Los regeneradores ópticos 3R están llamados a convertirse en elementos clave de las redes ópticas de larga distancia, como así lo confirman recientes noticias aparecidas en prensa. En esta serie de artículos analizaremos el estado de la tecnología.

 

Las señales ópticas sufren múltiples degradaciones en su trayecto de transmisión, causadas por fenómenos tales como la dispersión cromática, la dispersión modal de polarización (PMD), los efectos no lineales o el ruido. Estas degradaciones son más importantes conforme aumenta la longitud de fibra, la tasa de bit o el número de canales. Las redes ópticas de larga distancia requieren pues mecanismos de regeneración de las señales que restauren la calidad de las mismas y aseguren una transmisión fiable y libre de errores. Hasta la actualidad, la regeneración de señales se ha venido realizando en el dominio electrónico, es decir, fotodetectando la señal como paso previo a la regeneración y posterior modulación de la portadora óptica con un nuevo transmisor. No obstante, en comparación con los conversores O/E/O, la tecnología de regeneración óptica permite un menor consumo de potencia y un tamaño de dispositivo más compacto, a la vez que puede proporcionar transparencia de protocolo y formato de señal. En esta serie de artículos se expondrá el estado de actual de la tecnología de regeneración óptica, especialmente de tipo 3R, la cual se caracteriza por tres tipos de procesado: Re-amplification, Re-shaping, Re-timing.

Regeneradores ópticos 3R
En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques de un regenerador 3R junto con las señales presentes en cada una de las etapas. Como se acaba de comentar, la abreviatura 3R hace referencia a tres tipos de funciones distintas. La primera función (re-amplification) se realiza por medio de amplificadores ópticos. El proceso de amplificación no depende de la tasa de bit ni del formato de los datos, además de que varios canales WDM pueden amplificarse simultáneamente. No obstante, se amplifica también la diafonía (crosstalk) y se introduce ruido. Esto se corresponde con el nivel más básico de regeneración 1R. Para suprimir el ruido y la diafonía resulta necesario emplear un esquema de regeneración 2R, donde se utiliza un circuito de decisión o puerta óptica controlada por umbral. La regeneración 2R funciona tanto para señales NRZ como RZ y es transparente a la tasa de bit hasta el límite de velocidad impuesto por la puerta óptica. En este caso, los canales WDM deben regenerarse individualmente. Por último, la regeneración 3R requiere una señal de reloj óptica y una arquitectura de regenerador adecuada que realice la función de muestreo bajo el control de dicha señal de reloj (re-timing). Pero la función del reloj óptico no se limita simplemente a un re-muestreo o re-sincronización, sino que en la figura 1 puede apreciarse que la forma de los pulsos regenerados viene determinada por los pulsos de la señal de reloj. De este modo, la señal de reloj es parte esencial de la función de conformación (re-shaping). 

Los dos bloques funcionales básicos del regenerador son el circuito de recuperación de reloj y el elemento de decisión. Estos subsistemas suelen estar basados en semiconductores, si bien son posibles también otro tipo de tecnologías. El reloj es una fuente pulsada que debe sincronizarse con el patrón de datos. En algunos casos, la sincronización se realiza de forma electrónica, utilizando como fuente un láser basado en conmutación de ganancia o enganche de modos, o bien un modulador electro-óptico. Sin embargo, resultan mucho más atractivas las técnicas que emplean sincronización todo óptica. En este caso, pueden utilizarse láseres de enganche de modos o láseres DFB auto-pulsados, donde ambos dispositivos se alimentan con corriente continua. La secuencia de datos consigue sincronizarse si la tasa de repetición de los datos y de la frecuencia de reloj son similares y se encuentran dentro del margen de enganche. Dado que la señal de salida del regenerador va a propagarse a través de la fibra óptica, los pulsos de reloj generados deben poseer un nivel de calidad suficiente (longitud de onda, supresión de modos laterales, chirp) que permita su transmisión a grandes distancias. En lo que respecta a la puerta óptica no lineal, ésta puede realizarse con estructuras interferométricas tipo SOA-MZI (Conectrónica, no. 115, pp. 8-12) que alcanzan velocidades de hasta 100 Gbit/s. Otras soluciones se basan en absorbentes saturables. La función de transferencia típica de la puerta óptica se muestra en la figura 2, donde se pueden apreciar claramente las dos zonas de decisión: nivel bajo afectado por ruido y nivel alto afectado por fluctuaciones de potencia.
La principal ventaja de los regeneradores ópticos es que evitan las conversiones O/E y el uso de circuitos electrónicos de RF. No obstante, los regeneradores 3R nunca pueden ser completamente transparentes, ya que deben monitorizar la señal de entrada de acuerdo con su tasa de bit y formato de modulación, conocidos previamente. Conseguir regeneradores ópticos 3R que puedan funcionar con diferentes tasas de bit es un reto. Adicionalmente, las redes ópticas IP que se basan en un flujo asíncrono de paquetes imponen múltiples limitaciones a los circuitos de recuperación de reloj, los cuales deben trabajar de forma ultra-rápida para responder en un intervalo de tiempo inferior a un paquete. Evidentemente, no hace falta explicar que la tecnología electrónica se encuentra todavía más limitada en estos casos. Luego podemos concluir que el circuito de recuperación de reloj es el componente más crítico del regenerador óptico.
En este artículo y siguientes analizaremos en detalle diversas tecnologías, además de las comentadas con anterioridad, que permiten la implementación de regeneradores ópticos 3R. La mayor parte de ellas se encuentran bajo investigación, si bien algunas empresas ya han anunciado resultados satisfactorios, así como algún producto comercial que pasamos a comentar a continuación.

Desarrollos de algunas empresas
La empresa Fujitsu anunció hace un par de años el desarrollo de un regenerador óptico 2R para señales de 40 Gbit/s. El dispositivo se basa en un amplificador óptico de semiconductor (SOA) que utiliza puntos cuánticos (quantum dots). Los puntos cuánticos son nanopartículas basadas en cristales de semiconductor que pueden almacenar electrones. Los SOAs pueden suprimir el ruido y las fluctuaciones del nivel alto de señal gracias a una característica que se conoce como saturación de la ganancia, según la cual la ganancia óptica (tasa de amplificación) decae cuando una señal es muy intensa. Ahora bien, los SOAs tienen una respuesta de saturación de la ganancia bastante lenta (varios nanosegundos), lo que los descarta para su uso como regeneradores ópticos.

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La tecnología desarrollada por Fujitsu consigue acelerar dicha respuesta mediante el uso de puntos cuánticos. De este modo, se pueden conseguir respuestas temporales de tan sólo unos pocos picosegundos. Mediante un diseño adecuado, se obtiene simultáneamente una respuesta rápida, una alta ganancia y una elevada potencia de salida a longitudes de onda cercanas a 1550 nm. El aspecto del dispositivo junto con una descripción gráfica de su funcionamiento se muestran en la figura 3.
Continuando con el caso particular de regeneradores ópticos de señales de 40 Gbit/s, conviene hacer mención especial a la empresa CIP (The Centre for Integrated Photonics). Como ya se comentó en un artículo anterior, esta empresa está especializada en la fabricación de dispositivos basados en SOA.
En su catálogo de productos se puede encontrar un regenerador óptico 2R que emplea un SOA-MZI. El aspecto del dispositivo se muestra en la figura 4.

Por último, no podemos terminar el artículo sin destacar una reciente noticia aparecida en prensa. El pasado 2 de abril la empresa Oki anunció el desarrollo del primer regenerador óptico 3R válido para señales de 160 Gbit/s y que ha sido testado en una prueba de campo real. Los resultados de prestaciones aparecen representados en la figura 5, donde se puede observar una mejora del factor Q mayor de 6 dB. El dispositivo implementa un compensador de PMD adaptativo, habiéndose demostrado que puede alcanzarse un espaciado máximo entre regeneradores de 380 km. Esta distancia equivale a la transmisión de una señal de 160 Gbit/s entre las ciudades de Tokyo y Osaka utilizando un único regenerador 3R, lo que valida el gran potencial de esta tecnología.

 

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