Hace veinte años se consideraba que la fibra óptica tenía una capacidad ilimitada para transferir información debido a que estos sistemas podían soportar altas tasas de transmisión. Sin embargo, debido a la alta demanda del uso de internet en las grandes ciudades, la cual incrementa 40% cada año, ha llegado al grado de requerir actualmente sistemas ópticos de comunicación con tasas de transmisión de datos del orden de 1 Tb/s, y si consideramos que dicha demanda sigue au­mentando en forma exponencial, pronto alcanzará el límite de transmisión de datos permitida por las fibras ópticas de 100 Tb/s, la cual es impuesta por las no linealidades de la fibra. Por tanto, se ha comenzado a vislumbrar la saturación de los sistemas basados en estos tipos de guías. A este hecho se le denominó Capacity Crunch. Con base en este problema, surgen muchas soluciones directas que consisten en aumen­tar el número de cableado de fibra óptica estándar de un solo núcleo, lo cual resulta demasiado costoso y complejo en cues­tión de infraestructura y poco viable en la actualidad, además de que no es una solución escalable que pueda ser utilizada en las siguientes dos décadas. En este punto es indispensa­ble generar nuevo conocimiento para rediseñar e innovar la infraestructura basada en fibra óptica e incrementar la capa­cidad de transmisión de datos hasta el orden de 1 Exabit/s. Lo anterior es una necesidad muy conocida por la comunidad técnica internacional.

En este contexto, se empezó a considerar fibras ópticas que posean varios núcleos (MCF: Multicore fibers), donde la información es transportada en cada núcleo de la fibra, uti­lizando en la mayoría de los casos núcleos similares y mo­nomodales con diámetros de 8 μm. Esto permitiría que en el caso de fibras ópticas con múltiples núcleos se pueda pro­pagar la misma cantidad de información transportada hasta ahora, pero multiplicada por la cantidad de núcleos que posea la fibra, tal como se observa en la figura 1. A esta modalidad se le conoce como multiplexado por división espacial (SDM: Spatial División Multiplexing). Sin embargo, se presenta un problema inherente usando esta modalidad, que consiste en el acoplamiento de la señal transmitida de un núcleo a otro, también conocido como crosstalk internúcleo. Dicho acopla­miento es generado por efectos lineales y no lineales dentro de la fibra óptica, las cuales dependen a su vez de perturba­ciones estructurales de la fibra como cambios de separación entre núcleos, cambios de birrefringencia y dispersión, entre otros, así como de perturbaciones externas como torsiones y curvaturas, y a los procesos no lineales a lo largo de la fibra.

La cantidad de información transferida a otros núcleos de la fibra puede ser predicha a través de los coeficientes de aco­plamiento lineal y no lineal, los cuales se obtienen resolviendo la ecuación de onda espacial para el perfil de la fibra óptica multinúcleo. Dicha ecuación de onda contiene términos linea­les y no lineales que al ser considerados en forma separada da origen a los acoplamientos lineales y no lineales antes men­cionados. En general, ambos tipos de acoplamiento siempre aparecerán en forma combinada, sin embargo, si se conside­ran bajas potencias de la señal óptica transmitida del orden de 1 mW, se podrán reducir los efectos no lineales de la fibra y minimizar los acoplamientos no lineales, predominando como consecuencia el acoplamiento lineal que es el tipo de acoplamiento más fácil de manipular.

De manera adicional, si los núcleos se encuentran muy se­parados entre sí con distancias mayores a 30 μm, ambos tipos de acoplamientos tendrán una magnitud reducida, producien­do menor transferencia de potencia lumínica entre los núcleos de la fibra y un menor mezclado de las señales transmitidas, lo cual puede ser corregido con un procesamiento de informa­ción posterior. Este acoplamiento o crosstalk entre núcleos también puede variar aleatoriamente a lo largo de la fibra. Dicho crosstalk debe ser mantenido en un rango de valores adecuados, principalmente cuando se diseñan fibras con mayor número de núcleos más cercanos entre sí, y mante­niendo un diámetro de fibra óptica en el revestimiento de125 μm. Lo anterior es de gran importancia, debido a que ello permitirá escalar la capacidad de transmisión de datos usando mayor número de núcleos en arreglos más compac­tos, y manteniendo diámetros de revestimiento dentro de valores estándar, pudiendo transportar mayor cantidad de información y facilitando a su vez la interconexión de estas fibras con equipos transmisores y receptores disponibles hoy en día. Sin embargo, al considerar núcleos más compac­tos, los acoplamientos lineales y no lineales se incrementan y producen mayor mezcla de la información transmitida, requiriendo como consecuencia un procesado de información posterior más complejo para recuperar la señal. Por tanto, el entendimiento de estos acoplamientos cuando los núcleos se encuentran muy cercanos entre sí, también conocido como régimen de acoplamiento fuerte, es un tema de gran interés en la actualidad debido a que con base a ello se podrán dise­ñar nuevos perfiles de fibras ópticas y establecer regímenes de operación que permitan manipular la transferencia de po­tencia entre núcleos y reducir el crosstalk a lo largo de 50 km de longitud de fibra, así como también incrementar su efecto para diseñar acopladores, switches y ruteadores WDM más eficien­tes, de mayor capacidad, con dimensiones más compactas, que son dispositivos altamente requeridos en redes de comunica­ción basados en estos tipos de fibras.

Por otro lado, las primeras fibras multinúcleo propuestas para su aplicación en SDM se desarrollaron dentro del régimen de acoplamiento débil, el cual solamente involucra efectos de acoplamiento lineal con bajas potencias de transmisión consi­derando núcleos muy separados entre sí con distancias mayo­res a 30 μm. Estas propuestas solamente se han realizado en el régimen monocromático, es decir, empleando una sola lon­gitud de onda a 1550 nm (un canal WDM). A pesar de ello, con estas propuestas se han obtenido resultados importantes para aumentar la capacidad de transmisión de datos. Algunas de estas propuestas ya han sido instaladas recientemente en am­bientes fuera de laboratorio para su monitoreo y control. De la misma manera, junto con estas propuestas, también se han desarrollado formalismos teóricos que han predicho fórmu­las para calcular la potencia acoplada o crosstalk internúcleo. Lo anterior permite proponer diseños que reducen la degra­dación de señales transmitidas en fibras ópticas multinúcleo ante diversas perturbaciones, y éstas han sido validadas nu­mérica y experimentalmente en el ámbito lineal.

La inclusión de un análisis espectral empleando diferen­tes longitudes de onda a través de señales WDM, con múltiples canales de transmisión considerando núcleos más compactos entre sí, es un siguiente paso relevante en el estudio y enten­dimiento del acoplamiento lineal y no lineal en fibras ópticas multinúcleo. Lo anterior se debe a que las señales WDM pre­sentan intercambio de energía entre sus canales a diferentes longitudes de onda, generando en forma simultánea, nuevas frecuencias debido a no linealidades como la modulación de fase cruzada, el mezclado de cuatro ondas y el esparcimiento Ramán y Brillouin, y se puede esperar que estos efectos no li­neales afecten el acoplamiento de señales WDM en estos tipos de fibras. Las primeras evidencias de estos efectos fueron des­critas por el grupo de Telecomunicaciones del Instituto de In­geniería¹. Con base en lo anterior, la inclusión de señales WDM, tal como se indica en la figura 2, permite obtener información más completa y detallada del impacto de las no linealidades en el acoplamiento presente en estos tipos de fibras.

Por otro lado, recientemente se empezó a proponer la com­binación de fibras ópticas multinúcleo y fibras ópticas multi­modales, donde cada núcleo de la fibra multinúcleo soporta al menos 6 modos de propagación, incrementando con ello, la ca­pacidad de transmisión de datos. Dichas estructuras han atraí­do gran interés debido a las nuevas propiedades que aún faltan por investigar en cuestión de acoplamientos internúcleo e in­termodal combinados y cómo las no linealidades antes men­cionadas afectan la propagación de señales WDM acopladas.

Referencias:

¹y ² D. E. Ceballos-Herrera, R. Gutiérrez-Castrejón, J. Álvarez-Chávez, Stimulated Raman Scattering and Four-Wave Mixing Effects on Crosstalk of Multicore Fibers, Vol. 30, No. 1, 2018.