El chirp presente en el transmisor de un sistema de comunicaciones ópticas, cuando se combina con la dispersión cromática de la fibra, limita enormemente la tasa de transmisión que puede alcanzarse. En este artículo estudiaremos la forma de caracterizarlo, con el fin de predecir sus efectos y poder arbitrar mecanismos para contrarrestarlos.

A velocidades de 40 Gbit/s y superiores, es bien sabido que la dispersión cromática de la fibra limita el alcance del sistema a unos pocos kilómetros, siendo necesario el empleo de técnicas de compensación de dispersión. Pues bien, generalmente en presencia de chirp, la degradación que produce la dispersión en los pulsos ópticos resulta todavía peor. Más concretamente, se produce un mayor ensanchamiento de los pulsos e interferencia entre símbolos que conduce a una penalización de potencia. Adicionalmente, el chirp también provoca un ensanchamiento espectral de los canales, limitando de este modo el ancho de banda disponible. Luego es importante disponer de herramientas para poder medir y caracterizar los niveles de chirp de los transmisores ópticos. Del mismo modo, también es clave conocer las causas del fenómeno, así como disponer de un modelo matemático donde se pueda observar la influencia de los principales parámetros del dispositivo. A continuación, describiremos brevemente algunos fundamentos básicos del chirp, tanto en el caso de láseres como de moduladores externos. En el artículo siguiente se presentarán algunas de las principales técnicas de medida que se utilizan para la caracterización del chirp de transmisores ópticos, así como algunos ejemplos de instrumentación de laboratorio.

Modelo de chirp.
Antes de pasar a estudiar en detalle el chirp generado en los distintos tipos de transmisores ópticos, el cual suele tener diferentes características, conviene comenzar con una definición del fenómeno. El chirp puede definirse como una modulación de frecuencia residual y no deseada a la salida del transmisor óptico que tiene una fuerte dependencia con la modulación de intensidad. Precisamente por ello, el chirp solamente se genera en aquel dispositivo al que se le aplica la señal moduladora, y no debe confundirse con el ruido de fase o de frecuencia que afecta al ancho de línea de los láseres (espectro de frecuencia lorentziano). Normalmente, el chirp se puede descomponer en dos componentes: chirp transitorio y chirp adiabático. El chirp transitorio ocurre durante los flancos de subida y de bajada de los pulsos, es decir, es proporcional a las variaciones temporales de la potencia óptica (señal moduladora). Por el contrario, el chirp adiabático depende del nivel de señal, por lo que se manifiesta como un desplazamiento frecuencial de la portadora entre los niveles bajo y alto. Si lo expresamos por medio de una ecuación, las variaciones de la frecuencia de portadora debidas al chirp pueden expresarse como:

donde P(t) hace referencia a la potencia óptica de la señal. Como se puede observar en la ecuación anterior, la variación de frecuencia (chirp) puede modelarse como la suma de un término de desplazamiento de fase (chirp transitorio) y un término de desplazamiento de frecuencia (chirp adiabático). Así, un desplazamiento de fase abrupto implica un transitorio de frecuencia. Las constantes de proporcionalidad dependen de parámetros físicos del dispositivo que veremos a continuación.

Chirp en láseres.
Los láseres bajo modulación directa representan una opción de bajo coste para sistemas de corto alcance, si bien no deben emplearse en sistemas de larga distancia o de alta velocidad debido a los elevados niveles de chirp por los que suelen caracterizarse. Para la transmisión de una señal de datos, el láser se polariza con una corriente continua, Ibias, sobre la que se coloca la señal moduladora, Idata. La potencia media de salida, Pavg, y la relación de extinción, ER, se ajustan mediante las amplitudes de estas dos señales de corriente, tal y como se representa de forma esquemática en la figura 1. Generalmente los láseres producen más chirp conforme aumenta la relación de extinción, por lo que existe un compromiso entre las penalizaciones de potencia por chirp y por relación de extinción (relación señal a ruido). Este hecho puede observarse en la gráfica de la figura 2.
La ecuación que caracteriza el chirp de un láser bajo modulación directa es:

donde a se conoce como factor de ensanchamiento de línea. El primer término es el chirp transitorio, mientras que el segundo y el tercero se refieren al adiabático. El chirp transitorio produce desplazamientos de fase de signo contrario para los flancos de subida y de bajada de los pulsos de la señal de datos, siendo éstos inversamente proporcionales a la duración de dichos flancos (proporcionales a la pendiente o derivada temporal). A su vez, la situación se complica por el hecho de que estos saltos de fase y de ganancia del láser excitan la resonancia natural del dispositivo: oscilaciones de relajación. Luego hasta que el láser vuelve a estabilizarse, durante este transitorio se produce una pérdida de energía significativa. Una vez estabilizado, el nuevo nivel de potencia de salida lleva asociado un desplazamiento de frecuencia que se corresponde con el segundo término de la ecuación anterior (chirp adiabático). Por último, el tercer término de la ecuación se debe a los fotones de emisión espontánea.
La figura 3 muestra un ejemplo de medida de los niveles de chirp de un láser DFB. Como se puede observar en dicha figura, existen niveles significativos de chirp transitorio y adiabático. Las transiciones entre los niveles alto y bajo excitan las oscilaciones de relajación del dispositivo, causando fluctuaciones tanto en la intensidad como en la frecuencia de la señal óptica. De hecho, las fluctuaciones de frecuencia (chirp) llegan a cubrir un margen de cerca de 8 GHz. Luego queda claro que se necesitan técnicas para reducir los niveles de chirp de los transmisores ópticos con modulación directa.

Chirp en moduladores externos
Precisamente para limitar los niveles de chirp de los láseres bajo modulación directa, en su día se propuso el uso de moduladores externos (figura 4). En teoría, cuando el proceso de modulación se realiza fuera de la cavidad láser, no existe chirp adiabático. La portadora de frecuencia constante generada por el láser solamente ve modificada su amplitud y su fase conforme atraviesa la sección de modulación. En la práctica, no obstante, las reflexiones ópticas, las interacciones térmicas o los efectos parásitos del empaquetado pueden conducir a características adiabáticas.
Una de las opciones más interesantes para la modulación externa la constituyen los moduladores de electroabsorción (EAM). Dado que pueden integrarse conjuntamente con el láser dentro del mismo chip, se pueden fabricar transmisores a un coste razonable. En este caso, la señal moduladora se aplica directamente al EAM, representándose habitualmente como una señal de tensión eléctrica. Esta tensión eléctrica controla la absorción de la guía-onda (pérdidas de inserción), produciéndose de este modo la modulación de la portadora óptica generada por el láser. En este tipo de transmisor las prestaciones vienen fijadas principalmente por el chirp transitorio del modulador, eliminándose completamente las fluctuaciones debidas a las oscilaciones de relajación del láser. Como ejemplo, en la figura 5 se muestran medidas de chirp de un transmisor óptico basado en EAM. Se puede observar que el chirp aparece únicamente durante los flancos de subida y de bajada de los pulsos, que es cuando domina el término  dP/dt.
Alternativamente, también puede utilizarse para la modulación de intensidad un modulador Mach-Zehnder. En este caso, el modulador se empaqueta de forma independiente y debe controlarse cuidadosamente la polarización óptica a su entrada. Este tipo de moduladores se basa en un estructura interferométrica realizada en un material cristalino como el Niobato de Litio (LiNbO3). La señal óptica de entrada se divide en dos ramas donde se modula en fase de forma diferencial por medio de campos eléctricos generados por sendas señales de datos (efecto Pockels). Posteriormente, estas señales vuelven a combinarse a la salida, produciéndose una conversión PM-IM. En la figura 6 se representa el esquema de modulación. Las señales de polarización Vbias1 y Vbias2 sirven para fijar el punto de trabajo en el modulador, el cual se caracteriza por una función de transferencia V-P con forma senoidal. Por otro lado, el chirp viene dado por la siguiente expresión:
donde se observa que éste puede anularse si se cumple que V1 = Vdata/2 y V2 = -Vdata/2.
La figura 7 muestra medidas de chirp para un modulador Mach-Zehnder con señales NRZ, reflejando claramente los bajos niveles de chirp que pueden alcanzarse: unos 300 MHz pico a pico.

Modulación RZ con chirp.
A pesar de los efectos negativos que supone el chirp de los transmisores ópticos, también existen situaciones en donde resulta ventajosa su presencia. Es el caso de la transmisión de señales RZ, donde ajustando convenientemente el nivel de chirp del transmisor, puede conseguirse una menor influencia de la dispersión cromática. Considerando fibra estándar en tercera ventana y valores de chirp negativos, se puede observar que los pulsos RZ sufren una compresión inicial. No obstante, este efecto se produce solamente para distancias cortas, y conforme aumenta la longitud de fibra los resultados empeoran con respecto a la situación sin chirp.
Así pues, si obviamos esto último, en general el chirp es un fenómeno perjudicial que limita las prestaciones de los sistemas de comunicaciones ópticas. En este artículo se han presentado sus fundamentos y características, las cuales dependen del tipo de transmisor óptico empleado. En el próximo artículo nos centraremos en las técnicas de medida y presentaremos algunos ejemplos de equipos comerciales que existen para dichas tareas.

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Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación.
Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia.