que se utiliza para esta transmisión por solitón consiste en cuatro fibras de 25

km de dispersión desplazada con dispersión cero en 1490-1500 nm y disperión de -2.3 a -2.4

ps/km/nm en 1545 nm. Las pérdidas en la fibra son de 0.24 dB/km con un diámetro de 5.6 - 6.0

μm. Así, la potencia para un pulso de 20 ps se encuentra entre 6-10 mW.



Figura 3.27. Transmisión por solitón utilizando amplificadores de erbio.

Otro experimento se muestra en la Figura 3.28 [6]. El láser de realimentación distribuida con

ganancia conmutada (GS-DFB) a 1550 nm genera un tren lineal de pulsos ópticos con una tasa de

repetición de 3.6418 GHz. El tren de pulsos ópticos pasa a través de un aislador y es amplificado

por una fibra dopada con erbio de 15 m de longitud bombeada por un diodo láser Fabry-Perot

(FP-LD) de 1.48 μm CW. Los pulsos ópticos amplificados son enviados sobre una fibra óptica

mantenedora de polarización (PMF) de 3.7 km de largo para compensar el chirp por los 18.7

ps/km/nm de dispersión normal (en 1550 nm) de la PMF. Al final de la PMF, se obtiene un tren

de pulsos ópticos comprimido que es modulado por un modulador de intensidad LiNbO3

(pérdidas por inserción de 6.4 dB), y amplificado por una fibra monomodo dopada con erbio de



150 m de longitud bombeada por un FP-LD de 200 mW a una longitud de onda de 1.48 μm CW.

Se obtienen pulsos amplificados de señal óptica con picos de potencia de 700 mW. Una fibra

monomodo de dispersión desplazada (DSF) de 23 km de longitud se usa en la línea de

transmisión. Los pulsos amplificados de señal óptica son acoplados en la DSF mediante un espejo

dicroico DM3. La DSF posee una dispersión anómala de 4.0 ps/km/nm, una pérdida de 0.25

dB/km y un diámetro de 6.0 μm en la longitud de onda de 1550 nm. Las pérdidas de la DSF son

compensadas por amplificación Raman tanto hacia adelante como hacia atrás. Para hacer que la

ganancia Raman sea insensible a la polarización de los pulsos de señal, se acoplan dos FP-LDs de

1.48 μm CW, polarizados ortogonalmente entre sí, mediante un divisor de polarización, y

utilizados como fuente de bombeo. Las pérdidas totales de la DSF con amplificación Raman son

menores a 1 dB, cuando las potencias de bombeo hacia adelante y hacia atrás son

respectivamente 150 y 70 mW. El pulso de señal óptica transmitido es guiado por una señal

senoidal de 1.8209 GHz. El estado de polarización lo ajusta el controlador de polarización (PC).

Un filtro óptico pasa banda con un ancho de banda de 1 nm se emplea para reducir el ruido de

mezclado entre emisiones espontáneas de amplificación. El ancho del pulso óptico después de

transmitirse a través de la DSF y DM4 se mide por un autocorrelador SHG. Asumiendo que el

pulso de señal óptica tiene la forma de un pulso gaussiano antes de su transmisión por la DSF, el

ancho del pulso se estima que es de 17.8 ps. Además se puede observar una disminución en el

ensanchamiento del pulso debida al efecto del solitón, mientras se incrementa la potencia a la

entrada a 12 ps para 177 mW.



3.7.2 Transmisión por solitón sobre fibra muy larga con compensación de pérdidas por

ganancia Raman

Estudios teóricos han demostrado que el producto capacidad-distancia (BL) para una transmisión

por solitón sobre fibra muy larga con compensación de pérdidas por ganancia Raman podría ser

de hasta 30 000 GHz km para un solo canal, comprendiéndose en esquemas de multicanalización

por longitud de onda.

El aparato se muestra en la Figura 3.29 [1]. Una fibra monomodo con bajas pérdidas (0.22 dB/km

en 1600 nm) de 41.7 km de longitud y con dispersión D ≈ 17 ps/nm/km en 1600 nm se cierra a sí

misma con un interferómetro Mach-Zehnder. El interferómetro permite que un bombeo de luz en

1497 nm (≈ 300 mW CW provenientes de un láser DFB) sea acoplado eficientemente en el lazo,

al mismo tiempo que permite que la señal de luz circule alrededor del lazo. Los pulsos de señal se

acoplan al lazo de fibra mediante un acoplador de fibra por fusión en lugar de un interferómetro

Mach-Zehnder (FMZ). De este modo se pueden evitar variaciones en el acoplamiento de la señal

debidas a la sensibilidad del FMZ, determinando de manera estable y precisa un valor absoluto de

la potencia de la señal en el lazo.

La diferencia en el bombeo y la frecuencia de la señal, corresponden al pico de ganancia Raman.

Un ancho del pulso de 50 ps hacen que el periodo del solitón sea de z0 = 55 km; cumpliendo con

el criterio z0 >> L/8 necesario para una transmisión estable por solitón (L es el periodo de

amplificación, en este caso L = 41.7 km). Dos controladores de polarización ajustan la

polarización de las señales que entran al FMZ. Por lo que la ganancia Raman, que depende de la

polarización de bombeo y señal, permanece uniforme al pasar por varios lazos. Además, la

componente no polarizada de la emisión espontánea Raman puede tener una ganancia superior

que las propias señales.



Figura 3.29. Pérdidas de solitón compensadas por ganancia Raman.

Aún se tienen que realizar muchas investigaciones antes de que un sistema de comunicaciones

por solitón pueda realizarse prácticamente. Un verdadero láser de una sola frecuencia, un tipo de

amplificador de gran eficiencia, harán a la transmisión por solitón un fuerte candidato en

comunicaciones a larga distancia.


Capítulo 4

SISTEMA DE TRANSMISIÓN WDM POR SOLITÓN

Este capitulo esta enfocado a conocer el sistema de transmisión WDM por solitón. Tomando en

cuenta que WDM es un tema muy extenso con grandes campos de información y de aplicación,

en este capitulo solo se considerará su aplicación directa a los solitones, ya que a lo largo de este

trabajo hemos venido hablando de los solitones y de los efectos que los producen, es importante

saber como canalizar la información que se ha recopilado a su mas cercana aplicación, teniendo

en cuenta que este sistema esta en desarrollo y que para su aplicación se requiere un gran campo

de investigación. Mediante este capitulo describiremos al sistema WDM y sus principales efectos

que se tiene al transmitir un solitón.

La propagación de solitones a través de fibras ópticas ha sido un campo de investigación

importante debido a su aplicabilidad potencial en todos los sistemas de comunicación óptica. El

campo de telecomunicaciones ha experimentado una evolución sustancial en las décadas pasadas

debido al progreso impresionante en el desarrollo de fibras ópticas, amplificadores ópticos así

como transmisores y de receptores. En un sistema de comunicaciones ópticas modernas, el

acoplamiento de la transmisión se compone de las fibras ópticas y de los amplificadores que

substituyen los regeneradores eléctricos [20]. El sostenido progreso que ha experimentado la

tecnología de las comunicaciones ópticas en el transcurso de la última década ha sido motivados

Capítulo IV. Sistema de transmsión WDM por solitón


primordialmente por la emergente demanda en servicios de telecomunicaciones (voz, datos,

contenidos multimedia, etc.). Los requerimientos por tener anchos de banda cada vez mayores

presentan un comportamiento similar a la Ley de Moore, el cual describe el desarrollo en las

capacidades de los semiconductores. Dentro de este ámbito, las redes ópticas WDM (Wavelength

Division Multiplexing) en conjunto con los amplificadores de fibra dopada con tierras raras

(Erbio: Er3+, Neodimio: Nd3+ y Praseodimio: Pr3+) surgen como la elección natural para

satisfacer la creciente demanda de ancho de banda en las estructuras de transporte [18].

El ejemplo que en cual es evidente a la gran demanda de anchos de banda, de servicios y el gran

número de canales son los enlaces submarinos de larga distancia por fibra óptica que tienen como

prioridad comunicar a grandes ciudades en el cual codifican la información en muchos canales de

frecuencia (WDM). Así consiguen aumentar notablemente la capacidad de transmisión del

sistema y al mismo tiempo cumplir con los requerimientos de calidad de este tipo de sistemas.

Por ejemplo, tasas de error inferiores a uno por cada 109 bits transmitidos. No obstante, la

implementación de enlaces ópticos que utilizan WDM presenta una complejidad cada vez mayor.

Ello es debido tanto al aumento del ancho de banda total utilizado, como al gran número de

canales empleados para la transmisión. Al mismo tiempo, el diseño de estos sistemas tiende a

reducir la distancia en frecuencia entre los canales y aumentar la velocidad de transmisión de

cada canal. La implementación en la fibra óptica de estos sistemas de gran capacidad (centenares

de gigabits por segundo) y larga distancia (miles de kilómetros), precisa de un diseño cuidadoso

del enlace. La fibra introduce una gran distorsión de la señal, por lo que el enlace óptico se ha de

diseñar de manera apropiada. Este diseño ha de tener en cuenta todos los efectos físicos

relevantes que gobiernan la propagación de la señal en la fibra, para minimizar los efectos

perjudiciales que cada uno de estos efectos tiene en la calidad del sistema [17].



4.1 WDM

Multicanalización por división de longitud de onda (WDM por sus siglas en ingles) es una

tecnología que introduce varias señales sobre una sola fibra óptica mediante portadoras ópticas de

diferente longitud de onda, usando luz procedente de un láser [19].

El dispositivo que une las señales se conoce como multiplexor mientras que el que las separa es

un desmulticanalizador. Como datos generales los primeros sistemas WDM aparecieron en torno

a 1985 y combinaban tan sólo dos señales.

Cada uno de los canales WDM está diseñado para dejar pasar una longitud de onda o una banda

de longitudes de onda en particular. El sistema podría utilizarse para enviar dos señales ópticas a

través de una fibra común: una señal con longitud de onda de 1310 nm se transmitiría a través del

canal de 1310 nm, y una señal de 1550 nm se enviaría por el canal WDM de 1550 nm.

Los sistemas modernos pueden llegar a soportar hasta 160 señales y expandir un sistema de fibra

de 10 Gb/s hasta una capacidad total 25.6 Tb/s sobre un solo par de fibra.

Los canales WDM se comportan como filtros que únicamente permiten el paso de las señales

ópticas especificadas para cada canal, de tal forma que transmitir una señal de 1310 nm a través

de un canal de 1550 nm no funcionaría. A pesar de que actualmente se desarrollan técnicas para

alojar más de 2000 canales en una sola fibra, los multicanalizadores más comunes que existen

cuentan con 2, 4, 8, 16, 32 ó 64 canales. Aquéllos que integran dos canales cuyas longitudes de

onda se localizan entre las bandas de 1310 y 1550 nm se conocen como WDM de banda amplia.

Un multicanalizador WDM de banda angosta es aquél que integra dos o cuatro canales dentro de

la banda de los 1550 nm. DWDM (multicanalización por división de longitud de onda densa)

pertenece a la categoría WDM de banda angosta y está diseñado para un espaciamiento entre

canales de 100 GHz (~ 0.8 nm). Debido a este espaciamiento, DWDM puede acoplar ocho o más

canales dentro de la banda de los 1550 nm (Figura 4.1) [17].



Figura 4.1. Esquema básico del funcionamiento de un sistema WDM. Para cada uno de los canales hay

un láser emitiendo a diferente frecuencia. Posteriormente se multicanalizan todos los canales en una fibra

óptica de gran capacidad. En el receptor un filtro óptico selecciona cada uno de los canales.

Al momento de implementar tecnologías WDM, es muy importante que los multicanalizadores

utilicen fuentes láser con diferentes longitudes de onda, y que estas fuentes se sintonicen de

acuerdo a las longitudes de onda o bandas específicas del multiplexor. De no utilizar las

longitudes de onda correctas, el sistema podría no funcionar adecuadamente.

Sin embargo, el esquema WDM está sujeto a diversas limitaciones inherentes de la transmisión

por fibra óptica, las cuales pueden degradar el desempeño del sistema. Estos efectos incluyen:

o La dispersión cromática de la fibra, que limita la tasa de transmisión debido al

ensanchamiento temporal que sufre el pulso transmitido.

o La no uniformidad de la ganancia del EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) y el ruido

de emisión espontánea amplificada ASE (Amplified Spontaneous Emission), que degrada

la relación señal a ruido SNR (Signal to Noise Ratio) limitando el rango de longitudes de

onda disponibles.

o Diversos efectos no lineales tales como fenómenos de scattering estimulado (SRS,

Stimulated Raman Scattering y SBS (Stimulated Brillouin Scattering), auto-modulación

de fase (SPM, Self Phase Modulation), modulación de fase cruzada (XPM, Cross Phase



Modulation) y mezcla de cuatro ondas (FWM, Four Wave Mixing) que, como resultado

de las altas potencias de las señales disponibles en la fibra óptica, distorsionarán las

señales transmitidas.

En la actualidad, una considerable atención esta dirigida al estudio de los solitones ópticos como

medio para superar las restricciones e incrementar las tasas de transmisión en la fibra por sobre

los 40 Gb/s. A pesar de la madurez tecnológica alcanzada por los sistemas con solitones

amplificados, estos todavía no han sido desarrollados comercialmente [18].

4.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE TRANSMISIÓN

El conjunto de transmisión WDM está compuesto por tramos de fibra con dispersión desplazada,

cuya atenuación es compensada por una cascada de amplificadores ópticos modelados

idealmente. En el sistema se emplea modulación de intensidad con detección directa (IM/DD,

Intensity Modulation with Direct Detection) [18].

4.2.1 Transmisor

Las fuentes láser se asumen libres de ruido y de chirp de frecuencia, emitiendo secuencias en

picosegundos aleatorias de 6 bits para cada portadora, en las frecuencias f1 = 194.04 THz (1546

nm), f2 = 193.79 THz (1548 nm), f3 = 193.54 THz (1550 nm), y f4 = 193.29 THz (1552 nm). Cada

bit 1 en la secuencia de datos es simbolizado por un pulso óptico cuya envolvente corresponda a

una secante hiperbólica (soliton fundamental). Los pulsos ocupan alrededor de un 20% del

intervalo temporal asignado al bit, para así evitar una posible colisión entre ellos (fenómeno de

interacción entre solitones) [18].



4.2.2 Fibras de dispersión desplazada

Los diferentes tipos de fibras ópticas usadas en las diversas distribuciones del enlace son:

o Fibras de dispersión desplazada con longitud de onda de cero dispersión (DSF1 Lucent

TrueWave).

o Fibras de dispersión desplazada con longitud de onda de cero dispersión (DSF2 Lucent

TrueWave-XL).

Los parámetros relevantes de cada tipo de fibra son detallados en la Tabla 4.1. Un modelo para la

propagación de pulsos ópticos en un sistema WDM queda completamente definido a través de un

conjunto de ecuaciones no lineales de Schrödinger acopladas. La atenuación, los efectos

dispersivos y los fenómenos no lineales tales como SPM, XPM y SRS, son incorporados

apropiadamente en el modelo [18].

Tabla 4.1 Características de los diferentes tipos de fibra.

Fibra

dB/km

Aeff

µm2

λZD

nm

D

ps/(km nm)

DSF1 0.20 50 1 529.5 0.04 a 2.59

DSF2 0.20 50 1 566.5 -3.10 a -0.55

4.2.3 El modelo del amplificador óptico

El análisis se realiza a base de un modelo simplificado de un amplificador de fibra dopada con

erbio (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier). El EDFA es tratado como un multiplicador de

señal con ganancia de potencia G; el ruido ASE que éste genera es representado a través de una

variable aleatoria gaussiana compleja que es sumada a cada componente espectral de la secuencia

de pulsos a la salida del amplificador, según la expresión [18]:

)()()( vavAGvA nentsal (4.1)



donde G = exp(αLA) es la ganancia del amplificador necesaria para compensar las pérdidas de la

fibra; LA es el espaciamiento entre amplificadores; an y Aout son las componentes espectrales de la

secuencia de pulsos respectivamente. Las partes real e imaginaria de los componentes espectrales

del ruido ASE tienen media nula y varianza igual a la potencia media de ruido blanco, contenida

en cada componente del espectro de Fourier:

2)1(2 v

GhvP SPASE

donde ηSP es el factor de emisión espontánea (ηSP = 1 en un amplificador ideal, cuando se obtiene

una inversión de población total), h es la constante de Planck, v es la frecuencia óptica, G es la

ganancia del amplificador y Δν el ancho de banda ocupado por cada componente de frecuencia.

Se asume, además, que la ganancia y la densidad espectral de potencia del ruido ASE en el

amplificador son constantes para toda la banda de interés.

Los sistemas de WDM con solitones, tienen la capacidad de un sistema con onda luminosa que

puede ser aumentada considerablemente usando la técnica WDM. Un sistema WDM por solitón

transmite un excedente en la variación del solitón en el tramo de la misma fibra usando diversas

frecuencias en las portadoras [18].

4.2.4 Característica de las colisiones entre canales

Los nuevos sistemas WDM tienen la posibilidad de tener colisiones entre los solitones que

pertenecen a diversos canales y que viajan a diversas velocidades de grupo. Para entender la

importancia de las colisiones, primero nos centramos en los solitones estándares que se propagan

en fibras de dispersión disminuida, incluyendo las variaciones causadas por pérdidas y

dispersión.

(4.2)



4.3 EL EFECTO DE LA AMPLIFICACIÓN A SEGMENTOS

En los sistemas con manejo de pérdidas por solitón las pérdidas de la fibra se compensan

periódicamente con amplificación a segmentos. La razón es que las colisiones del solitón son

afectadas de manera inversa por variaciones en la energía del pulso. Físicamente, las variaciones

grandes de energía que ocurren sobre la longitud de una colisión (Lcol) destruyen la naturaleza

simétrica del soliton. En consecuencia, los solitones recuperan su frecuencia y velocidad original

después de que ocurre la colisión. El cambio residual de la frecuencia aumenta rápidamente como

LA de los acercamientos de Lcol y puede convertirse en < 0.1 gigahertz. Tales cambios no son

aceptables en la práctica puesto que se acumulan por excesivas colisiones múltiples y producen

grandes cambios en la velocidad para mover al soliton fuera de la ranura de bit. Cuando Lcol es

bastante grande que una colisión dura sobre varios espaciamientos del amplificador, y los efectos

de las variaciones de la ganancia y pérdida comienzan a hacer un promedio hacia fuera, y las

disminuciones residuales del cambio de frecuencia. Puesto que Lcol se relaciona con el inverso del

espaciamiento de canal, los sistemas de esta condición tienen un límite en la separación máxima

entre los dos canales exteriores de un sistema WDM.

4.4 MANEJO DE DISPERSIÓN

FWM es la limitación de sistemas WDM, el factor GVD (dispersión de velocidad de grupo)

cuando se mantiene constante a lo largo del acoplamiento de la fibra, el problema de FWM

desaparece virtualmente cuando se utiliza la técnica de la manejo de dispersión el fenómeno no

lineal de FWM requiere la correspondencia de fase. Esto hace una fuente principal de la diafonía

no lineal siempre que el espaciado del canal y la dispersión de fibra sean bastante pequeños para

satisfacer la condición que empareja la fase aproximadamente. Es así cuando los sistemas WDM

funcionan cerca de la longitud de onda de dispersión cero de fibras cambiadas por la dispersión.

Por esta razón, varias técnicas han sido desarrolladas para reducir el impacto de FWM en

sistemas WDM. De hecho, el manejo de dispersión es esencial si un sistema WDM por solitón se

diseña para transmitir más de dos o tres canales [2].



La utilización del manejo de la dispersión en sistemas de transmisión por fibra óptica permite

reducir tanto el efecto de los desplazamientos frecuenciales y temporales en sistemas WDM

como el impacto de los procesos de mezcla de cuatro ondas (FWM). El manejo de la dispersión

se ha presentado con éxito en la interpretación de mejoras de sistemas de transmisión de un solo

canal. Esta técnica ha sido mostrada para ser eficaz en reducir tanto la inquietud de cronometraje

inducida por la colisión como la generación de crecimiento FWM.

4.5 EFECTOS SOBRESALIENTES

El problema de los pulsos que se presenta recíprocamente e influenciándose durante esa

interacción, es de importancia fundamental en muchas áreas. Por ejemplo, si el pulso es un

portador de la información, tal como adentro de un sistema de comunicación, la disminución o la

destrucción del pulso con la interacción afectarán seriamente la utilidad del sistema. El panorama

más simple de la interacción del pulso es el de dos pulsos que vienen juntos y que se cruzan, en

virtud de viajar a diversas velocidades. En sistemas lineales, una buena interacción esta prevista

debido a la superposición de ondas. En sistemas no lineales, sin embargo, los subproductos

imprevisibles de la interacción pueden dar lugar y pueden ser devastadores a los pulsos. En

sistemas no lineales débiles, estos productos son el resultado de una resonancia que es excitada

por la no linealidad, llamada mezcla de cuatro ondas. La demanda fundamental de este papel es

que la aleatoriedad en el sistema puede golpearlo de resonancia suficientemente para anular, o

para disminuir por lo menos, es el resultado de esta interacción. Una estrategia conocida para los

pulsos que se estabilizan en tal sistema es el manejo de dispersión. Es el manejo de la dispersión

que reduce perceptiblemente la mezcla de cuatro ondas. En tal sistema, la interacción del pulso se

puede estudiar directamente como la dinámica de un solitón. Los pulsos se sabe que pueden

sobrevivir a tal interacción con solamente un cambio en los parámetros, tales como la fase [19].



4.5.1 Fondo y motivación en sistemas de transmisión por fibra óptica

Una técnica empleada es el sistema de multicanalización por división de Onda (WDM), que

permite el uso de sistemas múltiples para propagar pulsos dentro de una sola línea de la fibra. Las

interacciones no lineales entre parejas de los pulsos en diversos canales de frecuencia dan lugar a

varios efectos. Dos efectos principales son (i) la inquietud que mide el tiempo colisión-inducida,

que pulsan los resultados en frecuencia permanente que cambian de puesto al chocar y (ii)

mezclado de cuatro ondas (FWM) esos son los resultados en una forma de onda permanente que

pueda continuar recíprocamente con otros pulsos ópticos. Las impurezas de la fibra, sobre todo

debido a la construcción y la puesta en marcha de la fibra, se pueden ver como perturbaciones

pequeñas al azar en la fibra. En el pasado, estas perturbaciones a menudo se han considerado un

efecto negativo al sistema óptico en que conducen a las distorsiones del pulso generando su

destrucción: los solitones y el manejo de dispersión en los solitones se ensanchan bajo la

influencia de perturbaciones al azar, hasta que se desintegran. Afortunadamente, estos efectos

ocurren a distancias muy grandes del excedente y eso es posible al utilizarlos como portadores en

redes de comunicaciones terrestres. Con respecto a otros fenómenos es sabido que el crecimiento

del producto de FWM y las resonancias deterministas, las variaciones al azar de los parámetros

de la fibra pueden tener un impacto beneficioso referente a interacciones del pulso [19].

Mediante este conjunto de tecnologías se a propuesto manejar grandes cantidades de datos los

cuales, se ven reflejados en el crecimiento de las grandes ciudades y por ende estos servicios de

comunicación dando una aplicabilidad en redes que comuniquen voz y video en tiempo real, ya

que se requiere una gran velocidad de transmisión para poder enlazar y cubrir eventos de

importancia a nivel mundial, para redes de seguridad entre empresas que manejen datos de

importancia, a si llevando a niveles de gran confiabilidad para una comunicación pura y con

niveles de error menor a la que se maneja en la actualidad [19].


CONCLUSIONES

Hemos descrito a los solitotes como una manera de aprovechar los efectos dispersivos y no

lineales que por separado, degradan el desempeño de la señal transmitida en una fibra óptica. En

esencia un solitón puede verse como un pulso que se propaga sin cambiar su forma, mejorando el

desempeño de sistemas que se ven limitados por los fenómenos de dispersión.

Llevar a los solitotes a un nivel comercial depende de todo lo que se necesita para mantenerlos

durante su propagación. El reto es mejorar los sistemas de telecomunicaciones existentes, con la

finalidad de saciar el ansia de nuevos, mejores y más eficientes servicios de telecomunicaciones

demandado por sus usuarios. La aplicación más inmediata para las transmisiones mediante el uso

de solitones la observamos en los sistemas de gran capacidad y larga distancia, como enlaces

transoceánicos.

En este trabajo se presentó la evaluación de un sistema WDM por solitones para su aplicación en

sistemas de transmisión de largo alcance, donde las técnicas de control de dispersión y

amplificación representan un papel importante en el desempeño del sistema. Como desafío

futuro, se plantea la necesidad de incorporar un modelo más riguroso de amplificación que

considere el comportamiento real de los EDFA.

Estamos conscientes de que escribir cualquier texto relacionado con las comunicaciones ópticas

requiere de una constante revisión de conceptos y actualización de la información; es por ello que

no nos atrevemos a corroborar el funcionamiento de algún sistema por solitón que ya se

encuentre operando actualmente.


GLOSARIO

Apertura numérica (NA). La apertura numérica de una fibra óptica define una característica de

la fibra con respecto a su aceptación de luz incidente. El "grado de abertura," "habilidad de juntar

luz," y "cono de aceptación" son términos que describen esta característica.

Absorción. Conversión de energía óptica en calor. Se expresa como décibeles por kilómetro

(dB/km).

Amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA). Un amplificador óptico que utiliza una fibra

activa metida en erbio y una fuente de bomba (láser) para hacer más grande o amplificar la señal

óptica.

Ancho de banda. Una medida de la frecuencia máxima por la cual la intensidad de la luz puede

ser modulada antes de que la señal experimente atenuación de exceso de 3dB. Por más grande

que sea el ancho de banda, más grande es la capacidad para llevar información. Ancho de banda

de fibra se expresa en megahertz (Mhz) por kilómetro (km).

Ancho del espectro. Una medida de la extensión de la longitud de onda de un espectro. Se

utiliza para determinar la anchura óptica de las fuentes de luz como los LED y los láseres en

sistemas ópticos. También se conoce como anchura de línea. Anchuras típicas de espectros para

un LED son 20 nm a 60 nm y para un diodo de láser, 1 nm a 5 nm.

Ancho del pulso. El intervalo de tiempo de la duración de un pulso.


Angulo crítico. El ángulo máximo en que luz puede ser totalmente reflejada dentro de una fibra.

La proporción de la apertura numérica equivale el índice de la refracción del núcleo de la fibra.

Angulo de aceptación. Angulo máximo en que la luz es aceptada por una fibra; el ángulo

crítico, medido desde el eje central del núcleo, mediante el cual el núcleo de una fibra óptica

acepta luz de entrada.

Atenuación. El término general utilizado para describir la diminución de energía de un punto

hasta otro. En fibras ópticas, la pérdida de poder óptico por unidad se expresa logarítmicamente

en décibeles por kilómetro (dB/km) en una longitud de onda específica.

Décibel (dB). Una unidad logarítmica que describe la proporción de dos energías, voltajes o

corrientes.

Demulticanalizador. Un aparato que separa las dos o más señales que se han combinado para ser

una señal de multiplexor. Un demulticanalizador óptico separa las señales a longitudes de ondas

diferentes.

Diafonia. Denominada en inglés Crosstalk. Acoplamientos magnéticos o capacitivos entre

circuitos próximos a consecuencia de los desequilibrios producidos en unos por otros cuando los

atraviesan corrientes diferentes o sus características son distintas.

Dispersión. La causa de las limitaciones del ancho de banda en una fibra. Dispersión hace que

los pulsos de entrada lleguen a ser más anchos a lo largo de la fibra. Dos tipos predominantes

son: a) Dispersión modal que es causada por las longitudes diferenciales del camino óptico en

una fibra multimodo. b) Dispersión material que es causada por una demora diferencial de varias

longitudes de onda de luz en un material de guía de onda.


Dispersión cromática. El efecto de una combinación de dispersión de material y de guía de

onda.

Dispersión de guía de onda. La distorsión de un modo debido a las propiedades geométricas de

la guía de onda.

Distorsión. Un cambio en la figura de la forma de onda de una señal.

Fabry–Perot. Diodo de láser típico que contiene un semiconductor adherido a cada espejo para

formar una cávidad resonante que crea el efecto del láser. Se utiliza en aplicaciones digitales.

Fibras ópticas. Transmisión de luz por fibras ópticas para la comunicación, incluyendo voz,

video, y datos.

Indice de refracción. La proporción de la velocidad de luz en un vacío y la velocidad de luz en

un material.

Interferómetro. es un instrumento que emplea la interferencia de las ondas de luz para medir

con gran precisión longitudes de onda de la luz misma.

Láser. Una fuente coherente de luz con un ancho de espectral muy angosto.

Láser sintonizable. Un láser capaz de que se le varíe su longitud de onda central para

optimizarla para una aplicación específica.

Multicanalización de división de longitud de onda (WDM). La combinación de dos o más

señales ópticas para transmisión sobre una vía óptica común, usualmente una fibra simple.


Polarización. Un término usado para describir la orientación de los vectores de los campos

eléctricos y magnéticos de una onda electromagnética propagante. Una teoría de ondas

electromagnéticas describe en detalle la propagación de señales ópticas (luz).

Realimentacion distribuida (DFB). Un tipo de láser que usa rejilla interna para reducir la

anchura de línea del láser. Se puede utilizar en las aplicaciones análogas (AM/FM).

Rejilla de Bragg. Un filtro de reflexión de banda muy angosta que actúa como espejo para una

longitud específica de onda. Varían en tamaño de uno pocos milímetros a 125 mm. Más grande

la rejilla, más angosta la banda. Se usa para aplicaciones de multiplexión por división de

longitud de onda (WDM) para transmitir múltiples longitudes de onda por una fibra simple. Tres

aplicaciones importantes en telecomunicaciones de rejilla de fibra Bragg son: filtrar WDM,

aplanar ganancia, y dispersión.

Soliton. Pulso ultracorto que tiene la forma de una secante hiperbólica y se propaga a lo largo de

una fibra óptica sin perder su forma original.

SNR. Relación de señal a ruido. La relación de la energía de la señal a la energía del ruido de

fondo; usualmente se mide en en décibels (dB). Un término usado para describir la calidad de un

sistema de transmisiones electrónicas.

(BER). Tasa de error de datos. Una medida de la precisión de una transmisión. Es una

proporción de bitios recibidos en error a los bitios mandados.


BIBLIOGRAFÍA

[1] J.R.Taylor. Optical Solitons. Theory and Experiments. Cambridge University Press, Reino

Unido, 1992.

[2] Govind P. Agrawal. Optical System Communication Networks. Academic Press, Estados

Unidos, 2002.

[3] Roger L. Freeman. Fiber-Optic Systems for Telecommunicatios. Wiley Interscience, Estados

Unidos, 2002.

[4] José Capmany, F. Javier Fraile-Peláez, Javier Martí. Fundamentos de Comunicaciones

Ópticas. Síntesis, España, 1998.

[5] José Capmany, F. Javier Fraile-Peláez, Javier Martí. Dispositivos de Comunicaciones

Ópticas. Síntesis, España, 1999.

[6] J.E. Midwinter, Y.L. Guo. Optoelectronics and Lightwave Technology. Wiley Interscience,

Estados Unidos, 1999.

[7] Gerd Keiser. Optical Fiber Communications, 2da edición. McGraw-Hill, Estados Unidos,

1991.

[8] Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan. Optical Networks: A Practical Perspective, 2da

edición. Academic Press, Estados Unidos, 2002.



[9] Michael Bass. Fiber Optics Handbook. Fiber, Devices and Systems for Optical

Communications. McGraw-Hill, Estados Unidos, 2002.

[10] Pierre Halley. Fiber Optic Systems. Wiley Interscience, Reino Unido, 1987.

[11] José A. Martín Pereda. Sistemas y Redes Ópticas de Comunicaciones. Pearson Prentice Hall,

España, 2004.

[12] Jean Pierre Nérou. Introducción a las Telecomunicaciones por Fibras Ópticas. Trillas,

México, 1991.

[13] Hildeberto Jardon Aguilar, Roberto Linares y Miranda. Sistemas de Comunicaciones por

Fibras Ópticas, Alfaomega, México, 1995.

[14] Baltasar Rubio Martínez. Introducción a la Ingeniería de la Fibra Óptica. RA-MA, España,

1994.

[15] Instituto Tecnológico de Teléfonos de México. Manual Básico de Transmisiones. México,

2001.

[16] David M. Spirit. High Capacity Optical Transmission Explained. Wiley Interscience,

Estados Unidos, 1995.

[17] Emilio José Gualda Manzano. Optimización de las Prestaciones de Enlaces Ópticos

Submarinos de Gran Capacidad y Larga Distancia Mediante el Control de la Dispersión. Tesis

doctoral. Departament de Teoría del Senyal i Comunications (TSC).

[18] Claudio Cubillos, Ricardo Olivares. Propagación de Pulsos Solitónicos en Redes Ópticas

WDM. Rev. Fac. Ing. – Univ. Tarapacá, vol 13 N° 3, 2005, pp. 89-95.



[19] Rudy L. Hornea, Christopher K.R.T., Jonesa, Tobias Schäferb. The Effects of Weak

Randomness on Pulse Interactions and Four-Wave Mixing Products. Science Direct. Physica,

2005, pp. 70–79.

[20] Anjan Biswas. Asymptotic Analysis for Dispersion-Managed Solitons in Multiple Channels.

Optical and Quantum Electronics. Springer Science, 2006, pp. 605-623.

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