12.1: Introducción a los enlaces de comunicación óptica

Introducción a las comunicaciones ópticas y la fotónica

Las comunicaciones ópticas son tan antiguas como los incendios de señales y los espejos que reflejan la luz solar, pero se están modernizando rápidamente por la fotónica que integra óptica y electrónica en dispositivos individuales. Los sistemas fotónicos generalmente se analizan en términos de fotones individuales, aunque los métodos de onda aún caracterizan el guiado de ondas a través de fibras ópticas, espacio u otros medios. Este capítulo introduce las comunicaciones ópticas y las aplicaciones de la fotónica en la Sección 12.1. Luego analiza guías de onda ópticas simples en la Sección 12.2, láseres en la Sección 12.3 y componentes representativos de sistemas de comunicaciones ópticas en las Secciones 12.4, incluyendo fotodetectores en 12.4.1-2, multiplexores en 12.4.3, interferómetros en 12.4.4 y conmutadores ópticos en 12.4.5.

Aplicaciones de la Fotónica

Quizás la aplicación más importante de la fotónica hoy en día es a las comunicaciones ópticas a través de fibras de vidrio de baja pérdida. Desde 1980 este desarrollo ha transformado drásticamente las comunicaciones globales. La ventaja de una fibra óptica para comunicaciones es que tiene un ancho de banda de aproximadamente un terahercio, y puede propagar señales sobre distancias continentales e incluso globales cuando es asistida por amplificadores ópticos. Estos amplificadores están actualmente separados más de ~80 km, y esta separación va aumentando constantemente a medida que mejora la tecnología. Por el contrario, el cable coaxial, el par de cables y los enlaces inalámbricos a frecuencias de radio aún dominan la mayoría de las rutas de comunicación de ancho de banda < ~2 MHz, siempre que la longitud sea inferior a ~1—50 km.

Una alternativa inalámbrica global de banda ancha a la óptica son los satélites de comunicaciones por microondas en órbita geosincrónica ⁶⁶ que pueden dar servicio a los barcos en el mar y proporcionar capacidad móvil para abordar deficiencias o fallas transitorias de comunicaciones en todo el mundo; los satélites simplemente apuntan su antena vigas en los nuevos usuarios, que pueden estar a más de 10,000 km de distancia. El mayor uso de los satélites, sin embargo, es para la transmisión de entretenimiento a través de áreas continentales, ya sea a usuarios finales o a los extremos principales de los sistemas de distribución por cable. En general, el espectro radioeléctrico terrestre limitado se utiliza de manera más eficiente para la difusión que para las comunicaciones uno a uno a menos que haya reutilización del espectro como se describe en la Sección 10.4.6. Las técnicas ópticas están en desventaja para los enlaces satélite-tierra o enlaces tierra-tierra a través del aire debido a las nubes y la niebla, que restringen dichos enlaces a distancias muy cortas o a casos en los que la diversidad espacial ⁶⁷ ofrece alternativas de aire claro.

⁶⁶ Los satélites geosincrónicos a 22,753 millas de altitud orbitan la Tierra una vez cada 24 horas y, por lo tanto, pueden flotar estacionarios en el cielo si están en órbita ecuatorial.

⁶⁷ La diversidad espacial implica el uso de enlaces de comunicaciones espacialmente distintos que sufren pérdidas independientemente; combinar estas señales de manera no lineal mejora la confiabilidad general del mensaje.Los enlaces ópticos también tienen un gran potencial para intersatélite de muy banda ancha o diversidad protegida comunicaciones satélite-tierra porque los telescopios pequeños proporcionan fácilmente haces de antena altamente enfocados. Por ejemplo, los anchos de haz de telescopios con aperturas de 5 pulgadas suelen ser de un arco-segundo ⁶⁸, lo que corresponde a ganancias de antena de ~4\(\pi\) × (57×3600) ² 5×10 ¹¹, aproximadamente 5000 veces mayor de lo que es alcanzable por todos menos los mejores radiotelescopios. Dichos enlaces ópticos se discuten en la Sección 12.1.4.

⁶⁸ Un arco-segundo es 1/60 arco-minutos, 1/60 ² grados, 1/ (57.3×3600) radianes, o 1/60 de los diámetros aparentes más grandes de Venus o Júpiter en el cielo nocturno.

Las fibras ópticas se utilizan cada vez más para enlaces mucho más cortos, simplemente porque su ancho de banda útil se puede expandir fácilmente después de la instalación y porque son más baratos para anchos de banda más grandes. La distancia entre amplificadores sucesivos también puede ser de órdenes de magnitud mayor (compare las pérdidas de fibra de la Figura 12.2.6 con las de cables, como se discute en la Sección 7.1.4 y Sección 8.3.1). El ancho de banda por cable es generalmente inferior a ~0.1 GHz para distancias entre amplificadores de 1 km, mientras que una sola fibra óptica puede transportar ~1 THz por 100 km o más. Las velocidades de datos extremas ahora también se transportan ópticamente entre y dentro de las computadoras e incluso los chips, aunque los cables aún tienen ventajas de costo y simplicidad para la mayoría de las aplicaciones ultracortas y de alta potencia.

Sin embargo, la comunicación óptica no es la única aplicación para la fotónica. Los láseres de baja potencia se utilizan en dispositivos cotidianos que van desde punteros de aula y niveles de carpinteros hasta lectores de código de barras, copiadoras e impresoras láser, herramientas quirúrgicas, instrumentos médicos y ambientales y reproductores y grabadoras de DVD. Los pulsos láser que duran solo 10 ^-15 segundos (0.3 micrones de longitud) se utilizan para investigaciones biológicas y de otro tipo. Los láseres de alta potencia con decenas de kilovatios de potencia promedio se utilizan para el corte y otros fines de fabricación, y los láseres que liberan su energía almacenada en intervalos de subpicosegundos pueden enfocar y comprimir su energía para lograr intensidades de ~10 ²³ W/m2 para investigación o, por ejemplo, para conducir pequeñas reacciones termonucleares en pellets comprimidos. Además, constantemente se desarrollan nuevas aplicaciones sin fin a la vista.

Ecuaciones de enlace

Las ecuaciones de enlace que rigen las comunicaciones ópticas por aire son esencialmente las mismas que las que rigen la radio, como se describe en la Sección 10.3. Es decir, la potencia recibida P _r se relaciona simplemente con la potencia transmitida _Pt por la ganancia y el área efectiva de las antenas transmisoras y receptoras, _Gt y _Ae:

\[\mathrm{P_{r}=\left(G_{t} P_{t} / 4 \pi r^{2}\right) A_{e}} \ [\mathrm{W}] \qquad\qquad\qquad \text{(optical link equation) } \label{12.1.1}\]

La ganancia y el área efectiva de las antenas ópticas monomodo están relacionadas por la misma ecuación que rige las ondas de radio, (10.3.23):

\[\mathrm{G}=4 \pi \mathrm{A} / \lambda^{2} \label{12.1.2}\]

Algunos detectores ópticos interceptan múltiples ondas o modos independientes, y sus potencias se suman. En este caso, la ganancia y el área efectiva de cualquier modo único son entonces menos relevantes, como se discute en la Sección 12.1.4.

La velocidad de bits máxima que puede comunicarse a través de un enlace óptico no se rige por el límite E _b > ~10 ^-20 Joules-por-bit característico de los sistemas de radio, sin embargo, sino por el número de fotones que el receptor requiere por bit de información, quizás ~10 para un buen sistema típico. Cada fotón tiene energía E = hf Julios. Por lo tanto, para recibir R bits/segundo podría requerir una potencia recibida de:

\[\mathrm{P}_{\mathrm{r}}=\mathrm{E}_{\mathrm{b}} \mathrm{R} \cong 10 \mathrm{hfR} \ [\mathrm{W}] \qquad \qquad \qquad \text{(optical rate approximation)} \label{12.1.3}\]

donde h es la constante de Planck (^6.624×10-34) y f es la frecuencia fotónica [Hz]. El diseño inteligente puede permitir que muchos bits se comuniquen por fotón, como se explica en la siguiente sección.

Ejemplos de sistemas de comunicaciones ópticas

Tres ejemplos ilustran varios de los problemas inherentes a los sistemas de comunicaciones ópticas: un cable de fibra óptica transoceánica, un enlace óptico a Marte y un enlace incoherente dentro de la oficina que transporta información informática.

Primero considere una fibra óptica transoceánica. La Sección 12.2.2 analiza las pérdidas en las fibras ópticas, que pueden ser tan bajas como ~0.2 dB/km cerca de la longitud de onda de 1.5 micrones (f = 2×10 ¹⁴ Hz). Para asegurar que la señal (ceros y unos) permanezca inequívoca, cada enlace de un enlace de fibra R = 1-Gbps debe entregar a su receptor o amplificador más de ~10HfR vatios, o ^{~10×6×10-34} ×2×10 ¹⁴ ×10 ^{9 1.2×10-9} watts; un diseño más típico podría entregar ~10 ^-6 vatios porque se acumulan errores y el equipo puede degradarse. Si se transmite un vatio y se reciben 10 ^-6 vatios, entonces la pérdida asociada de 60 dB corresponde a 300 km de propagación de fibra entre amplificadores ópticos, y quizás ~20 amplificadores a través del Océano Atlántico por fibra. En la práctica, los amplificadores de fibra dopada con erbio, discutidos en la Sección 12.3.1, ahora están espaciados aproximadamente a 80 km de distancia.

A continuación considere un vínculo óptico que se comunica entre la Tierra y los astronautas en Marte. La difracción atmosférica o “ver” limita la capacidad de enfoque de los telescopios terrestres de más de ~10 cm, pero Marte tiene poca atmósfera. Por lo tanto, un enlace óptico marciano podría emplear el equivalente de un telescopio óptico de un metro cuadrado en Marte y el equivalente de óptica de 10 cm cuadrados en la Tierra. También podría emplear un transmisor láser de un vatio en la Tierra que opera a una longitud de onda de 0.5 micrones, en la región visible. Las ecuaciones de enlace nominal y tasa, (\ ref {12.1.1}) y (\ ref {12.1.3}), producen la velocidad máxima de datos R posible en un rango de ~1011 metros (aproximación aproximada más cercana de Marte a la Tierra):

\[\mathrm{R}=\mathrm{P}_{\mathrm{r}} / \mathrm{E}_{\mathrm{b}} \cong\left(\mathrm{G}_{\mathrm{t}} \mathrm{P}_{\mathrm{t}} / 4 \pi \mathrm{r}^{2}\right) \mathrm{A}_{\mathrm{e}} / 10 \mathrm{hf} \ \left[\text { bits } \mathrm{s}^{-1}\right] \label{12.1.4}\]

La ganancia G _t del transmisor dada por (\ ref {12.1.2}) es\(\mathrm{G}_{\mathrm{t}} \cong 4 \pi \mathrm{A} / \lambda^{2} \cong 5 \times 10^{11} \), donde A (0.1) ² y λ 5×10 ^-7 [m]. La frecuencia f = c/λ = 3×10 ⁸/[5×10 ^-7] = 6×1014. Por lo tanto (\ ref {12.1.4}) se convierte en:

\[\mathrm{R} \cong\left\{\left[5 \times 10^{11} \times 1\right] \Big/\left[4 \pi\left(10^{11}\right)^{2}\right]\right\}\left\{1 \big/\left[10 \times 6.624 \times 10^{-34} \times 6 \times 10^{14}\right]\right\} \cong 1 \ \mathrm{Mbps} \label{12.1.5}\]

El Cuadro 11.4.1 sugiere que esta velocidad de datos es adecuada para video de movimiento completo de modesta calidad. El retraso de la señal en cada sentido es de\(\tau=\mathrm{r} / \mathrm{c}=10^{11} \big/\left[3 \times 10^{8}\right] \) segundos 5.6 minutos, impidiendo la conversación. Este retraso se vuelve varias veces mayor cuando Marte está en el lado lejano del sol de la Tierra, y la velocidad de datos R caería entonces en más de un factor de diez.

Este resultado de 1 Mbps (\ ref {12.1.5}) asumió que se requerían 10 fotones por bit de información. Sin embargo, esto se puede reducir por debajo de un fotón por bit mediante el uso de modulación de posición de pulso. Supongamos que se recibieron ~10 ⁶ pulsos de 10 fotones de 1 nseg por segundo, donde cada pulso podría llegar en cualquiera de 1024 ranuras de tiempo debido a que la relación entre el ancho de pulso y el espaciamiento promedio entre pulsos es 1024. Esta información de temporización transporta diez bits de información por pulso porque log ₂ 1024 = 10. Dado que cada pulso de 10 fotones transporta 10 bits de información, el promedio es de un bit por fotón recibido. Con más ranuras de tiempo aún se requerirían menos fotones por bit. Si un láser sintonizable puede transmitir cada pulso en cualquiera de 1024 colores, por ejemplo, entonces se puede lograr otro factor de 10. El uso tanto de la posición del pulso como de la modulación de frecuencia de pulso puede permitir que se comuniquen más de 10 bits por fotón en promedio.

El último ejemplo es el de un diodo láser de 1 mW que transmite luz modulada digitalmente a λ = 5×10 ^-7 [m] isotrópicamente dentro de una oficina grande sobre rangos r de hasta 10 metros, donde la luz podría viajar directamente al receptor isotrópico o rebotar primero en las paredes y el techo. Dichos sistemas de comunicaciones ópticas podrían vincular computadoras, impresoras, asistentes digitales personales (PDA) y otros dispositivos dentro de la habitación. En este caso G _t = 1 y\(\mathrm{A}_{\mathrm{e}}=\mathrm{G} \lambda^{2} / 4 \pi=\left(5 \times 10^{-7}\right)^{2} / 4 \pi \cong 2 \times 10^{-14} \) [m ²]. La velocidad máxima de datos R se puede encontrar nuevamente usando (\ ref {12.1.4}):

\[\mathrm{R}=\mathrm{P}_{\mathrm{r}} / \mathrm{E}_{\mathrm{b}} \cong\left(1 \times 10^{-3} / 4 \pi 10^{2}\right)\left(2 \times 10^{-14}\right) /\left(10 \times 6.6 \times 10^{-34} \times 6 \times 10^{14}\right) \cong 0.004 \ \left[\mathrm{bits} \ \mathrm{s}^{-1}\right] \label{12.1.6}\]

El hecho de que podamos enviar 10 ⁶ bits por segundo a Marte con un transmisor de un vatio, pero solo 4 milibits por segundo a través de una habitación con un milivatio, puede entrar en conflicto con la intuición

La resolución de esta aparente paradoja radica en el supuesto de que el receptor en este ejemplo es un dispositivo monomodo como el de los receptores de radio típicos o el receptor óptico marciano considerado anteriormente. Si este receptor de enlace de habitación fuera isotrópico e interceptara solo un solo modo, su área efectiva A _e dada por (\ ref {12.1.2}) sería 2×10 ^-14 [m ²]. La pequeña área efectiva de tales antenas ópticas coherentes de baja ganancia motiva el uso de fotodetectores incoherentes, que responden bien al flujo total de fotones desde todas las direcciones de llegada. Por ejemplo, los enlaces ópticos intraroom de este tipo se utilizan comúnmente para el control remoto de muchos dispositivos electrónicos de consumo, pero con una antena multimodo mucho más grande (fotodiodo) de área A 2×10 ^-6 [m ²] en lugar de 2×10 ^-14. Esta “antena” suele responder a todos los fotones que impactan en su área y que llegan dentro de aproximadamente un esteradio. Es decir, un fotodetector generalmente intercepta todos los fotones que lo impactan, a pesar de que esos fotones son incoherentes entre sí. Así, la solución (\ ref {12.1.6}) se incrementa en un factor de 10 ^-6 /10 ^-14 si un fotodetector de dos milímetros cuadrados reemplaza la antena monomodo, y R entonces se convierte en 0.4 Mbps, que es más capacidad de lo que normalmente se requiere. En la práctica estos detectores de área económicos son más ruidosos y requieren órdenes de mangitude más fotones por bit. Sin embargo, los mejores detectores de semiconductores pueden lograr 10 fotones por bit o mejor, particularmente a longitudes de onda visibles y si se filtra la luz parásita en otras longitudes de onda.