Tecnología de 140 Mbit/s – 2,5 Gbit/s

140 Mbit/s – 622 Mbit/s

Hace aproximadamente 30 años, los transmisores y receptores ópticos se diseñaban y construían utilizando dispositivos discretos. Estos primeros dispositivos láser y módulos receptores pin-FET solían estar empaquetados en su propia carcasa. La función completa del transmisor o receptor óptico, que requería más que solo el láser o el receptor, se realizaba mediante una placa de circuito impreso (PCB), sobre la cual se colocaban el controlador láser, el amplificador del receptor y los circuitos de decisión mediante componentes no integrados.

El encapsulado láser solía contener un chip láser, un fotodiodo de monitorización integrado en la cara posterior para controlar la potencia de salida del láser y, en algunos casos (según el tipo de encapsulado), un enfriador termoeléctrico (TEC) y un cable flexible de fibra con lente de acoplamiento. Inicialmente, se disponía de dos tipos de encapsulado: encapsulados coaxiales voluminosos y el tipo DIL (Dual-In-Line) de 14 pines. Los encapsulados coaxiales no tenían refrigeración y existían numerosas versiones (no estandarizadas), cada una de las cuales requería un soporte y una interfaz eléctrica específicos del fabricante, y por lo tanto, montajes y cableado de PCB específicos del fabricante. En general, estos primeros encapsulados eran difíciles de manipular en un entorno de fabricación. El encapsulado DIL se convirtió en el estándar de facto para sistemas ópticos, ya que era más fácil de implementar en un entorno de fabricación general. Existían versiones DIL con y sin refrigeración. En las primeras implementaciones, se utilizaban TEC para controlar la temperatura del láser (principalmente a temperatura ambiente), mejorando así su fiabilidad. Desafortunadamente, los dispositivos TEC también eran el componente menos fiable de un encapsulado láser. Inicialmente, los láseres se utilizaban en aplicaciones de 850 nm y 1310 nm para velocidades de bits de hasta aproximadamente 1 Gbit/s. Los primeros chips láser eran de modo multilongitudinal (MLM) o Fabry Perot. Posteriormente, se comercializaron chips láser de retroalimentación distribuida (DFB) de 1550 nm, con un ancho espectral estrecho y útiles para distancias de hasta 80 km. Los láseres de 1550 nm se encapsularon inicialmente en una carcasa DIL para mejorar su estabilidad y su funcionamiento a alta potencia mediante el uso del TEC para su refrigeración.

Los primeros láseres para transmisión óptica operaban con potencias de salida ópticas acopladas a fibra de aproximadamente 1 mW o superiores. Posteriormente, se introdujeron láseres de baja potencia más modernos, que operan en la ventana de 1310 nm, con una potencia de alrededor de 0,1 mW, lo que permitió que el acoplamiento entre el chip láser y el pigtail de fibra fuera menos crítico. En este caso, se podía trabajar con tolerancias mecánicas mucho mayores que las de los dispositivos láser con altas potencias acopladas a fibra. Se reconoció que, cuando los láseres se fabrican en grandes cantidades, la mayor parte del costo reside en el acoplamiento óptico entre el láser y la fibra, así como en el encapsulado, y no en el propio chip láser. Por lo tanto, cualquier medida para aumentar el rendimiento del acoplamiento óptico o simplificar la fabricación resultó en un ahorro significativo de costos. La tendencia hacia el uso de láseres de menor potencia para ahorrar costos se refleja en la definición de las especificaciones de interfaz intraoficina/corto alcance y de corta distancia/alcance intermedio en la Recomendación G.957 de la UIT.

A principios de la década de 1990, surgió un estándar de facto para encapsulados de pigtail coaxial de menor tamaño. Este nuevo encapsulado, junto con un rendimiento mejorado de los dispositivos láser sin refrigeración, permitió la migración hacia el uso de transmisores sin refrigeración para casi todas las aplicaciones, con distancias de hasta 80 km y velocidades de bits de hasta 622 Mbit/s.

En el caso de los módulos receptores discretos, la evolución del encapsulado ha sido más lenta. En la mayoría de los casos, los dispositivos receptores requerían componentes semiconductores adicionales, como transistores de efecto de campo (FET) de GaAs o circuitos integrados de preamplificador, para obtener la sensibilidad estandarizada del receptor. Para los receptores, se han utilizado carcasas tanto DIL como coaxiales. Inicialmente, solo se comercializaban receptores de pin. Sin embargo, debido a la necesidad de mejorar la sensibilidad del receptor, se introdujeron en el mercado los receptores APD (fotodiodo de avalancha) y los estándares. Los receptores APD se utilizaron inicialmente para aplicaciones de 622 Mbit/s a 120 km. La tecnología de receptor PIN, de menor coste, ha sido adecuada para todas las aplicaciones con velocidades de bits de hasta 622 Mbit/s para distancias de hasta 80 km.

2,5 Gbit/s

Hace aproximadamente 25 años, se diseñaron las primeras interfaces ópticas de 2,5 Gbit/s y, con ello, se introdujeron varios desafíos nuevos relacionados con el rendimiento de alta frecuencia (HF) y la integridad de la señal a través del paquete.

A esta velocidad, se requerían aisladores ópticos dentro de los encapsulados láser para minimizar la influencia de la retrorreflexión desde la planta exterior hacia el chip láser, ya que esta podía causar errores de transmisión. Los encapsulados DIL tradicionales no eran adecuados a 2,5 Gbit/s debido a su limitado rendimiento en alta frecuencia (HF). Por ello, se introdujeron encapsulados "mariposa", que incorporaban circuitos de adaptación de impedancia para optimizar el rendimiento en alta frecuencia (HF). Para todas las aplicaciones de 2,5 Gbit/s, se requería tecnología de chip láser SLM o DFB para cumplir con los requisitos de dispersión de las diversas aplicaciones. Además, inicialmente también se utilizaron TEC para obtener un rendimiento láser estable.

A finales de la década de 1990, el rendimiento del láser DFB había mejorado tanto que era posible el funcionamiento sin refrigeración, y se introdujo la versión en miniatura del encapsulado mariposa, ya que ya no se necesitaba espacio para un TEC. Los encapsulados minimariposa se utilizaron inicialmente para aplicaciones de 1310 nm y posteriormente también para aplicaciones de 1550 nm.

Cuando se introdujeron las primeras aplicaciones DWDM de 2,5 Gbit/s a principios de la década de 1990, la modulación láser directa ya no era adecuada para la transmisión a distancias superiores a 80 km. En su lugar, se requirió modulación externa para minimizar el efecto del chirrido del láser, lo que permitió distancias de transmisión muy superiores a 80 km. El láser y el modulador externo se integraron finalmente en un único encapsulado, conocido como láser de modulación externa (EML), y posteriormente el dispositivo se integró en un único chip. El dispositivo EML de un solo chip consta de una sección láser, que opera en modo de onda continua (CW), y una sección moduladora de electroabsorción, en la que se modula la luz emitida por la sección láser. Se tuvo que desarrollar una nueva gama de circuitos integrados (CI) de controlador EML, ya que los EML funcionan en modo "inverso": no se emite luz cuando se aplica corriente, lo que contrasta con los chips láser convencionales, donde la luz se emite cuando se aplica corriente al láser. En las primeras aplicaciones DWDM de 2,5 Gbit/s, con espaciamientos de canal de 100 GHz (0,8 nm) o superiores, la deriva de la frecuencia EML no era lo suficientemente significativa como para causar problemas en el enlace óptico. Sin embargo, para espaciamientos de canal más estrechos, se requirieron bloqueadores de longitud de onda para lograr la estabilidad de frecuencia requerida y minimizar la deriva de la longitud de onda del láser.

Los 2,5 Gbit/s se implementaron inicialmente en tramos de larga distancia/alcance de 40 a 80 km. El presupuesto de enlace de estos tramos requería el uso de un receptor muy sensible, por lo que inicialmente se implementaron receptores APD. Para mantener la integridad de la señal de alta frecuencia, los cables eléctricos que salían del encapsulado del receptor debían tener un número mínimo de discontinuidades. Debido a esto, los cables eléctricos se orientaban típicamente paralelos al eje del encapsulado cilíndrico. A 2,5 Gbit/s, se requirió la integración de la electrónica del (pre)amplificador dentro del encapsulado del receptor para lograr el rendimiento requerido. Posteriormente, una vez que los sistemas de 2,5 Gbit/s se implementaron en aplicaciones de corta distancia/alcance intermedio y dentro de la oficina/corto alcance, se introdujeron los dispositivos receptores de tipo pin de menor costo, empleando los mismos conceptos de encapsulado que para los receptores de tipo APS.

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