En este artículo se estudian algunas arquitecturas de moduladores ópticos DPSK, propuestos recientemente como alternativa a los tradicionales moduladores de intensidad en sistemas de comunicaciones ópticas de larga distancia.

Recientemente han aparecido nuevos formatos de modulación avanzados en el marco de los sistemas de comunicaciones ópticas. En concreto, se ha demostrado que el uso del formato de modulación DPSK (differential phase shift keying) mejora las prestaciones de los enlaces de comunicaciones ópticas de larga distancia. Cuando se compara con el formato tradicional de modulación de intensidad OOK (on-off keying), DPSK proporciona una mejora de 3 dB en la sensibilidad del receptor, a la vez que resulta más tolerante a los efectos no lineales, especialmente la modulación cruzada de fase en sistemas DWDM.
Si bien el formato de modulación de intensidad NRZ (non-return to zero) constituye una opción de bajo coste, las mayores distancias de transmisión y mejores eficiencias espectrales que se consiguen con los nuevos formatos de modulación posibilitan un aumento de la rentabilidad del sistema en el futuro. En especial, conviene destacar que la modulación DPSK supone el principio básico para duplicar la capacidad de transmisión sin incurrir en una penalización de potencia por efecto de la dispersión cromática o de la dispersión modal de polarización (PMD).

Arquitecturas de moduladores y demoduladores DPSK
La señal DPSK, que transporta la información por medio de la diferencia de fase entre símbolos adyacentes, puede generarse empleando diferentes métodos. Entre los más básicos se encuentran el uso de un modulador de fase polarizado a Vp, un modulador Mach-Zehnder de doble brazo en una configuración push-pull con sendos amplificadores, o bien un único modulador Mach-Zehnder sin chirp polarizado a 2Vp para conseguir una excursión de fase completa. La principal desventaja de las técnicas de modulación de fase directa es que introducen chirp. Otros esquemas de transmisores DPSK hacen uso de una arquitectura con dos moduladores Mach-Zehnder en paralelo.
En la figura 1 se muestra el diagrama esquemático de un posible modulador DQPSK (differential quadrature phase shift keying). Los datos se codifican sobre la portadora óptica mediante cuatro estados de fase distintos. Dado que cada símbolo transmitido incluye dos bits de información, la tasa de símbolo se reduce en un factor 2, lo que permite una alta eficiencia espectral. El SHF 46213A es un modulador paralelo que convierte dos secuencias de datos eléctricas (I y Q) de hasta 22 Gbit/s en una secuencia de datos óptica de hasta 44 Gbit/s (22 GBaud). Ambas señales eléctricas de datos modulan la portadora óptica con una diferencia de fase de p/2 por medio de sendos moduladores Mach-Zehnder sin chirp. Como paso previo a la recombinación de las dos secuencias ópticas, la componente Q sufre un desfase adicional de p/2 para conseguir los cuatro estados de fase diferentes de la señal transmitida. Los canales de datos I y Q pueden activarse o desactivarse de forma independiente, permitiendo la generación de señales DPSK o DQPSK. Por último, el tercer modulador Mach-Zehnder se encarga de conformar los pulsos ópticos de salida, con el fin de escoger entre señales NRZ o RZ. A modo de ejemplo, el diagrama de ojos de una señal RZ-DQPSK de 21,4 Gbit/s capturada con un receptor DPSK (SHF 47211A) se muestra en la figura 2. La misma empresa también dispone de otra versión de transmisor óptico DQPSK (SHF 46214A) que puede alcanzar velocidades de hasta 100 Gbit/s, aunque en este caso NRZ. Otro ejemplo de modulador es el de la empresa COVEGA. Se trata de un modulador (D)QPSK basado en dos interferómetros Mach-Zehnder, el cual permite además la generación de señales en banda lateral única y portadora suprimida (SSB-SC). El aspecto que presenta dicho dispositivo se puede ver en la figura 3.

Por otra parte, recientemente se ha propuesto el uso de estructuras basadas en micro-anillos resonantes para la implementación de moduladores y demoduladores DPSK. Hasta el momento, dichos dispositivos se habían utilizado para la construcción de moduladores de intensidad, conmutando la potencia óptica de salida entre los estados “on” y “off” mediante un desplazamiento del pico de resonancia de la cavidad. Este desplazamiento puede realizarse variando la densidad de portadores y, por lo tanto, el índice de refracción del anillo, aplicando una cierta tensión eléctrica o inyectando portadores.

 

El radio del anillo suele ser del orden de micras, y el factor de calidad de la cavidad en torno a 10000. A continuación explicaremos el principio básico de funcionamiento. Cuando se desplaza el pico de resonancia, la señal óptica de onda continua puede experimentar un cambio de fase de hasta p radianes a lo largo de la zona central del perfil de fase, tal y como se muestra en la figura 4. La única precaución a tener en cuenta es que ambos estados de fase proporcionen la misma potencia de salida en toda la duración del bit, obteniéndose de este modo una modulación NRZ-DPSK. En todo caso, en las transiciones entre bits se producirán nulos de potencia como consecuencia de la respuesta resonante de la cavidad, además de chirp de frecuencia por las rápidas variaciones de fase. Afortunadamente, dado que ambos efectos ocurren de forma simultánea se minimiza el problema.
Ahora bien, si lo que se desea es demodular una señal DPSK, entonces puede utilizarse una estructura muy similar a la anterior y que se muestra en la figura 5, donde la principal diferencia radica en la presencia de una nueva guía situada de forma simétrica a la anterior. En este caso, la estructura resonante actúa como un filtro paso-banda que obtiene dos tipos de señales en sendos puertos del dispositivo:
DB (duobinary) y AMI (alternate-mark inversion). Ambas señales, DB y AMI, se fotodetectan entonces de forma individualizada y se combinan electrónicamente para obtener un detector balanceado de señales DPSK. Los demoduladores DPSK disponibles comercialmente funcionan de forma similar, aunque en ese caso el demodulador suele utilizar un interferómetro basado en línea de retardo.
Finalmente, conviene destacar que la empresa Kylia ha sacado al mercado recientemente una nueva línea de demoduladores DPSK ultra rápidos, cuyo actuador piezoeléctrico asegura una constante de tiempo de 0,1 s para la compensación de variaciones muy rápidas de la frecuencia de señal, en comparación con los 5 s que ofrece la competencia.

Conversores de formato
En el futuro, el uso creciente de la modulación DPSK en las redes ópticas obligará a la coexistencia de diferentes formatos de modulación, por lo que será habitual la necesidad de convertir señales entre distintos formatos. Pero evidentemente, conforme aumenta la tasa de bit de las señales, existe un interés por realizar estos cambios de formato en el dominio óptico, evitando cualquier tipo de conversión optoelectrónica o proceso de demodulación. En los últimos años se viene investigando en este campo, y se han propuesto diversas arquitecturas de conversores de formato de modulación.
A continuación veremos un ejemplo de uno de ellos. En concreto, se trata de un conversor en línea OOK/DPSK todo óptico que puede manejar señales de alta velocidad.

La arquitectura de dicho conversor se muestra en la figura 6 (C. Schmidt et al, ECOC’06). El elemento clave es una fibra altamente no lineal (HNLF) de 630 m de longitud, cuyo funcionamiento es simple. Los pulsos de datos OOK que llegan al conversor inducen cambios de fase sobre un tren de pulsos generado localmente (LPT) a distinta longitud de onda y que se obtiene a partir de la señal de reloj recuperada. Un “1” lógico en la señal OOK produce un cambio de fase de po no lineal de XPM. A la salida, un filtro óptico elimina la longitud de onda de entrada. Conviene indicar que este funcionamiento del conversor invierte la lógica de la señal, por lo que en recepción será necesario un decodificador. El conversor se ha demostrado con éxito en los laboratorios de HHI empleando señales RZ-OOK de 160 Gbit/s y sobre enlaces de fibra de hasta 320 km, lo que permite augurar un futuro prometedor para este tipo de arquitecturas.

 

Más información o presupuesto

 

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