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Reportaje - Una nueva frontera: la transmisión óptica de datos con amplificador sensible a la fase  

Los cables de fibra óptica se están convirtiendo en la espina dorsal de Internet, en las líneas troncales que comunican ciudades, países y continentes, y en las redes de cableado que unen las centralitas telefónicas con cada hogar y estación base de telefonía móvil. Ahora una propuesta pionera para la transmisión de datos, sustentada por financiación de la Unión Europea, podría traer consigo un incremento de la capacidad, el alcance y la eficiencia de las redes de fibra óptica.

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Hasta ahora, las comunicaciones comerciales por fibra óptica se han basado en la codificación de los datos en la amplitud de un haz de luz (variando la intensidad de la luz para transmitir información). La colocación de ciertos dispositivos llamados «amplificadores de fibra dopada con erbio» a intervalos a lo largo de la fibra para reforzar periódicamente la intensidad de la señal permite prevenir la pérdida de propagación, pero lleva aparejado un uso relativamente ineficaz de la capacidad total de la fibra. El uso de la fase, y no de la amplitud, de un haz de luz para codificar datos puede proporcionar un incremento exponencial de la capacidad de transmisión de información. Pero la magnitud de la mejora factible está limitada por el ruido que se añade durante la amplificación óptica y por la diafonía que se produce entre los canales de distintas longitudes de onda por efecto de interacciones ópticas no lineales. «El cable de fibra óptica posee una enorme capacidad de transmisión de datos; de hecho, los sistemas comerciales aún poseen capacidad de sobra en varios órdenes de magnitud. Pero en los últimos años hemos empezado a alcanzar los límites prácticos en las investigaciones de laboratorio con las técnicas vigentes de transmisión y la tecnología convencional de amplificador óptico», explicó el profesor David Richardson, subdirector del Centro de Investigación de Optoelectrónica (ORC) de la Universidad de Southampton (Reino Unido). Ya en la década de los años sesenta se identificó teóricamente el fenómeno de la «amplificación sensible a la fase» (PSA) como posible solución para amplificar las señales ópticas sin añadir ruido. Más tarde se demostraría que constituía un modo de eliminar el ruido de fase (y en menor medida, también el ruido de amplitud) de las señales ópticas degradadas durante una transmisión, función ésta denominada de «regeneración óptica». Tras percatarse de que las mejoras en la tecnología de componentes ópticos podían hacer posible en la práctica la PSA, un equipo de investigadores de ocho organizaciones asociadas de siete países puso en marcha el proyecto Phasors («Sistemas de amplificador sensible a la fase y regeneradores ópticos y sus aplicaciones»). Su trabajo, para el que la Comisión Europea concedió fondos por valor de 2,7 millones de euros, ha ayudado a que los amplificadores de fibra sensibles a la fase den el salto y pasen de ser una mera anécdota teórica a dispositivos prácticos. Reducción del ruido y de la diafonía entre canales «Sabíamos que la PSA probablemente permitiría una amplificación con un ruido muy bajo y también la eliminación del ruido de fase en sistemas de comunicación óptica, pero teníamos ante nosotros dificultades técnicas formidables», declaró el profesor Richardson, coordinador científico de Phasors. «Conseguimos demostrar la factibilidad de la PSA en condiciones prácticas, así como muchas de sus ventajosas propiedades de reducción del ruido y las mejoras asociadas en las prestaciones de la red.» El equipo de Phasors se dedicó a desarrollar la tecnología necesaria para redes troncales de banda ancha de 40 gigabits por segundo (Gbps) y demostró el funcionamiento de dos dispositivos principales -un amplificador sensible a la fase y un regenerador óptico para señales codificadas en la fase- que presentaron reducciones drásticas del ruido en el sistema de transmisión. El ruido de fase (fluctuaciones rápidas, breves y aleatorias en la fase de una señal) se debe a varios procesos, como la aparición de ruido cuántico en el proceso de amplificación y la interacción entre señales de distintas longitudes de onda en la misma fibra de transmisión. Es un fenómeno que degrada la fidelidad de la señal y perjudica al rendimiento de la red. A diferencia de los amplificadores convencionales, que son insensibles a la fase, el amplificador de Phasors sí es sensible a la misma, y se demostró que reducía el ruido a poco más de 1 decibelio (dB). Sirva como referencia que los amplificadores comunes de fibra dopada con erbio llevan asociado un ruido no inferior a 3 dB y por lo general próximo a 5 dB. «Conseguir una amplificación óptica sin ruido es El Dorado en la investigación de amplificadores ópticos», aseguró el profesor Richardson. «Los amplificadores de Phasors constituyen sin duda un importante avance hacia esa meta.» El subsistema de regeneración óptica de Phasors elimina las interferencias en las señales codificadas en fase binaria a alta velocidad. Mientras que los dispositivos anteriores de regeneración de la señal convierten la señal óptica en otra electrónica, garantizando así la velocidad de transmisión de los datos, el dispositivo de Phasors reduce directamente tanto el ruido de fase como la acumulación de ruido de amplitud, todo ello dentro del dominio óptico. Asimismo, el equipo del proyecto consiguió demostrar la posibilidad de ampliar la escala del método básico de la regeneración para permitir la regeneración de señales con niveles de codificación en la fase muy superiores a la binaria y, por ejemplo, consiguió demostrar por primera vez la regeneración en transmisiones QPSK («quadrature phase shift keying», o modulación por desplazamiento de fase en cuadratura, es decir, de cuarto nivel). «Cuando comenzamos Phasors nos proponíamos mostrar lo que es posible y lo que no en el procesamiento de señales totalmente óptico y en la amplificación de señales codificadas en la fase. Estos dispositivos demuestran que la tecnología funciona no sólo en teoría sino también en la práctica y hacen posibles funciones de gran utilidad», aseguró el profesor Richardson. De la investigación a aplicaciones comerciales Muchos investigadores en Europa, Estados Unidos y otros lugares han retomado la labor del equipo de Phasors, por lo que, a largo plazo, es previsible que los logros de sus investigadores den lugar a mejoras considerables en la velocidad, capacidad, alcance y eficiencia de las redes de fibra óptica. Además, esta tecnología presenta aplicaciones importantes en varios otros campos como la comprobación y medición óptica, la teledetección y la metrología. Algunos integrantes del consorcio de Phasors están desarrollando dispositivos y tecnologías comerciales a partir de los destacados avances conseguidos en el marco del proyecto. Ciertos componentes, como fibras ópticas especializadas y láseres de alto rendimiento, ya están registrando ventas notables. El socio suizo EXFO, proveedor mundial de productos de comprobación y garantía del servicio en telecomunicaciones, ha desarrollado y puesto a la venta un dispositivo de comprobación y medición con el que caracterizar señales complejas codificadas en la fase y en la amplitud partiendo de su labor dentro del proyecto. «Aunque el proyecto Phasors ya ha concluido, es indudable que las consecuencias de su labor se dejarán sentir por mucho tiempo», afirmó Richardson. «En el mercado hay ya sistemas de medición y componentes de alto rendimiento, y el interés por la tecnología PSA en las telecomunicaciones y ámbitos de aplicación afines no hace sino crecer. Sólo en Europa hay en marcha varios proyectos financiados por organismos nacionales que parten de nuestra investigación, y en el resto del mundo hay también bastantes proyectos de envergadura al respecto.» «Phasors también ha generado un gran interés en entornos académicos -añadió-. Se ha publicado un número considerable de artículos de gran nivel en importantes revistas científicas como Nature Photonics y hemos leído prestigiosas ponencias en destacados congresos internacionales, entre ellos, los más recientes, el Congreso Europeo de Comunicaciones Ópticas (ECOC 2011) celebrado en Ginebra (Suiza) y el Congreso de Comunicaciones por Fibra Óptica (OFC 2012) celebrado en los Estados Unidos, donde se presentó un número notable de trabajos sobre el procesamiento de señales ópticas sensible a la fase.» La investigación de Phasors fue subvencionada por el Séptimo Programa Marco (7PM) de la Unión Europea. Enlaces útiles: - sitio web del proyecto Phasors - ficha informativa del proyecto Phasors en CORDIS Artículos relacionados: - Un proyecto europeo mejora la transmisión global de datos - Un nuevo amplificador óptico sin ruido - Phasors mejora las redes de comunicación óptica - Un nuevo proyecto allana el camino para la próxima generación de redes ópticas - «All-optical phase and amplitude regenerator for next-generation telecommunications systems», Nature Photonics 4, 690–695, 2010 - «Multilevel quantization of optical phase in a novel coherent parametric mixer architecture», Nature Photonics 5, 748–752, 2011