Avances en los sistemas de transmisión de fibra óptica. Parte 1 – Introducción y perspectiva histórica.

José Malaguera. Abril, 2023.

Para superar las limitaciones de capacidad de los sistemas ópticos actuales basados en fibra óptica monomodo, se debe utilizar la transmisión paralela masiva en el dominio espacial se trata de la multiplexación por división espacial (space-division multiplexing SDM) soportada con la tecnología de la transmisión paralela extendida en el dominio de la frecuencia (en los sistemas de banda ultraancha - ultrawideband UWB). En esta serie de artículos se revisan los aspectos claves de los sistemas de transmisión paralelos como la única opción significativa para solucionar el enorme incremento de capacidad que se presentará en el futuro analizado las diversas ventajas y desventajas a nivel de la arquitectura de red, así como a nivel de la integración de hardware. Al hacerlo, estos artículos también servirán como una introducción para explicar de forma detallada los sistemas de fibra óptica y su futuro desarrollo. Esta serie de artículos están basados en la publicación [1] que trata sobre el papel de la tecnología de la transmisión paralela en la evolución de los sistemas de comunicación de fibra óptica que se recomienda como un documento introductorio, que destaca los avances en los sistemas de transmisión de fibra óptica y señala los problemas de adaptabilidad de la capacidad y diseño, describiendo varias opciones de adaptabilidad de la capacidad de la fibra óptica actual.

I. INTRODUCCIÓN

Hace unos 25 años, todavía se creía ampliamente que la fibra óptica proporcionaría suficiente capacidad para todos los propósitos prácticos de intercambio de datos que uno pudiera imaginar, con frecuencia respaldado por estimaciones de la información máxima que un cerebro humano sería capaz de procesar. Esta percepción cambió rápidamente durante la primera década de este milenio, con la introducción de los teléfonos inteligentes y los servicios de Internet de banda ancha y, lo que es más importante, con el rápido crecimiento del Internet de las cosas (IoT), donde el tráfico de máquina a máquina (machine-to-machine traffic) se ha incrementado, convertiéndose en la fuente dominante de intercambio de datos a través de aplicaciones tanto alámbricas como inalámbricas, sustituyendo la capacidad fisiológica humana de esta perspectiva.

Impulsada por la creciente popularidad de la transmisión de video y la computación en la nube, la demanda de velocidades de datos más altas en las redes de comunicación se han venido incrementando a una tasa de crecimiento anual constante del 40 % al 60 % año tras año, es decir, el tráfico de la red se ha duplicado cada 1,5 o 2 años. Solo una parte de este crecimiento del tráfico de red se adapta a los nuevos despliegues de fibra óptica, con un estimado de seis mil millones de kilómetros de fibra monomodo (single-mode fiber SMF) instalados en todo el mundo en la actualidad, con un crecimiento de aproximadamente un 15 % cada año. El resto del 40 % al 60 % del crecimiento anual del tráfico de la red se acomoda poniendo en servicio de alta capacidad la base ya instalada de fibra actualmente sin servicio óptico y actualizando los sistemas ópticos obsoletos a las capacidades más avanzadas actuales .

Sin embargo, las deficiencias de escala de estos sistemas quedaron claras para los investigadores alrededor de 2010 cuando se obtuvo una buena comprensión del límite de capacidad de transmisión del canal de fibra óptica y se expresaron claramente las preocupaciones sobre la posibilidad de una crisis de capacidad. Cada año, las redes de fibra óptica se acercan más a sus estimaciones del límite de Shannon, es decir, estimaciones de la velocidad máxima a la que se pueden transmitir datos de manera confiable, lo que deja poco espacio para mejoras adicionales en la capacidad.

No hay ningún otro medio de transmisión a la vista que pudiera manejar demandas de tráfico tan masivas como la fibra óptica, y es muy poco probable que la transición a frecuencias portadoras más altas en orden de magnitud se puedan repetir con éxito, como ocurrió cuando la fibra óptica de baja pérdida reemplazó a los cables de cobre y de microondas direccionales en los enlaces que comenzaron a finales de la década de 1970. Por lo tanto, las tecnologías de comunicaciones de fibra óptica tendrán que continuar asegurando la adaptabilidad del tráfico de red para futuros servicios de comunicaciones, y su adaptabilidad sustancial adicional se ha convertido en uno de los temas más cruciales dentro de la comunidad científica que investiga en el campo de la fibra óptica.

El gran progreso en el área de las comunicaciones de fibra óptica en los últimos 50 años se ha debido a los aportes de los grupos de investigadores e ingenieros con una amplia experiencia que abarca los campos de la óptica, la electrónica, la física de dispositivos optoelectrónicos, la informática, el procesamiento de señales analógicas y digitales (DSP), la teoría de la información y el diseño de redes, quienes han estado buscando incansablemente formas de comprender mejor y superar los desafíos subyacentes de la física y la ingeniería. Las tasas de transmisión récord con la tecnología de un solo hilo de fibra óptica logradas en los laboratorios de investigación actuales que van desde 250 Tb/s en SMF hasta 10 Pb/s usando fibras multinúcleo (MCF). Los sistemas terrestres comerciales transportan hasta 70 Tb/s por fibra, y el cable submarino de mayor capacidad actualmente en funcionamiento del sistema Dunant propiedad de Google, puede transportar un total de más de 300 Tb /s sobre una distancia transatlántica de 6600 km usando 12 pares de fibra óptica.

Además, el sistema Grace Hopper, también construido para Google, transporta un total de más de 350 Tb/s a lo largo de 6300 km a través del Atlántico utilizando 16 pares de fibra. Además, NEC anunció que construirá un cable submarino de 24 pares de fibras para META, con una capacidad total de 500 Tb/s, y HMN Technologies Company anunció un prototipo de repetidor submarino para la próxima generación diseñado para 32 pares de fibras ópticas con una capacidad de transmisión que en total va más allá de los 700 Tb/s, lo que indica que es solo cuestión de unos pocos años hasta que los cables submarinos se acerquen a la marca de 1 Pb/s por cable submarino.

En esta serie de artículos se pretende brindar una descripción general del avance experimentado en las tecnologías de comunicaciones de fibra óptica, así como dar una perspectiva de la probabilidad de que estas tecnologías evolucionen en el futuro. Si bien cada artículo abordará una faceta específica con más detalle, estos artículos introductorios describen los límites generales de la tendencia del incremento de la capacidad de la fibra óptica y los enfoques para superar estos límites. A lo largo de estas discusiones, se hará evidente que la tecnología de transmisión paralela masiva es la única estrategia de actualización viable para hacer frente a una crisis de capacidad que se avecina permanentemente. En este contexto, la técnica de la transmisión paralela se refiere al uso eficiente de las diversidades espacial y espectral con el objetivo de maximizar la capacidad de transmisión y minimizar el costo total y el consumo de energía de un sistema de transmisión.

II. PERSPECTIVA HISTORICA

La historia de las comunicaciones por fibra óptica hasta el día de hoy se puede dividir aproximadamente en tres generaciones principales. Se puede argumentar que la primera generación se inició en la segunda mitad de la década de 1970 con la introducción de la deposición axial en fase de vapor (vapor-phase axial deposition VAD) que permitió la producción masiva de fibras ópticas de alta calidad y el desarrollo de la primera fibra óptica monomodo SMF de 0,2 dB/km en el rango de longitud de onda de 1,55 μm, siguiendo las predicciones pioneras del premio Nobel Charles Kao en 1966 y el trabajo pionero en Corning en 1970 sobre la reducción de la atenuación de las fibras ópticas por primera vez por debajo de los 20 dB/km para una longitud de onda de 0,633 μm. Hacia finales de la década de 1970, las pérdidas en la fibra óptica ya alcanzaban notablemente el límite fundamental de las pérdidas en la fibra óptica con núcleo de sílice puro y las mejores fibras fabricadas en la actualidad logran pérdidas de 0,142 dB/km para una longitud de onda de 1,56 μm.

En esta primera generación, los sistemas de transmisión óptica empleaban codificación ON-OFF (OOK), donde la señal óptica láser simplemente se encendía y apagaba para representar unos y ceros lógicos. Los correspondientes receptores de detección directa, es decir, los detectores de señal óptica, permitían el uso de la regeneración optoelectrónica y debían colocarse regeneradores optoelectrónicos periódicamente a distancias de unos 10 km. Las velocidades de transmisión de datos oscilaban entre varias decenas de Mb/s y 1 Gb/s. El medio de transmisión se basó originalmente en fibras multimodo (multimode fibers - MMF), pero rápidamente ocurrió la transición a fibras ópticas monomodo SMF para eliminar la dispersión del modo de polarización, logrando así una mejor eficiencia en la transmisión.

La segunda generación fue iniciada con la introducción comercial del amplificador de fibra dopada con erbio (erbium-doped fiber amplifier - EDFA) a mediados de la década de 1990. La combinación de las técnicas de control de la dispersión cromática (chromatic dispersion – CD) para reducir el impacto de los efectos perjudiciales de la propagación no lineal (en particular, la mezcla de cuatro ondas debido al efecto óptico de Kerr), así como el uso intensivo de la multiplexación por división de longitud de onda (wavelength-division multiplexing - WDM), permitió el desarrollo de la tecnología de transmisión paralela en el dominio espectral, aprovechando además la ganancia con amplio ancho de banda espectral que mostraban los EDFAs. En un sistema WDM con amplificadores, las señales de comunicación individuales se transmiten simultáneamente en frecuencias portadoras ópticas suficientemente separadas entre sí.

Las tecnologías que utilizan la combinación de filtro óptico y láser lograron una operación cada vez más estables en frecuencia, por lo que las separaciones entre canales WDM que inicialmente eran de varios cientos de GHz, se redujeron constantemente a tan solo 25 GHz. Hoy en día, las separaciones entre canales WDM solo superan ligeramente las velocidades de transmisión de símbolos del transpondedor y, por lo general, se encuentran entre 50 y 200 GHz. Al compensar periódicamente las pérdidas ópticas en el dominio óptico, el EDFA permitió la transmisión sobre fibra óptica sin uso de regeneradores a través de muy largas distancias de miles de kilómetros, es decir, la necesidad de conversión optoelectrónica se desarrolló en gran medida para uso en los nodos terminales de los enlaces ópticos. Las innovaciones anteriores condujeron a un crecimiento sin precedentes en las capacidades de transmisión de la fibra óptica de larga distancia en la década de los 90 y permitieron la transmisión rentable de datos de alta velocidad a través de distancias transoceánicas.

Esto no solo mejoró en gran medida las comunicaciones de voz (donde muchas llamadas telefónicas internacionales todavía se retransmitían a través de satélites en ese momento), sino que también la fibra óptica se convirtió en el medio de transmisión esencial de una Internet universalmente accesible y ampliamente asequible en los años siguientes. En gran parte dentro de esa segunda generación, las capacidades de transmisión por fibra óptica de los sistemas WDM comerciales aumentaron en un factor de 2 (es decir, en un 100 %) cada año, desde unas pocas decenas de Gb/s a mediados de la década de 1990 hasta alrededor de 5 Tb/ s en la década de 2000. Estos sistemas empleaban velocidades de transmisión de bits de hasta de 40 Gb/s por longitud de onda usando modulación binaria [OOK y modulación por desplazamiento de fase diferencial (differential phase shift keying - DPSK)], lo que generaba problemas graves debido a: 1) la dispersión del modo de polarización (polarization mode dispersion - PMD) que provocaba ensanchamiento de los pulsos debido a la variación aleatoria de la birrefringencia óptica o doble refracción en la fibra óptica y 2) por la necesidad de ajustar cuidadosamente la dispersión cromática CD residual a través de compensadores de dispersión óptica sintonizables.

La baja tolerancia al ruido de los amplificadores ópticos (OA) conectados en línea se contrarrestó usando de forma más eficaz la amplificación distribuida de Raman, la modulación avanzada (DPSK) y la corrección de errores de reenvío (forward error correction - FEC). Estaba claro en ese momento que pasar a una velocidad de transmisión de 100 Gb/s por longitud de onda no podía lograrse de una manera comercialmente rentable sólo a través del incremento de la modulación binaria hasta 100 GBaud, sino que requería un tipo de modulación de orden superior, como la modulación por desplazamiento de fase en cuadratura diferencial (differential quadrature phase shift keying - DQPSK), que se usó inicialmente junto con receptores de detección directa para demostrar el funcionamiento de redes ópticas de 100 Gb/s. Afortunadamente, el progreso inherentemente más rápido de los circuitos integrados CMOS en un 40 % al año en comparación con el 20 % de progreso en los rangos de la interfaz por longitud de onda permitió la conversión analógica a digital (ADC) de alta velocidad y de digital a analógica (DAC) junto con la tecnología DSP para digitalizar y procesar señales en el rango de varios GBaudios. A principios de la década de 2000, los ADC de alta velocidad comenzaron a usarse para la detección avanzada de 10 Gb/s de enlaces OOK mediante la estimación de la secuencia de máxima de probabilidad (maximum-likelihood sequence estimation - MLSE) por lo que los DAC de alta velocidad se usaron para sistemas OOK operando en 10 Gb/s que eran predistorsionados digitalmente.

A partir de entonces, la tecnología DSP permitió rápidamente el desarrollo de la tercera generación de los sistemas coherentes digitales]. El concepto de receptores digitales ópticos coherentes se remonta a principios de la década de 1990 y, en la actualidad, se utiliza casi exclusivamente en sistemas de transmisión óptica de alta velocidad que superan distancias de más de 100 km. En los sistemas ópticos coherentes digitales un láser (free-running laser) que cumple la función de oscilador local (LO) bloquea el ruido de fase de la señal óptica incidente recibida con la ayuda de la tecnología DSP de PLL óptico, usando un circuito integrado para aplicación específica (application-specific integrated circuit - ASIC). Este proceso se realiza después de la etapa de muestreo y digitalización de alta velocidad de procesamiento. Con esta tecnología se elimina la necesidad del bloqueo del ruido de fase o de frecuencia necesario con la tecnología PLL con oscilador analógico convencional, que representaba una limitante práctica importante en los primeros sistemas coherentes (heterodinos y homodinos), que no llegaron a la producción en masa. 

Además del bloqueo digital de fase con PLL óptico, los receptores coherentes modernos también eliminan digitalmente cualquier rotación que se genere en la polarización que ocurra a lo largo de la transmisión a través de la fibra óptica, lo que permite el uso de la multiplexación por división de polarización (polarization-division multiplexing - PDM), compensando digitalmente cantidades arbitrarias de dispersión cromática CD y de dispersión del modo de polarización PMD. Los sistemas coherentes de alta velocidad de transmisión de datos, también eliminan la necesidad de una compensación de la dispersión periódica en línea para gestionar las no linealidades de la fibra óptica, lo que simplifica considerablemente el diseño del sistema. Además, el uso de detección coherente permite modular simultáneamente las partes real e imaginaria del campo óptico a través de sus dos cuadraturas (es decir, componentes seno y coseno) y, por lo tanto, permite el uso de formatos de modulación con mayor eficiencia espectral (spectral efficiency - SE) que la OOK y la DPSK, como por ejemplo la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) y la modulación por desplazamiento de fase (PSK). Por otro lado, se logra una duplicación adicional de las eficiencias espectrales utilizando los dos posibles estados de polarización del campo óptico por medio de PDM. En conjunto, esto ha permitido la propagación de datos a velocidades de transmisión muy por encima de un bit de información por pulso o, de manera equivalente, un bit por símbolo, un bit por uso de canal o un bit por segundo por hercio de ancho de banda del canal.

Se pueden usar esquemas sofisticados de modulación y (Forward Error Correction) FEC junto con DSP para permitir que los sistemas operen cerca de los límites teóricos de Shannon. Utilizando todas estas técnicas de comunicación avanzadas, las capacidades agregadas a la fibra óptica comercial se han multiplicado aproximadamente por 7 durante la última década (es decir, cerca de 20 % al año) hasta un total de cerca de 70 Tb/s en sistemas que operan en la banda C + L. En la figura 1 se muestra información detallada sobre la nomenclatura de la banda de transmisión en la fibra óptica.

Las evidencias obtenidas de los experimentos de laboratorios de investigación basados en la transmisión sobre SMF (single-mode optical fiber) en la banda C + L presentadas en las principales conferencias de sistemas ópticos para distancias superiores a 1000 km, muestran que apenas se han superado los 100 Tb/s, lo que permite que la marca de 100 Tb/s a menudo se cite como el "límite de capacidad" de la fibra óptica SMF. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que la marca de 100 Tb/s ciertamente no representa un límite de capacidad estricto de los sistemas ópticos basados en SMF. Sin embargo, operar sistemas de larga distancia a este nivel de capacidad indica la proximidad de operar cerca del límite de Shannon, lo que representa el agotamiento cercano del ancho de banda de los EDFAs, por lo que se hace que sea cada vez más difícil operar de manera efectiva en el caso de un mayor crecimiento en el tráfico de datos.

Estas limitaciones hacen pensar que estamos muy cerca de entrar en la cuarta generación de las comunicaciones ópticas, que puede llegar a conocerse como la generación de los “sistemas de transmisión paralelos masivos”, que estará orientada a la multiplexación por división espacial (space-division multiplexing - SDM), complementada además con aspectos económicamente beneficiosos resultado del uso de la transmisión de banda ultraancha (ultrawideband - UWB). La SDM describe la multiplexación de señales en el dominio espacial, en forma de fibras ópticas agrupadas en configuración paralela, con los núcleos de las fibras ópticas paralelas entre sí, o también con modos espaciales en sentido de copropagación, mientras que con la transmisión UWB (o de multibanda) se aprovecha el uso simultáneo de múltiples bandas de transmisión para propagación de baja pérdida en la fibra óptica, usando las ventanas conocidas como bandas O, E, S y U, las cuales complementan las bandas C y L admitidas por los amplificadores EDFA y que son utilizadas como parte de los sistemas actuales. Estos sistemas UWB incrementan la pérdida mínima permitida de propagación en la fibra óptica, alcanzando más del doble y, además, no se puede tener un control de ajuste, como si es posible hacerlo en los sistemas SDM. Sin embargo, los sistemas UWB propuestos se podrían utilizar como una solución provisional cuando el despliegue de nuevos cables no pueda satisfacer la demanda de tráfico a corto plazo. Por otro lado, el uso de enlaces UWB junto con las tecnologías SDM en sistemas futuros, estarían sujetas a la aplicación de compensaciones tecnoeconómicas.

Por otro lado, en los centros de investigación, la tecnología SDM comenzó a llamar la atención con los resultados de los primeros experimentos exitosos de transmisión de datos basados en la detección directa a través de fibra MCF (Multi-core fiber) multimodo en una distancia de 100 metros utilizando VCSEL, seguido poco después por experimentos de transmisión de MCF monomodo para distancias de más de 10 km con detección directa, y de más de 16 km y hasta 76 km con detección coherente. En términos de aprovechar los múltiples modos de la fibra óptica MMF (Multimode Fiber), donde los modos cumplirían la función de rutas paralelas de transmisión de datos. En este sentido, las primeras propuestas se remontan a la década de 1980, así como también el procesamiento de los modos de la fibra óptica como múltiples entradas y múltiples salidas (tecnología MIMO) que fue propuesto a principios de la década de 2000.

El primer experimento de transmisión con fibra óptica con pocos modos (few-mode fiber - FMF) que combinó la transmisión de señales ópticas en modo selectivo y la detección total de los modo bases propagados en la fibra óptica usando detección digital coherente y MIMO DSP se publicó en 2011. Estos y todos los experimentos en la tecnología SDM posteriores, basados en MCF y FMF, así como en lo que se refiere a las variaciones y combinaciones de los mismos, demostraron una clara ventaja sobre las transmisiones con fibra óptica monomodo SMF en términos de eficiencias espectrales agregadas por fibra y, en última instancia, con respecto a la capacidad por fibra, como se ilustra en la figura 2. Además, también se demostró que los MCF de núcleo acoplado (coupled-core MCFs - CCF) superan a los de la fibra óptica monomodo SMF en términos de distancia de transmisión, debido a una mayor tolerancia a las distorsiones no lineales de la señal.

 En cuanto a las instalaciones de campo, por ejemplo, en la ciudad de L'Aquila, Italia se encuentra disponible un exclusivo banco de pruebas para la tecnología SDM que ha sido desplegado en campo, y se espera que las fibras ópticas SDM hagan su primera aparición en redes operativas a lo largo de los años en las próximas décadas. El progreso de la investigación en los centros científicos sobre las fibras ópticas SDM y los componentes asociados a esta tecnología, así como los diseños de redes basados en conceptos SDM, han recibido una enorme atención en el campo de la investigación durante la última década. Además, se están realizando esfuerzos considerables para lograr una estandarización en los procesos de fabricación refinados para desarrollar tecnologías SDM que puedan ser aplicadas en sistemas comerciales.

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Bibliografía.

[1] The Role of Parallelism in the Evolution of Optical Fiber Communication Systems

WERNER KLAUS , PETER J. WINZER , Fellow IEEE, y KAZUHIDE NAKAJIMA , Member IEEE.

PROCEEDINGS OF THE IEEE 2022.

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