Modulación Coherente para UltraVelocidades

Cuando se habla de velocidades de 40 Gbps y superiores, las cuales podríamos definir como ultravelocidades, el empleo de nuevas técnicas de modulación se convierte en una necesidad imperiosa.

El espectro del que disponemos en una fibra óptica es el que es. Y como limitado que está, si queremos seguir aumentando la velocidad en las transmisiones, la única posibilidad es aumentar la eficiencia espectral, es decir, meter más bits por Hertzio.

Además, hay que tener muy claro, que cuando en la fibra se corretea con velocidades muy elevadas, superiores a los 40 Gbps, los fenómenos no lineales, que para velocidades inferiores apenas representan problemas, se pueden convertir en un auténtico quebradero de cabeza que eche al traste algunos enlaces ya establecidos. Las dispersiones cromática y la producida por el modo de polarización también tienen su protagonismo indeseado conforme aumentamos la velocidad de las señalas a transmitir. Será por tanto necesario compensar en el receptor todos estos fenómenos perniciosos para así poder recomponer correctamente la señal transmitida.

Es decir, si queremos transmitir velocidades por encima de los 40 Gbps necesitamos formatos de modulación que aumenten la eficiencia espectral y que utilicen ciertos mecanismos para compensar los fenómenos perniciosos que se producen a esas velocidades. Estamos hablando, ni más ni menos, de detección coherente con DSP (Digital Signal Processing). Los sistemas de transmisión, por lo tanto, están evolucionando hacia sistemas con detección coherente y procesado de señal.

Profundicemos, sólo un poco, en los fenómenos adversos que hay que tener en consideración a velocidades superiores a 40 Gbps:

• CD, Dispersión Cromática. La dispersión es un ensanchamiento que sufre el pulso, en este caso, debido a las propiedades del medio de transmisión, que presenta diferente índice de refracción para las diferentes longitudes de onda que componen la señal. Es decir, que la luz cuando viaja por la fibra, va rebotando dentro del núcleo, y cada color que la compone viaja a una velocidad diferente, con lo que el pulso cuando llega a su destino es más ancho. Puede llegar un momento, en que sea tan ancho que se superponga con el pulso anterior y/o posterior, con las consiguientes interferencias que generarán errores en la decodificación de la información que transportaba el pulso original.
• PMD, Dispersión por el modo de polarización. En este caso la dispersión se produce debido al hecho de que la fibra es un material birrefrigerante. Es decir, el índice de refracción es diferente para el modo vertical y horizontal, que son los dos modos ortogonales de polarización que presenta la señal, de manera que el ensanchamiento del pulso se produce esta vez porque la componente vertical de la señal se mueve  a una velocidad diferente que la componente horizontal. Como depende de la fabricación de la fibra, es un parámetro estadístico, y por lo tanto difícil de compensar.
• Fenómenos no lineales. Tienen dos orígenes fundamentals. Cuando la intensidad de la luz sobrepasa una determinada potencia, la variación del índice de refracción de la fibra provoca diferentes fenómenos como la auto modulación de fase (Self- Phase Modulation (SPM)), la modulación de fase cruzada (Cross-Phase Modulation (XPM ó CPM)),y la mezcla de cuatro ondas (Four Wave Mixing (FWM)). Otro tipo de fenómenos no lineales se debe a la interacción de los fotones incidentes con algunos modos de vibración del material que se conocen como Fonones, de esta interacción resultan dos tipos de dispersiones: La Dispersión Estimulada de Raman (Stimulated Raman Scattering (SRS)) y la Dispersión Estimulada de Brillouin. (Stimulated Brillouin Scattering (SBS).

Todas ellos, en su combinación, degradan las señales de ultravelocidad. La relación óptica señal a ruido que caracteriza el sistema, OSNR (Optical Signal to Noise Ratio), viene determinada por una tasa de error en la recepción, BER (Bit Error Rate). Para que la comunicación sea viable, la BER  tiene que ser menor que el umbral del FEC (Fordward Error Correction). Es decir, las técnicas que se utilizan para corregir posibles errores acaecidos en la transmisión tienen que resolver los errores provocados por los fenómenos perniciosos, de manera que se siga manteniendo la BER necesaria. Estos además, son más perniciosos cuanto mayor es la velocidad de transmisión.

A todo lo expuesto, debemos añadir el hecho de que las redes de transmisión ópticas no suelen ser fibras punto a punto, sino que es la estructura de malla, por su fiabilidad y robustez, la que se posiciona como favorita. Y cuando se producen fallos en los enlaces establecidos, las restauraciones de los mismos pueden conllevar cambios repentinos en la señal recibida. El proceso de restauración debe ser lo suficientemente rápido como para que la interrupción del servicio sea apenas perceptible. Pero cuando tratamos con velocidades superiores a los 40 Gbps, la compensación de la dispersión cromática, que hay que calcular despues de obtener el nuevo camino de restauración puede ser más lenta de lo deseado.

Las tecnologías tradicionales utilizan detección directa, o bien de la intensidad de la señal transmitida (OOK) o bien de la combinación entre la señal transmitida y una réplica retardada (xPSK) que convierte diferencias de fase en diferencias de amplitud.

 En la detección directa, la potencia del canal se convierte en intensidad de corriente en un fotodiodo. Con un filtro paso banda en el último equipo ROADM del enlace seleccionamos el canal. Se trata de una solución de fácil implementación y sobre todo barata. Pero presenta una baja sensibilidad y muy baja capacidad para compensar los fenómenos adversos.

Necesitamos por tanto de algún mecanismo que aumente la sensibilidad de la señal y que nos permita compensar los crecientes fenómenos adversos.

Si procedemos a mezclar nuestra señal original con un oscilador local, esto nos permite obtener la amplitud y la fase de la señal. Y mediante un procesado digital sería posible compensar la CD y la PMD, bastante nocivos, como ya hemos advertido, en los sistemas de alta velocidad. Además, la señal que se recibe es de mucha mayor potencia debido al mezclado con el oscilador local, y se realiza un filtrado intrínseco de la señal, ya que el oscilador se sintoniza entorno al canal o canales que se quieran detectar, con lo que se simplifica la arquitectura de los nodos ROADM.

 De manera que, para asegurarnos que la transmisión de velocidades superiores a los 40 Gbps sea una realidad, es necesario el empleo de formatos de modulación coherente.

Profundizaremos en los diversos aspectos aquí comentados en entradas posteriores.