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 analizamos el estado de la tecnología.

 

En el anterior artículo de esta serie se planteó la necesidad de restaurar la calidad de las señales que se propagan a través de enlaces de fibra óptica, presentando los fundamentos básicos de la regeneración 3R. Ahora es el momento de entrar a analizar más en detalle algunas técnicas y tecnologías que han demostrado experimentalmente su aptitud para ser utilizadas como elementos clave de los futuros regeneradores ópticos 3R. En concreto, en este artículo estudiaremos subsistemas de recuperación de reloj basados en un filtro Fabry-Pérot, un PLL o un láser autopulsante. Estos subsistemas, en combinación de SOA-MZIs, moduladores de electroabsorción o amplificadores ópticos de semiconductor permiten construir regeneradores 3R de alta velocidad.

Modulación síncrona y recuperación de reloj basada en filtro Fabry-Pérot
La modulación síncrona se basa en utilizar técnicas optoelectrónicas o completamente ópticas para remodular la señal de reloj recuperada. El diagrama de bloques del sistema se puede ver en la figura 1. Los dos interferómetros Mach-Zehnder activos (SOA-MZI) en cascada se utilizan para conformar los pulsos ópticos que posteriormente serán remodulados por la señal de reloj. En este caso se emplea una recuperación de reloj electrónica, pues dicha señal debe alimentar la entrada de RF de un modulador electro-óptico Mach-Zehnder. Esto, evidentemente, limita la máxima tasa de bit a la que puede trabajar el regenerador. Para demostrar la viabilidad de la técnica, se hicieron experimentos sobre un enlace óptico recirculante consistente en dos tramos de fibra LEAF de una longitud total de 125 km (65 + 60 km) y fibras compensadoras. Los resultados a 10 Gbit/s de la figura 1 muestran un excelente funcionamiento hasta distancias de 400.000 km (Z. Zhu et al, JLT, vol. 25, no. 2, pp. 504-510), especialmente si se comparan con las medidas realizadas sin regeneración (1R, simplemente amplificación).

El elemento clave de este regenerador es el circuito de recuperación de reloj (clock recovery, CR). Si bien se necesita una señal eléctrica para alimentar el modulador Mach-Zehnder, evidentemente interesa que la recuperación del reloj se realice mediante métodos ópticos. Para ello se ha propuesto el uso de filtros Fabry-Pérot, los cuales se caracterizan por una respuesta periódica de banda estrecha mediante la cual pueden extraerse del espectro de la señal las componentes de frecuencia de reloj. Dicho subsistema de recuperación de reloj se compone de un filtro Fabry-Pérot y de un SOA con saturación de ganancia (figura 2). Como requisito de diseño, debe imponerse que el FSR (free spectral range) del filtro coincida con la tasa de repetición de la señal de datos, tal y como se representa de forma esquemática en la figura 2. También hay que prestar atención a posibles derivas en frecuencia de la respuesta del filtro por cambios en la polarización de la señal óptica de entrada. Utilizando un control de temperatura del dispositivo, las variaciones de amplitud debidas a cambios de polarización pueden llegar hasta los 6 dB. Dado que la señal de reloj recuperada por el filtro Fabry-Pérot puede exhibir variaciones de amplitud dependientes del patrón de los datos, especialmente cuando existen secuencias largas de ceros, se utiliza un SOA en saturación que reduce dichas variaciones limitando la amplificación.

Regeneración mediante moduladores de electroabsorción
Los convertidores de longitud de onda basados en el empleo de moduladores de electroabsorción (EAM) pueden ser también una buena opción para el diseño de regeneradores ópticos. En este caso se obtiene como ventaja una dependencia con la polarización de la señal de entrada inferior a 1 dB, gracias a las características del dispositivo EAM. Dado que la arquitectura del regenerador utiliza dichos convertidores de longitud de onda, lo mejor es que comencemos describiendo su funcionamiento. El convertidor de longitud de onda posee dos entradas para la señal de datos, ls, y la longitud de onda continua, lp, así como un puerto de salida para la señal convertida, tal y como muestra la figura 3. La señal de entrada debe poseer suficiente nivel de potencia como para inducir un efecto de saturación cruzada de la absorción. De este modo, las dos señales que se propagan a través del EAM interactúan y la onda continua se ve modulada por los datos de entrada que circulan en contrapropagación. Durante el nivel alto de los datos, el EAM se satura y la onda continua atraviesa el dispositivo con bajas pérdidas. Por el contrario, en el nivel bajo de los datos el dispositivo deja de estar saturado y la onda continua sufre una mayor atenuación. De este modo, la modulación de la onda continua depende directamente del patrón de la señal de datos. A diferencia del proceso de modulación cruzada de la ganancia en SOAs, en este caso la señal convertida en longitud de onda no sufre inversión. El circulador se utiliza para extraer la señal convertida a lp, mientras que el filtro óptico elimina posibles reflexiones no deseadas en el EAM.
Como se puede observar en la figura 4, el regenerador óptico emplea dos convertidores de longitud de onda (WC) como el mostrado en la figura 3. El primero de ellos convierte la señal de entrada, ls, a una longitud de onda distinta, lp, con el fin de duplicar los datos. Por otro lado, el segundo convertidor restaura nuevamente la longitud de onda inicial, ls. Esta configuración en cascada evita efectos de diafonía en el EAM, a la vez que asegura que la señal se transmitirá exactamente a la misma longitud de onda que la señal original, lo cual también es útil para evitar el bloqueo de longitudes de onda en los nodos de la red. La señal de reloj se recupera electrónicamente por medio de un fotodetector de banda ancha, un filtro muy selectivo (elevado Q) y un circuito PLL enganchado a la mitad de la frecuencia de reloj, en este caso 20 GHz. Aunque ya se ha comentado que son preferibles los esquemas de recuperación óptica, para tasas de bit de 40 Gbit/s este tipo de circuitos todavía funciona correctamente (T. Otani et al, JLT, vol. 20, no. 2, pp. 195-200). Para conseguir la regeneración 3R, el remuestreo de la señal se realiza en el segundo convertidor de longitud de onda utilizando el reloj recuperado. Para estabilizar el funcionamiento, el ancho de los pulsos de la señal de entrada puede aumentarse por medio de una fibra de alta birrefringencia, lo que facilita la sincronización entre la señal de entrada y el reloj. Tal y como se ha comentado anteriormente, puede verse que no se necesita ningún complejo sistema de control de polarización, gracias a la reducida sensibilidad de los EAM.

Regeneración basada en láseres autopulsantes
Los láseres autopulsantes se han utilizado en diferentes experimentos como elementos de recuperación de reloj. Como su propio nombre indica, se trata de láseres pulsados cuya cavidad se diseña de forma que sea resonante a la frecuencia de repetición deseada, de tal forma que al inyectarle la señal de datos genere un tren de pulsos (señal de reloj). En la figura 5 se muestra una posible configuración realizada con dos secciones DFB y una sección central de control de fase. El dispositivo se denomina láser PhasCOMB (C. Bornholdt et al, ECOC’01, Th.F.1.2). Las dos secciones DFB se encuentran sintonizadas a diferente longitud de onda, de tal modo que se generan dos modos en la cavidad que se superponen, generándose un batido a frecuencia diferencia de la de ambos modos. Para que el dispositivo funcione adecuadamente resulta imprescindible el control de las fases en la sección central del láser. Este esquema de recuperación de reloj puede trabajar a altas velocidades, habiéndose demostrado su funcionamiento a 80 GHz y frecuencias superiores.

Su utilización en aplicaciones de regeneración óptica puede ser tan simple como añadir un SOA y un láser de onda continua al sistema. En la figura 5 se representa el diagrama de bloques de un posible regenerador 3R. El láser autopulsante se utiliza para la recuperación del reloj, la salida del cual se aplica junto con la señal de datos y una señal de onda continua a un SOA trabajando en regimen no lineal como convertidor de longitud de onda. En el interior de dicho amplificador, la señal de datos se transfiere sobre la longitud de onda continua, lCW, eliminando el resto de señales por medio de un filtro óptico. Se trata pues de una solución sencilla y de coste razonable para la regeneración óptica de señales de alta velocidad.
En este artículo hemos analizado distintas posibilidades para el de-sarrollo de regeneradores ópticos 3R. Se han ofrecido ejemplos tanto de tecnologías optoelectrónicas como de dispositivos fotónicos. Todos ellos se caracterizan por su capacidad para trabajar a altas velocidades. En el siguiente artículo completaremos el análisis con múltiples configuraciones adicionales.

 

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