Translation glossary: Optical fiber

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Automodulación de fase (self-phase modulation, SPM) y modulación de fase cruzada (cross-phase modulation, XPM):

Estos efectos no lineales se caracterizan por una modulación de fase de la señal óptica inducida por la potencia óptica de la propia señal (SPM) o de otra portadora óptica o canal vecino (XPM). Se estudian principalmente en fibras ópticas monomodo. La eficiencia del XPM es el doble que en el caso del SPM. Los fenómenos de SPM y XPM en fibras estándar se producen debido a la existencia de una componente del índice de refracción dependiente de la intensidad de las señales ópticas (efecto Kerr). En el caso del sílice se tiene un valor para este coeficiente de refracción no lineal de 3e-16 cm^2/W. A pesar de su reducido valor, las elevadas longitudes de interacción típicas de los enlaces ópticos magnifican estos efectos no lineales. Estos efectos no lineales resultan especialmente perjudiciales en combinación con la dispersión cromática de la fibra, ya que esta última convierte las variaciones de fase en variaciones de intensidad que limitan las prestaciones del sistema a la salida del fotorreceptor. Para evitar estas degradaciones puede emplearse la técnica de inversión espectral, conocida también habitualmente como OPC (optical phase conjugation) y que consiste en situar un elemento conjugador óptico en mitad del enlace de fibra. Bajo ciertas condiciones de diseño, se pueden compensar los efectos conjuntos de dispersión y SPM.

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Este proceso no lineal se caracteriza por batidos de tercer orden entre las portadoras ópticas que dan lugar a la aparición de nuevas frecuencias a la salida del dispositivo, típicamente fibras ópticas o amplificadores de semiconductor. Considerando que se propagan dos portadoras a frecuencias ópticas f1 y f2 por una misma fibra, el proceso no lineal generará dos nuevas bandas laterales a frecuencias 2f1 - f2 y 2f2 - f1. Estas bandas laterales se propagarán junto con las dos ondas iniciales aumentando su amplitud a expensas de la energía de las originales. De forma similar, tres canales propagándose por la fibra darán lugar a la generación de nueve ondas adicionales a frecuencias fi + fj - fk, donde i, j y k pueden ser 1, 2 ó 3. Si los canales se encuentran igualmente espaciados, algunas de las nuevas ondas generadas tendrán frecuencias coincidentes con las de los canales inyectados en la fibra. Los efectos inmediatos serán una atenuación adicional de la potencia de los canales y fenómenos de diafonía. La eficiencia del proceso no lineal de FWM depende del espaciado de los canales y de la dispersión de la fibra. Las velocidades de grupo de las ondas iniciales y generadas son distintas como consecuencia de la dispersión cromática. Esto provoca la destrucción de la condición de adaptación de fases del proceso de FWM y reduce la eficiencia de potencia en la generación de nuevas ondas. La eficiencia del FWM decrece cuando aumenta la diferencia entre las velocidades de grupo, por lo que valores de dispersión o separaciones entre canales mayores conducen a menores eficiencias. Por este motivo, el FWM es bastante más eficiente en fibras de dispersión desplazada (D = 1 ps/km·nm) que en fibras estándar operando a 1550 nm (D = 17 ps/km·nm). En general, los efectos no lineales son mucho más eficientes en regiones de dispersión nula. Precisamente por ello, para la construcción de conjugadores ópticos basados en FWM suelen utilizarse esquemas de amplificador de semiconductor o de fibra de dispersión desplazada. Evidentemente, a mayor potencia de bombeo se consigue una mejor eficiencia del FWM. Un método para reducir las degradaciones introducidas por el FWM en sistemas multicanal WDM consiste en emplear fibras dispersivas para conseguir aumentar la desadaptación de fases del proceso no lineal. Sin embargo, dado que valores elevados de dispersión cromática conducen a otro tipo de degradaciones, suelen emplearse las llamadas NZDSFs (nearly zero dispersion-shifted fibres). Este tipo de fibras se caracterizan por valores de dispersión suficientemente reducidos, pero no nulos, para evitar simultáneamente los efectos dispersivos y no lineales.

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Automodulación de fase (self-phase modulation, SPM) y modulación de fase cruzada (cross-phase modulation, XPM):

Estos efectos no lineales se caracterizan por una modulación de fase de la señal óptica inducida por la potencia óptica de la propia señal (SPM) o de otra portadora óptica o canal vecino (XPM). Se estudian principalmente en fibras ópticas monomodo. La eficiencia del XPM es el doble que en el caso del SPM. Los fenómenos de SPM y XPM en fibras estándar se producen debido a la existencia de una componente del índice de refracción dependiente de la intensidad de las señales ópticas (efecto Kerr). En el caso del sílice se tiene un valor para este coeficiente de refracción no lineal de 3e-16 cm^2/W. A pesar de su reducido valor, las elevadas longitudes de interacción típicas de los enlaces ópticos magnifican estos efectos no lineales. Estos efectos no lineales resultan especialmente perjudiciales en combinación con la dispersión cromática de la fibra, ya que esta última convierte las variaciones de fase en variaciones de intensidad que limitan las prestaciones del sistema a la salida del fotorreceptor. Para evitar estas degradaciones puede emplearse la técnica de inversión espectral, conocida también habitualmente como OPC (optical phase conjugation) y que consiste en situar un elemento conjugador óptico en mitad del enlace de fibra. Bajo ciertas condiciones de diseño, se pueden compensar los efectos conjuntos de dispersión y SPM.

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Este proceso no lineal es similar al SRS, salvo que el SBS depende de ondas sonoras en lugar de vibraciones moleculares. En este aspecto, ambos procesos involucran tres ondas según las cuales la onda óptica incidente (bombeo) se convierte en una onda de Stokes de mayor longitud de onda por medio de la excitación de una vibración molecular (SRS) o de un fonón acústico (SBS). No obstante, existen importantes diferencias entre el SBS y el SRS que conducen a consecuencias distintas en el sistema de comunicaciones ópticas. En primer lugar, el valor de pico del coeficiente de ganancia en fibras ópticas monomodo es dos órdenes de magnitud superior (4e-9 cm/W) que el coeficiente de ganancia para el SRS y aproximadamente independiente de la longitud de onda. Como consecuencia de ello, bajo determinadas condiciones el SBS será el proceso no lineal dominante. En segundo lugar, el ancho de banda de ganancia óptica del SRS es del orden de 6 THz. Por lo tanto, no existe prácticamente reducción en la ganancia Raman para láseres de bombeo de gran ancho de línea. El ancho de banda del SBS en fibras de sílice, por otro lado, es de unos 20-100 MHz a 1550 nm y varía inversamente proporcional al cuadrado de la longitud de onda. En este caso, la máxima ganancia del SBS se producirá para láseres con anchos de línea inferiores a 20 MHz. Adicionalmente y a diferencia del SRS, el cual puede actuar en ambas direcciones, el SBS se produce únicamente en la dirección de propagación opuesta a la del bombeo, generando una onda reflejada hacia el transmisor y provocando la atenuación de la potencia óptica inyectada. En el caso de fibras estándar operando a 1550 nm la onda dispersada se encuentra desplazada con respecto a la onda incidente una frecuencia de unos 11 GHz. Con respecto al nivel de potencia óptica crítico para el cual el SBS degrada la calidad del sistema, éste se encuentra en torno a los 5-10 mW para una longitud efectiva de unos 25 km. En sistemas multicanal WDM puede demostrarse que cada canal óptico interactúa con la fibra independientemente de los otros, por lo que la potencia crítica se mantiene constante aumentando el número de canales del sistema. Por último, conviene indicar que el SBS es bastante sensible al formato de modulación empleado. Velocidades de modulación elevadas producen espectros ópticos anchos y una reducción de la amplificación estimulada por Brillouin. De este modo, el empleo de modulaciones PSK permite reducciones mayores que utilizando modulaciones ASK o FSK. Por ello, para aumentar el nivel de potencia crítico del SBS en sistemas modulados en intensidad suelen utilizarse técnicas de modulación de fase de la portadora óptica que no afectan al proceso de detección directa. Un efecto beneficioso se obtendría empleando modulación directa frente a modulación externa debido precisamente al chirp de frecuencia introducido en el transmisor óptico que provoca un ensanchamiento del espectro de modulación.

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La dispersión de Raman se refiere a la interacción que sufren las ondas ópticas con las vibraciones moleculares del material. Las ondas incidentes se dispersan al chocar con las moléculas y experimentan una reducción de su frecuencia óptica. Este desplazamiento de frecuencia coincide precisamente con la frecuencia de vibración de las moléculas (llamada frecuencia de Stokes). Una cuestión a tener en cuenta se produce cuando se inyectan simultáneamente dos ondas ópticas separadas por la frecuencia de Stokes en un medio Raman activo. En este caso, la onda de menor frecuencia experimentará una ganancia óptica generada por, y a expensas, de la onda de mayor frecuencia (bombeo). Este proceso de ganancia se conoce como dispersión estimulada de Raman (SRS) y constituye la base para la fabricación de los amplificadores ópticos de Raman. La eficiencia del proceso no lineal es directamente proporcional a la potencia de bombeo, la longitud efectiva de la fibra y un coeficiente de ganancia que depende del material, e inversamente proporcional al área efectiva de la fibra. El coeficiente de ganancia de Raman crece de forma aproximadamente lineal hasta una separación entre portadoras de unos 15 THz. Para una longitud de onda de 1550 nm, el coeficiente de ganancia Raman posee un valor máximo en torno a 7e-12 cm/W. En el caso de un sistema óptico monoportadora puede generarse dispersión espontánea de Raman que posteriormente sea amplificada. No obstante, para que se produzca una degradación significativa son necesarias potencias ópticas del orden de 1 W. En cambio, en sistemas WDM la situación es bastante diferente, dado que ahora existen multitud de canales y las señales situadas a longitudes de onda superiores serán amplificadas por los canales situados a longitudes de onda inferiores. En la región de 1550 nm, el perfil de ganancia Raman del sílice acoplará canales separados hasta 100 nm, por lo que la degradación se producirá para potencias ópticas bastante inferiores. Para unos cuantos canales, el límite de potencia decrece como 1/N debido a que el espectro Raman es bastante ancho y las potencias de todos los canales contribuyen al proceso de SRS. Conforme se añaden más canales, el ancho de banda óptico ocupado aumenta y las interacciones entre canales resultan más significativas, decreciendo el límite de potencia óptica como 1/N^2. Recientes estudios teóricos y experimentales han demostrado que en un sistema WDM el SRS conduce a una distribución de potencia exponencial en los canales que aumenta con la distancia.

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