Las fibras ópticas avanzadas transforman las redes de comunicación modernas

La tecnología de fibra óptica continúa evolucionando rápidamente, desempeñando un papel fundamental en la era de la información. Más allá de las fibras ópticas tradicionales utilizadas para la transmisión de señales, una nueva clase conocida como "fibras ópticas especiales" está emergiendo como un cambio de juego. Estas fibras sirven como las fuerzas especiales en las comunicaciones ópticas, realizando funciones únicas y críticas en el procesamiento de señales, la interconexión de dispositivos y otras aplicaciones especializadas. ¿Qué hace que estas fibras especiales sean tan notables y cómo podrían remodelar el futuro de las comunicaciones ópticas? Este artículo examina varias fibras especiales representativas, explorando sus principios técnicos, aplicaciones y desafíos.

En los sistemas de transmisión óptica dominados por las fibras monomodo estándar (SMF), la dispersión cromática presenta un desafío significativo. La dispersión causa el ensanchamiento de los pulsos ópticos, degradando la calidad de la señal y limitando la distancia y la velocidad de transmisión. La fibra de compensación de dispersión (DCF) proporciona una solución efectiva a este problema. La característica clave de la DCF es su gran valor de dispersión negativa en la ventana de longitud de onda de 1550 nm, que compensa la dispersión positiva generada en la SMF estándar.

Específicamente, la DCF típicamente tiene un coeficiente de dispersión de aproximadamente D ≈ -95 ps/(nm·km). Esto significa que aproximadamente 14 km de DCF pueden compensar la dispersión en 80 km de SMF estándar. En aplicaciones prácticas, la DCF generalmente se empaqueta como un módulo de compensación de dispersión (DCM) para facilitar la integración del sistema.

En comparación con otras técnicas de compensación de dispersión, como las redes de Bragg de fibra (FBG), la DCF ofrece ventajas que incluyen una amplia ventana de longitud de onda, alta confiabilidad y una ondulación de dispersión extremadamente baja, todo crucial para los sistemas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM). Además, la DCF se puede diseñar para compensar la pendiente de dispersión, lo que la hace ideal para aplicaciones WDM de amplia longitud de onda.

Sin embargo, la DCF tiene limitaciones. Debido a su valor de dispersión limitado por unidad de longitud, la DCF exhibe una atenuación relativamente alta cuando se requiere una gran compensación de dispersión total. Además, para lograr una dispersión negativa en la ventana de longitud de onda de 1550 nm, el área central efectiva de la DCF es típicamente pequeña (Aeff ≈ 15 μm²), aproximadamente una quinta parte de la de la SMF estándar. Esto resulta en efectos no lineales significativamente mejorados en la DCF, que deben considerarse al diseñar dispositivos de medición que incorporen DCF.

Las fibras monomodo ideales tienen secciones transversales circulares con dos modos degenerados que presentan estados de polarización mutuamente ortogonales y constantes de propagación idénticas. Sin embargo, las tensiones externas pueden inducir birrefringencia en las fibras, lo que hace que estos modos degenerados desarrollen diferentes constantes de propagación. La distribución de las señales ópticas entre estos dos modos de polarización depende no solo de las condiciones de acoplamiento entre la fuente de luz y la fibra, sino también del acoplamiento de energía entre los modos durante la propagación, un proceso que suele ser aleatorio. En consecuencia, incluso después de propagarse solo unos pocos metros a través de la fibra, el estado de polarización de la señal de salida generalmente se vuelve aleatorio. El acoplamiento de modos y los estados de polarización de salida son altamente sensibles a las perturbaciones externas, como las variaciones de temperatura, los cambios de tensión mecánica y las micro y macro-flexiones.

Para minimizar el acoplamiento de energía entre los dos modos de polarización ortogonales, la diferencia en sus constantes de propagación debe ser lo suficientemente grande. Esto se logra incorporando elementos adicionales en la cubierta de la fibra para aplicar tensión asimétrica al núcleo. Debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica de los materiales, se puede crear tensión unidireccional en el núcleo durante el proceso de estirado de la fibra. Según la forma de las partes que aplican tensión (SAP), las fibras PM se clasifican como tipos "Panda" o "Bowtie".

Es importante tener en cuenta que las fibras PM son esencialmente fibras altamente birrefringentes diseñadas para minimizar el acoplamiento entre los modos de polarización ortogonales. Sin embargo, para que una fibra PM mantenga el estado de polarización de una señal, la polarización de la señal de entrada debe alinearse con el eje lento o rápido de la fibra. De lo contrario, se excitarán ambos modos degenerados y, a pesar del acoplamiento de energía mínimo entre ellos, sus fases ópticas relativas aún se verán afectadas por las perturbaciones de la fibra, lo que impedirá que se mantenga el estado de polarización de salida.

Por lo tanto, al usar fibras PM en sistemas ópticos, es crucial una cuidadosa alineación del estado de polarización de la señal de entrada. De lo contrario, con respecto a la estabilidad de la polarización de salida, las fibras PM podrían funcionar peor que las fibras monomodo estándar. Otro desafío con las fibras PM es la dificultad para conectarlas y empalmarlas. Al unir dos fibras PM, sus ejes de birrefringencia deben estar perfectamente alineados. La desalineación causa los mismos problemas que la desalineación de la polarización de entrada. Los empalmadores de fibra PM, que proporcionan una rotación y alineación precisas del eje, pueden costar cinco veces más que los empalmadores de fibra convencionales debido a su complejidad.

La fibra de cristal fotónico (PCF), también conocida como fibra de banda prohibida fotónica, representa un tipo de fibra completamente nuevo con un mecanismo de guía de onda fundamentalmente diferente al de las fibras convencionales. La PCF generalmente presenta numerosos orificios de aire distribuidos periódicamente en su sección transversal, lo que le valió el apodo de fibra "holey". El mecanismo de guía de luz de la PCF se basa en los efectos de resonancia de Bragg en la dirección transversal de la fibra, lo que significa que sus ventanas de transmisión de baja pérdida dependen en gran medida del diseño de la estructura de la banda prohibida.

La PCF de área central grande permite la operación monomodo en una ventana de longitud de onda excepcionalmente amplia (por ejemplo, 750-1700 nm) mientras mantiene un área central grande. En comparación con la PCF de núcleo hueco, la PCF de área central grande ofrece ventanas de baja pérdida más amplias. Aunque su parámetro no lineal es menor que el de la SMF estándar, suele ser mucho más alto que el de la PCF de núcleo hueco.

La PCF altamente no lineal, con su sección transversal central sólida extremadamente pequeña, permite una densidad de potencia muy alta en el núcleo. Por ejemplo, una PCF altamente no lineal con una longitud de onda de dispersión cero en λ0 = 710 nm podría tener un diámetro central tan pequeño como 1,8 μm y un parámetro no lineal γ > 100 W−1 km−1—40 veces más alto que la SMF estándar. Este tipo de PCF se usa comúnmente en aplicaciones de procesamiento de señales ópticas no lineales como la amplificación paramétrica y la generación de supercontinuo.

La PCF de núcleo hueco guía las señales de luz a través de un núcleo de aire. A diferencia de las guías de onda convencionales que requieren materiales dieléctricos sólidos de alto índice de refracción, la estructura de banda prohibida fotónica de la PCF en la cubierta actúa como un espejo virtual que confina las ondas de luz que se propagan al núcleo de aire. En la mayoría de las PCF de núcleo hueco, más del 95% de la potencia óptica viaja a través del aire, minimizando la interacción entre la potencia de la señal y el material de vidrio. Dado que la no linealidad del aire es aproximadamente tres órdenes de magnitud menor que la de la sílice, la PCF de núcleo hueco puede exhibir una no linealidad extremadamente baja, lo que la hace adecuada para transmitir señales ópticas de alta potencia.

Sin embargo, la PCF enfrenta dos desafíos principales: ventanas de transmisión relativamente estrechas (particularmente para la PCF de núcleo hueco, típicamente alrededor de 200 nm) debido a los fuertes efectos de resonancia de las estructuras periódicas que confinan la energía de la señal en el núcleo de aire; y una atenuación relativamente alta causada principalmente por imperfecciones de fabricación que conducen a la rugosidad de la pared del orificio de aire. El área de la interfaz aire/vidrio en la PCF significa que incluso una rugosidad superficial menor puede causar pérdidas significativas por dispersión. En consecuencia, la PCF sigue siendo un tipo de fibra caro y de alta gama que se vende principalmente por metros en lugar de por kilómetros. Su fragilidad y dificultades de manejo, derivadas de los orificios de aire que complican el tratamiento de la superficie, la terminación, la conexión y el empalme, limitan aún más la adopción generalizada.

Recientemente, un tipo especial de PCF de núcleo hueco llamado fibra nodeless antiresonante anidada de núcleo hueco (HC-NANF) ha demostrado ser prometedor para la transmisión óptica de alta velocidad. La estructura central de la HC-NANF presenta seis pares de capilares de sílice anidados dispuestos alrededor de un núcleo de aire central. Este diseño anidado ayuda a empujar el campo del modo hacia la región central del núcleo de aire, reduciendo la interacción con el material de sílice y potencialmente reduciendo significativamente la atenuación. Con el diseño adecuado del grosor, el diámetro y la posición de los capilares, el ancho de banda de baja pérdida de la HC-NANF podría cubrir toda la ventana de longitud de onda de 1100-1600 nm. Las técnicas de fabricación mejoradas ya han reducido la atenuación de la HC-NANF a 0,28 dB/km. En última instancia, dado que el campo de luz se propaga en el núcleo de aire con una interacción mínima de sílice, las pérdidas intrínsecas podrían llegar a ser mucho menores que las de las fibras de núcleo sólido estándar si las técnicas de fabricación mejoran aún más.

Las fibras de núcleo hueco ofrecen beneficios adicionales: la no linealidad insignificante permite una mayor potencia de señal sin problemas de degradación no lineal, y las señales de luz se propagan aproximadamente un 30% más rápido que en las fibras de núcleo sólido estándar debido a la reducción del índice de refracción de n≈1,47 a n≈1, lo que ayuda a reducir la latencia de transmisión. Los experimentos de transmisión WDM de alta velocidad sugieren que la HC-NANF puede convertirse en una alternativa prometedora a la SMF actual para los sistemas y redes ópticas WDM.

La fibra óptica de plástico (POF) ofrece una alternativa de bajo costo que también es fácil de manejar. Los núcleos de POF suelen estar hechos de PMMA (polimetilmetacrilato), una resina común, mientras que la cubierta generalmente consiste en un polímero fluorado con un índice de refracción más bajo que el núcleo. Los diseños de sección transversal de POF son más flexibles que las fibras de sílice, lo que permite varios tamaños de núcleo y relaciones núcleo/cubierta. Por ejemplo, en las POF grandes, el 95% de la sección transversal puede ser el núcleo para la transmisión de luz.

La fabricación de POF no requiere el costoso proceso MOCVD esencial para las fibras a base de sílice, lo que contribuye a menores costos. Si bien las fibras de sílice dominan las telecomunicaciones, la POF encuentra aplicaciones cada vez mayores en áreas sensibles a los costos debido a su asequibilidad y flexibilidad. Los costos de conexión e instalación de POF son particularmente bajos, lo que la hace atractiva para aplicaciones de fibra hasta el hogar.

Sin embargo, la pérdida de transmisión de POF de aproximadamente 0,25 dB/m es casi tres órdenes de magnitud mayor que la de la fibra de sílice, lo que impide la transmisión óptica de larga distancia. La mayoría de las POF son multimodo, lo que las restringe a aplicaciones de baja velocidad y corta distancia, como redes domésticas, interconexiones ópticas, redes automotrices y soluciones de iluminación/instrumentación flexibles.