En el anterior artículo se analizaron diversas tecnologías de conmutación fotónica utilizadas para el enrutamiento de canales WDM en redes ópticas transparentes. Continuando con el análisis, en el presente artículo se estudiarán algunas de las principales técnicas de demultiplexación óptica de señales de alta velocidad. Así como en el primer caso, los canales WDM se enrutan de forma transparente sin ningún tipo de procesado sobre la señal que transportan, en el segundo caso la demultiplexación consiste en dividir la señal OTDM de un canal óptico en una serie de flujos de menor velocidad. Luego la demultiplexación de canales OTDM no es un proceso que pueda realizarse de forma transparente a la tasa binaria de los canales ópticos.

Al igual que la conmutación fotónica, las técnicas de demultiplexación se emplean en los nodos OADM y OXC de las redes ópticas de alta velocidad. Para su implementación se requieren dispositivos que puedan trabajar a altas velocidades, como por ejemplo el amplificador óptico de semiconductor (SOA). A continuación analizaremos diferentes tecnologías y esquemas de demultiplexación OTDM propuestos, entre los que se encuentran: TOAD, UNI, NLWG y NOLM.

Multiplexación y demultiplexación OTDM

El aumento de la capacidad de transporte de la fibra óptica se realiza básicamente de dos modos diferentes. O bien aumentando el número de canales WDM transportados, o bien aumentando la tasa binaria de éstos. El primer caso hace referencia al dominio frecuencial y consiste principalmente en reducir al máximo el espaciado entre canales (DWDM) para poder transmitir el mayor número de éstos dentro del ancho de banda de la fibra y del resto de dispositivos involucrados en la transmisión (EDFAs por ejemplo). En la actualidad se habla ya de espaciados entre canales de 12,5 GHz, los cuales evidentemente están relacionados con la tasa binaria de los canales individuales.

Por otro lado, el segundo caso hace referencia al dominio temporal y consiste en multiplexar varios flujos binarios de menor velocidad en uno resultante de mayor capacidad. Cuando las tasas binarias son reducidas, la multiplexación puede realizarse en el dominio eléctrico como paso previo a la modulación de la portadora óptica. Sin embargo, conforme crece la tasa binaria de la señal resultante, los dispositivos electrónicos dejan de ser adecuados para procesar estas señales y la multiplexación debe realizarse directamente en el dominio óptico. En la actualidad el límite se encuentra en torno a los 40 Gbit/s (OC-768), donde están apareciendo los primeros dispositivos comerciales, si bien la mayoría de las redes ópticas todavía trabajan con canales de 2,5 ó 10 Gbit/s.

Pero cuando subimos a un escalón superior, por ejemplo los 160 Gbit/s, no podemos inyectar una señal eléctrica de esta velocidad a un modulador electro-óptico, por lo que resulta necesario realizar la multiplexación en el dominio óptico. Esto es lo que se conoce como multiplexación OTDM para el caso de 4 canales de 40 Gbit/s. Obsérvese cómo la tasa de repetición de los canales a multiplexar es de 40 GHz, por lo que ahora podemos utilizar sendos moduladores electro-ópticos de gran ancho de banda para modular los datos (40 Gbit/s). Sin embargo, la principal diferencia es que la anchura de los pulsos de estos canales es la equivalente a un canal de 160 Gbit/s (<6,25 ps), por lo que podemos realizar la multiplexación OTDM aprovechando los intervalos temporales que quedan entre pulsos.

Posteriormente en recepción es necesario realizar el proceso inverso, es decir, conmutación y demultiplexación de los flujos de datos originales. Para ello se han propuesto diferentes tecnologías que, si bien todavía no son comerciales en la actualidad debido a que las redes no han alcanzado estas velocidades, se espera que lo sean en los próximos años. A continuación analizaremos de forma comparativa algunas de ellas, para lo cual se definen las siguientes características:

1.- Duración temporal de la ventana de conmutación: Este parámetro se refiere a la apertura temporal de la ventana de conmutación que determina finalmente la capacidad del dispositivo. Una ventana de corta duración permite multiplexar los canales de datos más cercanos. Por ejemplo, una ventana de 10 ps de duración permite demultiplexar señales de 100 Gbit/s de capacidad.

2.- Tasa de repetición: Esta velocidad determina el ancho de banda de los canales individuales resultado de la demultiplexación. Es decir, el demultiplexor abre su ventana de conmutación con esta tasa de repetición.

3.- Energía del pulso de control: Cada tecnología requiere una señal óptica de control que active la respuesta de conmutación del demultiplexor. Evidentemente, interesan pulsos de control de baja energía para reducir los efectos no lineales.

4.- Figura de ruido: Relación señal a ruido a la entrada respecto a relación señal a ruido a la salida. Dado que el demultiplexor suele estar basado en dispositivos activos, el ruido que introducen degrada la calidad de las señales demultiplexadas. Este parámetro suele expresarse en forma de BER.

5.- Facilidad de integración: Una característica muy deseable para las futuras tecnologías ópticas de conmutación es que puedan integrarse con facilidad en un mismo chip. De hecho, una de las grandes ventajas de la electrónica es su capacidad para producir en masa dispositivos de pequeño tamaño, bajo consumo y coste reducido empleando técnicas de integración. En la actualidad ya se han fabricado componentes híbridos basados en OEICs (Optical-Electronic Integrated Circuits), si bien todavía queda camino por recorrer hasta lo que serían circuitos integrados completamente ópticos.

TOAD

Las características del TOAD (Terahertz Optical Asymmetric Demultiplexer) sugieren que se trata del conmutador completamente óptico más versátil y de mayores prestaciones que existe. La arquitectura básica de este dispositivo consiste en un interferómetro de Sagnac en el cual se coloca un SOA de forma asimétrica. Cuando se introduce en el bucle un pulso de control por el puerto 3, el índice de refracción del SOA puede cambiarse rápidamente y, por lo tanto, la fase de las señales que lo atraviesan. En ausencia de pulso de control, un pulso de entrada por el puerto 1 se divide en dos pulsos en el acoplador 50:50 de la entrada, éstos recorren el bucle en sentidos contrarios y alcanzan de nuevo el acoplador con las mismas fases. El SOA es un dispositivo bidireccional que afecta por igual a ambos pulsos. Dado que el acoplador óptico tiene un comportamiento similar a un híbrido de 180º, la interferencia entre ambos pulsos hace que la señal vuelva a salir por el puerto 1.

Sin embargo, ajustando el cambio de fase que produce el pulso de control sobre uno de los pulsos que atraviesan el SOA, es posible modificar el comportamiento interferométrico y que el pulso de entrada salga por el puerto 2. La clave de esto se encuentra precisamente en la posición asimétrica del SOA en el interior del bucle y que permite que los pulsos que circulan por el mismo en sentidos contrarios atraviesen el SOA en instantes de tiempo diferentes. Luego el pulso de control puede aplicarse al SOA después de que haya pasado el pulso CW (clockwise) y antes de que llegue el pulso CCW (counter-clockwise) para inducir en este último el cambio de fase adecuado. El pulso de control suele aplicarse con una polarización diferente a la de la señal para poder eliminarlo fácilmente a la salida del dispositivo.

Empleando esta arquitectura se ha demostrado una ventana de conmutación de tan sólo 1,5 ps que permite una capacidad de 660 Gbit/s. La duración temporal de esta ventana se encuentra limitada por fenómenos internos del SOA, si bien se espera obtener ventanas del orden de cientos de femtosegundos empleando dispositivos integrados. La tasa de repetición depende del tiempo de recuperación del SOA tras el pulso de control, el cual es del orden de cientos de picosegundos. Mediante técnicas de polarización se han conseguido tasas de repetición superiores a los 100 GHz. Otra ventaja del TOAD es que requiere pulsos de control de baja energía, ya que el elemento no lineal es un dispositivo activo. Así, se ha demostrado la demultiplexación con pulsos de control de tan sólo 250 fJ que se encuentran por debajo del umbral para inducir efectos no lineales en la fibra. Como efecto negativo, la emisión espontánea del SOA degrada la relación señal a ruido de la señal demultiplexada. La figura de ruido típica del SOA es de 6 dB. Adicionalmente, el TOAD puede funcionar como conmutador de paquetes simplemente cambiando la duración de la ventana de conmutación.

Aunque se ha comentado la estructura de TOAD basada en el interferómetro de Sagnac, existen también otro tipo de configuraciones de interferómetro que consiguen conmutar y demultiplexar señales de alta velocidad, como por ejemplo aquellas basadas en el interferómetro Mach-Zehnder. En este caso, la señal de datos se separa en los dos brazos del interferómetro y vuelve a combinarse a la salida del mismo empleando acopladores. Dependiendo del desfase producido sobre la señal en cada uno de los brazos, ésta puede conmutarse a una u otra de las dos salidas del dispositivo.

UNI

El UNI (Ultrafast Nonlinear Interferometer) es otro conmutador OTDM ultra-rápido que utiliza un SOA como elemento no lineal. Su funcionamiento consiste en emplear una fibra birrefringente de gran longitud para separar cada pulso de datos en dos componentes ortogonalmente polarizadas. De este modo, introduciendo de forma precisa un pulso de control entre ambas componentes cuando estas atraviesan el SOA se puede realizar un cambio de fase diferencial similar a como se produce en el TOAD. Posteriormente, otro tramo de fibra birrefringente vuelve a realinear ambas componentes provocando la interferencia entre las mismas. Luego solamente el pulso de datos que experimenta el cambio de fase diferencial llegará a la salida a través del polarizador. Aunque el TOAD y el UNI comparten diversas características, la capacidad de integración del UNI se encuentra muy limitada debido a las extensas longitudes de fibra birrefringente que se requieren.

La ventana de conmutación del UNI viene determinada principalmente por el valor de birrefringencia de la fibra utilizada. La separación de los pulsos de las dos componentes de polarización debe ser como mínimo igual a la anchura del pulso de control que se introduce entre ambos. Se pueden conseguir valores del orden de 1 ps. Por otro lado, la tasa de repetición viene limitada por el tiempo de recombinación de los portadores en el SOA. No obstante, se han demostrado tasas de repetición de 100 GHz y se espera que puedan alcanzarse las mismas prestaciones que con el TOAD. Los pulsos de control se caracterizan por unas energías de saturación de unos pocos cientos de femtojulios. Al igual que el TOAD, el ruido proviene de la emisión espontánea del SOA con una figura de ruido típica de 6 dB. Para evitar la limitación de velocidad del SOA, también se han empleado configuraciones donde se sustituye éste por un tramo de fibra no lineal que induce el desfase.

Además de la limitación que presenta el UNI para su integración (se requieren al menos 15 m de fibra birrefringente para producir la ventana de conmutación), también presenta problemas dependientes de la polarización de las señales. El UNI requiere un control preciso de la polarización de las señales que llegan al dispositivo, por lo que se necesitan componentes mantenedores de polarización que encarecen finalmente el sistema.

NLWG

El conmutador NLWG (Nonlinear Waveguide) presenta una arquitectura muy similar a la del TOAD basado en interferómetro Mach-Zehnder. En este caso los SOAs se sustituyen por guía-ondas de semiconductor pasivas que se encuentran separadas espacialmente en el interior de los brazos del interferómetro para producir la conmutación. Por esta razón se le suele llamar TOAD pasivo. El NLWG se caracteriza por emplear pulsos de control y de datos suficientemente separados en longitud de onda para producir un efecto de relleno de banda en la guía-onda de semiconductor. El funcionamiento es el siguiente. Cuando se introduce un pulso de control en el dispositivo a la longitud de onda apropiada, se absorbe por la NLWG. Esta absorción crea un cambio instantáneo del índice de refracción del material por medio del efecto anteriormente comentado. Luego los pulsos de datos que atraviesen el NLWG inmediatamente después del pulso de control experimentan un cambio de fase diferencial necesario para producir la conmutación/demultiplexación. Los pulsos de control y de datos a la salida del dispositivo se separan finalmente empleando un filtro óptico.

La ventana de conmutación que consigue el NLWG es la más pequeña hasta la fecha (aprox. 200 fs), lo cual permite demultiplexar señales de 1,5 Tbit/s. Esto se debe al cambio de índice prácticamente instantáneo que produce el pulso de control. Dado que se trata de un elemento pasivo, no existe ningún retardo asociado con la dinámica de los portadores como ocurre con el SOA. En cambio, la tasa de repetición se encuentra limitada por el tiempo de recombinación de los portadores fotogenerados, alcanzándose valores de 40 GHz que serían más que suficientes en la actualidad. No obstante, una de las mayores limitaciones proviene de la energía de los pulsos de control que se necesita para inducir el cambio de fase, ya que se trata de un dispositivo pasivo. El NLWG requiere pulsos de control de unos 50 pJ. La figura de ruido no sería un problema, pues los valores se encuentran por debajo de 2 dB.

Las guía-ondas suelen fabricarse utilizando InGaAsP y la integración es relativamente sencilla puesto que no se necesitan señales de polarización. La mayor dificultad se encuentra en el acoplamiento de la fibra al chip que presenta elevadas pérdidas. Si bien las prestaciones del dispositivo son excelentes en cuanto a velocidad se refiere, el NLWG posee algunas limitaciones prácticas. Por ejemplo, las longitudes de onda en torno a 1550 nm son fuertemente absorbidas por el InGaAsP, por lo que la señal de control se coloca en esta banda. Luego para que los pulsos de datos atraviesen el material de forma transparente necesitan ser colocados unas decenas de nanómetros fuera de esta región de absorción. Esto implica que las señales de datos deben situarse alrededor de los 1700 nm, lo cual evidentemente no resulta nada práctico debido a la dificultad de fabricar fuentes láser para esta banda y a la dispersión que presentan las fibras.

NOLM

Para terminar con el estudio de diferentes dispositivos demultiplexores de señales ópticas de gran velocidad, a continuación analizaremos el NOLM (Nonlinear Optical Loop Mirror). En este caso el dispositivo es muy similar al TOAD basado en interferómetro de Sagnac, donde ahora el SOA se sustituye por un tramo de fibra no lineal. El funcionamiento es totalmente equivalente y el pulso de control es el encargado de modificar el índice de refracción de la fibra para producir la demultiplexación. Dado que se trata de un dispositivo pasivo, se han demostrado ventanas de conmutación de tan sólo 0,6 ps. La limitación se encuentra simplemente en todo lo estrecho que sea el pulso de control, por lo que tasas de Tbit/s son perfectamente posibles.

De igual modo, la tasa de repetición puede ser extremadamente alta (p.ej. más de 100 GHz) debido a la naturaleza pasiva de la no linealidad de la fibra. Pero la principal limitación del NOLM se encuentra en la energía que requieren los pulsos de control (decenas de picojulios) como consecuencia de la débil no linealidad de la fibra. La figura de ruido, en cambio, no es significativa. De hecho, se puede alcanzar el mínimo valor de figura de ruido (0 dB) con este dispositivo. El pulso de control se elimina a la salida del NOLM empleando un filtro paso-banda estrecho.

El NOLM ha sido muy útil en labores de investigación, si bien no tiene gran aplicación comercial debido a la elevada longitud de fibra que se requiere para alcanzar la interacción no lineal. Inicialmente los primeros NOLMs utilizaban 1 km de fibra, la cual se ha visto reducida a 10 m empleando fibras especiales. Otra limitación se encuentra en la dispersión y birrefringencia que sufren los pulsos que se propagan por la fibra. Para que el cambio de fase sea efectivo, los pulsos de control y de datos deben propagarse juntos a lo largo de la fibra. Pero dado que éstos tienen distinta longitud de onda se propagan a velocidades diferentes. Empleando técnicas de compensación de dispersión y otros métodos se pueden resolver estas limitaciones, aunque en definitiva no resulta fácil construir un NOLM por todas estas cuestiones de diseño.

Como resumen final a todo lo presentado en este artículo, en la tabla I se presentan de forma comparativa las características de las distintas tecnologías de conmutación/demultiplexación analizadas.