impacto y mitigaci´on de la dispersi´on por modo polarizaci´on en

IMPACTO Y MITIGACIÓN DE LA DISPERSIÓN
POR MODO POLARIZACIÓN EN LOS SISTEMAS
ÓPTICOS DE ALTA VELOCIDAD
CRISTIAN FERNANDO SILVA TIBADUIZA
DANILO PLAZAS IRREÑO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
IMPACTO Y MITIGACIÓN DE LA DISPERSIÓN
POR MODO POLARIZACIÓN EN LOS SISTEMAS
ÓPTICOS DE ALTA VELOCIDAD
CRISTIAN FERNANDO SILVA TIBADUIZA
20102005015
DANILO PLAZAS IRREÑO
20102005005
Trabajo de grado para optar al titulo de
Ingeniero Electrónico
DIRECTOR:
MSc. JUAN CARLOS PAREDES GÓMEZ
Docente Universidad Distrital
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
“Nunca consideres el estudio como una
obligación sino como una oportunidad
para penetrar en el bello y maravilloso
mundo del saber”.
Albert Einstein
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos de manera especial a nuestros padres, hermanos y hermanas ya que ellos fueron
el principal cimiento para nuestra formación profesional sentando nuestras bases de responsabilidad y deseos de superación.
También de manera fundamental agradecemos sinceramente a nuestro director Juan Carlos
Gómez Paredes por sus conocimientos, su manera de trabajar, su persistencia, su paciencia
y su motivación. Ası́ como también agradecemos a nuestro revisor el Dr. Gustavo Adolfo
Puerto Leguizamon por su conocimiento y el apoyo durante el desarrollo de este trabajo.
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN
1
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
3
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
4
4. JUSTIFICACIÓN
4.1. TÉCNICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. ACADÉMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3. ECONÓMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
5
5
5. ALCANCES Y LIMITACIONES
5.1. ALCANCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. LIMITACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6
6
6. ESTADO DEL ARTE
6.1. TÉCNICAS DE COMPENSACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
7
7. MARCO TEÓRICO
7.1. FORMATOS DE MODULACIÓN . . . . . . .
7.1.1. Modulación De Intensidad . . . . . . .
7.1.2. Modulación En Fase Diferencial . . . .
7.1.3. Modulación En Polarización . . . . . .
7.2. DISPERSIÓN POR MODO POLARIZACIÓN
7.2.1. Causas . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3. COMPENSADORES DE DISPERSIÓN . . .
7.3.1. Compensación Electrónica . . . . . . .
7.3.2. Compensación Óptica . . . . . . . . .
8. METODOLOGÍA
8.1. INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . .
8.2. VPI TRANSMISSION MAKER v4.5 . . .
8.2.1. Conceptos Básicos . . . . . . . . .
8.2.2. Parámetros Globales . . . . . . . .
8.3. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO
BUSTO A LA PMD . . . . . . . . . . . .
8.3.1. Transmisores ópticos . . . . . . . .
8.3.2. Tramo de fibra óptica . . . . . . . .
8.3.3. Compensadores . . . . . . . . . . .
8.3.4. Receptores Ópticos . . . . . . . . .
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(PMD)
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DE UN ENLACE ÓPTICO
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RO. . .
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10
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10
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19
22
22
22
22
23
24
25
28
29
32
9. RESULTADOS Y ANÁLISIS
9.1. CODIFICACIÓN NRZ . . . . . . .
9.1.1. Resultados para 40 Gbps . .
9.1.2. Resultados para 80 Gbps . .
9.1.3. Resultados para 100 Gbps .
9.2. CODIFICACIÓN RZ . . . . . . . .
9.2.1. Resultados para 80 Gbps . .
9.2.2. Resultados para 100 Gbps .
9.3. PRESUPUESTO DE POTENCIA .
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43
45
46
49
51
10.TRABAJOS FUTUROS
52
11.CONCLUSIONES
53
2
ÍNDICE DE FIGURAS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
Tipos de modulación: (a) ASK, (b) PSK, (c) PolSK, (d) FSK. . . . . . . . . . .
Codificación NRZ y RZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema de modulación DQPSK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema de modulación en polarización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Modulación DP-QPSK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Birrefringencia en un enlace de fibra óptica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Propagación de un pulso para un material (a) no birrefringente y (b) birrefringente.
Esquema de un receptor óptico básico configurado en recepción directa. . . . . . .
Esquema de un receptor óptico básico configurado en recepción directa con preamplificación óptica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema de un detector coherente actual. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema de un fotodetector PIN con unión InGaAs. . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema de un fotodetector APD con unión InGaAs. . . . . . . . . . . . . . . .
Rejillas de Bragg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Redes de Difracción de Bragg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Efecto de la PMD en una fibra óptica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Representación de Universo, Galaxia y Estrella. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros globales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros de PRBS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros del láser CW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bit’s en codificación NRZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros de codificación NRZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bit’s en codificación RZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros de codificación RZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros de la fibra emuladora de PMD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Controlador de polarización de tres etapas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Divisor de polarización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Combinador de polarización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Caracterización del filtro MZI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros de Rejillas de Fibra Bragg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Parámetros del fotodiodo APD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema enlace óptico básico de 100km NRZ con modulación AM. . . . . . . . .
Esquema enlace con el compensador, con distancia de 100 km codificación NRZ y
modulación OOK-AM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema del compensador ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Esquema del compensador con Redes de difracción de Bragg. . . . . . . . . . . .
Esquema del compensador con interferómetro de Mach-Zehnder. . . . . . . . . .
Esquema interno del Interferómetro de Mach-Zehnder. . . . . . . . . . . . . . . .
Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 40 Gbps con codificación NRZ.
Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 80 Gbps con codificación NRZ.
Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 100 Gbps con codificación
NRZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 80 Gbps con codificación RZ.
10
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12
13
13
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17
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30
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37
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40
42
44
48
41.
Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 100 Gbps con codificación RZ. 50
2
ÍNDICE DE TABLAS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Tolerancia de PMD respecto a la velocidad de transmisión. . . . . . . . . . . . .
Valores tı́picos de variables globales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BER simulado del esquema con codificación NRZ sin compensación. . . . . . . .
BER simulado del esquema con codificación RZ sin compensación. . . . . . . . .
BER para diferentes tasas de transmisión en la frecuencia central con NRZ. . . .
BER en banda c para diferentes métodos de compensación a 40 Gbps con codificación NRZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 80 Gbps con
codificación NRZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 100 Gbps con
codificación NRZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BER para diferentes tasas de transmisión en la frecuencia central con RZ. . . . .
BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 80 Gbps con
codificación RZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 80 Gbps con
codificación RZ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Perdidas de cada uno de los compensadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
24
35
35
38
39
41
43
46
47
49
51
1.
INTRODUCCIÓN
A causa de diversos elementos, los sistemas de telecomunicaciones han tenido un desarrollo
transcendental para llegar a lo que actualmente se tiene, que son los sistemas ópticos, ya que
las telecomunicaciones están orientadas a brindar una mayor capacidad de la red. El aumento
de la demanda en los servicios de comunicaciones se debe a factores como: el crecimiento de
tráfico, los diferentes servicios, la cantidad de usuarios y el ancho de banda que se dispone
para cada uno de estos.
Originalmente el desarrollo de las comunicaciones se desarrollaba entrono al tráfico de voz
tradicional, pero a pesar de esto surgió el servicio de datos que es lo que domina el tráfico
de las redes desplegadas actualmente. Recientemente los servicios de transporte de datos
brindan tal calidad que soportan aplicaciones sensibles a las interferencias como la voz y el
video en tiempo real. Si tomamos en cuenta que el flujo de datos es bastante denso surge la
necesidad de aumentar cada vez más la capacidad de los enlaces.
Años atrás surgió STM - 1 (Módulo de Transporte Sı́ncrono, nivel - 1) el cual tiene una
tasa de bits de 155,52 Mbps que es el estándar de transmisión de la red de fibra óptica
SDH UIT -T. Los niveles más altos aumentan en un factor de 4 a la vez: los otros niveles
soportados actualmente son STM- 4, STM- 16, STM- 64 y STM -256. Más allá de esto tenemos la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) utilizada comúnmente en
el cableado submarino.
Ahora bien, es necesario resaltar que este estándar pertenece a la primera generación de
las redes ópticas donde solo la transmisión se realiza en el dominio óptico y funciones como
amplificación, multiplexación y demultiplexación, entre otras funciones de la red se realizan
en el dominio eléctrico. Por otro lado las redes de segunda generación realizan la gran mayorı́a de sus funciones en el dominio óptico.
Tomando todo esto en cuenta se puede observar que las tasas de transmisión actuales siguen
aumentando hasta el punto que la tecnologı́a lo permita, por lo que realizar un procesamiento
de la información en el dominio eléctrico se vuelve insostenible tecnológica y económicamente. Por lo que las redes ópticas deben migrar a segunda generación.
Al realizar el diseño de una red de comunicaciones ópticas hay dos aspectos fundamentales
que se deben tener en cuenta y son: el presupuesto de potencia y el presupuesto de ancho
de banda, donde en el primero se hace referencia a la cantidad de amplificadores ya sean,
amplificador booster, de lı́nea o preamplificadores en el receptor; todo esto para finalmente
observar la manera como se ve afectado el presupuesto económico al momento de decidir
si un enlace se vuelve o no viable. En segundo lugar se encuentra el presupuesto de ancho
de banda donde se hace referencia a la cantidad de portadoras que se pueden transmitir
por un único hilo de fibra y es en este punto donde surge WDM (Wavelength Division
Multiplexing) que se divide en dos: CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) y DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), siendo esta última
1
donde se centra el estudio de este trabajo debido al impacto negativo tan relevante que toma
la PMD (Polarization Mode Dispersion) tanto para el presupuesto de potencia como
para el presupuesto de ancho de banda.
El diseño de métodos de mitigación para este problema no se ha sido tan amplio como
se esperarı́a, esto debido a que no se consideró un problema sino hasta que se llegó a la
tasa de transmisión de 10 Gbps o mayores, esto porque es en este punto donde se ven las
afectaciones reales de este fenómeno. Es ahora donde las tasas de transmisión han llegado
a los 100 Gbps y se espera seguir aumentando estas tasas de transmisión a los 400 Gbps
o aún más ya que la fibra óptica monomodo es capaz de soportar 30 Tbps a 50 Tbps. Sin
embargo para poder pensar en transmitir a estas velocidades en necesario lograr superar los
obstáculos que se van presentando en el despliegue de estos por eso es que el presente trabajo
se enfoca en métodos de mitigación de PMD en enlaces con tasas de transmisión a partir de
40 Gbps.
2
2.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
A través de los años la necesidad de establecer una comunicación constante ya sea por medio
fı́sico o inalámbrico se hace más y más necesaria, lo que produce que dı́a a dı́a los sistemas de
comunicación evolucionen y mejoren para poder prestar un mejor servicio, ya que a medida
que pasa el tiempo la cantidad de información que se desea transmitir es mucho mayor y
se desea hacer la transmisión lo más rápido posible. Esto ha generado que se logren importantes avances en los sistemas DWDM haciendo énfasis en el rendimiento de las fibras ya
implementadas [3], ya sea por vı́a terrestre o por vı́a submarina.
Cuando se realizaron las primeras discusiones sobre la Dispersión por Modo de Polarización (PMD) en el año 1986, solo unos cuantos investigadores consideraron que este efecto
llegarı́a a formar parte de las restricciones del negocio de las comunicaciones por fibra óptica, [1] debido a que en ese momento no se pensaba que se podrı́a llegar a transmitir a las
velocidades a las cuales se transmite actualmente, teniendo en cuenta que este tipo de dispersión se hace más notoria en sistemas de muy alta capacidad. La PMD puede distorsionar
la señal, hasta hacer inmanejables los bits, destruyendo la integridad de una red [2], por
lo que se hace necesario diseñar sistemas más robustos que cumplan con los requerimientos
tanto de potencia como de ancho de banda, para los nuevos sistemas ópticos que están mudando de tasas de transmisión de 10 Gbps, a tasas que van desde 40 Gbps, hasta casi 400
Gbps y a medida que aumenta la tasa de transmisión, se deben mantener los estándares de
la prestación del servicio [5], donde es necesario que se mantenga la calidad de servicio a
pesar de que a estas tasas tan altas se generen fenómenos de dispersión como la dispersión
cromática, la birrefringencia, la incorrecta utilización del ancho de banda, la dispersión de
Rayleigh y otros parámetros que afectan la señal que se va a transmitir por la fibra óptica [1].
En vista de la situación expuesta se propone el diseño de un sistema de alta velocidad,
larga distancia y espectralmente eficiente que cumpla con los requerimientos de ancho de
banda y potencia. Para esto se pretende identificar los principales parámetros y variables de
un sistema óptico para poder mejorar el rendimiento del mismo y poder mitigar los problemas causados por la PMD teniendo en cuenta las afectaciones causadas principalmente en
parámetros como Tasa de Error de Bit (BER), la Interferencia entre Sı́mbolos (ISI). Este
tipo de problemas provenientes de la PMD se pretenden reducir con técnicas de mitigación
pasiva y técnicas de compensación electrónica u óptica [4]. Por esto, es necesario tener en
cuenta el formato de modulación, el tipo de codificación y la tasa de transmisión a la cual se
va a trabajar, para ası́ poder variar estos formatos y hacer una comparación más completa,
respecto a los sistemas estándar utilizados y desplegados actualmente.
Para realizar el diseño y simulación del sistema óptico se pretende utilizar el Software VPI
Transmission Maker, que permite evaluar los aspectos necesarios y variar los parámetros ya
mencionados.
3
3.
3.1.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar y analizar un sistema óptico DWDM de alta velocidad desde la perspectiva de
enfrentar la dispersión por modo polarización (PMD).
3.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Precisar los efectos de la PMD sobre sistemas ópticos DWDM de alta velocidad.
Identificar y comparar las diferentes técnicas de compensación de los efectos provenientes de la PMD como técnicas de mitigación pasivas y compensación ópticas o
electrónicas.
Evaluar mediante simulación el comportamiento de diferentes mecanismos de compensación de dispersión de PMD y su efecto en enlaces de alta capacidad.
4
4.
JUSTIFICACIÓN
Con el desarrollo de este proyecto se pretende aportar a los siguientes aspectos:
4.1.
TÉCNICA
Desde este punto de vista, el trabajo aportará criterios de diseño que deben tenerse en cuenta
para la implementación de los futuros sistemas ópticos de alta capacidad, ya que la dispersión
por modo polarización es un problema que tiene su mayor impacto en tales aplicaciones.
Esto permitirá una mejor planificación del enlace y una mejor aproximación de los diseños
al despliegue de la solución. Además este proyecto permitirá realizar una comparación entre
diversos mecanismos de compensación ópticos y electrónicos, posibilitando seleccionar el más
adecuado; la importancia de comparar los diferentes mecanismos de compensación radica en
la aplicación que se les puede dar según los requerimientos de los enlaces que se deseen
realizar.
4.2.
ACADÉMICA
En los inicios de la implementación de fibra óptica en las comunicaciones el efecto PMD
no tenı́a relevancia porque, no se pensaba que se lograrı́an tasas de transmisión tan altas.
Como tales tasas son una realidad hoy, la PMD no puede ser despreciada ya que generara un
impacto nocivo sobre los enlaces de fibra óptica. Se hace perentorio entonces investigar a cerca
de métodos de la compensación de este fenómeno, siendo tal este, el propósito fundamental
de este trabajo; basándonos en los resultados que se obtendrán a partir de la simulación se
pretende evaluar que técnica de compensación es la más adecuada para reducir la PMD y por
lo tanto la que mejor se adapta a los sistemas que se encuentran desplegados actualmente y
los que serán desplegados en el futuro.
4.3.
ECONÓMICA
Teniendo en cuenta que se realizará el análisis de compensadores ópticos y electrónicos,
cabe resaltar que, en este aspecto los compensadores ópticos son más viables, teniendo en
cuenta que la cantidad de equipamiento necesario para un compensador electrónico es mayor
y conlleva mayores costos debido a los regeneradores de señal y los DSP, por lo que se
hará énfasis en los compensadores ópticos, los cuales suponen un ahorro significativo en
recursos.
5
5.
5.1.
ALCANCES Y LIMITACIONES
ALCANCES
Se propone diseñar un sistema óptico de comunicaciones de alta capacidad y alta velocidad,
que ofrezca una interferencia de sı́mbolos y una BER bajas, esto en el marco de los sistemas
actuales basados y diseñados en la eficiencia espectral, tomando en cuenta los diferentes tipos
de modulación y de multiplexación, los cuales establecen varias ventajas en los sistemas de
transmisión de 4G y 5G en los cuales las tasas de transmisión van desde los 100 Mbps hasta
los casi 400 Gbps.
El ya mencionado sistema se simulará con la variación de diferentes parámetros como los son,
diferentes tipos de compensadores para la PMD, diferentes tipos de codificación, longitud
del enlace, diferentes tasas de transmisión elevadas, entre otros que se hicieron necesarios
para poder llegar un sistema robusto ante los efectos de dispersión de PMD.
La variación de dichos parámetros en el sistema óptico que se desea diseñar, se simulara
con el fin de poder realizar un análisis y contrastar los resultados con los obtenidos en un
enlace convencional sin ningún tipo de compensación.
5.2.
LIMITACIONES
No se llevará a cabo ninguna implementación fı́sica del diseño que se realizará, teniendo en
cuenta que no se cuenta con el equipo necesario para poder estructurar los componentes de
un sistema real.
Otro aspecto que hay que tener en cuenta es la licencia del software que se desea utilizar (VPI Transmission Maker), ya que por razones de costos no es posible adquirir una de
uso personal, por lo que hay acceder a aquellas con las que cuenta la Universidad.
6
6.
6.1.
ESTADO DEL ARTE
TÉCNICAS DE COMPENSACIÓN
En esta sección se presenta de manera resumida, algunas de las técnicas actuales en lo que
respecta a la compensación de la PMD y la CD (Dispersión Cromática), puesto que estos
tipos de dispersión imponen ciertas limitaciones respecto a la capacidad del enlace y la longitud del mismo. Es por esto que se ha experimentado con diferentes técnicas de compensación
óptica y técnicas de compensación electrónica. A continuación se presentan algunos resultados de los experimentos utilizando las ya mencionadas técnicas de compensación:
Como se puede observar en [6] lo principal para la mitigación de la PMD es la detección
y la caracterización de la misma, para poder plantear un modelo de solución ya sea por
compensación electrónica u óptica.
En este trabajo se presenta una técnica de caracterización de pulsos basada en un análisis polarimétrico espectral de los modos modulados no linealmente en fase. Esta técnica
proporciona agilidad y rapidez, ya que sólo precisa la toma de dos espectros, uno obtenido
en régimen lineal y otro obtenido en régimen no lineal. Al reducirse significativamente el
tiempo de adquisición de datos la medida está menos influenciada por inestabilidades del
láser. Esta técnica se utilizó con un láser que previamente fue modificado para generar un
desfase en las componentes eléctricas y magnéticas de la señal a transmitir. Esto nos permite
un primer acercamiento a la PMD en sus parámetros principales y su caracterización, para
poder plantear un modelo que mitigue esta dispersión dependiendo de las necesidades que
se planteen en el sistema o en el enlace óptico.
Cabe resaltar que uno de los métodos más importantes y actuales son los “Receptores ópticos coherentes” como se muestra en [7], ya que resulta de gran ayuda por la inherencia de
los DSP en todos los receptores ópticos tras la etapa de conversión análogo digital, esto si
vemos que el DSP permite compensar mediante algoritmos la CD, la PMD y otros problemas, ya que la detección coherente ofrece toda la información del campo óptico. Ası́, con la
modulación óptica compleja ya no es necesario utilizar compensadores de PMD o fibras que
compensen la dispersión, ni sufriremos el aumento de latencia provocado por estos módulos. Además de las imperfecciones introducidas por el receptor, el DSP debe compensar la
degradación que experimenta la señal durante el recorrido óptico entre el transmisor y el
receptor. Puede tratarse de CD y PMD, pérdidas dependientes de la polarización (PDL), rotación de la polarización o transformación de estado de polarización (PST) y ruido de fase [7].
Otro factor importante relacionado con los receptores ópticos coherentes yace en el hecho que
permite introducir un oscilador local (LO), y es acá donde descubrimos una forma de vigilar
los cambios de fase de la señal a lo largo del tiempo respecto a la fase del LO. Para poder
hacer un seguimiento de la fase, la señal debe muestrearse en momentos con valores de fase
predecibles, por ejemplo, en los tiempos de sı́mbolo. En el caso de una señal limitada por el
ancho de banda, la velocidad de muestreo de la fase será menor que la velocidad de sı́mbolo.
7
Pero debemos tener en cuenta que hay cierta porción de la fase que no podrı́a recuperarse
correctamente por la fabricación misma del oscilador local [7].
Otro método bastante popular dentro de los sistemas de compensación es la utilización
de tramos de fibra compensadora donde encontramos fibras como la DCF, la PMF, la DSF
entre otras. Estas fibras básicamente cumplen la función de simular tramos “ideales” del
enlace o introduciendo caracterı́sticas nuevas a la señal ya sea para mejorarla o para hacer
que el tratamiento para compensación sea más sencillo, a continuación se muestran.
La utilización de fibra compensadora (dispersión compensating fiber, DCF), es el método por
excelencia, debido a que su principal función es la de introducir una “dispersión negativa”, y
esto hace que para el caso de la PMD como se muestra en [8], retrase la componente eléctrica,
que para este tipo de dispersión es la componente que viaja más lento en la fibra por lo que es
necesario para efectos de recepción que las dos componentes lleguen al mismo tiempo, debido
a que si no es ası́ se presenta un ensanchamiento del pulso causando interferencia de sı́mbolos
y aumentando el BER. Este tipo de fibra en particular está diseñada para trabajar sobre tercera ventana, que es el punto en el cual la fibra presenta la mı́nima atenuación sobre los 1550
nm.
Cabe resaltar que toma gran importancia tener un estándar bajo el cual debe establecerse
el lı́mite en el cual es tolerable la aparición y la afectación que esta produce, por lo que
en la siguiente tabla se muestra el valor máximo de PMD dependiendo de la velocidad de
transmisión y donde esta va ligado el concepto de PMD dependiendo de la duración de un
bit:
Tabla 1: Tolerancia de PMD respecto a la velocidad de transmisión.
SDH
SONET Velocidad Transmisión Tiempo de Bit Lı́mite de PMD
OC-1
51,48 Mb/s
19,29 ns
2 ns
STM-1
OC-3
155,52 Mb/s
6,43 ns
640 ps
STM-4
OC-12
622,08 Mb/s
1,61 ns
160 ps
OC-24
1244,16 Mb/s (1,2 Gbps)
803,76 ps
80 ps
STM-16
OC-48
2,5 Gbps
401,88 ps
40 ps
STM-64
OC-192
10 Gbps
100,47 ps
10 ps
STM-256
OC-768
40 Gbps
25,12 ps
2,5 ps
STM-512 OC-1536
80 Gbps
12,56 ps
1,256 ps
100 Gbps
10 ps
1 ps
STM-1024 OC-3072
160Gbps
6,28 ps
0,628 ps
400 Gbps
2,5 ps
0,25 ps
Fuente: Elaboración Propia
La tabla nos muestra que para STM-256, el lı́mite de desfase entre las componentes eléctrica
y magnética el tiempo debe ser de 2,5 ps, la importancia radica en que los sistemas ópticos
de alta capacidad parten desde este punto es decir desde capacidades de 40 Gbps hasta casi
400 Gbps, que es donde se concentrará este estudio debido a que es en este tipo de sistemas
donde la PMD toma gran relevancia debido al periodo de bit por lo que se hace tras evidente
8
observar la tabla que la PMD tolerable en los enlaces es de máximo un 10 % del periodo de bit.
Existe otro tipo especial de fibra diferente a la fibra estándar desplegada actualmente como
lo es la fibra mantenedora de polarización PMF (polarization maintainig fiber), donde en
esencia las diferentes partes de los pulsos de luz viajan por diferentes rutas, pero no cambian esta ruta durante todo su recorrido por la fibra, este proceso facilita en gran medida la
compensación de la PMD debido a que esta genera un proceso de linealización lo que hace
que los compensadores sean más simples.
Los resultados obtenidos con la utilización de estos tipos especiales de fibra han sido bastante buenos ya que permiten eliminar casi por completo la PMD y la CD, haciendo que la
confiabilidad del sistema aumente y disminuya la BER, por lo que a la luz de los resultados
podemos notar que los tramos de estos tipos de fibra son de aproximadamente el 20 al 25 %
del total del enlace, por ejemplo si contamos con un enlace de 100 km de longitud significa que de manera estratégica se deben ubicar de 20 a 25 km de fibra compensadora para
que la dispersión no tenga efectos nocivos al recibir la señal. Esto toma gran importancia
y relevancia cuando estamos hablando de enlaces submarinos intercontinentales donde las
longitudes de enlace son de más de 10.000 km y donde la correcta ubicación de las fibras
compensadoras es de vital importancia debido a la complejidad en la instalación de estas.
9
7.
7.1.
MARCO TEÓRICO
FORMATOS DE MODULACIÓN
La utilización de un formato de modulación adecuado permite combatir los efectos lineales y
no lineales del canal de comunicación, incrementar el régimen binario del sistema, la longitud
de los tramos entre amplificadores, OSNR global de dicho sistema, tolerancia a cierto tipo
de dispersiones presentes en la fibra óptica, mejoramiento en la eficiencia espectral. [14].
En fibras ópticas, el campo óptico tiene tres atributos fı́sicos que pueden ser usados para transmitir información: 1) Intensidad (ASK); 2) Fase (PSK) y 3) Polarización (PolSK).
Dependiendo de cuál de estos se use para la transmisión de información podemos distinguir
varios formatos de modulación. [12].
Figura 1: Tipos de modulación: (a) ASK, (b) PSK, (c) PolSK, (d) FSK.
Fuente: [Formato de modulación para altos regı́menes binarios, pág. 2]
7.1.1.
Modulación De Intensidad
La modulación óptica de intensidad es llamada también modulación óptica continua; es
similar a la modulación análoga AM, con la diferencia en la naturaleza de la señal que en
este caso serı́a óptica en vez de eléctrica. Cuando se habla de una modulación en intensidad
que asigna un sı́mbolo independientemente de los sı́mbolos enviados antes o después de este,
entonces nos referimos a una modulación sin memoria (memory-less). [12].
10
NRZ OOK (No Return to Zero On-Off Keying): En la codificación NRZ más básica,
la señal óptica es conmutada ON/OFF (luz emitida/luz apagada) para transmitir usando
un simple código binario 1/0. En el formato NRZ, el pulso para un 1 bit ocupa el intervalo
de bit entero, y sin pulso se utiliza para un bit 0. Si hay dos sucesivos, el pulso ocupa dos
intervalos sucesivos bits. La principal ventaja del formato NRZ sobre los otros formatos es
que la señal ocupa un ancho de banda mucho más pequeño, aproximadamente la mitad del
utilizado en el formato RZ. El problema con el formato NRZ es que largas cadenas de 1s o
0s es difı́cil para el receptor recuperar la señal de reloj. [12] [13].
RZ OOK (Return to Zero On-Off Keying): El código RZ utiliza el mismo método
ON/OFF para transmitir información pero en este método el pulso se pone en ON la mitad
del ancho del pulso que en NRZ como resultado, la potencia óptica por bit se reduce aproximadamente a la mitad y el impacto de la no linealidad ası́ mismo se reduce. El formato RZ
reduce un poco el problema de las largas cadenas, aminora este problema un poco desde las
cadenas de 1s (pero no las cadenas de 0s) que sigue produciendo transiciones. Sin embargo,
el Formato RZ requiere una potencia de transmisión pico más alto con el fin de mantener la
misma energı́a por bit, y por lo tanto la misma tasa de error de bits como el formato NRZ. El
uso de impulsos RZ también minimiza los efectos de la dispersión cromática. A continuación
se mostrara una comparación entre el formato de codificación NZR y ZR. [12] [13].
Figura 2: Codificación NRZ y RZ.
Fuente: [Retos en la transmisión de 40/100Gb/s sobre fibra óptica, pág. 41]
CSRZ (Carrier-Suppressed Return to Zero): CSRZ emplea codificación RZ, caracterizada por una caı́da a cero en intensidad entre dos bits consecutivos y la fase alterna por
w entre bits adyacentes. Este tipo de modulación tiene un espectro similar al de una señal
RZ, excepto por los picos de frecuencia que son desplazados BR/2 con respecto a RZ, de
modo que ningún pico está presente en la portadora y la potencia es idealmente cero en la
frecuencia de la portadora. Las señales 40/100 G son menos sensitivas a los efectos de no
linealidad de la fibra y esto provee gran robustez sobre algunos impedimentos en la transmisión como CD, PMD y filtrado óptico, además atenua la acción del fenómeno FWM (Four
wave mixing) en sistemas DWM. Sin embargo, CSRZ tiene una limitación fundamental: no
puede operar con separaciones de 50 GHz debido al ancho espectral de la señal, que son
necesarios para soportar sistemas DWDM de 80 canales, por lo tanto solo podrı́a manejar
sistemas DWDM de 40 canales y 100 GHz de separación por canal [12][14].
11
M-ASK: En los esquemas de modulación multinivel, cada sı́mbolo lleva la información de
M bits, y el número de amplitudes, frecuencias o fases posibles es 2M . Los esquemas multinivel
suponen una mayor tasa de bits transmitida, pues envı́an M bits en cada tiempo de sı́mbolo;
sin embargo, el valor de M está limitado puesto que al aumentarla disminuye la diferencia
entre las amplitudes, frecuencias o fases de sı́mbolos según si se trata de una modulación de
amplitud, frecuencia y fase y el sistema es más vulnerable al ruido, y distorsiones de fase
debido a la transmisión. [12]
7.1.2.
Modulación En Fase Diferencial
La modulación en fase diferencial no presenta una referencia de fase óptica en el receptor,
la referencia de fase tiene que ser proporcionada por la propia señal. Se basa en modificar
la fase de la portadora óptica en función de la cadena de bits a transmitir, mientras que
la amplitud de dicha portadora se mantiene constante, gracias a esto los efectos no lineales
producidos como consecuencia del cambio en amplitud de la señal son eliminados.
DPSK (Differential Phase Shift Keying): A diferencia de modulaciones en amplitud
como NRZ o dúo-binaria, DPSK codifica la información directamente en la fase de la luz
óptica, es decir la información es transmitida mediante cambios diferenciales en la fase de
la portadora óptica. Como OOK, DPSK puede ser implementada con codificación NRZ o
RZ y no hay impacto en la amplitud. Esta técnica provee una mejora en OSNR de 3dB y
tolerancia mayor contra las deficiencias del sistema que OOK. Cada sı́mbolo transmitido es
representado por información en amplitud (distancia desde el centro) y por la información
de fase (relativo al ángulo con el eje x). [12]
DQPSK (Differential Quadrature Phase Shift Keying): Es el único formato de
modulación multinivel real (más de un 1 bit por sı́mbolo) que ha recibido una apreciable
atención en comunicaciones ópticas; puede ser implementada con codificación NRZ o RZ y
no hay impacto en la amplitud. A diferencia de DPSK, la fase no es dividida en dos sino en
cuatro, permitiendo una codificación de dos bits por sı́mbolo. La larga duración del sı́mbolo
comparado con otros formatos de modulación binarios hace que DPSK sea más robusto a la
PMD. [12]
Figura 3: Esquema de modulación DQPSK.
Fuente: [Retos en la transmisión de 40/100Gb/s sobre fibra óptica, pág. 50]
12
7.1.3.
Modulación En Polarización
En los sistemas ópticos de alta velocidad se busca utilizar dos diferentes planos de polarización. Este tipo de modulación usa la combinación de dos señales ópticas independientes de
exactamente la misma frecuencia, pero con polarizaciones ortogonales (Ver figura 4), estas
dos señales son obtenida a partir de un solo láser transmisor. Existen dos tipos de modulación
en polarización: POLMUX-QPSK y POLMUX-RZ-DQPSK. [12].
Figura 4: Esquema de modulación en polarización.
Fuente: [Retos en la transmisión de 40/100Gb/s sobre fibra óptica, pág. 51]
POLMUX-QPSK O DP-QPSK: Cada señal es independientemente modulada para
transportar la mitad de la información total esto permite que cada polarización opere con la
mitad de la tasa requerida para una polarización simple, al reducir la tasa de datos reduce
a su vez el ancho de banda óptico necesario para transmitir la señal permitiendo un menor
espaciamiento entre canales. Este tipo de modulación reduce la tasa de sı́mbolos requeridos
en un factor de 4 y se obtiene al aplicar a cada polarización un sistema QPSK que permite
la reducción de la tasa de transmisión de sı́mbolos por un factor de 2.
Figura 5: Modulación DP-QPSK.
Fuente: [Retos en la transmisión de 40/100Gb/s sobre fibra óptica, pág. 52]
13
En la figura 5 se muestran modulaciones QPSK independientes en fase (I) y en cuadratura
(Q) que son sumadas para formar una señal transmitida con modulación DP-QPSK. [12].
POLMUX-RZ-DQPSK: Este formato de modulación dobla el número de bits por sı́mbolos transmitiendo información independiente en cada una de las polarizaciones ortogonales.
Esto permite incrementar la eficiencia espectral y la tolerancia a CD y PMD. Este tipo
de modulación se obtiene por medio de dos moduladores DQPSK separados, después ambas señales DQPSK son multiplexadas juntas en dos polarizaciones ortogonales generando
ası́ este tipo de modulación.
7.2.
DISPERSIÓN POR MODO POLARIZACIÓN (PMD)
La dispersión por modo polarización en una fibra, es el resultado de las distintas polarizaciones de la luz que se propagan a distintas velocidades. PMD es generalmente conceptualizada
y modelada matemáticamente, como el tiempo diferencial resultante del retardo entre componentes de la señal que es transmitida en dos bien definidos estados de polarización ortogonal,
o estados principales de polarización (PSP´s) de la fibra. Los dos PSP propagan a diferentes
velocidades a través de la fibra. Esto crea dos copias retardadas de la señal en marcha que
puede causar severa distorsión en el receptor óptico en el extremo de la fibra. Además el PMD
puede variar con el tiempo y la frecuencia óptica debido al orden superior de efectos de PMD.
Este tipo de dispersión debe medirse durante el proceso de fabricación, durante el proceso
de cableado y después de la instalación ya que las curvaturas y los puntos de tensión son
una de las causantes de este tipo de dispersión. [15].
7.2.1.
Causas
La causa principal de la PMD es la birrefringencia en las fibras, la birrefringencia puede ser
causada por tensiones mecánicas que se producen inevitablemente cuando la fibra se curva,
ya que se somete a flexión, o cuando se cablean, como consecuencia del peso propio y de las
tensiones que proporcionan los anclajes o las dilataciones térmicas. [16]. A continuación se
muestra la birrefringencia en un enlace de fibra óptica.
Figura 6: Birrefringencia en un enlace de fibra óptica.
Fuente: [Caracterı́sticas de enlaces de fibra óptica para transmisión a alta velocidad, pág. 46]
14
La birrefringencia del medio de transmisión: fibra óptica, produce la variación de la velocidad
de grupo o sea es el cambio en el ı́ndice de refracción de los ejes transversales de la fibra óptica,
llamados ejes de birrefringencia. Es decir, cada modo de polarización de la luz se propagará en
un medio con un valor distinto de ı́ndice de refracción, lo que implica que la señal original
se comporta como dos ondas independientes que viajan a velocidades diferentes a lo largo
de la fibra óptica, produciendo un ensanchamiento del pulso óptico total. En un material no
birrefringente cada modo de polarización considera el mismo ı́ndice de refracción para efectos
de propagación. En la siguiente figura se ilustra la propagación de un pulso descompuesto en
dos modos de polarización en un material no birrefringente y en un material birrefringente.
[3].
Figura 7: Propagación de un pulso para un material (a) no birrefringente y (b) birrefringente.
Fuente: [Efectos de la dispersión por modo de polarización (PMD) en la propagación de pulsos a través de fibras ópticas, pág.
2 y 3]
Los valores habituales para la birrefringencia están comprendidos entre B = 10−6 y B = 10−5 ,
por lo que la longitud de batido oscilan entre los 10 y los 100 cm para la longitud de onda
de 1µm.
Un valor bajo de birrefringencia reduce significativamente el problema de la PMD, por lo
que actualmente existen dos procesos encaminados a la reducción de este fenómeno. Uno de
ellos consiste en fabricar las fibras con unas estrechas tolerancias geométricas que acercan
más la geometrı́a real a la ideal, pero que llevan asociado un alto coste como consecuencia
del mayor rechazo y de la mayor tecnologı́a requerida por las máquinas de fabricación. La segunda forma consiste en evitar la coincidencia del núcleo de la fibra con el centro geométrico
de la misma; para ello es habitual que el núcleo de la fibra emplee una geometrı́a helicoidal
enrollada axialmente. [16].
7.3.
COMPENSADORES DE DISPERSIÓN
Con el fin de hacer realidad los enlaces de alta capacidad y alta velocidad, se hace necesaria
la utilización de ciertos métodos de compensación, donde nacen dos grandes ámbitos que
son los sistemas de compensación electrónica y los métodos de compensación óptica, donde
dependiendo de la necesidad del sistema se utilizan unos u otros, o en el mejor de los casos
se utilizan varios métodos, lo que genera mayores costos en el despliegue de dichos sistemas.
15
A continuación se hace mención y descripción de los dos grandes métodos de compensación ya mencionados:
7.3.1.
Compensación Electrónica
Las técnicas de compensación electrónica como su nombre lo indica son procesos establecidos
para desarrollarse en el dominio eléctrico, por lo que debe haber un transcurso, en el que
haya una transformación de la señal óptica a eléctrica. Una de las técnicas con más auge
en los últimos tiempos es la detección y recepción coherente, esto, debido a que las tasas de
transmisión han aumentado drásticamente y los receptores ópticos convencionales no suplen
las necesidades de estos sistemas más robustos en cuanto a su capacidad y su velocidad de
transmisión.
Receptores Coherentes: Los receptores ópticos son dispositivos que transforman las
señales ópticas en señales eléctricas, en concreto es el fotodetector el encargado de esta
transformación. La configuración básica es el receptor de detección directa, el fotodetector
convierte el flujo de fotones incidentes en un flujo de electrones. Después esta corriente
es amplificada y procesada. Existen dos tipos de fotodiodos usuales para recepción óptica,
fotodiodo PIN y fotodiodo de avalancha APD [9].
Figura 8: Esquema de un receptor óptico básico configurado en recepción directa.
Fuente: [Fotodetector basado en un dispositivo PIN y un amplificador de transimpedancia]
En términos generales este esquema de receptores se utiliza en los sistemas de baja capacidad de tercera y segunda generación, estos últimos ya no se encuentran en el mercado y
muy difı́cilmente se encuentran desplegados por lo que es necesario y perentorio desarrollar
nuevos sistemas en los receptores para que la información que se entrega finalmente sea la
correcta. En la práctica, para los receptores de detección directa con fotodiodos PIN, el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido térmico, generado en la salida del
fotodiodo.
Se utilizan dos alternativas para superar esta limitación, una es el uso de fotodiodo de avalancha APD, donde el mecanismo de multiplicación de la corriente generada en el fotodiodo
amplifica la señal detectada. La segunda alternativa es la utilización de un pre-amplificador
óptico antes del fotodetector, para amplificar la señal óptica antes de la detección. En vista
de esto, se hace necesaria la modificación y adecuación del receptor general para que supla
las necesidades de las tecnologı́as que se van presentando.
16
Figura 9: Esquema de un receptor óptico básico configurado en recepción directa con
pre-amplificación óptica.
Fuente: [Fotodetector basado en un dispositivo PIN y un amplificador de transimpedancia]
A pesar de que este sistema cuenta con una mayor complejidad y es apto para suplir las
necesidades generales de un enlace básico sobre fibra, sigue siendo un sistema simple para
los sistemas que se pretenden desplegar en 4G y 5G, donde se centrará el estudio de este
trabajo. Por esta razón surge un sistema más complejo y completo que son los detectores
coherentes.
Figura 10: Esquema de un detector coherente actual.
Fuente: [Fotodetector basado en un dispositivo PIN y un amplificador de transimpedancia]
En el caso del esquema coherente, la señal detectada posee una frecuencia intermediaria dada
por:
FF I = |fs − fLO |
(1)
Donde:
fF I es la frecuencia intermedia.
fs es la frecuencia de la señal recibida.
fLO es la frecuencia del oscilador local.
Este detector, que en esencia es una variación mejorada de un detector convencional cuenta
con un sistema más completo debido a la detección heterodina y la capacidad con la que
17
cuentan estos sistemas. En la figura 9 se muestra en el receptor un sub-bloque que es el del
pre-amplificador, donde éste cuenta con un DSP encargado de procesar la señal disminuyendo la señal de ruido con la cual ingresa la señal al receptor. Tras un DSP sin problemas
durante el demultiplexado de polarización, por fin podemos decidir sobre los sı́mbolos recibidos. Por ejemplo, en la QPSK, el criterio para ello son los valores I y Q del punto medido
en el diagrama de constelación, es decir, cada punto con un valor I y Q positivos se interpretará como “11”.
En formatos más avanzados, ya no es posible utilizar los valores I y Q sin más para la
toma de decisiones. Los puntos se asignan al sı́mbolo más cercano.
Es importante hacer ciertas aclaraciones acerca del funcionamiento de los transmisores y
los receptores ópticos, más exactamente en el transductor con el que cuentan los dos. Por
esto a continuación se explicara groso modo la estructura de los fotodiodos PIN y los APD.
Fotodiodos PIN: El fotodiodo PIN es el detector más importante utilizado en los sistemas
de comunicación óptica. Es relativamente fácil de fabricar, altamente fiable, tiene bajo ruido
y es compatible con circuitos amplificadores de baja tensión. Además, es sensible a un gran
ancho de banda debido a que no tiene mecanismo de ganancia. Unas zonas p y n altamente
conductivas junto a otra intrı́nseca poco conductiva, caracterizan al diodo PIN. Los fotones
entran a la zona intrı́nseca generando pares electrón-hueco. El diodo se polariza inversamente
con el fin de que las cargas generadas en la zona intrı́nseca sean aceleradas por el campo
eléctrico presente. Un fotodiodo PIN de uso común, es el llamado fotodiodo PIN de InGaAs
(arseniuro de indio y galio), mostrado en la siguiente figura [10].
Figura 11: Esquema de un fotodetector PIN con unión InGaAs.
Fuente: [Optoelectrónica y electroóptica apuntes teóricos]
18
Fotodiodos de avalancha APD: Los fotodiodos APD (Avalanche Photodiodes, APD?s)
son aproximadamente diez veces más sensibles que los fotodiodos PIN y requieren una menor
amplificación adicional. Su desventaja reside en los tiempos de transición, ya que son muy
largos y su vida útil es muy corta.
Los APD se basan en el fenómeno de la ionización por impacto. Un electrón (al igual que
un hueco) generado por la absorción de un fotón con la suficiente energı́a cinética, puede
generar nuevos pares electrón-hueco al dar parte de su energı́a a otro electrón de forma que
éste pase de la banda de valencia a la banda de conducción. Luego la corriente generada
por la absorción de los fotones incidentes Ip, se ve incrementada por un factor M (ganancia
multiplicativa de corriente, esto es el promedio de electrones generados por cada fotón).
Im = M Ip
(2)
Por tanto la responsividad de un fotodiodo APD es:
RAP D =
M Ip
Im
=
= MR
Pin
Pin
(3)
Los fotodiodos de avalancha al multiplicar la fotocorriente generada en la unión p-n consiguen
un aumento de la sensibilidad con respecto a los fotodiodos PIN. En la siguiente tabla se
comparan los valores de las principales caracterı́sticas de los fotodiodos de avalancha de Si,
Ge e InGaAs.
Figura 12: Esquema de un fotodetector APD con unión InGaAs.
Fuente: [Optoelectrónica y electroóptica apuntes teóricos]
7.3.2.
Compensación Óptica
Redes de Difracción de Bragg (FBG): Las redes de difracción de Bragg o Bragg gratings, se han convertido en un componente fundamental para la mayor parte de las aplicaciones relacionadas con las comunicaciones ópticas, tales como: compensación de la dispersión
cromática, enrutamiento, filtrado, control y amplificación de señales ópticas dentro de la
19
nueva generación de redes de telecomunicaciones de alta densidad basadas en WDM.
Una red de difracción es una superficie reflexiva con una serie de lı́neas, o depresiones,
paralelas, las cuales provocan que la luz incidente se refleje. La siguiente figura muestra como la luz se separa en sus diferentes longitudes de onda al incidir sobre la superficie de la
red de difracción:
Figura 13: Rejillas de Bragg.
Fuente: [Impact of fiber bragg gratings as dispersion compensator on the receiver characteristics]
Este es el funcionamiento básico de una fibra de difracción de Bragg donde lo que se produce
es una modulación periódica del ı́ndice de refracción a lo largo del núcleo de una fibra óptica
creando ası́ un espejo de longitud de onda selectiva, funcionamiento que es más visible en la
siguiente imagen:
Figura 14: Redes de Difracción de Bragg.
Fuente: [Impact of fiber bragg gratings as dispersion compensator on the receiver characteristics]
Las FBG’s son creados por la exposición de una fibra fotosensible un patrón de intensidad
de la luz UV. En su forma básica, la rejilla resultante refleja selectivamente la luz guiada
por la fibra óptica a la longitud de onda Bragg dada por [11]:
λB = 2n · Λ
(4)
Donde n y Λ son el ı́ndice efectivo de refracción de la fibra y el paso de la rejilla en la fibra.
20
Fibra Compensadora de Dispersión (DCF): Las fibras compensadoras de dispersión (dispersión compensating fiber, DCF) se caracterizan por poseer un parámetro de dispersión cromática elevado y de signo opuesto al de las fibras convencionales operando en
tercera ventana. De este modo, colocando una cierta longitud de DCF tras el enlace de
fibra óptica que constituye el sistema de comunicaciones, es posible compensar la dispersión cromática acumulada durante el primer trayecto. Si denominamos D1 y L1 a la dispersión y longitud del enlace de fibra, y D2 y L2 a la dispersión y longitud de la DCF,
respectivamente, entonces la condición para compensar dispersión puede escribirse como:
D1 L1 + D2 L2 = 0. Suponiendo que tenemos un enlace óptico formado por 100 km de fibra
estándar (D = 17 ps/km · nm), la dispersión acumulada durante la propagación a través del
mismo serı́a de 1700 ps/nm. Luego basándonos en una DCF con un parámetro de dispersión de aproximadamente −100ps/km · nm, serı́an necesarios unos 17 km de la misma para
realizar la compensación.
En la figura 15 se representa esquemáticamente un enlace óptico de gran distancia que
emplea DCF’s para compensar la dispersión cromática. La señal a transmitir se introduce
en el sistema por medio de un modulador electroóptico situado a la salida de la fuente óptica láser, y se recibe por medo de un fotodetector junto con un amplificador electrónico de
banda ancha. Para ecualizar la dispersión introducida a lo largo del enlace, éste se divide
en secciones compuestas de un tramo de SSMF, una cierta longitud de DCF y, finalmente,
un EDFA para recuperar la potencia de señal. Aunque en la figura se representa la técnica
basada en “post-compensación”, se podrı́a realizar igualmente la “precompensación” sin más
que intercambiar de posición los trayectos de SSMF y DCF.
Figura 15: Efecto de la PMD en una fibra óptica.
Fuente: [Optoelectrónica y electroóptica apuntes teóricos]
A pesar de lo dicho anteriormente, las DCFs sufren de varios problemas. En primer lugar,
1 km de DCF compensa tan sólo unos 10.12 km de fibra estándar (recientes avances han
conseguido producir fibras cuya dispersión excede los −200 ps/km · nm).
En segundo lugar sus pérdidas son relativamente elevadas a 1550 nm (alrededor de 0, 5 dB/km).
Y en tercer lugar, debido a su reducido diámetro modal, la intensidad óptica en el interior
de la fibra es superior para una misma potencia óptica, lo cual provoca una disminución
de los efectos no lineales. En la actualidad se trabaja sobre estas lı́neas para mejorar las
prestaciones de las DCFs. Algunos resultados ya obtenidos se basan en una estructura de
fibra bimodal, alcanzándose parámetros de dispersión tan elevados como −770 ps/km · nm
con idénticas pérdidas que la fibra estándar.
21
8.
8.1.
METODOLOGÍA
INTRODUCCIÓN
En esta sección se expone la metodologı́a de diseño de un enlace óptico robusto a la PMD,
mediante la simulación del enlace con la variación de distintos parámetros y con la incorporación de otros módulos se observará su comportamiento frente a la PMD. El desempeño del
enlace se evalúa a través de la medición del BER.
Los enlace propuesto de simulan por medio de la herramienta VPI Transmission Maker
4.5, herramienta suministrada por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. De esta forma se pretende dar una explicación clara sobre las generalidades del programa y del
funcionamiento de cada uno de los elementos o bloques que conforman este enlace, teniendo
en cuenta las variables relevantes.
8.2.
VPI TRANSMISSION MAKER v4.5
8.2.1.
Conceptos Básicos
En la herramienta de simulación VPI Transmision Maker cada icono en el panel de vista
o bien representa modelos de componentes individuales (Estrellas), colecciones de componentes interconectados con los puertos a otros niveles (Galaxias), o colecciones de estrellas
y galaxias sin interconexiones con los niveles más altos (universo). Cada una de estas es
llamada representación esquemática y se describen a continuación:
Estrellas: Son un componente individual, son el nivel más bajo de jerarquı́a y no
pueden ser subdivididos, es por ellos que la mayorı́a de módulos suministrados por la
herramienta son estrellas. Sólo se puede ejecutar si es parte de un universo, y que este
universo esté siendo ejecutado. [18]
Galaxia: Son un conjunto de componentes individuales o estrellas, están en el nivel
medio de jerarquı́a y se conecta a los niveles más altos de jerarquı́a utilizando los
puertos. Al igual que una estrella, sólo se puede ejecutar si es parte de un universo,
y que este universo esté siendo ejecutado. Las galaxias representan un medio eficaz
para mantener claras las configuraciones de la simulación y facilitan la organización de
parámetros, ya que pueden ser módulos personalizados. [18]
Universo: Abarca el conjunto de galaxias y/o estrellas, no existe nada fuera del universo, no tienen conexiones externas y es la capa más alta de la jerarquı́a. Se ejecuta
como simulación (oprimiendo el botón submit job) y no pueden colocarse sobre otro
esquema. Los demos del programa son ejemplos de estos. [18]
El intercambio de datos o de información entre los módulos se realiza a través de los puertos
de entrada y salida. En la figura 16 se muestra los niveles de jerarquı́a de las representaciones
esquemáticas.
22
Figura 16: Representación de Universo, Galaxia y Estrella.
Fuente: [transmissionMakerGUI, pág. 55]
8.2.2.
Parámetros Globales
El simulador nos ofrece varios tipos de parámetros configurables, los cuales son propios de
cada uno de los módulos y dependen de la de la aplicación y configuración a realizar. De
manera global se define variables que son comunes a todos los módulos en un esquemático,
llamados parámetros globales. [18]
Al hacer doble clic en el fondo del esquemático, se abrirá el editor de estos parámetros.
El simulador cuenta con los siguientes para parámetros globales:
Figura 17: Parámetros globales.
Fuente: [Simulador]
Es posible modificar estos parámetros, pero existen normas estrictas al momento de modificar
la tasa de bits, simulación de ancho de banda y la ventana de tiempo:
23
El número de muestras en la simulación debe ser una potencia de dos. Esto implica
que TimeWindow x SampleRateDefault, debe ser una potencia de dos.
El número de muestras por bit de datos numéricos debe ser una potencia de dos. Esto
implica que SampleRateDefault/BitRateDefault debe ser una potencia de dos.
[19]
En la siguiente tabla se mostrarán los valores tı́picos de las variables globales, en donde se
complementó para mostrar los valores tomados estos parámetros para las distintas tasas de
transmisión trabajadas.
Sistema
2.5 Gbit/s
único canal
10 Gbit/s
único canal
40 Gbit/s
único canal
80 Gbit/s
único canal
100 Gbit/s
único canal
Tabla 2: Valores tı́picos
Tasa de bit Tasa de muestras
2.5x109
8 × 2.5x109
16 × 2.5x109
32 × 2.5x109
10x109
8 × 10x109
16 × 10x109
32 × 10x109
40x109
8 × 40x109
16 × 40x109
32 × 40x109
80x109
8 × 80x109
16 × 80x109
32 × 80x109
100x109
8 × 100x109
16 × 100x109
32 × 100x109
de variables globales.
ventana de tiempo
16/2.5x109
32/2.5x109
64/2.5x109
16/10x109
32/10x109
64/10x109
16/40x109
32/40x109
64/40x109
16/80x109
32/80x109
64/80x109
16/100x109
32/100x109
64/100x109
Muestras por bloque
128
512
2048
128
512
2048
128
512
2048
128
512
2048
128
512
2048
Fuente: Elaboración Propia
De donde se escogió un factor de multiplicación de 8 para la tasa de muestra y un factor de
división de 64 para la ventana de tiempo, para las distintas tasas de transmisión.
8.3.
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE UN ENLACE
ÓPTICO ROBUSTO A LA PMD
En un enlace óptico tı́pico al verse afectado por la PMD, se deben tener en cuenta ciertas
consideraciones, aspectos y elementos que mitigan y hacen más robusto el enlace ante este
efecto. En esta sección se tendrán en cuenta estos elementos y se omitirán otros que aunque
hacen parte de un enlace óptico tı́pico no tiene relación con la PMD.
Se definirán los elementos que intervienen en un enlace óptico robusto ante la PMD.
24
8.3.1.
Transmisores ópticos
Se definirá transmisor óptico como una conjunto de elementos que tienen como función
convertir las señales eléctricas en señales ópticas (en formas de pulsos de luz) para ser
transmitidas por la fibra. Los elementos que lo constituyen son: Fuente de información, tipo
de codificación, láseres modulados directa o externamente por algún tipo de modulación.
Fuente de Información: Por lo general se requiere una secuencia binaria pseudoaleatoria
(PRBS) cuando se modela una fuente de información en simulaciones de sistemas de comunicaciones digitales. El módulo suministrado por la herramienta llamado PRBS cuenta con
los siguientes para parámetros:
Figura 18: Parámetros de PRBS.
Fuente: [Simulador, photonicmodules, pág. 11-35]
Este módulo produce una secuencia de N bits (TimeWindow x bitRate) con los números
m y n que definen la cantidad de ceros antes y después de la secuencia de bits generada
de longitud N-m-n. Estos valores de m y n se pueden ajustar a través de los parámetros
PreSpaces y PostSpaces respectivamente. [20]
Los parámetros de interés para este caso serán:
PRBS Type: Define el tipo de secuencia binaria (Codeword, readfromfile, alternate,
entre otros). El tipo se secuencia utilizada será alternate, este genera una secuencia
alternada o aleatoria de bits.
BitRate: Definira la tasa de bit de transmisión de la secuencia de bit, este parámetro
se define en los parámetros globales.
Laseres: Se eligieron los diodos laser como señal portadora para modular a la fuente de
información (PRBS), ya que tienen un mejor desempeño en los enlaces de comunicaciones
de altas velocidades y de grandes distancias, además de tener un mejor acoplamiento con la
fibra, gran ancho de banda de modulación y ancho espectral estrecho. [21]
25
El programa cuenta con este módulo el cual producirá la señal óptica de onda continua
y un campo dependiente del tiempo con parámetros de señal, que se normaliza a la potencia
especificada por el usuario (AveragePower). La frecuencia de emisión del láser es definifo por
EmissionFrequency, además contiene una fuente de ruido blanco gaussiano con una varianza
correspondiente a la anchura de lı́nea del láser óptico [20]. Los parámetros más importantes
se muestran a continuación en donde estos se dejaron por defecto.
Figura 19: Parámetros del láser CW .
Fuente: [Simulador]
Tipo de Modulación: Actualmente la mayorı́a de los sistemas de comunicación por fibra
óptica, son del tipo IM/DD (modulación de intensidad y detección directa), pero el principal
problema de esta técnica se da conforme a la velocidad con que se enciende y se apaga,
esto se ve limitado a la máxima velocidad a la cual se puede modular una fuente óptica que
depende principalmente del tipo de recombinación de los portadores, ası́ como de las capacidades asociadas al semiconductor. Los dispositivos láser que se encuentran comúnmente en el
mercado tienen una velocidad máxima de aproximadamente 10 Gbps. Es por esta razón por
la cual se optó por la modulación AM ya que este nos ofrece ventajas en cuanto al alcance
y velocidad de transmisión.
La herramienta nos ofrece este tipo de modulación, el cual su único parámetro es el ı́ndice
de modulación. El ı́ndice de modulación junto al conjunto de datos nos dará el valor de la
función de transferencia de energı́a.
Tipo de codificación:
NRZ: El módulo genera para cada bit de entrada, una señal eléctrica codificada no
retorno a cero. Un pulso NRZ tiene una longitud única a lo largo del bit, es decir el “1”
se codifica con un nivel alto y el “0” por un nivel bajo de amplitud, como se muestra
en la figura 20. [20]
26
Figura 20: Bit’s en codificación NRZ.
Fuente: [photonicmodules, pág. 2-10]
La secuencia de bits de entrada se genera tı́picamente por el módulo PRBS. El módulo
NRZ cuenta con los siguientes parámetros, en donde los más relevantes son el BitRate
y el SampleRate que fueron explicados anteriormente:
Figura 21: Parámetros de codificación NRZ.
Fuente: [Simulador]
RZ: El módulo genera para cada bit de entrada, una señal eléctrica codificada retorno
a cero. El pulso de un bit “1” tiene una duración de pulso de T p = a · T b, especificado
por el parámetro PulseLengthRatio y un bit “0” se expresa por una salida de cero para
toda la longitud del bit, como se muestra en la figura 21. [20]
27
Figura 22: Bit’s en codificación RZ.
Fuente: [photonicmodules, pág. 2-13]
Al igual que el anterior módulo la secuencia de bits de entrada se genera tı́picamente
por el módulo PRBS y también cuenta con parámetros similares, en donde los más
relevantes ya fueron explicados anteriormente:
Figura 23: Parámetros de codificación RZ.
Fuente: [Simulador]
8.3.2.
Tramo de fibra óptica
Es el medio por el cual será transportada la información, será representado por una fibra
emuladora de PMD, teniendo en cuenta que nos permite omitir otros parámetros que no son
la finalidad de este estudio.
Fibra emuladora de PMD: El propósito general de este módulo es simular los efectos
de primer y segundo orden de la PMD, las cantidades de primer y segundo orden de PMD
se calculan a partir de un único parámetro de PMD. La PMD de segundo orden se puede
desactivar para mirar únicamente los efectos de primer orden [20]. Este módulo cuenta con
los siguientes parámetros de este módulo:
28
Figura 24: Parámetros de la fibra emuladora de PMD.
Fuente: [Simulador]
En donde se omitieron algunos parámetros, esto con el fin de evaluar únicamente los efectos
de la dispersión por modo polarización y más especı́ficamente de primer orden.
8.3.3.
Compensadores
Son dispositivos que mitigaran el efectos de la PMD, como interferómetros de Mach Zehnder
(MZI), redes de Difracción de Bragg y retardos de tiempo (compensador ideal). Se explicará cada uno de los bloques que componen estos compensadores.
Ideal: Este compensador es una galaxia, en donde internamente se encuentra una galaxia
llamada controlador de tres etapas y otros módulos llamados estrellas como lo son los delays,
divisor y combinador de polarización.
Controlador de tres etapas: El controlador de polarización de tres placas tiene como
función rotar un ángulo especı́fico la señal de entrada (junto con sus polarizaciones),
para lograr una rotación de hasta 360o es necesario la utilización de tres placas. La
herramienta implementa este controlador de tres etapas como una estructura jerárquica
(galaxia), se compone de una placa de media onda entre dos placas de cuarto de onda,
como se muestra en la siguiente figura 25. Las tres placas de onda se pueden rotar
interminablemente, pero las dos placas de cuarto de onda tienen un desplazamiento
fijo angular de 90o . Este desplazamiento reduce el número de variables de control, pero
aun ası́ proporciona el acceso a todos los estados de polarización. [20]
29
Figura 25: Controlador de polarización de tres etapas.
Fuente: [Photonicmodules, pág. 11-35]
Como se observa en la figura x control1 gira todas las placas de onda, mientras control2
proporciona una rotación adicional a la placa de media onda.
Divisor de polarización: Su funcionamiento se basa en la figura 26, se encuentra
dos polarizadores lineales ideales orientados ortogonalmente entre sı́. Los componentes
de polarización de la señal óptica de entrada, corresponden al eje X y Y que se emiten
por sus respectivos puertos de salida. El parámetro DeviceAngle especifica el ángulo a
través del cual se hace girar el divisor de haz. [20]
Figura 26: Divisor de polarización.
Fuente: [Photonicmodules, pág. 11-10]
Combinador de polarización: Su funcionamiento se basa en la figura 27, se encuentra dos polarizadores lineales ideales orientados ortogonalmente entre sı́. Los polarizadores se utilizan para seleccionar de forma apropiada las componentes de polarización
de la señal de entrada, en donde seguido de un multiplexor ideal une o combina las
componentes de polarización. El parámetro DeviceAngle especifica el ángulo a través
del cual el polarizador de entrada del puerto X es rotado. [20]
30
Figura 27: Combinador de polarización.
Fuente: [Photonicmodules, pág. 11-12]
Delay: El módulo impone un retardo de tiempo programable en una señal de entrada
óptica que incluye el desplazamiento de fase de la portadora. Para señales de entrada
con condiciones de contorno periódicas, el retraso puede ser un número entero o no
entero múltiplo del periodo de la muestra, para todos los demás casos el retardo debe
ser un múltiplo entero del periodo de la muestra. [20]
Interferómetros de Mach Zehnder (MZI): Al igual que el compensador ideal, este tipo de compensador es una galaxia e internamente también cuenta con un controlador de tres
etapas, divisor de polarización, combinador de polarización, estos fueron explicados anteriormente. El módulo que se adiciona y caracteriza este compensador se muestra a continuación:
Filtro interferómetro de Mach Zehnder: Es una galaxia que se compone de dos
acopladores y una lı́nea de retardo. El retardo puede ser un número no entero de muestras para condiciones periódicas. El MZI se caracteriza por su parámetro DelayTime
entre las dos ramas o trayectos como se muestra en la figura x, los parámetros CoupleFactor1 y CoupleFactor2 son descritos por α1 y α2, estos hacen referencia al factor
de acoplamiento o acopladores de -3dB ya que por defectos se encuentran en un valor
de 0.5 (en términos de potencia cuando la señal cae a -3dB se encuentra a 0.5 de su
valor máximo). Estos factores de acoplamiento generan la anchura total a la mitad del
máximo (FWHM).
Figura 28: Caracterización del filtro MZI.
Fuente: [Photonicmodules, pág. 9-60]
31
Redes de Difracción de Bragg (FBG): Este compensador es una galaxia e internamente cuenta con los mismos módulos ya mencionados (controlador, divisor y combinador
de polarización). El módulo que se adiciona y caracteriza este compensador se muestra a
continuación:
Rejillas de Fibra Bragg: Este módulo simula una o más rejillas de Fibra de Bragg
a lo largo de la fibra. Cada rejilla se puede incluir chirp lineal y apodizar, además
dispone de salidas para la onda transmitida y reflejada. La flexibilidad de este módulo
hace que sea ideal para: un solo canal y filtros de canal múltiple, compensadores de
dispersión, entre otros. Este módulo cuenta con los siguientes parámetros:
Figura 29: Parámetros de Rejillas de Fibra Bragg.
Fuente: [Simulador]
8.3.4.
Receptores Ópticos
Es un fotodetector el cual convierte el flujo de fotones incidentes en un flujo de electrones.
En este caso se utilizara fotodiodos de avalancha APD ya que con los fotodiodos PIN el
factor limitante de la sensibilidad del receptor es el ruido térmico, generado en la salida del
fotodiodo y se incluirán los medidores de parámetros como el BER.
Fotodiodo APD: Se eligieron este tipo de fotodiodos ya cuentan con una mayor sensibilidad, además los fotodiodos PIN el factor limitante de la sensibilidad del receptor es el
ruido térmico, generado en la salida del fotodiodo. La herramienta posee un fotodiodo APD
el cual cuenta con los siguientes parámetros, dichos parámetros se dejaron por defecto ya
que son valores tı́picos o estándar.
32
Figura 30: Parámetros del fotodiodo APD.
Fuente: [Simulador]
33
9.
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Como se ha mencionado anteriormente un enlace óptico se ve afectado por la PMD cuando
su tasa de transmisión es muy alta, entendiendo por alta, los valores por encima de los 10
Gbps, por lo que se presentará a continuación la topologı́a propuesta de un enlace punto a
punto donde se varı́an diferentes parámetros y se analizan mediciones como el diagrama del
ojo y el BER, siendo este último el que nos da el criterio para definir cuando se hace necesario el uso de la compensación, esto si tomamos en cuenta que, en las tasas de transmisión
seleccionadas se hace indispensable un valor del BER no mayor a 1x10−12 , tratando de llevar
este valor lo más próximo al cero como sea posible y es allı́ donde surgen los métodos de
compensación, los cuales se mencionarán más adelante.
Se realizó la configuración de un enlace punto a punto manejando un coeficiente de PMD
crı́tico para apreciar el funcionamiento de los compensadores que se diseñaron, para evaluar
el comportamiento de estos en un sistema DWDM se variará la frecuencia de emisión del
láser en banda C. Los valores más importantes que se deben tener en cuenta para este enlace
son:
Longitud de la fibra.
Coeficiente de PMD:
1 ps
√
km
Tasas de transmisión: 40 Gbps - 80 Gbps - 100 Gbps.
Frecuencia central: 193.1 THz
Formato de codificación.
Cabe destacar que en la configuración del enlace únicamente se toma en cuenta la PMD de
primer orden, ya que para hacer compensación de segundo orden es necesario un compensador
dinámico y el software VPI Transmission Maker no cuenta con las herramientas necesarias
para cumplir con los requerimientos que se necesitan en un compensador de ese tipo. El
enlace propuesto para realizar la compensación fue el siguiente:
Figura 31: Esquema enlace óptico básico de 100km NRZ con modulación AM.
Fuente: Elaboración Propia
34
El esquema anterior representa un enlace óptico punto a punto tı́pico, donde se omiten
parámetros como la atenuación que introduce la fibra, dispersión cromática y la PMD de
segundo orden, ya que el propósito es evaluar única y exclusivamente el impacto de la PMD
de primer orden en el enlace. La caracterı́stica principal a evaluar es el diagrama de ojo y
como parámetro vital se evaluará el BER, dado que, estas dos nos dan la información acerca
de la pérdida de datos en el enlace. Para el esquema general con una codificación NRZ,
longitud de fibra fija de 100 km, frecuencia central de 193,1 THz y un coeficiente de PMD de
1 ps
√
, se obtuvieron mediante simulación los valores de BER que se muestran en la siguiente
km
tabla:
Tabla 3: BER simulado del esquema con codificación NRZ sin compensación.
BER para las tasas de transmisión
40 Gbps
80 Gbps
100 Gbps
−11
−7
2, 01x10
6, 15x10
3, 50x10−5
Fuente: [Elaboración Propia]
Tras implementar una codificación RZ y realizar las simulaciones, se pudo apreciar que esa
codificación es lo suficientemente robusta como para que sea necesario el uso de compensación, por consiguiente se aumentó la longitud del enlace hasta el punto en el cual se hiciera
necesaria una compensación. Ası́, de esta manera se llegó a que para 40 Gbps el enlace deberı́a ser de más de 600 km y por esta razón se omitió en este caso; para 80 Gbps se hace
necesaria la compensación a una longitud del enlace de 200 km y para el caso de 100 Gbps
es necesario a 140 km. Es por esto que la tabla que se presenta a continuación solo cuenta
con dos tasas de transmisión en las cuales se trabajó.
Tabla 4: BER simulado del esquema con codificación RZ sin compensación.
BER para las tasas de transmisión
80 Gbps
100 Gbps
2, 10x10−5
1, 03x10−6
Fuente: [Elaboración Propia]
Basándonos en los resultados que se muestran en las tablas anteriores, se hace necesaria la
implementación de un compensador, esto, si tenemos en cuenta el BER tolerable para estas
tasas de trasmisión, por consiguiente se presentan 3 compensadores que son:
Compensador Ideal.
Compensador con Interferómetro de Mach-Zehnder.
Compensador con Redes de Difracción de Bragg.
35
Figura 32: Esquema enlace con el compensador, con distancia de 100 km codificación
NRZ y modulación OOK-AM.
Fuente: Elaboración Propia
En el esquema anterior es importante resaltar que aparecen los medidores de potencia antes
y después de la galaxia de los compensadores (encerrada en el recuadro rojo), esto con el
fin de apreciar las pérdidas que introducen estos y la manera como se ve afectado el presupuesto de potencia, ya que el tratamiento de la señal durante la separación de componentes
eléctricas se introduce una atenuación que no puede ser modificada.
El sistema con compensador ideal se realiza con el fin de tener una referencia del comportamiento de este al establecer la comparación con los compensadores reales (Redes de
Difracción de Bragg e Interferómetro de Mach-Zehnder), por lo que cada uno de estos se
realizó en una galaxia, que es la que se encuentra encerrada en el recuadro rojo. Para el caso
de este compensador lo que hay al interior de la galaxia es:
Figura 33: Esquema del compensador ideal.
Fuente: Elaboración Propia
Este esquema basa su funcionamiento en separar la señal óptica en sus dos polarizaciones
eléctricas, polarización vertical y polarización horizontal, donde se toma la componente que
viaja más rápido (vertical), para luego pasarla por un bloque que introduce un retardo
36
(delay) que puede ser ajustado fácilmente para que estas lleguen en fase al combinador. Por
consiguiente lo que se trata de emular en los compensadores propuestos (redes de difracción
de Bragg e interferómetro de Mach-Zehnder) es este sistema de delay utilizando elementos
reales y que cumplan la misma función, pero también donde se puedan ajustar las variables de
una manera sencilla para que se puedan compensar diferentes valores de PMD. Ahora bien,
a continuación se presenta el esquema de cada uno de los compensadores que se diseñaron
empezando por las redes de difracción de Bragg:
Figura 34: Esquema del compensador con Redes de difracción de Bragg.
Fuente: Elaboración Propia
En este esquema se puede apreciar que a diferencia de la figura X. en donde el bloque que
generaba ese delay es reemplazado por una red de difracción de Bragg. Esta nos presenta
como ventajas el hecho de que es posible variar el periodo y al variar este, se varı́a la frecuencia
central de la red. La manera de generar el retraso que se necesita se logra variando la longitud
de la red ası́ la componente que viaja más rápida toma un “camino” más largo y cuando
lleguen al combinador las dos componentes llegaran en fase. Como punto negativo de este
sistema se trata de la longitud de la red ya que esta no puede ser variada.
Figura 35: Esquema del compensador con interferómetro de Mach-Zehnder.
Fuente: Elaboración Propia
En este caso, se hace uso de un interferómetro de Mach-Zehnder en donde ingresan las
dos polarizaciones a un bloque de acople para luego pasar por un tramo de fibra donde su
longitud se calcula asumiendo que la velocidad de la luz a través de la fibra es de 3x108 m/s
37
ps
y con un coeficiente de PMD de √1 km
, por lo que con una longitud de fibra de 100 km se
acumulan 10 ps. Ahora bien, con una simple regla de 3 decimos que:
3x108 m → 1 ps
x → 10 ps
Ahora despejando x tenemos que la longitud de la fibra para este interferómetro es de 3 mm.
Figura 36: Esquema interno del Interferómetro de Mach-Zehnder.
Fuente: Elaboración Propia
En esta imagen se muestran los elementos que componen el interferómetro donde como
se mencionó anteriormente hay un bloque de acople y un tramo de fibra por donde viaja
la componente vertical y donde para el caso de la simulación no se toma ningún tipo de
atenuación o dispersión por la corta distancia de la fibra.
9.1.
CODIFICACIÓN NRZ
En vista de los diseños ya presentados, a continuación se presenta una tabla donde se muestran los resultados de las simulaciones para el caso de la codificación NRZ.
Tabla 5: BER para diferentes tasas de transmisión en la frecuencia central con NRZ.
TASA DE TRANSMISIÓN
METODO DE COMPENSACIÓN
Sin compensar
Método Ideal
Redes de difracción de Bragg
Interferómetro de Mach-Zehnder
40Gbps
80Gbps
100Gbps
2, 01x10−11
7, 19x10−99
8, 25x10−29
3, 94x10−52
6, 37x10−7
1, 15x10−48
3, 18x10−29
4, 45x10−22
3, 50x10−5
5, 10x10−32
7, 22x10−22
3, 63x10−33
Fuente: Elaboración Propia
Es importante recalcar que, estos resultados se obtuvieron trabajando en la frecuencia central
(193.1 THz), por lo que se hace importante saber que comportamiento tienen estos compensadores en las frecuencias adyacentes, para apreciar su proceder en un sistema DWDM que,
38
es uno de los objetivos de este trabajo. Por consiguiente se presentará a continuación los
resultados sobre el comportamiento de los compensadores en banda C.
9.1.1.
Resultados para 40 Gbps
Tabla 6: BER en banda c para diferentes métodos de compensación a 40 Gbps con
codificación NRZ.
Longitud de onda (nm)
Frecuencia (THz)
1530
1552,8
1553,2
1553,4
1553,6
1553,8
1554
1554,4
1565
191,693
193
193,05
193,075
193,1
193,125
193,15
193,2
196,078
Método de compensación
Bragg
MZI
Ideal
0,42
0,33
0,1
−6
−2
2, 26x10
3, 00x10
6, 57x10−10
8, 59x10−7
1, 13x10−7 1, 49x10−26
2, 02x10−21 7, 28x10−18 2, 27x10−39
8, 25x10−29 3, 94x10−52 7, 19x10−99
1, 27x10−13 2, 28x10−44 6, 84x10−38
4, 48x10−7 4, 00x10−15 5, 44x10−26
5, 57x10−6
3, 13x10−5
2, 7x10−9
0,48
0,4
0,12
Fuente: Elaboración Propia
Para la tabla que se acaba de presentar se hizo una representación gráfica, con el fin de
poder apreciar el comportamiento de los compensadores respecto al sistema sin ningún tipo
de compensación, dicha gráfica se puede apreciar a continuación:
39
Figura 37: Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 40 Gbps con codificación NRZ.
Fuente: Elaboración Propia
Cabe aclarar que en la figura anterior en la parte superior se muestra la gráfica de toda
la banda C, pero se realizó un zoom a la zona de interés (recuadro subrayado en la parte
inferior de la gráfica) para poder apreciar de manera adecuada el comportamiento del BER
en la frecuencia central y en las portadoras adyacentes, con el fin de observar el ancho de
banda de operación de cada uno de los compensadores.
En esta esta figura se representan cada uno de los métodos de compensación utilizados
para 40 Gbps con el fin de, compararlos con el comportamiento del sistema sin compensar
para poder apreciar el efecto de la compensación y observar ası́ cuál de los métodos resulta
más adecuado para cada tasa de transmisión.
40
Como es de esperar el método ideal es el que mejor comportamiento presenta tanto para la frecuencia central como para las frecuencias adyacentes (obsérvese la simetrı́a). En
cuanto a los métodos reales el que mejor comportamiento tiene para la frecuencia central es
el Interferómetro de Mach-Zehnder. No obstante, ambos se desempeñan de manera adecuada
al momento de compensar tomando en cuenta el BER tolerable que se planteó (1x10−12 ).
Para la simetrı́a se aprecia que el comportamiento de ambos no es muy satisfactorio. Asimismo cabe destacar que el BER del sistema sin compensar para esta tasa de transmisión no es
muy alto por lo cual los métodos deben introducir una compensación significativa para que
se justifique la implementación de un compensador ya sea MZI o red de difracción de Bragg.
9.1.2.
Resultados para 80 Gbps
Tabla 7: BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 80 Gbps
con codificación NRZ.
Longitud de onda (nm)
Frecuencia en THz
1530
1552,8
1553,2
1553,4
1553,6
1553,8
1554
1554,4
1565
191,693
193
193,05
193,075
193,1
193,125
193,15
193,2
196,078
Método de compensación
Bragg
MZI
Ideal
0,28
0,31
0,31
3, 37x10−9
2, 00x10−5
2, 27x10−5
6, 00x10−13 2, 72x10−9
3, 66x10−8
1, 95x10−12 5, 96x10−15 2, 22x10−16
3, 18x10−29 4, 45x10−22 1, 15x10−48
2, 65x10−11 2, 00x10−10 2, 64x10−15
3, 08x10−8
1, 40x10−7
5, 20x10−7
1, 46x10−5
2, 55x10−5
3, 03x10−5
0,5
0,48
0,47
Fuente: Elaboración Propia
Ası́ como se realizó anteriormente, para esta tabla también se realizó la gráfica correspondiente que se presenta a continuación:
41
Figura 38: Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 80 Gbps con codificación NRZ.
Fuente: Elaboración Propia
Para esta gráfica también se realizó el zoom respectivo a la zona de interés.
En este caso se sigue evidenciando que el método ideal es el que mejor comportamiento
tiene en comparación a los otros dos métodos, pero también se puede apreciar que la red
de difracción de Bragg exhibe una mejor respuesta para esta tasa de transmisión respecto
a MZI. Si se considera la tabla X. (BER para las tasas de transmisión propuestas en la
frecuencia central para una codificación NRZ.) el valor del BER sin compensar es bastante
alto, por lo que, ciertamente es necesaria una compensación notándose que, los valores que
se obtuvieron a través de la simulación muestran evidentemente la mitigación del efecto de
la PMD hasta unos valores lo suficientemente buenos como para apreciar el impacto que
tienen los compensadores en el sistema, a pesar de que, como ya se observó, estos últimos
42
no cuentan con una simetrı́a muy buena.
9.1.3.
Resultados para 100 Gbps
Tabla 8: BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 100 Gbps
con codificación NRZ.
Longitud de onda (nm)
Frecuencia en THz
1530
1552,8
1553,2
1553,4
1553,6
1553,8
1554
1554,4
1565
191,693
193
193,05
193,075
193,1
193,125
193,15
193,2
196,078
Método de compensación
Bragg
MZI
Ideal
0,47
0,46
0,46
−5
−5
6, 64x10
1, 49x10
6, 39x10−6
4, 45x10−12 1, 00x10−5
2, 49x10−6
2, 81x10−15 1, 96x10−11 6, 21x10−10
7, 22x10−22 3, 63x10−33 5, 10x10−32
3, 85x10−16 9, 64x10−10 1, 96x10−9
3, 08x10−10 7, 85x10−7
9, 58x10−7
1, 46x10−5
1, 50x10−4
1, 61x10−4
0,5
0,45
0,45
Fuente: Elaboración Propia
Ası́ como se plasmó anteriormente, para esta tabla también se realizó la gráfica correspondiente que se presenta a continuación:
43
Figura 39: Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 100 Gbps con
codificación NRZ.
Fuente: Elaboración Propia
Para esta gráfica también se realizó el zoom respectivo a la zona de interés.
Como se puede observar, para esta tasa de transmisión el BER es bastante alto, por lo que es
vital el uso de un compensador. El comportamiento del compensador ideal es bastante bueno
y como se puede apreciar es bastante similar al que tiene el MZI, siendo este ligeramente
superior; a diferencia de la red de difracción de Bragg donde a pesar de compensar por
encima del BER tolerable se queda atrás respecto al MZI. Respecto al ancho de banda de
los compensadores se evidencia que para esta tasas de transmisión en particular no es muy
bueno para el caso de MZI e ideal, ya que no cubre más que la frecuencia central, y es en
este punto donde las redes de difracción de Bragg toman una importancia relevante ya que
logran cubrir hasta 3 portadoras (incluyendo la portadora central).
44
9.2.
CODIFICACIÓN RZ
Para el análisis del sistema con una codificación RZ solo se hizo necesario realizar un cambio
en el bloque del transmisor que hace referencia a la codificación, donde se manejó un ciclo
útil de 0.5.
También es de notar que se hizo necesaria la variación de la distancia, hasta el punto en
el cual el BER se degradara de tal forma que sea justificado el uso de algún compensador,
ya que, este tipo de codificación es lo suficientemente robusta haciendo que el BER siempre
este dentro del rango de aceptación sin ningún tipo de compensación.
Esto es debido a que la codificación RZ maneja tres estados de señal eléctrica (alto, bajo, retorno a cero), esto hace que el ancho de banda de RZ sea el doble de NZR en el dominio
eléctrico. Sin embargo en el dominio óptico en aplicaciones digitales solo se soportan dos
estados de señal (binaria). Por lo tanto las señales ternarias deben ser convertidas a binarias
para ser procesadas. Esto se hace asignando un código binario de dos dı́gitos (00, 01,10) a
cada uno de los tres estados, por consiguiente cada representación de bit en codificación RZ
va a estar representado por 4 bits ya que cada estado tiene su retorno a cero, esto hace que
el ancho de banda de RZ sea cuatro veces el ancho de banda de NZR en el dominio óptico. [21]
Dado que el ancho de banda de un sistema óptico se puede expresar como:
B=
0,35
TSubida
(5)
En donde 0,35 es una aproximación del tiempo necesario para que una señal pase del 10 %
al 90 % de su amplitud y Tsubida es el tiempo de subida del bit. El ancho de banda se puede
expresar en términos de la tasa de bit como:
B=
fb
2
(6)
Para una codificación NRZ el ancho de banda descrito por la ecuación 6 aplica para lı́nea
eléctrica y lı́nea óptica. Según lo explicado anteriormente el ancho de banda en términos de
la tasa de bit para una codificación RZ en el dominio eléctrico será:
BRZ = fb = 2BN RZ
(7)
BRZ = 2fb = 4BN RZ
(8)
Y en dominio óptico será:
Reemplazando las ecuaciones 6 y 8 en la ecuación 5, tendremos el tiempo de subida en
términos de la tasa de bit para una codificación NRZ y RZ respectivamente:
TSN RZ =
0,35
0,7
=
fb /2
fb
45
(9)
TSN RZ =
0,175
0,35
=
2fb
fb
(10)
Por medio de las ecuaciones 9 y 10, se deduce que el tiempo de subida del bit en codificación
RZ es cuatro veces menor a NRZ, esto trae como ventaja una menor PMD y dispersión
cromática, ya que va a tener un menor ensanchamiento del bit por lo tanto habrá un menor
solapamiento entre los bit’s adyacentes.
En vista de los diseños ya presentados, a continuación se presenta una tabla donde se muestran los resultados de las simulaciones para el caso de la codificación RZ y donde se puede
observar que no aparece la tasa de 40 Gbps, esto si tenemos en cuenta que al realizar la
variación de los parámetros ya mencionados el BER no se degradaba sino hasta llegar a
ps
, por lo que no se
una distancia mayor a 600 km o un coeficiente PMD superior a los √3 km
trabajó con esta tasa de transmisión.
Tabla 9: BER para diferentes tasas de transmisión en la frecuencia central con RZ.
TASA DE TRANSMISIÓN
METODO DE COMPENSACIÓN
Sin compensar
Método Ideal
Redes de difracción de Bragg
Interferómetro de Mach-Zehnder
80Gbps
100Gbps
2, 10x10−5
6, 69x10−54
5, 68x10−19
1, 12x10−22
1, 03x10−6
1, 09x10−42
2, 16x10−17
2, 17x10−16
Fuente: Elaboración Propia
De la misma manera como se manejó para la codificación NRZ en este caso los resultados
obtenidos en la tabla anterior son para la frecuencia central (193.1 THz) y para considerar
el comportamiento de los compensadores para un sistema DWDM se hizo un barrido de
frecuencia por toda la banda C, por consiguiente a continuación se presentan los resultados
de las simulaciones realizadas.
9.2.1.
Resultados para 80 Gbps
Para esta tasa de transmisión se tuvo que aumentar la distancia del enlace hasta los 200 km
ps
, de esta manera se obtiene el BER que se muestra
manteniendo el coeficiente de PMD en √1 km
en la tabla 8 (Tabla 8. BER para las tasas de transmisión propuestas en la frecuencia central
para una codificación RZ.) y donde es evidente que es necesario implementar los métodos de
compensación, ahora bien, teniendo esto en cuenta se presentan los resultados con los nuevos
valores.
46
Tabla 10: BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 80 Gbps
con codificación RZ.
Longitud de onda (nm)
Frecuencia en THz
1530
1552,8
1553,2
1553,4
1553,6
1553,8
1554
1554,4
1565
191,693
193
193,05
193,075
193,1
193,125
193,15
193,2
196,078
Método de compensación
Bragg
MZI
Ideal
0,38
0,36
0,31
−6
−8
2, 27x10
3, 47x10
4, 48x10−7
9, 15x10−7 4, 24x10−12 1, 94x10−11
2, 63x10−9 7, 60x10−22 1, 54x10−23
5, 68x10−19 1, 12x10−22 6, 69x10−54
2, 22x10−7 7, 61x10−17 1, 16x10−17
1, 80x10−5 4, 18x10−12 3, 41x10−8
6, 95x10−5
4, 70x10−8
9, 82x10−7
0,45
0,46
0,4
Fuente: Elaboración Propia
47
Figura 40: Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 80 Gbps con codificación RZ.
Fuente: Elaboración Propia
Al realizar la variación de los parámetros ya mencionados se degrado bastante el BER y como
se puede observar el método ideal es el que mejor comportamiento presenta, aun ası́ el MZI y
las redes de difracción de Bragg presentan un comportamiento adecuado respecto a la mitigación de la dispersión, si bien con ambos compensadores se obtiene un buen valor de BER,
el MZI sigue siendo superior a las redes de Bragg, tanto para la frecuencia central como para
las frecuencias adyacentes, llegando a compensar hasta 5 portadoras de manera aceptable, a
diferencia de las redes donde solo es posible compensar eventualmente la portadora central.
Tomando en consideración que se degradó bastante el BER para la frecuencia central, es de
suponerse que se vean afectadas de manera significativa las portadoras adyacentes debido al
parámetro de “dispersion slope”.
48
9.2.2.
Resultados para 100 Gbps
Como ya se ha mencionado para el caso de RZ se hizo necesaria la variación de ciertos
parámetros y para 100 Gbps no fue la excepción pues se tuvo que variar la longitud del
ps
enlace, llevándolo hasta los 140 km y manteniendo el coeficiente de PMD en √1 km
, esto
último se mantuvo de esta manera por dos razones, la primera es debido a que a lo largo de
todo el trabajo se manejó este valor que ya de por sı́ es bastante crı́tico y la segunda se debe
a que al aumentar este parámetro se presenta un comportamiento basta errante ya que la
variación del BER no corresponde a la variación de este en una dependencia lı́nea. Por lo que
finalmente estos cambios tienen como fin una adecuada justificación para la implementación
de un compensador.
Tabla 11: BER en banda c con los diferentes métodos de compensación para 80 Gbps
con codificación RZ.
Longitud de onda (nm)
Frecuencia en THz
1530
1552,8
1553,2
1553,4
1553,6
1553,8
1554
1554,4
1565
191,693
193
193,05
193,075
193,1
193,125
193,15
193,2
196,078
Método de compensación
Bragg
MZI
Ideal
0,85
0,42
0,46
−2
−2
2, 00x10
2, 00x10
5, 10x10−3
4, 63x10−5
5, 32x10−7 1, 09x10−10
1, 95x10−6 8, 85x10−12 5, 82x10−27
2, 16x10−17 2, 17x10−16 1, 09x10−42
1, 33x10−5
7, 17x10−9 9, 23x10−16
8, 90x10−5
3, 15x10−6 2, 01x10−10
2, 00x10−2
3, 00x10−2
3, 00x10−3
0,68
0,47
0,51
Fuente: Elaboración Propia
49
Figura 41: Comportamiento del BER en el sistema a una tasa de 100 Gbps con
codificación RZ.
Fuente: Elaboración Propia
Finalmente para los 100 Gbps y como se evidenció en la gran mayorı́a de las simulaciones el
método ideal es el que mejores resultados arroja, mejorando considerablemente el BER y teniendo un ancho de banda bastante bueno, pero hay que tener en cuenta que para eventuales
efectos prácticos este método solo funciona como referencia. Ahora bien, los compensadores
MZI y red de Bragg presentan un comportamiento bastante similar por lo menos en la frecuencia central, ya que de la misma manera como en las demás simulaciones el MZI presenta
un mejor desempeño, ya sea para la frecuencia central como para sus portadoras adyacentes
más próximas.
Con el fin de tener un punto de referencia se realizó la medición del BER que como se
ha mencionado en varias oportunidades es el parámetro que nos permite observar el comportamiento del enlace antes y después de la compensación, para ver hasta qué punto se
50
puede llegar a mitigar el efecto de la PMD, haciendo evidente que al aumentar la tasas de
transmisión es más vulnerable a este fenómeno debido a la duración del bit y al tiempo de
subida que logra acumularse tras recorrer 100 km y un coeficiente de PMD tan alto que fue
ps
de √1 km
.
9.3.
PRESUPUESTO DE POTENCIA
Si bien se mencionó al inicio de esta sección, no se tuvo en cuenta ningún tipo de atenuación
relevante como para que se hiciera necesaria una amplificación antes durante o después del
recorrido, pero se observó que existı́an unas pequeñas perdidas de potencia en cada uno de
los compensadores, inclusive en el ideal. Por lo tanto se hizo la respectiva medición para
cada uno de estos dando como resultado los siguientes valores.
Tabla 12: Perdidas de cada uno de los compensadores.
COMPENSADOR
PIn
POut
Perdidas (dB)
Perdidas (W)
Ideal
Bragg
MZI
2, 43x10−4
2, 43x10−4
2, 43x10−4
2, 23x10−4
2, 34x10−4
2, 30x10−4
0,37
0,16
0,24
0, 2x10−4
0, 09x10−4
0, 13x10−4
Fuente: Elaboración Propia
Como se puede observar en este caso las pérdidas no superan los 0,4 dB, por lo que no son
tan considerables pero es importante tenerlas en cuenta para una posible implementación.
51
10.
TRABAJOS FUTUROS
En base al trabajo aquı́ realizado, se puede plantear un posible trabajo cuya finalidad sea
complementar este para mejorar los resultados obtenidos. Como se mencionó a lo largo del
desarrollo de este trabajo solo se realizó una mitigación de la PMD de primer orden, la
cual presenta un comportamiento lineal. Ahora bien es necesario hacer referencia a la PMD
de segundo orden, donde se presentan fenómenos estocásticos no lineales, esto debido a
problemas en el tendido de la fibra, a fenómenos que alteran de cierta manera la estructura
fı́sica de la misma, por lo que se hace necesario el diseño de un compensador de PMD
de segundo orden, teniendo en cuenta que debe ser un compensador dinámico ya que este
fenómeno no es constante y suele tener variación en el tiempo, por lo mismo es necesario
realizar un monitoreo constante de la PMD para ası́, realizar la compensación adecuada. Es
importante tener en cuenta que se deben explorar programas diferentes al VPI Transmission
Maker para poder realizar una simulación dinámica acerca de la compensación de la PMD.
52
11.
CONCLUSIONES
Se logró una correcta identificación del impacto de la PMD sobre un sistema óptico DWDM
de alta velocidad, ya que se omitieron diferentes parámetros que afectan la transmisión de la
señal como son: la dispersión cromática y la atenuación que introducen los diferentes elementos que componen el sistema total, ası́ como también se manejó un único tipo de modulación,
transmisión y recepción, ya que al variar estas caracterı́sticas del sistema si bien, se pueden
mejorar estas, no se atacarı́a directamente la PMD, ya que mejoran el comportamiento general del sistema.
Por consiguiente se hizo justificable el uso de un compensador óptico o electrónico, donde se
hizo evidente que estos últimos no tiene cabida en este trabajo, dado que la única manera
de atacar la PMD es en dominio óptico, considerando que al pasar al dominio eléctrico la
señal deja de ser una onda electromagnética y por ende dejan de existir las componentes
de polarización, entonces los únicos compensadores viables son los empleados en el dominio
óptico. Sin embargo inicialmente se utilizaron unos filtros eléctricos en el receptor, lo que
ciertamente mejoró el BER pero aun ası́ es importante recalcar que el objetivo principal de
este trabajo fue el de atacar directamente la PMD.
En esencia la única manera de mitigar propiamente la PMD es retrasar la componente de
polarización que viaja más rápido (vertical) respecto a la que viaja más lento (horizontal),
por lo cual es necesaria la separación de las dos, utilizando un divisor de polarización, para
que posteriormente las dos componentes se encuentren en fase.
Es por esto que, el uso de un compensador ideal fue fundamental para el desarrollo del
trabajo, ya que proporcionó un punto de referencia bajo el cual se basó el funcionamiento de
los compensadores reales que se diseñaron, que fueron el Interferómetro de Mach-Zehnder y
el uso de redes de difracción de Bragg, donde este último presenta una ventaja importante en
cuanto a su punto de operación, ya que en una red de Bragg es posible modificar la frecuencia de operación variando el periodo de la misma, en la vida real esto es posible mediante
variaciones en la temperatura, no obstante, el interferómetro de Mach-Zehnder presentó un
comportamiento más uniforme en cuanto a las tasas de transmisión utilizadas se refiere, esto
implica que este es más confiable al variar dicha tasa, pero no por esto es despreciable el
funcionamiento de las redes de Bragg.
También es importante hacer referencia al ancho de banda en cual trabajan estos dos compensadores reales ya que, en general no presentan un ancho de banda lo suficientemente
bueno para operar en sistemas DWDM donde el número de portadores es bastante alto (32,
64, 128 en general), y estos compensadores presentaron un comportamiento donde operan
de manera óptima en la frecuencia central pero no para las frecuencias adyacentes, donde a
lo sumo se llegó a compensar hasta 5 portadoras (incluyendo la portadora central).
En vista del comportamiento ya mencionado de los compensadores se procedió a realizar
un cambio en el tipo de codificación a RZ con un ciclo útil del 50 %, lo que mostró un cambio positivo y significativo en el valor del BER, mostrándose más robusta que la codificación
53
NRZ en este caso, ya que, bajo los mismo parámetro no se hacı́a necesaria la utilización de
ningún compensador, por lo cual para hacer justificable el uso de los compensadores y observar su comportamiento con este tipo de codificación, debido a esto se optó por aumentar
la distancia del enlace manteniendo un valor fijo en el coeficiente de PMD. . Este comportamiento de la codificación RZ es debido a que este tipo de codificación maneja un mayor
ancho de banda que la codificación NRZ y por tanto tiene un menor tiempo de subida del bit,
razón por la cual es más robusta frente a los efectos de la PMD y dispersión cromática, ya
que va a tener un menor ensanchamiento del bit por lo tanto habrá un menor solapamiento
entre los bit’s adyacentes.
54
Referencias
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