Introducción a la óptica coherente

Desarrollo de la óptica coherente

El desarrollo de la óptica coherente debe mencionarse a partir del surgimiento y desarrollo de la comunicación por fibra óptica. El inicio de la comunicación por fibra óptica se remonta a 1966, cuando Charles K. Kao, el padre de las comunicaciones por fibra óptica, propuso la fibra de vidrio de cuarzo como medio de transmisión, por lo tanto 

sentando las bases para el sistema de comunicación por fibra óptica de alta velocidad.

Y desde la década de 1980, la comunicación óptica ha experimentado un desarrollo explosivo con la reducción de la pérdida de fibra y el desarrollo continuo de componentes de comunicación óptica como láseres semiconductores y fotodetectores.

A principios de la década de 1990, la invención más significativa del sistema de comunicación óptica fue el amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA), que puede amplificar la señal en el relé o en el extremo receptor, sentando las bases para la comunicación óptica de larga distancia. Hasta ahora, EDFA sigue siendo reconocida como la tecnología de amplificación óptica más utilizada y más fiable. Alrededor del mismo período, también se desarrolló la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), que aprovecha plenamente la región de baja absorción de la fibra, aumentando considerablemente la capacidad de transmisión de las comunicaciones ópticas. 

Basado en la combinación de tecnologías EDFA y DWDM, el sistema óptico de modulación de intensidad/detección directa (IM/DD) se había utilizado ampliamente. IM/DD proporciona una solución de bajo costo y sencilla para la transmisión por fibra óptica de gran capacidad y larga distancia, por lo que la óptica coherente avanzó lentamente durante algún tiempo, debido a su alto costo y tecnologías complejas.

Tras entrar en el siglo XXI, con el aumento repentino del tráfico de red, el sistema de comunicación óptica tiene mayores exigencias de capacidad y calidad de transmisión. La tecnología EDFA y WDM es limitada, y los proveedores de servicios de comunicación óptica necesitan urgentemente encontrar nuevos avances tecnológicos para mejorar la capacidad de transmisión. Para satisfacer las demandas, el sistema de comunicación óptica necesita superar aún más el efecto de dispersión de la fibra, mejorar la capacidad de transmisión dentro del ancho de banda limitado y mejorar la sensibilidad del receptor para lograr una mayor distancia de transmisión. Por lo tanto, la tecnología óptica coherente entra en una etapa de rápido desarrollo. En comparación con el sistema óptico IM/DD tradicional, el sistema de comunicación óptica coherente tiene las ventajas de alta sensibilidad, larga distancia de transmisión y gran capacidad de comunicación. La tecnología coherente eleva la capacidad de transmisión del sistema de comunicación óptica a un nivel superior.

Definición de óptica coherente

La óptica coherente utiliza modulación coherente en el transmisor y tecnología de detección coherente en el receptor. En comparación con el sistema de comunicación IM/DD convencional, la comunicación óptica coherente permite una mayor distancia de transmisión y una mejor calidad de comunicación.

La siguiente figura muestra el principio básico de funcionamiento de la comunicación óptica coherente. En el transmisor, mediante modulación externa, la señal se modula en la portadora óptica en forma de modulación de amplitud, modulación de fase o modulación de frecuencia, y luego se envía. En el receptor, la señal se mezcla con la oscilación local (señal óptica generada por el oscilador óptico local) en el mezclador óptico y luego se detecta en un detector balanceado. Finalmente, la señal se procesa mediante procesamiento digital de señales (DSP) y se emite.

Principio de funcionamiento de la comunicación óptica coherente

La siguiente tabla resume las principales diferencias entre la óptica no coherente y la óptica coherente.

Óptica coherente vs. no coherente

Ventajas de la óptica coherente

• Mejora la sensibilidad del receptor. En el sistema de comunicación óptica coherente, la fotocorriente de salida después de la mezcla coherente es proporcional al producto de la potencia óptica de la señal y la potencia óptica del oscilador local. Dado que la potencia del oscilador local es mucho mayor que la de la luz de señal, la fotocorriente de salida aumenta significativamente y la sensibilidad de detección aumenta en consecuencia. En las mismas condiciones, en comparación con la comunicación óptica incoherente tradicional, el receptor de la comunicación óptica coherente puede mejorar la sensibilidad en 20dB, lo que equivale a una mejora de 100 veces respecto a la comunicación óptica incoherente tradicional.

• Permite una mayor distancia de transmisión. La sensibilidad mejorada del receptor permite que la distancia de transmisión sin relé aumente de decenas de kilómetros a miles de kilómetros.

• Múltiples tipos de modulación. En los sistemas tradicionales de comunicación óptica, solo hay un formato de modulación: la modulación de intensidad. Sin embargo, en la comunicación óptica coherente, además de la modulación de amplitud, también se pueden utilizar PSK, DPSK, QAM, etc., lo que aporta flexibilidad a las aplicaciones. Además, el receptor óptico tradicional solo responde a los cambios de potencia óptica, mientras que la detección coherente puede detectar toda la información transportada por la amplitud, la frecuencia, la fase y el estado de polarización. 

• Potente tecnología DSP. La tecnología coherente utiliza procesamiento digital de señales (DSP) para equilibrar y compensar la dispersión, la dispersión por modo de polarización (PMD) y los efectos no lineales de la línea de fibra óptica, y mejorar la tolerancia a la dispersión de la línea y la tolerancia del filtro ROADM, de modo que pueda minimizar los relés en la transmisión de ultra largo alcance.

Tecnología óptica coherente

Los atributos clave de la tecnología óptica coherente incluyen:

• Tecnología de modulación externa: Cuando se modula directamente un determinado parámetro de la portadora óptica del láser semiconductor, siempre habrá oscilación parásita hacia otros parámetros. Por ejemplo, la modulación directa ASK va acompañada de un cambio de fase, y la profundidad de modulación será limitada. Por lo tanto, en el sistema de comunicación óptica coherente, excepto FSK, que puede utilizar corriente de inyección directa para la modulación de frecuencia, todos los demás métodos utilizan modulación óptica externa.

• Tecnología de mantenimiento de polarización: Para lograr un buen efecto de mezcla y mejorar la sensibilidad de recepción, el sistema de comunicación óptica coherente requiere que la luz de señal y el oscilador local tengan la misma dirección de polarización. Tras la transmisión a larga distancia a través de fibra monomodo, el estado de polarización es aleatorio. Por lo tanto, se han propuesto muchos métodos de control de polarización, como la fibra de mantenimiento de polarización, el controlador de polarización y la recepción con diversidad de polarización.

• Tecnología de mantenimiento de frecuencia: En la comunicación óptica coherente, la estabilidad de frecuencia de los láseres semiconductores es muy importante. La frecuencia del láser es muy sensible al cambio de temperatura de trabajo y corriente. Si la frecuencia del láser se desvía con diferentes condiciones de trabajo, afectará a la corriente IF y, por lo tanto, aumentará la tasa de errores de bits.

• Tecnología de compresión de espectro: El ancho espectral de la fuente de luz también es muy importante en la comunicación óptica coherente. Para superar la influencia del ruido FM en la sensibilidad del receptor, es necesario garantizar el ancho de línea estrecho de las ondas de luz. Cuanto más estrecho sea el ancho de línea, menor será el ruido de fase causado por el desplazamiento de fase.

Transceptor óptico coherente

Los transceptores ópticos coherentes son la principal solución para redes troncales de larga distancia y redes de área metropolitana (MAN). Al principio, los transceptores ópticos coherentes adoptaron el factor de forma CFP, que también se denomina CFP-DCO (óptica coherente digital). El transceptor coherente CFP-DCO tiene 82mm de ancho y el consumo máximo alcanza hasta 24W. Sin embargo, el bajo consumo, el factor de forma pequeño, la mayor velocidad de datos y el bajo coste son siempre objetivos de las comunicaciones ópticas, por lo que se desarrolló el transceptor óptico coherente CFP2, que también se denomina CFP2-ACO (óptica coherente analógica). Tiene 41.5m de ancho, y el consumo máximo de energía es de 12W. No hay forma de detener el progreso tecnológico. En los últimos años, se han introducido factores de forma más pequeños, de mayor velocidad y menor consumo de energía, como 400G OSFP DCO y QSFP-DD DCO, como muestra la siguiente figura.

En resumen, la tendencia de desarrollo de los módulos ópticos coherentes puede resumirse de la siguiente manera.

• Alta velocidad: De 100G/200g a 400G, e incluso 800G.

• Miniaturización: de 100G MSA a CFP/CFP2DCO/ACO. Hoy en día, también se presentan 400G OSFP DCO y QSFP-DD DCO.

• Bajo consumo de energía: Teniendo en cuenta los requisitos de consumo de energía del sistema en general, por ejemplo, el consumo de energía de los productos de módulos ópticos coherentes con factor de forma QSFP-DD se ha controlado por debajo de 15W.

• Estandarización e interconexión: Tradicionalmente, varios fabricantes de equipos utilizan sus propias placas de interfaz especiales desarrolladas y métodos privados de modulación de orden superior y algoritmos FEC, lo que provoca que las interfaces de diferentes fabricantes no puedan interconectarse. La interconexión de módulos ópticos coherentes es la dirección futura de la industria.

Los módulos ópticos coherentes experimentarán un crecimiento explosivo en los próximos años. QSFPTEK puede proporcionar soluciones y transceptores de óptica coherente; le invitamos a visitar www.qsfptek.com y ponerse en contacto con el soporte técnico de QSFPTEK.