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Los grandes desafíos a los que se enfrenten las redes de transporte del futuro son básicamente minimizar el coste del transporte por bit, maximizando el alcance sin regeneración y la capacidad de la fibra.

Podemos incrementar la capacidad de la fibra usando más longitudes de onda con un menor espaciamiento entre ellas, o más velocidad por cada longitud de onda. Si te interesa el tema puedes ver más detalles de cómo incrementar la eficiencia espectral.

Podemos incrementar el alcance sin regeneración usando mejores soluciones de amplificación óptica en las que se incluya la amplificación Raman, o híbridos EDFA (Erbium Dopped Fiber Amplifier) + Raman. Se requerirá una menor OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) por longitud de onda gracias a tecnologías como los receptores coherentes y el FEC SD (Forward Error Correction Soft Decision).

Podemos desplazar funcionalidades desde la óptica hacia la electrónica usando sistemas coherentes que optimicen el coste y potencialmente PICs (Photonic Integrated  Circuits)  para reducir el TCO ( Total Cost of Ownership), especialmente en el borde y en la zona metro.

Por otra parte, habría que optimizar la arquitectura de los nodos para permitir la conmutación a diferentes niveles, sustituyendo los enlaces punto a punto por topologías de mallas completamente ópticas. Las interfaces ópticas de cliente son un buen ejemplo donde coste, tamaño y disipación de potencia son factores críticos.

En cualquier caso, nos interesa  incrementar y mejorar la integración fotónica de los componentes que harán viable todas estas tendencias. Existen fundamentalmente cuatro tecnologías para realizar la integración fotónica, que veremos a continuación.

Tecnologías de Integración Fotónica

Existen diferentes alternativas tecnológicas para desarrollar los circuitos fotónicos integrados (PIC).

  • CMOS Photonics. Las tecnologías de integración fotónica basadas en Silicio implementadas sobre CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) necesitan de un elevado volumen para que su fabricación sea rentable. El objetivo sería tomar ventaja de esta economía de escala que se produce en la electrónica usando las mismas  instalaciones que las que se utilizan para la fabricación CMOS, de manera que se abarataran los costes de producción de los PIC. La tecnología CMOS permite una integración íntima de óptica con electrónica en el mismo chip. La tecnología CMOS se utiliza en diferentes campos, pero para aplicaciones de telecomunicaciones, existen tres cuestiones fundamentales:
    • Fuentes de luz. Actualmente se utilizan fuentes de luz basadas en  InP o GaAs, y están integradas híbridamente en el chip de Silicio. Existen interesantes desarrollos en algunas startups, industrias de microelectrónica e investigación.
    • Como ya se ha comentado, CMOS photonics necesita de grandes volúmenes. Una fábrica de gran tamaño no es eficiente en costes a menos que se fabriquen más  100.000 unidades al año. El crecimiento de la fibra en el acceso y las conexiones de corto alcance puede ser un aliado para llegar a los volúmenes necesarios.
    • Las soluciones CMOS photonics no siempre serán las mejores aplicaciones fotónicas para las telecomunicaciones. La ventaja de la integración, la flexibilidad y el progreso en el diseño probablemente disminuirán estas limitaciones y las harán más atractivas.

 

  • InP. Los PIC basados en Fosfuro de Indio constituyen una importante innovación tecnológica que simplifica el diseño de sistemas ópticos, reduciendo espacios y consumos. Adicionalmente, disminuyendo el coste de la conversión OEO (óptica-eléctrica-óptica) en las redes ópticas, proporcionan una oportunidad de transformación para abrazar el uso de circuitos integrados electrónicos y sistemas software en una red óptica “digital”  que maximice la funcionalidad del sistema, mejorando la flexibilidad de los servicios y simplificando la operación de la red.
    • monolítico, utilizando circuitos integrados
    • híbrido, mezclando componentes discretos con circuitos integrados
  • VCSEL.Diodo Láser de Emisión Superficial con Cavidad Vertical.
    • Es un diodo semiconductor que emite luz en un haz cilíndrico vertical de la superficie de una oblea, y ofrece ventajas significativas cuando se compara con láser de emisión lateral comúnmente usados en la mayoría de comunicaciones por fibra óptica.
    • Los VCSELs pueden ser construidos con GaAs, InGaAs.
    • Para el funcionamiento del VCSEL, se requiere de una región activa de emisión de luz encerrada en un resonador que consta de dos espejos. En este caso, los espejos son parte de las películas epitaxiales, por lo que estas películas se sobreponen formando una pila. Estos espejos son conocidos como reflectores distribuidos de Bragg (DBRs).
    • Los DBR llegan a formar espesor usando entre 40 y 60 películas en cada DBR, produciéndose un espesor total de 6μm –8μm. Para crear la unión p-n se necesita que un DBR este dopado para hacerlo semiconductor tipo n y el otro DBR tipo p.
    • Los VCSELs tienen alto rendimiento y bajo costo, algunas de sus características son:
      • La estructura puede ser integrada en una configuración de arrays de 2 dimensiones.
      • Su haz circular y baja divergencia eliminan la necesidad de óptica correctiva.
      • Comercialmente la corriente de umbral de un VCSEL es de aproximadamente 4 mA.
      • Alcanza potencias ópticas del orden de 10 mW.
      • Su ancho espectral ( Dl ) es de aproximadamente 1nm.
      • Su longitud de onda central es de aproximadamente 850 nm.
      • Se puede aplicar un VCSEL en transmisión de datos en el rango de velocidad de 100 Mbs a 1 Gbs.
  • Silica on silicon. Los bloques que conforman esta tecnología son:
    • Fuentes de luz. Integración del grupo III-V en los procesos estándares CMOS
    • Guías de ondas
    • Moduladores
    • Pasivos, como AWG
    • Receptores
    • Elementos de Conmutación Óptica
    • Funciones electrónicas

La tecnología de integración Silicon Photonics es aplicable en diferentes clases de productos en diferentes momentos temporales, dependiendo de los diferentes grados de madurez de la tecnología y de los mercados.

Integración fotónica en redes de transporte

De manera equivalente a como se integran los circuitos integrados sobre Silicio agrupando un elevado número de transistores en una única pequeña pieza física que es más poderosa, más fiable y consume menos potencia y espacio, hoy en día, los circuitos fotónicos integrados (PIC) agrupan centenares de componentes ópticos en una pequeña pieza física que es también más potente, más fiable y utiliza menos potencia y espacio que la aproximación equivalente usando componentes discretos.

En Enero de 2012 Ericsson anunció su trabajo sobre tecnología fotónica sobre Silicio (silicon photonics) para los supercanales de Terabit. El proyecto comenzó en abril de 2008 y concluyó a finales de 2011. Los resultados públicos los puedes encontrar en la web del proyecto APACHE.

El proyecto APACHE propone una nueva estrategia de integración, análoga a la aproximación que se realiza en la industria electrónica. En el caso de la electrónica, los componentes se montan de manera pasiva sobre una placa de circuitos impresos de acuerdo con las funcionalidades del diseño. Estos componentes pueden ser dispositivos discretos como resistencias, o chips monolíticos como circuitos integrados.

En APACHE, usando circuitos integrados fotónicos basados en la tecnología híbrida de integración Silica on silicon , se supera el primer obstáculo para el equivalente fotónico, a través de procesos de ensamblado pasivos que proporcionan alineamientos de precisión para dispositivos ópticos monomodo, en los que la tolerancia a los alineamientos deben ser de  micras o por debajo. Usando esta aproximación, un dispositivo guíaondas planar sobre silicio actúa como la placa de circuito impreso óptico (o placa madre), proporcionando la matriz de interconexión pasiva de guíaondas

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Los componentes monolíticos se integran de manera pasiva sobre una placa hija, que a su vez se monta sobre la placa madre planar de silicio, PLCB (Planar Lightwave Circuit Board). Para ello se necesita un método de diseño unificado para el dispositivo híbrido en el que, además de haber definido las características de alineamiento necesarias para el ensamblaje, se definen los tamaños de los modos de los componentes ópticos en las interfaces entre los elementos activos y pasivos.

Además, comparados con InP, las guíaondas pasivas basadas en silicio muestran menores pérdidas de inserción, menor dispersión por velocidad de grupo, mejor acoplamiento a fibras ópticas y menor sensibilidad con la temperatura. En APACHE, se desarrollaron las placas madre e hijas para que puedan albergar chips monolíticos más grandes, tales como arrays de moduladores InP, láseres DFB, SOAs…La característica básica de los dispositivos APACHE es la agilidad, la cual es posible gracias a la capacidad de generar, modular y regenerar señales ópticas de varios formatos de modulación usando un dispositivo multifuncional. La funcionalidad requerida se ofrece a través de “add-ons” monolíticos,  como por ejemplo láseres moduladores basados en InP, amplificadores, etc., que se ensamblan de manera pasiva en las placas hijas y consecuentemente en la placa madre. Los esfuerzos se centraron en fabricar chips activos con modulación InP, regeneración y recepción de señales >100Gbps.

A finales de enero de 2012, Huawei anunció la adquisición del Centre for Integrated Photonics Ltd. (CIP), lo que apunta a que Huawei querría desarrollar su propia fotónica integrada, sin necesidad de recurrir al mercado. Infinera dispone hace tiempo de un PIC comercial de 500 Gbps que será de 1 Tbps en su siguiente generación.

Tecnología PPXC (Petabit Photonic Cross-Connect)

Se trata de una tecnología fotónica que permitírá la conmutación OTN a nivel de Petabit  a lo largo de todo el enlace óptico con una granularidad lo suficientemente fina.

Optimizando la tecnología de un láser sintonizable de InP se pueden generar prototipos de láseres para conmutación ultrarápida, permitiendo a su vez generar equipamiento que aproveche estas ultra capacidades. Esto ya está a puntito de mostrarse públicamente y puedes encontrar la referencia aquí

La conmutación ágil y de capacidad ultragrande es una prometedora tecnología para las redes ópticas del futuro. El componente clave de esta funcionalidad es la tecnología que permite láseres sintonizables. Estamos hablando de que los láseres se sintonizarían en nanosegundos.

Una tecnología de crossconexión todo óptica dotará de una ventaja única a los clusters de conmutación OTN de capacidad ultragrande que formarán parte de los backbone de las redes de transporte del futuro, o de los grandes Data Center o cualquier otra aplicación donde sea conveniente.

El nivel de integración es clave para el futuro de los PIC.  Recientemente la compañía Oclaro demostró con éxito que los PIC completamente monolíticos en InP pueden ser usados para ofrecer elevadas prestaciones a bajo coste

Todos estos movimientos apuntan a que la integración fotónica es el futuro habilitador de las nuevas prestaciones que se requieren en las redes de transporte ópticas. Es un futuro que ya ha comenzdo.

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El concepto de super-channel, o super-canal está asociado a velocidades superiores a los 100 Gbps. ¿Por qué se necesitan velocidades tan elevadas? Porque el tráfico en Internet crece, y crece y parezca que no tenga límite. Cada vez son más los usuarios y cada vez son más los contenidos. Además cada vez son más las diferentes formas y lugares desde los que podemos acceder a Internet. La explosión del video, en concreto los formatos de alta definición y los smartphones, tablets y demás dispositivos con sus posibilidades infinitas hace que las necesidades de ancho de banda sean inconmesurables. Ni hablemos de cuando lo que se conoce como Internet de las Cosas y todo lo que se engloba bajo el concepto de La Nube sean una realidad palpable.

Esta explosión es una oportunidad clara para los proveedores de servicio, los que mejor sepan captar las experiencias de los usuarios en este entorno dinámico in extremis, serán los que capturen más mercado. Claro, estos proveedores de servicio tienen que estar preparados para que sus redes escalen de manera dramática, y por supuesto minimizando los costes capitales y operacionales, de manera que el precio del Gbps sera el mínimo posible.

El punto de partida para esta revolución se encuentra en las redes de transporte, pilares de las comunicaciones de larga distancia.

Para emprender este camino, los mecanismos de transmisión óptica DWDM deben también adaptarse a las nuevas necesidades. El concepto de supercanal es una nueva aproximación a las promesas de capacidad que el DWDM puede ofrecer ante el incremento creciento del tráfico.

¿Qué es un Supercanal?

DWDM  es una tecnoogía que permite que en una sola fibra óptica viajen en paralelo varias portadoras ópticas, de manera que el uso de dicha fibra es mucho más eficiente, ya que en lugar de un único canal de información, se transmitirán muchos más (cada portadora óptica es un canal).

Se trata de una tecnología ampliamente desplegada y que ahora se encuentra en el entorno de los 100 Gbps por cada portadora óptica. Pero con las espectativas en cierne de crecimiento exacerbado, puede que esta capacidad no sea capaz de asumirlas. Hay que incrementar el ancho de banda sin incrementar la complejidad operacional.

En respuesta a la pregunta, ¿qué vienen despues de los 100 Gbps?, aparece el supercanal como la mejor posicionada. El supercanal es una evolución del DWDM en la que varias portadoras ópticas se combinan para crear una señal de línea compuesta de la capacidad deseada, y que se provisiona de una sola vez. Por supuesto, para el cliente, el uso de supercanales es algo transparente.

Implementando Super-Canales

A día de hoy no se disponen de estándares para implementar super-canales. Además, aspectos tales como el número de portadoras, las velocidades de las mismas, incluso si deben ser portadoras contiguas o no, y el nivel de integración de componentes, son temas que están totalmente abiertos.

Existen dos opciones de implementación obvias para desarrollar transpondedores de una única portadora que funcionen a velocidades por encima de los 100 Gbps. Una es transmitir más símbolos de modulación por segundo y la otra es codificar más bits por símbolo de modulación. Incluso una combinación de ambos.

Incrementar el número de bits por símbolo implica incrementar la eficiencia espectral, y eso no siempre es fácil ni puede pagarse el precio que puede costar.

La tecnología de los super-canales añade una tercera opción, la posibilidad de manejar múltiples portadoras como si fuera una sola.

La importancia de la integración fotónica

Los super-canales permiten una capacidad de 1 Tbps DWDM provisionada de una sola vez sin penalizaciones en la eficiencia espectral y con el mismo alcance óptico que el de los transpondedores de 100 Gbps coherentes actuales.

Es evidente que un super-canal de 10 portadoras necesita establecer 10 componentes ópticos en una tarjeta de línea. Implementando este tipo de interfaz usando componentes ópticos discretos podría ser totalmente inviable.

 Usando PIC, Circuitos Fotónicos Integrados, uno en transmisión y otro en recepción, las 10 portadoras podrían implementarse en una única tarjeta de línea compacta, consumiendo menos potencia que 10 transpondedores discretos.

Los PIC aportarían a la ingeniería de los super-canales lo que la integración electrónica aportó en su momento a las CPU multi-core. Los PIC eliminarían las limitaciones de la complejidad de los componentes ópticos y permitiría que la ingeniería correcta fuera aplicada. Si quieres saber algo más sobre los PIC pincha aquí

Flexibilidad es la clave para el éxito de los super-canales

Los supercanales deben ser extremadamente flexibles en una serie de parámetros:

  • ¿Qué tipo de modulación debería usar?
  • ¿Cual es la mejor manera de optimizar la eficiencia espectral y el alcance
  • ¿Qué espaciado deben tener las portadoras?
  • ¿Cual debería ser la anchura total de un super-canal?

Un super-canal ideal  debería permitir seleccionar todos estos parámetros mediante software. De manera que el operador pudiera escoger, en el momento de la provisión, la combinación óptima de parámetros para cada circuito.

El concepto de rejilla flexible, parece que es una opción que no se podrá descartar para obtener velocidades en torno a 1 Tbps de manera eficiente, y eso implica que será imprescindible que el espaciado y la anchura de los canales sea dinámico y configurable por SW. El horizonte temporal de disponibilidad no va más allá de los 4 años.

Puedes encontrar un interesante Whitepaper con mucha más documentación en Super-Channels DWDM Transmission Beyond 100 Gbps