Cable submarino de Fibra Óptica

La idea de un mundo conectado por cables que pueden llevar cualquier información a cualquier individuo en cualquier parte del mundo es tan antigua como la idea de utilizar señales electromagnéticas para transmitir información.


Samuel Morse, uno de los inventores del telégrafo, al comparecer en los primeros años de la década de 1840 ante en Congreso de los Estados Unidos para solicitar fondos con los que hacer una demostración pública de su invento, manifestó que "...no tardará mucho en que toda la superficie de este país estará cubierta por esos nervios que han de difundir, con la velocidad del pensamiento, lo que ocurre a lo largo y ancho de toda la nación, haciendo, de hecho, un barrio de todo el país"

Los cables submarinos de fibra óptica están haciendo posible las ideas de Samuel Morse, pero no para un país sino para todo el planeta, y no sólo para transmitir conversaciones telefónicas, sino para transmitir ingentes cantidades de información de cualquier naturaleza.

Los enlaces por fibra óptica submarinos son capaces de transmitir flujos de información de cientos de Gigabits por segundo a miles de kilómetros de distancia. Estos enlaces ópticos constituyen las autopistas de la información del siglo XXI, y han permitido el incesante desarrollo de otro de los grandes inventos de las últimas décadas, Internet. Algunos de estos enlaces ópticos se pueden incluir entre los más grandes proyectos de ingeniería realizados por el hombre . Este es el caso del sistema óptico FLAG (Fiber Link Around the Globe), un enlace por fibra óptica de 27.300 km (más de dos tercios de la circunferencia terrestre), que conecta doce países entre Inglaterra y Japón, ofreciendo más de 120.000 canales de voz.

Los actuales sistemas ópticos de transmisión de información son el resultado de las más grandes invenciones del siglo, y del desarrollo tecnológico que las ha acompañado. La construcción del primer láser en 1960, el desarrollo de fibras ópticas de bajas pérdidas a principios de los 70, la impresionante evolución de la Electrónica y la Informática desde la invención del transistor en 1947, y la introducción de la codificación digital en lo años 50 y 60, han hecho posible que la segunda mitad del siglo XX haya visto un desarrollo espectacular de los sistemas de transmisión de información que utilizan la luz como portadora de la información.

Enlaces por fibra óptica submarinos


1.1 Enlaces por fibra óptica submarinos

Desde la mitad de la década de los 70, ya parecía claro que las fibras ópticas serían la opción tecnológica elegida para continuar aumentando la capacidad de transmisión de información, en detrimento de la utilización de ondas milimétricas que se propagan en guías de onda. En septiembre de 1975 se instaló en la comisaría de policía de Dorset (Reino Unido), el primer enlace por fibra óptica no experimental. En mayo de 1976, Bell Labs anunció que las pruebas de campo (field trials) que había realizado en Atlanta funcionaron mejor de los esperado. No había vuelta atrás y el mensaje era claro: la fibra óptica funcionaba e iba a revolucionar el mundo de las comunicaciones. En la Figura 1.1 se pueden observar algunos de los principales enlaces de fibra óptica submarina instalados actualmente.


 
Figura 1.1: Cables submarinos existentes en el mundo.

Los cables submarinos son una parte esencial de la red de telecomunicaciones global desde el siglo XIX. El primer cable telegráfico que conectó con éxito Europa y Estados Unidos se puso en servicio en 1866. Casi un siglo después, en 1956, entró en servicio el primer cable telefónico trasatlántico (TAT-1). Aunque sólo permitía mantener 48 conversaciones simultáneas entre los dos continentes, constituye un hito en la historia de las comunicaciones. Con una longitud de 3200 kilómetros, contenía un par de cables coaxiales con 51 repetidores electrónicos cada uno.
En 1983 se instaló el último cable coaxial submarino trasatlántico, que ofrecía 4200 canales de voz, en un ancho de banda de unas pocas decenas de
 Megahertzs.

A principios de los años 80 ya se decidió que el próximo cable trasatlántico utilizaría fibras ópticas. Entre 1988 y 1989 se instaló el primer cable óptico trasatlántico entre Europa y Estados Unidos (TAT-8), con una capacidad de 280 Megabits por segundo en cada uno de tres pares de fibras que contenía. En 1996 se instaló TAT 12/13, un enlace óptico trasatlántico capaz de transmitir hasta 10 Gigabits por segundo. Este sistema utiliza amplificadores ópticos (EDFA, erbium doped fiber amplifiers), el desarrollo más importante en comunicaciones por fibra óptica desde la aparición de las fibras ópticas de bajas pérdidas.

En la década 1990-2000, se instalaron unos 350.000 kilómetros de cable óptico submarino en todo el mundo. Hoy en día, las redes de cables ópticos submarinos son la mejor opción para la transmisión de grandes cantidades de información entre ciudades y países, a lo largo de la costa, y entre continentes. Ofrecen grandes capacidades de transmisión, de hasta 2 Terabits por segundo por cable, una calidad de transmisión excepcional, con tasas de error de bit menores de 10-9, y una vida útil de hasta 25 años. Además, mediante la utilización de multiplexado en longitud de onda, es posible aumentar la capacidad de transmisión del enlace durante su vida útil.

En la década de los 1980, la capacidad de los enlaces ópticos que operaban en tercera ventana (1.55 µm), y atravesaban los océanos Atlántico y Pacífico, estaban limitados a una velocidad de transmisión de información de 250 Megabits por segundo por cable. A principios del siglo XXI, sistemas que operan alrededor del Terabit por segundo permiten conectar puntos separados por miles de kilómetros. ¿Qué ha permitido esta revolución en la capacidad de los enlaces por fibra óptico?

1.2 Dos tecnologías revolucionarias: amplificadores en fibra óptica dopada (EDFA) y multiplexado denso en longitud de onda (DWDM)

Dos son los elementos más importantes responsables del gran incremento de la capacidad de transmisión de los enlaces por fibra óptica submarinos: el desarrollo de los amplificadores de fibra dopada con Erbio (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifiers), y la utilización de multiplexado en longitud de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing) para aprovechar todo el ancho de banda ofrecido por la fibra óptica y los EDFA.

1.2.1 Amplificadores de fibra óptica dopada con Erbio (EDFA)

A mediados de los años 80, se observó que los iones de Erbio podían exhibir ganancia a 1.5 µm, correspondiente a la tercera ventana de transmisión en fibras ópticas, que es la que exhibe menores pérdidas (alrededor de 0.2 dB/km). En 1989, se utilizaron nuevos diodos láser a 1.48 µm para bombear los EDFA, produciendo de manera eficiente ganancia a 1.55 µm. En la Figura 1.2 se presenta un esquema básico del funcionamiento de un EDFA en un enlace óptico.


 
Figura 1.2: Esquema básico del funcionamiento de un EDFA. El bombeo puede realizarse a longitudes de onda de 980 nm o 1480 nm.

Los EDFA presentan muchas ventajas, que los hacen casi imprescindibles en los sistemas de transmisión ópticos en la actualidad. Se pueden bombear de manera práctica por diodos láser, siendo necesarios sólo unos pocos miliwatts de potencia para obtener ganancias de 10-20 dB. La ganancia no depende de la polarización de la señal, es constante en un margen de 100 grados Celsius y es inmune a la interferencia entre canales. Además, opera en un régimen de mínimo ruido de emisión espontánea, el llamado límite cuántico.

La ganancia de los EDFA no es constante en los 30 nanómetros que se pueden usar, aunque este efecto puede corregirse mediante la utilización de ecualizadores. La ganancia depende de los niveles energéticos del Erbio, por lo que los EDFA solo pueden operar alrededor de 1.5 µm.
Un elemento clave es que los EDFA son sistemas totalmente ópticos (all-optical systems), y permiten diseñar sistemas de transmisión transparentes a la velocidad de transmisión o el formato de la modulación. Los sistemas de regeneración de la señal electrónicos, deben transformar la señal del dominio óptico al electrónico, por lo que cada regenerador debe trabajar a una longitud de onda, una velocidad de bit y un formato de modulación determinados.

Esto es especialmente importante para sistema ópticos submarinos. Una vez instalado el enlace, sólo cambiando el equipo en tierra (dry equipment), es decir, los equipos de transmisión y recepción, se puede aumentar la capacidad de transmisión del enlace sin modificar la fibra o los amplificadores (wet equipment).

 
1.2.2 Multiplexado en longitud de onda (WDM)

El uso de EDFA abrió la puerta a la posibilidad de codificar la información en muchas longitudes de onda que viajan por la misma fibra. En la Figura 1.3 se muestra un esquema del funcionamiento típico de un sistema WDM. En este trabajo se consideran enlaces ópticos que utilizan multiplexado en longitud de onda. El espaciado típico entre canales es 0.4 nanómetros (50 Gigahertzs). Nos referiremos a multiplexado en longitud de onda denso (DWDM, dense wavelength division multiplexing), cuando el número de canales es grande. Espaciados mayores también se consideran en diversas aplicaciones.


 
Figura 1.3: Esquema básico del funcionamiento de un sistema WDM. Para cada uno de los canales hay un láser emitiendo a diferente frecuencia. Posteriormente se multiplexan todos los canales en una fibra óptica de gran capacidad. En el receptor un filtro óptico selecciona cada uno de los canales.

La utilización de valores menores del espaciado entre canales, por ejemplo 33 GHz, es motivo de investigación. En general, una reducción del espaciado en frecuencia entre canales introduce mayor complejidad, y menores márgenes en el funcionamiento del sistema. No obstante, puede representar un uso más eficiente del ancho de banda disponible (eficiencia espectral, número de bits transmitidos por unidad de ancho de banda).

El uso de WDM complementa el uso de Time Division multiplexing (TDM) (ver Figura 1.4). En realidad, para obtener velocidades de transmisión de varios centenares de gigabits por segundo, es necesario combinar ambas técnicas,

WDM y TDM. Un valor típico de velocidad de transmisión por canal es 10 Gbps, que es el valor que se considerará en el enlace óptico. Algunos sistemas específicos pueden hacer uso de mayores velocidades de transmisión por canal, utilizando un número menor de longitudes de onda. Este es el caso, al analizar un sistema con un sólo canal que trabaja a una velocidad de transmisión de 100 Gbps.


 
Figura 1.4: Esquema básico del funcionamiento de un sistema TDM. La señal proveniente de un laser se divide y se modula para cada uno de los canales por separado. Tras introducir diferentes retardos para cada uno de los canales se transmite la señal resultante al interior de una fibra de alta velocidad. Cada cierto intervalo de tiempo aparecen los bits correspondientes a un canal dado. En el receptor se muestrea dichos intervalos.

Un aspecto importante de los sistemas que utilizan WDM es el diseño de la fuente que ha de generar todas las longitudes de onda necesarias para WDM. La utilización de diferentes lásers, uno para cada longitud de onda, es un método sencillo, pero puede ser costoso debido al gran número de láser a utilizar. Además, cada láser ha de ser controlado individualmente.

Otra opción es la utilización de un láser sintonizable en frecuencia. Finalmente, se puede generar una señal de gran ancho de banda, y después dividir este ancho de banda entre cada unos de los canales WDM que se utilizaran, una técnica denominada spectral slicing. Se investiga una técnica de generación de señales con gran ancho de banda y diversos métodos para medir pulsos ultracortos, técnicas que pueden utilizarse orientadas a este objetivo.

 
1.3 Propagación de la señal en la fibra óptica: la fibra óptica como un sistema óptico no lineal

El gran desarrollo de las comunicaciones ópticas en los últimos 30 años no hubiera sido posible sin un estudio detallado de los fenómenos físicos que determinan la propagación de la señal en la fibra óptica. En este sentido, los estudios avanzados en el área de sistemas ópticos submarinos representan una historia de éxitos en la industria de las telecomunicaciones. Este es un tema de extrema importancia, ya que estos estudios determinan el tipo y formato de modulación de la señal más óptimo en los diferentes escenarios, las características físicas óptimas del enlace, así como las limitaciones de las prestaciones que se pueden conseguir de un determinado sistema.

1.3.1 Efectos físicos en la propagación de señales en fibras ópticas

En primer lugar, las investigaciones han de estudiar y evaluar los fenómenos físicos que afectan de manera apreciable a la propagación de la señal, y que por lo tanto, han de ser tenidos en cuenta. Se debe considerar aquellos efectos que son específicamente relevantes para sistemas de gran capacidad y larga distancia. Se puede hacer un análisis detallado de los efectos relevantes que se han de tener en cuenta. Es importante tener en cuenta que algunos de los efectos analizados pueden considerarse despreciables en otros escenarios, como por ejemplo diversos sistemas terrestres de corta distancia y menor capacidad de transmisión.

Los efectos físicos se pueden dividir en dos categorías: lineales y no lineales. El principal efecto lineal es la dispersión cromática, el cambio con la longitud de onda de la constante de propagación del modo que se propaga en la fibra. La auto-modulación de fase (SPM, self-phase modulation) y la modulación de fase cruzada (XPM, cross-phase modulation) son los efectos no lineales más importantes.

Algunos efectos físicos pueden ser relevantes dependiendo de la velocidad de transmisión del sistema. En este sentido, los efectos de Polarization Mode Dispersion (PMD) no se considerarán en el sistema estudiado, ya que el ensanchamiento del pulso debido a PMD es de unos 7 picosegundos, y por lo tanto, mucho menor que el tiempo de bit considerado (100 picosegundos, correspondiente a una velocidad de 10 Gbps). No obstante, se considera un sistema monocanal con velocidad de transmisión de 100 Gbps. Por lo tanto, será necesario considerar el ensanchamiento del pulso debido a PMD, ya que el tiempo de bit es ahora de sólo de 10 ps, comparable al valor del ensanchamiento.

1.3.2 Modelado de la propagación de la señal

Los avances en sistemas de comunicación por fibra óptica son tanto el producto de los experimentos como de las simulaciones numéricas realizadas en ordenadores. Además, el rápido crecimiento de los sistemas WDM presenta un reto a los diseñadores de enlaces ópticos submarinos: aumentar la capacidad de transmisión del sistema, al mismo tiempo que reducir el tiempo de diseño y prueba de los nuevos enlaces. Ello hace imprescindible disponer de modelos de simulación eficientes y rápidos, lo que generalmente lleva a un trade-off: eficiencia versus rapidez. La solución a esta dicotomía son diversos métodos de optimización de los simuladores.

Una parte importante del trabajo ha sido la realización de un simulador que describe con exactitud el comportamiento de la señal óptica en enlaces ópticos de gran distancia (unos miles de kilómetros) y gran capacidad (unos centenares de gigabits por segundo). La validez de los cálculos teóricos se ha verificado experimentalmente, obteniéndose una gran coincidencia entre resultados teóricos y experimentales.

El sistema de simulación diseñado e implementado es usado en la actualidad por la empresa Pirelli Submarine Telecom Systems (PSTS) como herramienta para el diseño de los enlaces ópticos submarinos que realiza.

1.4 Mapas de dispersión en enlaces ópticos

Una herramienta esencial presente en muchos de los enlaces ópticos de gran capacidad y larga distancia actualmente en funcionamiento es el diseño del mapa de dispersión más adecuado para las características del enlace. El mapa de dispersión es el cambio de las propiedades dispersivas de la fibra a lo largo del enlace. Es un elemento muy importante en el trabajo de diseño de los enlaces ópticos.

Se considera dos técnicas de compensación de la dispersión, que pueden utilizarse conjuntamente.

1.4.1 Compensación de la dispersión de segundo orden mediante fibra compensadora de la dispersión

El enlace óptico de 2000 kilómetros de longitud está compuesto de diversos tipos de fibra óptica: tramos de fibra óptica con dispersión normal, y tramos de fibra óptica de dispersión anómala. Además, se considera la posibilidad de introducir una dispersión adicional a la señal antes de iniciar la propagación en la fibra, así como en la etapa de recepción. Ambos etapas de compensación deben optimizarse para obtener las mejores prestaciones del sistema.
 
El punto importante a tomar en cuenta en este caso, es que el control de la dispersión se refiere exclusivamente a la dispersión de segundo orden. Debido a la existencia de órdenes de dispersión superiores que no son compensados (la llamada Dispersion slope compensation), se deberá evaluar su impacto en las prestaciones del sistema, especialmente en lo referente a la dispersión de tercer orden. Esto no es un problema para el sistema analizado.

1.4.2 Compensación de la dispersión de tercer orden mediante redes de difracción (Fiber Bragg Gratings, FBG)

En sistemas ópticos con una velocidad de transmisión por canal muy alta (40 o 100 gigabits por segundo), los efectos de la dispersión de tercer orden pueden ser apreciables. En este caso, puede ser necesario controlar la dispersión de tercer orden del enlace. Este es el caso considerado en el proyecto. Mientras la compensación de la dispersión de segundo orden se realiza como anteriormente, alternando tramos de fibra con distinto signo de la dispersión, la compensación de la dispersión de tercer orden se realiza mediante la introducción de FBG (Fiber Bragg Gratings), adecuadamente diseñados.

Se comprueba en el análisis teórico y experimental que se realiza, que el comportamiento de los enlaces ópticos que utilizan mapas de dispersión está determinado fundamentalmente por la dispersión cromática de la fibra, la dispersión inicial introducida (chirp) y por el ruido de emisión espontánea de los amplificadores EDFA. Estas características son típicas de un sistema linear. No obstante, la no linealidad del enlace juega un papel importante. El tipo de modulación de la señal, el mapa de dispersión y el espaciado en frecuencia entre los canales son elegidos para reducir al máximo el impacto de la no linealidad, mostrando así el enlace un comportamiento casi lineal.

1.5 Objetivos y estructura del proyecto

El objetivo fundamental del proyecto, se enuncia:

Optimización de las prestaciones de enlaces ópticos submarinos de gran capacidad y larga distancia mediante el control de la dispersión
es el análisis, caracterización, y optimización teórica y experimental de enlaces de fibra óptica submarinos de gran capacidad (centenares de gigabits por segundo) y larga distancia (miles de kilómetros).

Un elemento clave en el proceso de diseño de estos sistemas es la elección del mapa de dispersión del enlace, es decir, el control de la variación de dispersión cromática de la fibra óptica a lo largo del enlace. En el proyecto se considera y se utiliza dos técnicas para conseguir el control de la dispersión:

Utilización de diferentes tramos de fibra con diferentes propiedades de dispersión cromática de segundo orden: dispersión normal y dispersión anómala. Esta parte de la investigación se ha realizado en colaboración con el Departamento de Ingeniería de la empresa Pirelli Submarine Telecom Systems (PSTS).

Utilización de FBG (Fiber Bragg Gratings) para compensar la dispersión cromática de tercer orden de la fibra óptica (Dispersion slope Compensation). Este sistema y el descrito anteriormente se pueden utilizar conjuntamente.

Finalmente se ofrece un estudio teórico y experimental de la caracterización completa de pulsos ultracortos, que presenta algunas ventajas sobre los métodos existentes en la actualidad. Dicho método será utilizado en la generación de pulsos de hasta 35 femtosegundos mediante la combinación de efectos no lineales y de la compensación de la dispersión residual. Esta parte del trabajo de investigación se ha realizado en el marco del grupo de Ultrafast Imaging del Institut de Ciències Fotòniques, bajo la supervisión del Dr. Pablo Loza Álvarez.

Los contenidos del proyecto se dividen de la siguiente manera.
Presentamos los fenómenos físicos relevantes que describen y determinan las características de la propagación de la señal a través de la fibra óptica. En concreto, analizaremos la influencia de la dispersión de segundo y tercer orden, del chirp inicial de los pulsos, de la no linealidad de la fibra, de la atenuación, la ganancia y el ruido introducido por los EDFA, así como los efectos de la PMD, especialmente importante para el sistema de muy alta velocidad de transmisión.

Se presentan los modelos de simulación numérica utilizados para la caracterización de todos los efectos mencionados anteriormente: método de propagación del haz (BPM, beam propagation method) que describe correctamente la propagación de la señal en la fibra, y teoría de modos acoplados, que describe el comportamiento de los FBG.

Diseño de un enlace por fibra óptica submarino DWDM de gran capacidad y larga distancia

Se considera un enlace óptico submarino de larga distancia (L=2000 kilómetros), con una capacidad de transmisión de 640 gigabits por segundo (64 canales, 10 gigabits por segundo por canal). Para que sea posible la transmisión de esta enorme cantidad de información, es necesario controlar la dispersión de la fibra mediante mapas de dispersión (dispersion management), es decir, enlaces de miles de kilómetros que alternan secciones de fibra óptica con dispersión normal y anómala, de forma que la dispersión total sea cero o muy pequeña, permitiendo, al mismo tiempo, que la dispersión en cada punto del enlace sea distinta de cero. Con este esquema se consigue controlar la influencia negativa de la no linealidad de la fibra y de la interferencia entre canales (Four Wave Mixing, FWM).

Se han realizado análisis teóricos, simulaciones numéricas del enlace, y experimentos en los laboratorios de PSTS en Milán. Este es un ejemplo de la necesidad de simular adecuadamente el enlace para hacer el proceso de diseño eficiente y útil. El espacio de parámetros es demasiado grande para explorarlo de forma exhaustiva experimentalmente, por lo que el análisis teórico es fundamental para la elección del mapa de dispersión, el formato de modulación y los valores de nivel de la señal óptimos.

 Compensación de la dispersión de tercer orden en un enlace óptico a 100 Gbps con redes de difracción

De analiza un enlace óptico de un único canal con una capacidad de 100 Gbps, teniendo en cuenta los problemas que dicho aumento de la capacidad representa. Especialmente, son perjudiciales los efectos negativos de la PMD y de la dispersión de tercer orden. En concreto nos centraremos en la degradación que sufren los pulsos con formato RZ (return to zero) debidos a la dispersión de tercer orden, identificando un régimen para el cual es imposible la transmisión sino se compensa la dispersión de tercer orden.

Se propone un esquema de compensación de la dispersión de tercer orden basado en la concatenación de dos Fiber Bragg Gratings (FBG) adecuadamente diseñados para mejorar las prestaciones del sistema. A pesar de las bajas perdidas de inserción, el comportamiento casi lineal y la versatilidad de diseño, las FBG presentan algunos inconvenientes, como son la degradación de la señal debido a los defectos en la fabricación de los FBG (group delay ripples), cuya influencia será analizada y cuantificada.
 

 Generación y medición de pulsos ultracortos en fibra óptica con dispersión normal

Se considera la generación de pulsos ultracortos, con gran ancho de banda, a través de la compresión de los pulsos generados con un láser Ti:zafiro tras propagarse en un segmento de fibra óptica monomodo. Se presenta una nueva técnica de caracterización de pulsos de corta duración que combina las prestaciones de los métodos interferométricos y de los métodos temporal-frecuenciales.


Fuente: Introducción a la Tésis de Doctorado: Optimización de las prestaciones de enlaces ópticos submarinos de gran capacidad y larga distancia mediante el control de la dispersión. Por Emilio José Gualda Manzano
    

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