Este artículo muestra la relevancia de las comunicaciones ópticas haciendo hincapié en cómo la introducción de los dispositivos ópticos marcó un punto de inflexión en las prestaciones de los enlaces de datos guiados. El desarrollo de la tecnología electroóptica permitió aumentar simultáneamente la distancia y la capacidad de los sistemas de comunicaciones. En la práctica, las comunicaciones ópticas han hecho posible el creciente tráfico de datos en todo el mundo.
A continuación figura el índice:
1. Producto Velocidad de Bits – Distancia
El producto velocidad de bits – distancia es un factor de mérito de cualquier enlace de comunicación digital. Es igual a B∙L, donde B es la velocidad binaria y L es la separación entre repetidores. La siguiente figura ilustra la evolución de este valor en los enlaces desplegados a lo largo del periodo comprendido entre 1850 y 2000 [1]. Se puede observar que el valor aumentó exponencialmente con la introducción de tecnologías emergentes. En las últimas décadas, los dispositivos ópticos han hecho posibles las últimas revoluciones en este campo.
1.1 Primeros Avances
En la década de 1950 se sabía teóricamente que el producto B∙L podía aumentarse en varios órdenes de magnitud empleando ondas ópticas como portadoras [1]. Sin embargo, no se disponía de fuentes adecuadas de ondas luminosas ni de un medio de transmisión. En 1960, la demostración del primer láser funcional resolvió el primer problema y, en 1966, se propuso la fibra óptica como la mejor opción para guiar la luz. Esos fueron los primeros pasos que condujeron al desarrollo de las comunicaciones ópticas modernas.
Los avances posteriores demostraron la viabilidad de los sistemas ópticos. En 1970 se demostró que los láseres semiconductores funcionaban continuamente a temperatura ambiente. Al mismo tiempo, las pérdidas de la fibra se redujeron por debajo de 20 dB/km en longitudes de onda ≈1μm. Los primeros enlaces ópticos comerciales estuvieron finalmente disponibles en 1980, y transmitían 45 Mbit/s a 0,8 μm con una separación entre repetidores de hasta 10 km. Los siguientes esfuerzos se centraron en transmitir a longitudes de onda ≈1,3 μm, donde la fibra óptica presentaba pérdidas inferiores a 1 dB/km y una dispersión mínima. En 1981, estos sistemas eran capaces de transmitir 2 Gbit/s a 44 km y, en 1987, se comercializaron sistemas similares.
Los pasos siguientes intentaron utilizar longitudes de onda en torno a 1,55 μm, donde las pérdidas de la fibra son menores, concretamente de 0,2 dB/km. La introducción de estos sistemas se retrasó porque la dispersión de la fibra a 1,55 μm era mayor. Se propusieron dos soluciones compatibles: fibras con desplazamiento de dispersión y láseres capaces de emitir un solo modo longitudinal. En 1985, los experimentos de laboratorio demostraron velocidades de hasta 4 Gbit/s en 100 km de fibra, pero esta tecnología no se comercializó hasta 1990.
1.2 La llegada de los amplificadores ópticos y WDM
La siguiente revolución se produjo en la década de 1990 con la llegada de los amplificadores ópticos, como puede observarse en la figura anterior. Estos dispositivos evitan la necesidad de repetidores electrónicos. En 1991, un experimento demostró la transmisión de 5 Gbit/s a lo largo de 14.300 km. En 1995, estos sistemas ya estaban disponibles comercialmente y se implantaron en enlaces transoceánicos.
Simultáneamente, una técnica definida como Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM) multiplicó sustancialmente la capacidad alcanzable. La WDM consiste en transmitir varios canales ópticos en la misma fibra óptica, cada uno de ellos transportado por una longitud de onda distinta. Combinando estos avances, amplificadores ópticos y WDM, los productos de B∙L aumentaron drásticamente. En 2001, 300 canales ópticos que funcionaban individualmente a 11,6 Gbit/s se transmitieron a lo largo de 7.380 km, lo que dio lugar a un producto B∙L de más de 25.000 (Tb/s)∙km.
1.3 Desarrollos Modernos
Durante los últimos 20 años, los esfuerzos se han centrado en la implementación de formatos de modulación espectralmente eficientes que puedan aumentar la velocidad de transmisión de datos por canal óptico. En primer lugar, se emplearon esquemas de modulación tradicionales utilizando configuraciones multinivel. Más tarde, se propusieron modulaciones más sofisticadas, como la multiplexación por división ortogonal de frecuencias (OFDM). Por último, se implantaron sistemas coherentes para alcanzar mayores distancias de transmisión.
La transmisión coherente modula la fase de la portadora óptica reduciendo la potencia media de la señal [1]. Se consiguen sensibilidades más bajas y distancias de transmisión más largas a costa de requerir receptores complejos y caros. Los esquemas coherentes eran bien conocidos desde los años 80, pero no se han convertido en un requisito para aumentar el producto B∙L hasta las últimas décadas, como puede observarse en la siguiente figura.
La imagen muestra la evolución del producto B∙L obtenido en experimentos de comunicación óptica desde 1983, clasificándolos según la técnica implementada: longitud de onda única, longitud de onda única con multiplexación óptica por división de tiempo (OTDM), WDM, OFDM y detección coherente. Como ejemplo, en 2009, un experimento OFDM coherente WDM alcanzó un producto B∙L de ≈85000 (Tb/s)∙km. Actualmente, el producto B∙L puede aumentarse más allá de 106 (Tbit/s)∙km utilizando fibras multinúcleo.
2. Tráfico Mundial de Datos
La introducción de Internet y su crecimiento durante las últimas décadas trajo consigo la necesidad de implantar redes de datos de alta velocidad. Para satisfacer la creciente demanda de capacidad, fueron necesarios avances multidisciplinares en muchos campos técnicos como los materiales, la electrónica y las comunicaciones. Sin embargo, como ya se ha explicado, la transmisión por ondas luminosas era y sigue siendo la única tecnología capaz de satisfacer la demanda de tráfico de datos.
La figura anterior muestra una estimación del tráfico mundial de datos del Protocolo de Internet (IP) desde 1990, extraída de la Cisco´s Virtual Networking Index. Durante la década de 1990 se popularizó el acceso a Internet y el tráfico de datos IP se duplicó al menos cada año. Más recientemente, servicios modernos y exigentes, como la televisión de alta definición (HDTV) a la carta, están aumentando su popularidad. Los hábitos mundiales están cambiando hacia una situación en la que todos los dispositivos pueden estar potencialmente conectados a Internet. En consecuencia, las previsiones más recientes afirman que el aumento del tráfico de datos IP al año se sitúa en torno al 23%. Aunque esta tendencia es menos pronunciada que en el pasado, algunos estudios han llegado a la conclusión de que, en la actualidad, el incremento del tráfico de datos tiende a superar la capacidad de los sistemas de comunicación por fibra. Mientras madura la tecnología de las comunicaciones ópticas, se hace más difícil aumentar el B∙L del producto, en línea con la figura del apartado 1.3 anterior.
3. Conclusiones
Dada la relevancia de las comunicaciones ópticas, cabe concluir que la industria de las telecomunicaciones se enfrenta a retos importantes y significativos. La investigación y el desarrollo de tecnologías ópticas son de vital importancia para encontrar soluciones funcionales.
Hay que tener en cuenta que el tráfico de datos debe procesarse en varias etapas, lo que da lugar a distintos tipos de redes ópticas. En cada nivel, los transceptores ópticos óptimos vienen determinados en realidad por distintos parámetros como el coste, el consumo de energía y/o la latencia. Por ejemplo, en un enlace transoceánico caro, la prioridad es aumentar el producto B∙L prácticamente a cualquier coste. Por el contrario, en un centro de datos de alto rendimiento donde se necesitan múltiples interfaces, el bajo consumo y la latencia son esenciales.
Bibliografía
[1] Fiber-Optic Communication Systems, Govind P. Agrawal
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