Transmisión Optica de Datos

 Transmisores de Datos Ópticos.

Características, Tecnologías, Protocolos y Aplicaciones Industriales

Resumen General

Transmisión Optica

Los transmisores de datos ópticos, comúnmente integrados en dispositivos conocidos como transceptores ópticos, constituyen la columna vertebral de la infraestructura de comunicación moderna. Estos dispositivos son fundamentales para la conversión bidireccional de señales eléctricas a ópticas y viceversa, permitiendo la transmisión de información a través de fibras de vidrio a velocidades y distancias inalcanzables para las tecnologías basadas en cobre.

La inherente capacidad de la luz para viajar a una velocidad sin igual, su inmunidad a las interferencias electromagnéticas y su mínima atenuación de la señal confieren a la transmisión óptica ventajas decisivas en términos de ancho de banda, seguridad y latencia.

El presente informe detalla las características técnicas esenciales de estos transceptores, examinando parámetros críticos como la velocidad de datos, la longitud de onda de operación, la potencia de salida del transmisor y la sensibilidad del receptor. Se exploran las distinciones fundamentales entre las fibras monomodo y multimodo, así como la gestión de fenómenos como la dispersión y la atenuación. Asimismo, se profundiza en las tecnologías subyacentes, incluyendo las fuentes de luz (LED, VCSEL, DFB) y los fotodetectores (PN, PIN, APD), y se analiza el papel crucial de las técnicas de multiplexación, como la WDM y DWDM, y los amplificadores ópticos. El informe también aborda los protocolos de comunicación estandarizados que rigen estas redes, tales como SONET, SDH, Ethernet óptico y Fibre Channel, destacando sus particularidades y requisitos de interoperabilidad. Finalmente, se ilustra el impacto transformador de los transceptores ópticos en diversas aplicaciones industriales, desde las telecomunicaciones y los centros de datos hasta la automatización industrial y los equipos médicos, y se proyectan las tendencias futuras, con un énfasis particular en la tecnología Co-packaged Optics (CPO) como la próxima frontera en la eficiencia y capacidad de las interconexiones ópticas.

1. Introducción a los Transmisores de Datos Ópticos

La era digital actual se define por la necesidad imperante de mover vastas cantidades de información de manera rápida, segura y fiable. En este contexto, los transmisores de datos ópticos emergen como componentes esenciales, revolucionando la forma en que la información se propaga a través de redes globales.

1.1. Definición y Principios Fundamentales de la Transmisión Óptica

Un transceptor óptico es un dispositivo que cumple la doble función de transmitir y recibir una señal óptica, convirtiéndola desde y hacia una señal eléctrica. El componente central en la sección de transmisión es a menudo un láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL), que transforma una señal eléctrica en una señal óptica antes de su envío a través de una fibra de vidrio.

Transceptor Optico

El proceso de comunicación mediante fibra óptica implica una serie de pasos secuenciales. Primero, se crea la señal óptica utilizando un transmisor. Luego, esta señal se transmite a lo largo de la fibra, con la garantía de que no se debilite ni se distorsione excesivamente. La luz viaja a través del núcleo de la fibra rebotando en el revestimiento mediante un fenómeno conocido como reflexión interna total. Finalmente, la señal es recibida y convertida de nuevo en una señal eléctrica. La información transportada es típicamente digital, generada por computadoras, sistemas de telefonía digital y compañías de cable. La luz, en su forma de ondas electromagnéticas viajeras, es modulada para codificar y transmitir esta información.

Ventajas Inherentes sobre la Transmisión Eléctrica

La adopción generalizada de la transmisión óptica se debe a sus ventajas fundamentales sobre los métodos tradicionales basados en cobre, las cuales se derivan directamente de las propiedades físicas de la luz:

• Velocidad Inigualable: Los transceptores ópticos transmiten datos utilizando luz, que se propaga a una velocidad aproximada de 299.792.458 metros por segundo. Esta característica proporciona una ventaja significativa sobre las soluciones de cobre, permitiendo la transferencia rápida de grandes volúmenes de datos en fracciones de segundo. Esta celeridad es crucial para el monitoreo y control en tiempo real en sistemas de automatización industrial.
• Inmunidad a Interferencia Electromagnética (EMI): A diferencia de los cables de cobre, la fibra óptica no se ve afectada por las interferencias electromagnéticas. Esta fiabilidad es esencial en entornos industriales donde la maquinaria puede generar un ruido eléctrico considerable, garantizando una conexión más estable y fiable.
• Menor Atenuación y Pérdida de Señal: Los cables de fibra óptica experimentan una atenuación y pérdida de señal significativamente menores en comparación con los cables de cobre, lo que facilita la transmisión eficiente de datos a lo largo de grandes distancias. De hecho, la fibra óptica requiere hasta 30 veces menos repetidores que el cable coaxial y presenta una atenuación hasta 100 veces menor.
• Mayor Capacidad de Ancho de Banda: Las fibras ópticas pueden transportar información a velocidades de hasta 14 terabits por segundo (Tbps) a lo largo de más de 160 kilómetros. A través de un solo hilo de fibra óptica, es posible enviar millones de bits por segundo (bps) y acceder a múltiples servicios de manera simultánea con alta velocidad y calidad.
• Larga Distancia: Los transceptores ópticos son capaces de transmitir datos a distancias mucho mayores que las alternativas basadas en cobre. Esta capacidad es fundamental para conectar ubicaciones remotas, enlazar centros de datos y establecer vínculos de comunicación entre países y continentes.
• Seguridad Mejorada: Dado que los cables de fibra óptica no emiten señales eléctricas, son menos susceptibles al espionaje y las interceptaciones, lo que aumenta la seguridad de las comunicaciones. El acceso no autorizado a los cables de fibra óptica es intrínsecamente más difícil de detectar.
• Menor Latencia: La transmisión óptica presenta una latencia inferior a la de las alternativas tradicionales, un factor crucial para industrias que requieren datos en tiempo real, como las finanzas, la atención médica y los videojuegos en línea.
• Tamaño y Peso: Los cables de fibra óptica son más delgados y ligeros que los de cobre, lo que simplifica su instalación y reduce los costos de infraestructura.

Ingeniería de Redes

La preeminencia de la transmisión óptica se basa en una transformación fundamental de la ingeniería de redes. Las limitaciones físicas del cobre, como su susceptibilidad a la interferencia y la degradación de la señal con la distancia, han impulsado una migración hacia la óptica. Esta transición no representa una mejora incremental, sino un cambio de paradigma impulsado por la necesidad de un rendimiento superior en aplicaciones intensivas en datos. La capacidad inherente de la luz para superar estas barreras físicas ha posicionado a la fibra óptica como el medio dominante para la comunicación de alta velocidad, lo que a su vez impulsa una continua innovación en componentes ópticos y una inversión estratégica en infraestructura.

1.2. Componentes Clave de un Transceptor Óptico

Un transceptor óptico funciona como una unidad integrada que combina las funciones de un transmisor y un receptor, permitiendo el envío y la recepción de datos a través de cables de fibra óptica. Esta integración es fundamental para la eficiencia del enlace óptico.

• Transmisor (Fuente de Luz): La función principal del transmisor es convertir las señales eléctricas en señales ópticas. Para ello, utiliza una fuente de luz, que generalmente es un diodo láser (LD) o un diodo emisor de luz (LED). Como se mencionó, el VCSEL es un tipo de láser comúnmente empleado en esta sección de transmisión.

Fuente de Luz

• Receptor (Fotodetector): En el extremo opuesto del enlace, el receptor se encarga de convertir las señales ópticas de nuevo en señales eléctricas. Esta conversión se realiza mediante un fotodetector, como un fotodiodo.

Receptor

Interfaz Óptica: Este componente vital conecta el transceptor a la red de fibra óptica. Su función es alinear y acoplar las señales luminosas con las fibras de manera precisa, minimizando la pérdida de energía y la dispersión de la señal, y así preservar su integridad. Los transceptores suelen contar con una "interfaz" física que se vincula con la fibra óptica a través de un conector estandarizado

Interfaz

La eficiencia de un enlace óptico depende de la integración y el rendimiento armonioso de estos tres elementos. Un cuello de botella en cualquiera de ellos puede degradar el rendimiento general del sistema. Por ejemplo, un transmisor potente con una interfaz mal alineada, o un receptor sensible que recibe una señal distorsionada en la interfaz, no logrará un rendimiento óptimo. Esto subraya la necesidad de un enfoque de diseño a nivel de sistema en la ingeniería óptica, donde la optimización de un componente debe considerar su interacción con el resto del sistema. Esta interconexión impulsa el desarrollo de soluciones cada vez más integradas, como la óptica coempaquetada (CPO), que buscan minimizar las pérdidas y maximizar la eficiencia al acercar físicamente estos componentes.

2. Características Técnicas Detalladas de los Transceptores Ópticos

Los transceptores ópticos se definen por una serie de parámetros técnicos críticos que determinan su rendimiento y su idoneidad para diversas aplicaciones.

2.1. Parámetros de Rendimiento Críticos

Velocidad de Datos (Gbps, Tbps) y su Evolución

Las interfaces ópticas se clasifican en Single Channel y Multi Channel, y la velocidad de datos que pueden soportar varía significativamente según el tipo de fibra utilizada (multimodo o monomodo).

• Fibra Multimodo (MMF):
• Para interfaces Single Channel, las velocidades van desde 1 Gbps (como en 1000baseSx o 100-Mx-Sx) hasta 10 Gbps (10GBaseSR). El alcance máximo con modulación de intensidad (DD-IM) es del orden de 10 Gbps para distancias dentro de un edificio, siendo la dispersión modal el principal factor limitante.
• Para interfaces Multi Channel, las velocidades comienzan en 40 Gbps (40GBaseSR4) y 100 Gbps (100GBaseSR4, 100GBaseSR10). Para alcanzar estas altas velocidades, la interfaz se divide físicamente en "Canales" paralelos que operan a velocidades menores. Cada canal tiene su propio diodo emisor/receptor, y la velocidad de cada canal es el resultado de dividir la velocidad total de la interfaz por el número de canales.
• Por ejemplo, una interfaz: 40GBaseSR4 utiliza 4 pares de fibras Tx-Rx, donde cada par opera a 10 Gbps. Una interfaz 100GBaseSR4 utiliza 4 pares a 25 Gbps cada uno, o 10 pares (100GBaseSR10) a 10 Gbps cada uno.
• Fibra Monomodo (SMF):
• Para interfaces Single Channel, las velocidades oscilan entre 1 Gbps (1000baseLx, 100-SM-x) y 40 Gbps (40GBaseLR4). Con modulación de intensidad (DD-IM), el alcance máximo es de aproximadamente 40 Gbps para distancias dentro de una ciudad, del orden de decenas de kilómetros. Los principales factores limitantes en este caso son la dispersión cromática y el retardo de grupo diferencial (DGD).
• Para interfaces Multi Channel, las velocidades inician en 100 Gbps (100GBaseLR4, 100GBaseER4). Para velocidades superiores a 40 Gbps, la interfaz se divide en distintas portadoras de frecuencia (o longitudes de onda). Cada canal de la interfaz posee un diodo emisor/receptor con una frecuencia específica en el mismo par de fibras.
• Un ejemplo es la interfaz, 100GBaseLR4, que emplea 4 portadoras Tx-Rx, cada una a 25 Gbps.

La comunicación digital, generada por computadoras, sistemas de telefonía y compañías de cable, es la principal información transmitida y requiere estas elevadas tasas de datos.

Longitud de Onda y su Importancia en la Transmisión

La longitud de onda óptica es un factor determinante del ancho de banda y la calidad de la transmisión. Típicamente, las longitudes de onda de bombeo para amplificadores ópticos son 980 nm o 1480 nm.

La información se transmite utilizando señales de luz dentro de la banda infrarroja del espectro electromagnético, que abarca longitudes de onda de 1 mm a 750 nm. Aunque las frecuencias se identifican a menudo por su longitud de onda, la frecuencia ofrece una identificación más precisa. Los fotodiodos de silicio, por ejemplo, son sensibles en el rango de 400 nm a 1100 nm, con su máxima sensibilidad alrededor de los 880 nm (infrarrojos).

Potencia de Salida del Transmisor (PTx) y Sensibilidad del Receptor (PRx)

• Potencia de Salida (PTx): Se mide en decibelios-milivatios (dBm). Para interfaces Single Channel, se especifican valores de potencia de salida mínima (PTxmin​) y máxima (PTxmax​). En el caso de interfaces Multi Channel, se detallan la potencia de salida mínima (PTxmin_channel​) y máxima (PTxmax_channel​) por canal. La potencia total máxima se puede calcular como PTxmax_tot​=PTxmax_channel​+10logN, donde N es el número de canales.
• Sensibilidad del Receptor (PRx): También se expresa en dBm. La "Sensibilidad Mínima" (PRxmin​ para Single Channel, PRxmin_channel​ para Multi Channel) representa la potencia mínima que el receptor puede tolerar en su entrada sin generar alarmas, garantizando al mismo tiempo la tasa de error de bit (BER) definida en las especificaciones. Una menor sensibilidad del receptor indica una mejor capacidad para recibir la señal. Además, se define la potencia máxima que la interfaz del receptor puede soportar sin saturarse y cumpliendo con la BER.

Relación Señal/Ruido (SNR) y Tasa de Error de Bit (BER)

• Relación Señal/Ruido (SNR): Es la relación entre la señal y el ruido. Para mejorar la SNR, la única manera es aumentar la intensidad de la luz detectada, ya que cualquier amplificador utilizado a la salida del fotodiodo amplificará también el ruido.
• Tasa de Error de Bit (BER): Es una métrica de rendimiento crítica. La sensibilidad del receptor se define en función de la consecución de una BER específica. El rechazo de frecuencias espurias en un receptor se expresa por la diferencia de niveles entre la señal interferente y la señal útil hasta que la BER es del 2%. Las fuentes de ruido en los fotodiodos incluyen el ruido térmico (Johnson-Nyquist), el ruido de disparo (asociado a las fluctuaciones discretas de los portadores de carga) y el ruido 1/f (relevante a bajas frecuencias). El ruido total es la suma de todas estas fuentes, predominando la de mayor valor.

La interdependencia entre la velocidad, la distancia y el tipo de fibra es un elemento central en el diseño de redes ópticas. La fibra multimodo, si bien es adecuada para distancias cortas debido a la dispersión modal, se ve limitada en aplicaciones de alta velocidad y largo alcance. Por el contrario, la fibra monomodo, al mitigar la dispersión modal, permite distancias significativamente mayores y velocidades agregadas más altas, aunque la dispersión cromática y el DGD se convierten en los principales factores limitantes. Esta distinción subraya que la selección del tipo de fibra no es arbitraria, sino una decisión de ingeniería crítica que moldea la arquitectura y el alcance de la red. A medida que la demanda de ancho de banda continúa creciendo, se observa una tendencia hacia la fibra monomodo y el desarrollo de técnicas de modulación avanzadas para superar sus limitaciones inherentes.

Otro aspecto fundamental es el "presupuesto de potencia" del enlace óptico. La potencia de salida del transmisor y la sensibilidad del receptor, junto con todas las pérdidas del enlace (atenuación, conectores, empalmes, penalizaciones por dispersión), deben garantizar un margen positivo para una comunicación fiable. La mejora de la sensibilidad del receptor o el aumento de la potencia de salida del transmisor pueden extender la distancia del enlace o tolerar mayores pérdidas. Sin embargo, el aumento de la potencia de transmisión puede introducir efectos no lineales en la fibra, y la mejora de la sensibilidad del receptor a menudo conlleva un aumento de costos o complejidad. Esto impulsa la investigación y el desarrollo continuos de componentes optoelectrónicos más eficientes y sensibles, así como de técnicas avanzadas de procesamiento de señales para expandir los límites del presupuesto de potencia.

2.2. Tipos de Fibra Óptica: Monomodo (SMF) vs. Multimodo (MMF)

Los cables de fibra óptica están estructurados en tres capas principales: el núcleo, el revestimiento y la cubierta protectora. El núcleo y el revestimiento son cilindros concéntricos con índices de refracción diferentes, siendo el del revestimiento inferior al del núcleo. Esta diferencia es fundamental para el principio de reflexión interna total.

Fibra Optica

• Fibra Multimodo (MMF):
• Posee un núcleo de mayor diámetro, típicamente entre 50 y 60 micras (μm).
• Permite la transmisión simultánea de múltiples señales de luz (modos), cada una siguiendo un camino ligeramente distinto.
• Aunque facilita tasas de transferencia de datos elevadas en distancias cortas, la propagación de múltiples modos puede causar degradación de la señal a lo largo de mayores distancias debido a la dispersión modal, donde los diferentes caminos de luz llegan al receptor en momentos ligeramente distintos.
• Se utiliza para aplicaciones de corta distancia, generalmente hasta 2 kilómetros, siendo muy adecuada para soluciones empresariales y campus universitarios.
• Los transmisores asociados suelen emplear diodos LED, que son más económicos.
• Existen diferentes tipos de MMF, como OM1, OM2, OM3, OM4 y OM5. Las fibras OM3 y OM4 son comunes para la conectividad de corto alcance en centros de datos, especialmente en redes Fibre Channel, cubriendo distancias de hasta 100-150 metros.
• Fibra Monomodo (SMF):
• Caracterizada por un núcleo mucho más pequeño, de 8-10 micras (μm).
• Requiere componentes más costosos y métodos de interconexión más precisos debido a su diminuto núcleo.
• Está diseñada para transmitir un único modo de luz, lo que resulta en una señal luminosa más coherente y potente.
• Es la opción ideal para enlaces de larga distancia y velocidades superiores, como cables submarinos o redes troncales.
• Dependiendo de la tecnología implementada, puede alcanzar distancias de miles de kilómetros y transmitir terabits de información.
• Permite enlaces de mayor rendimiento, incrementando tanto la tasa de transferencia como la distancia.

La selección entre fibra multimodo y monomodo representa un equilibrio fundamental entre costo, rendimiento y distancia en la ingeniería de redes. La fibra multimodo es una opción más económica y sencilla de implementar para distancias cortas, mientras que la fibra monomodo ofrece un rendimiento superior para aplicaciones de largo alcance y alta velocidad, aunque a un costo más elevado y con requisitos de instalación más estrictos. Esta distinción implica que los diseñadores de redes deben evaluar cuidadosamente las necesidades específicas de cada enlace, lo que a menudo resulta en la implementación de ambos tipos de fibra dentro de una misma red, utilizando MMF para conexiones intra-rack o intra-edificio y SMF para enlaces inter-edificios, metropolitanos y de larga distancia. La creciente demanda de velocidades más altas y mayores alcances en las redes troncales y centros de datos favorece cada vez más a la fibra monomodo, impulsando la investigación para optimizar su rendimiento (por ejemplo, fibras de ultra baja pérdida) y reducir los costos de sus componentes y técnicas de instalación.

2.3. Dispersión y Atenuación

En la transmisión óptica, dos fenómenos principales pueden degradar la señal a medida que viaja a través de la fibra: la atenuación y la dispersión.

• Atenuación: Se refiere a la pérdida de fuerza de la señal luminosa a medida que se propaga a lo largo de la distancia. Las fibras ópticas presentan una atenuación significativamente menor en comparación con los cables de cobre, lo que permite una transmisión de datos eficiente a lo largo de grandes distancias. De hecho, la atenuación en la fibra óptica puede ser hasta 100 veces menor que en el cable coaxial.
• Dispersión: Es el fenómeno por el cual los pulsos de luz se ensanchan o se "dispersan" a medida que viajan a través de la fibra. Esto puede provocar una superposición de pulsos adyacentes, conocida como interferencia intersímbolo (ISI), lo que dificulta la distinción de los bits individuales en el receptor y degrada la señal. Existen varios tipos de dispersión:
• Dispersión Modal: Ocurre principalmente en fibras multimodo. Se debe a que los diferentes caminos (modos) que toma la luz dentro del núcleo de la fibra tienen longitudes ligeramente distintas, lo que hace que los pulsos de luz lleguen al receptor en momentos diferentes y se ensanchen. Es un factor limitante primario para la MMF a velocidades más altas.
• Dispersión Cromática (CD): Afecta tanto a las fibras multimodo como a las monomodo, pero es un factor limitante clave en SMF a velocidades y distancias mayores. Se produce porque las diferentes longitudes de onda que componen un pulso de luz viajan a velocidades ligeramente distintas dentro de la fibra. Se define como la máxima dispersión cromática (en ps/nm) que provoca una degradación de 1 dB en la sensibilidad del receptor.
• Dispersión de Modo de Polarización (DGD - Differential Group Delay): También es un factor limitante importante en SMF a altas velocidades y largas distancias. Se debe a que los dos modos de polarización ortogonales de la luz pueden viajar a velocidades ligeramente diferentes en la fibra. Se define como el máximo retardo de grupo diferencial (en picosegundos, ps) aportado por la fibra que provoca una degradación de1 dB en la sensibilidad del receptor.
• Máxima Penalidad de Trayecto Óptico (Max_PathPenalty): Indica la máxima degradación (en dB) de la sensibilidad de un receptor debido a los efectos combinados de la dispersión cromática y la dispersión de modo de polarización.

Mientras que la atenuación representa una pérdida directa de potencia de la señal, la dispersión es una forma más compleja de degradación que distorsiona la forma de la señal, lo que la hace más difícil de interpretar por el receptor, especialmente a altas velocidades donde los pulsos están muy juntos. Esta distinción es crucial para comprender el "producto ancho de banda-distancia" y los desafíos en la comunicación óptica. La gestión y compensación de la dispersión se vuelven cada vez más importantes a medida que aumentan las tasas de datos. Esto impulsa la innovación en fibras con compensación de dispersión, compensadores de dispersión sintonizables y formatos de modulación avanzados que son más resistentes a estos efectos. El desarrollo de fibras de ultra baja pérdida (como la G.654.E) y nuevos tipos de fibra (como las de núcleo hueco) tiene como objetivo minimizar estas limitaciones fundamentales, extendiendo así el alcance y aumentando la capacidad de las redes ópticas.

2.4. Formas y Estándares de Módulos

Los transceptores ópticos se presentan en diversas formas y factores estandarizados, lo que determina sus dimensiones físicas y capacidades, e influye directamente en su compatibilidad con otros dispositivos de red. Estos módulos son compactos y permiten la conexión y desconexión en caliente (hot-pluggable), facilitando su instalación y mantenimiento.

• SFP (Small Form-factor Pluggable):
• Son transceptores compactos y conectables en caliente.
• Se utilizan ampliamente en redes de 1 Gigabit (1G) y 10 Gigabit (10G), en este último caso, bajo la denominación SFP+.
• Son compatibles con conexiones de fibra óptica (monomodo y multimodo) y de cobre.
• Los puertos SFP suelen utilizar conectores de fibra tipo LC.
• Las velocidades y distancias típicas incluyen:
• Para 1 Gbps: 100 metros sobre cable de cobre (1000BASE-T), 550 metros sobre fibra multimodo (1000BASE-SX), y 10 kilómetros sobre fibra monomodo (1000BASE-LX).
• Para 10 Gbps (SFP+): 300 metros sobre fibra multimodo (10GBASE-SR) y 10 kilómetros sobre fibra monomodo (10GBASE-LR).
• La variante SFP28 se utiliza para velocidades de 25 Gbps, siendo clave en la infraestructura 5G y en la computación en la nube.
• Debido a su tamaño reducido, los switches suelen incorporar múltiples puertos SFP para soportar diversas conexiones de fibra o cobre.
• QSFP (Quad Small Form-factor Pluggable):
• Es una versión de mayor ancho de banda que agrupa 4 canales.
• Se emplea en redes de 40 Gigabit (40G), conocidas como QSFP+, y de 100 Gigabit (100G), denominadas QSFP28. Son ideales para centros de datos y redes de alta densidad.
• Los puertos QSFP soportan conexiones de fibra óptica con conectores tipo LC y también ofrecen flexibilidad para conexiones de cobre mediante cables especializados como DAC (Direct Attach Copper) o AOC (Active Optical Cable).
• Las velocidades y distancias típicas incluyen:
• Para 40 Gbps (QSFP+): 150 metros sobre fibra multimodo (40GBASE-SR4) y 10 kilómetros sobre fibra monomodo (40GBASE-LR4).
• Para 100 Gbps (QSFP28): 100 metros sobre fibra multimodo (100GBASE-SR4) y 10 kilómetros sobre fibra monomodo (100GBASE-LR4).
• La variante QSFP-DD (Double Density) está diseñada para velocidades de 200G/400G, orientada a redes de próxima generación.
• El OSFP (Octal SFP) es una evolución que soporta hasta 800G, crucial para aplicaciones de inteligencia artificial (IA) y 5G.
• Aunque los puertos QSFP pueden ser menos numerosos debido a su mayor tamaño, cada uno ofrece un ancho de banda y rendimiento superiores.

Módulos

Ventajas de Usar SFP y QSFP (General)

• Flexibilidad: Permiten la migración entre fibra y cobre según las necesidades de la red.
• Alta Densidad: Los módulos QSFP, en particular, permiten una mayor concentración de ancho de banda en un espacio físico reducido.
• Escalabilidad: Ofrecen una ruta de escalabilidad desde 1G (SFP) hasta 400G (QSFP-DD) y más allá.
• Compatibilidad: Funcionan en switches de múltiples fabricantes (Cisco, Juniper, HPE), lo que ofrece versatilidad en el diseño de la red.
• Monitoreo de Diagnóstico Digital (DDM/DMI): Proporcionan información de diagnóstico mejorada, facilitando la gestión y resolución de problemas de la red.

La evolución de los factores de forma de los transceptores, desde SFP hasta OSFP, es una respuesta directa a la demanda creciente de ancho de banda y densidad de puertos en centros de datos y redes de telecomunicaciones. Cada nueva iteración representa una solución de ingeniería para integrar mayor velocidad y más canales en un espacio físico más reducido. Esta evolución, impulsada por la necesidad de soportar nuevas generaciones de redes como 5G y clústeres de IA, ha sido fundamental para la modularidad, escalabilidad y rentabilidad de la infraestructura de red. Los factores de forma estandarizados y conectables en caliente permiten actualizaciones flexibles sin la necesidad de reemplazar equipos completos, fomentando la competencia entre fabricantes de módulos y, en última instancia, reduciendo los costos. La continua búsqueda de mayores densidades y velocidades dentro de estos factores de forma está alcanzando límites físicos, particularmente en la gestión térmica y la longitud de las trazas eléctricas, lo que ha impulsado la emergencia de la óptica coempaquetada (CPO) como la próxima gran innovación en tecnología de interconexión óptica.

Tabla 1: Comparación de Tipos de Fibra Óptica (Monomodo vs. Multimodo)

Característica	Monomodo (SMF)	Multimodo (MMF)
Diámetro del Núcleo	8-10 μm	50-60 μm
Modos de Luz	Un único modo	Múltiples modos
Distancia Típica	Miles de kilómetros ,	10-40 km (Single Channel)	Hasta 2 km ,	10 Gbps hasta edificios
Costo Relativo	Mayor	Menor
Fuentes de Luz Comunes	Láseres DFB , Láseres	Diodos LED , Láseres VCSEL
Dispersión Limitante	Cromática, DGD	Modal
Aplicaciones Típicas	Redes troncales, cables submarinos, WAN	Redes locales (LAN), MAN, centros de datos (corto alcance)

Tabla 2: Parámetros Clave de Rendimiento de Transceptores Ópticos

Parámetro	Definición	Unidad de Medida	Rango Típico/Importancia	Factores que lo Afectan
Velocidad de Datos	Cantidad de bits transmitidos por segundo.	Gbps, Tbps	1 Gbps a 400 Gbps y más	Tipo de fibra, modulación, dispersión.
Longitud de Onda	Distancia entre crestas de la onda de luz.	nm	750-1610 nm (infrarrojo)	Material del láser, aplicación, tipo de fibra.
Potencia de Salida (PTx)	Potencia óptica emitida por el transmisor.	dBm	PTxmin​ a PTxmax​	Tipo de láser, eficiencia de conversión.
Sensibilidad del Receptor (PRx)	Potencia óptica mínima que el receptor puede detectar.	dBm	PRxmin​. Cuanto más baja, mejor.	Tipo de fotodetector, ruido, BER.
Tasa de Error de Bit (BER)	Proporción de bits erróneos en la transmisión.	%	Definida por especificaciones del transceptor	SNR, dispersión, ruido, calidad de componentes.
Relación Señal/Ruido (SNR)	Proporción entre la potencia de la señal y la del ruido.	dB	Requiere cierto margen (e.g., 4 dB a 1 Mbps)	Intensidad de luz detectada, fuentes de ruido.
Dispersión Cromática (CD)	Ensanchamiento de pulsos por variación de velocidad según longitud de onda.	ps/nm	Causa 1 dB de degradación en Rx	Longitud de fibra, tipo de fibra, ancho espectral de la fuente.
Dispersión de Modo de Polarización (DGD)	Ensanchamiento de pulsos por variación de velocidad según polarización.	ps	Causa 1 dB de degradación en Rx	Longitud de fibra, calidad de fibra, vibraciones.

3. Tecnologías Subyacentes en Transmisores Ópticos

La capacidad de los transceptores ópticos para transformar señales eléctricas en luz y viceversa se basa en tecnologías optoelectrónicas sofisticadas.

3.1. Fuentes de Luz Óptica

El transmisor convierte una señal eléctrica en una señal óptica utilizando una fuente de luz, que puede ser un diodo láser (LD) o un diodo emisor de luz (LED). La frecuencia o longitud de onda infrarroja del diodo emisor se denomina señal portadora.

• Diodos Emisores de Luz (LED):
• Son una opción más económica.
• Se utilizan típicamente con fibras multimodo (MMF) para distancias más cortas.
• Producen una luz menos coherente y con un ancho espectral más amplio en comparación con los láseres, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde la alta velocidad en largas distancias no es el requisito principal.
• Láseres VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser):
• Son el corazón de la sección de transmisión en algunos transceptores.
• Se caracterizan por su costo relativamente bajo.
• Son ideales para redes de pequeña a media distancia, como redes de área metropolitana (MAN) o redes de área local (LAN), y son ampliamente empleados en centros de datos.
• Poseen una cavidad láser pequeña y vertical.
• Su potencia emitida se encuentra en el rango de los milivatios (mW).
• Su comportamiento puede depender de la temperatura de funcionamiento.
• Se utilizan en la conectividad Fibre Channel con fibra multimodo OM3/OM4 para soluciones ópticas de bajo costo.
• Láseres DFB (Distributed Feedback Laser):
• Se emplean como transmisores en enlaces de largo alcance, como las redes de área amplia (WAN).
• Ofrecen un rendimiento superior, mayor potencia y mayor robustez en el espectro óptico.
• Su fabricación es más compleja, lo que se traduce en un costo más elevado.
• La realimentación en estos láseres ocurre a lo largo de la cavidad mediante una rejilla corrugada, que modula periódicamente el índice de refracción y provoca la difracción de la onda óptica. La longitud de onda se determina por la condición de Bragg.
• Pueden incorporar tecnología de control de temperatura para ajustar su longitud de onda, o control mecánico utilizando estructuras MEMs-DFB.
• Los conjuntos de láseres DFB pueden producir longitudes de onda específicas con un ancho de banda de aproximadamente 1.0 nm y una separación de 25 GHz.

La elección de la fuente de luz (LED, VCSEL o DFB) es un factor determinante del rendimiento y el costo del enlace óptico. Esta decisión no es arbitraria, sino una consecuencia directa de la velocidad y la distancia deseadas para la comunicación. Los LED son sencillos y económicos, pero limitados en su capacidad de alta velocidad y largo alcance. Los VCSEL ofrecen un equilibrio adecuado para enlaces de menor distancia y alto volumen, mientras que los láseres DFB proporcionan la luz coherente y de alta potencia necesaria para distancias extensas, aunque a un costo y complejidad mayores. La evolución de la comunicación óptica está intrínsecamente ligada a los avances en la tecnología láser, con una búsqueda continua de mejoras en el rendimiento, la reducción de costos y el consumo de energía. Esta tendencia se manifiesta en el desarrollo de láseres integrados dentro de la óptica coempaquetada (CPO), que ofrecen una mayor eficiencia de acoplamiento óptico en comparación con los láseres externos, a pesar de los desafíos asociados con la gestión térmica y la fiabilidad.

Fuentes de Luz

Tabla 3: Comparación de Fuentes de Luz Óptica (LED, VCSEL, DFB)

Característica	LED	VCSEL	DFB
Costo Relativo	Bajo	Medio-Bajo	Alto
Potencia de Salida Típica	Baja	Miliwatios (mW)	Alta
Ancho Espectral	Amplio	Moderado	Estrecho (coherente)
Distancia Típica	Corta	Corta a Media	Larga
Tipo de Fibra Preferida	Multimodo (MMF)	Multimodo (MMF)	Monomodo (SMF)
Complejidad de Fabricación	Baja	Moderada	Alta
Aplicaciones Comunes	LAN de baja velocidad	LAN, MAN, centros de datos	WAN, redes troncales

3.2. Fotodetectores y Receptores Ópticos

El receptor óptico es un componente esencial que convierte las señales ópticas de vuelta a señales eléctricas. Esta conversión se realiza mediante un fotodetector, comúnmente un fotodiodo. Los fotodiodos son dispositivos semiconductores que conducen una corriente eléctrica proporcional a la cantidad de luz que los incide, operando típicamente en polarización inversa.

• Tipos de Fotodiodos:
• Fotodiodo PN: Es el tipo más básico, formado por una unión p-n. Cuando la luz incide sobre él, se generan pares hueco-electrón, lo que produce una fotocorriente.
• Fotodiodo PIN: (P-I-N) incorpora una capa intrínseca (I) entre las capas de semiconductor tipo p y tipo n. Esta capa aumenta el ancho de la región de agotamiento, lo que reduce la capacitancia y mejora el ancho de banda del dispositivo. También contribuye a aumentar el rango dinámico del sensor.
• Fotodiodo APD (Avalanche Photodiode): Estos fotodiodos proporcionan una ganancia interna a través de un proceso de multiplicación por avalancha. Esto los hace extremadamente sensibles, siendo ideales para la detección de señales ópticas muy débiles.
• Características de Funcionamiento:
• Fotocorriente: La corriente generada cuando los fotones excitan las moléculas del material semiconductor, creando pares hueco-electrón.
• Linealidad: La linealidad de la respuesta del fotodiodo está asegurada en primera instancia por su capacidad para generar pares hueco-electrón, y en segunda instancia por el circuito conversor de corriente a tensión utilizado. La linealidad se mantiene siempre que la potencia incidente sea inferior a la potencia de saturación (PSAT​).
• Ancho de Banda: Está determinado por los tiempos de respuesta característicos del fotodiodo, que incluyen el tiempo de deriva (tdrift​) de los pares hueco-electrón en la zona de agotamiento, el tiempo de difusión (tdiffusion​) fuera de esta zona, y la constante de tiempo RC (tRC​) del circuito. Aumentar la tensión inversa incrementa el ancho de la zona de agotamiento, reduciendo la capacitancia del fotodiodo y mejorando su ancho de banda.
• Ruido:
• Ruido Térmico (Johnson-Nyquist): Originado por la agitación térmica de los portadores de carga en los conductores.
• Ruido de Disparo (Shot Noise): Asociado a la medición de la corriente y a las pequeñas fluctuaciones debidas a la naturaleza discreta de los portadores de carga.
• Ruido 1/f: Relevante a frecuencias inferiores a 100 Hz.
• El ruido total es la suma de todas las fuentes de ruido, predominando la de mayor valor.
• Relación Señal/Ruido (SNR): En casos donde el ruido térmico y el ruido 1/f son despreciables, el ruido estará dado principalmente por el ruido de disparo. La única forma de mejorar la SNR es aumentando la intensidad de luz detectada, ya que cualquier amplificador utilizado a la salida del fotodiodo amplificará también el ruido.
• Fototransistor:
• Es un dispositivo que combina un fotodiodo con un transistor, lo que permite amplificar la corriente generada por el fotodiodo. Ofrece un tiempo de respuesta más rápido que las fotorresistencias (LDR) y una mayor corriente de salida que los fotodiodos. Los fototransistores basados en silicio son sensibles en el rango de 400 nm a 1100 nm, con una sensibilidad máxima en los 880 nm (infrarrojo).

La sensibilidad del receptor es un factor crítico para lograr enlaces ópticos de larga distancia y alta velocidad. La capacidad de detectar con precisión señales ópticas débiles en presencia de ruido impacta directamente el presupuesto total del enlace. Los fotodiodos APD, al proporcionar ganancia interna, son esenciales cuando las señales son muy débiles, lo que indica la necesidad de amplificación en la etapa de detección. El desarrollo de fotodiodos más sensibles y con menor ruido, junto con amplificadores de transimpedancia (TIA) sofisticados y el procesamiento digital de señales (DSP) en el receptor, es crucial para extender el alcance y aumentar las tasas de datos. La relación señal/ruido, que se mejora principalmente aumentando la intensidad de la luz detectada, refuerza la importancia de optimizar el presupuesto de potencia óptico en su conjunto. Los desafíos del ruido y la sensibilidad en el receptor se exacerban por la dispersión, que ensancha la señal y reduce su potencia pico, haciendo más difícil su detección. Esto crea un problema sinérgico que requiere avances tanto en la gestión de la dispersión como en la tecnología de recepción para las futuras redes ópticas de alta velocidad.

3.3. Técnicas de Multiplexación

Para aumentar las tasas de transferencia de datos en una única fibra óptica, se utiliza frecuentemente una técnica denominada multiplexación, específicamente la Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM). Este método permite combinar múltiples señales de luz en diferentes longitudes de onda dentro de una sola fibra.

• Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM):
• Permite que múltiples ondas portadoras se propaguen de forma independiente en una única fibra sin una interacción significativa entre ellas.
• Cada longitud de onda individual de luz puede representar un canal de información distinto.
• Esta capacidad se basa en una propiedad fundamental de la luz, que permite la coexistencia de diferentes "colores" o longitudes de onda.
• Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM):
• Es un tipo de WDM que se reserva para frecuencias muy próximas entre sí.
• Los sistemas DWDM suelen tener canales espaciados con 0.4 nm o 0.8 nm.
• Una ventaja clave de DWDM es su independencia del protocolo y de la velocidad binaria. Las redes basadas en DWDM pueden transmitir datos en protocolos como IP, ATM, SONET, SDH y Ethernet.
• Esto significa que pueden transportar diferentes tipos de tráfico a distintas velocidades a través de un único canal óptico, incluyendo voz, correo electrónico, video y datos multimedia, de forma simultánea.
• Un sistema DWDM se compone generalmente de transmisores/receptores ópticos, filtros DWDM Mux/DeMux (multiplexores/demultiplexores), multiplexores ópticos de adición/extracción (OADM), amplificadores ópticos y transpondedores (convertidores de longitud de onda).
• El ancho de banda de una fibra puede dividirse en hasta 160 canales para soportar una velocidad de bits combinada en el rango de los terabits por segundo. Esto requiere un multiplexor por división de longitud de onda en el equipo de transmisión y un demultiplexor en el equipo receptor.

Tecnologías

Las tecnologías WDM y DWDM son estrategias fundamentales para maximizar la capacidad de la infraestructura de fibra existente. En lugar de instalar más cables físicos, estas técnicas permiten la transmisión simultánea de múltiples flujos de datos sobre una única fibra, utilizando diferentes longitudes de onda de luz. Esto es comparable a añadir más carriles a una autopista sin necesidad de construir una nueva. La independencia de protocolo y velocidad de DWDM es crucial para su versatilidad, ya que permite la agregación de diversos tipos de tráfico desde diferentes capas de red. Esto la convierte en una tecnología central para las redes troncales de alta capacidad y las interconexiones en centros de datos. La búsqueda continua de un mayor ancho de banda por fibra impulsa el desarrollo de sistemas WDM aún más densos (con más canales y espaciamientos más estrechos) y la exploración de nuevas bandas espectrales (como la comercialización de la banda C+L, multibanda y multiplexación por división espacial - SDM). Esto también exige fuentes láser y filtros (Mux/DeMux) de alta precisión para gestionar eficazmente estas longitudes de onda tan próximas.

3.4. Amplificadores Ópticos y su Rol en Redes de Larga Distancia

Los amplificadores ópticos son componentes cruciales en las redes de comunicación de fibra óptica, especialmente en enlaces de larga distancia.

• Función: Su propósito principal es reforzar la señal óptica a lo largo del cable, compensando la pérdida de señal que ocurre con la distancia. En las redes de fibra óptica activas, estos dispositivos electrónicos son esenciales para mantener la intensidad de la señal.
• Componentes de DWDM: Los amplificadores ópticos son elementos clave dentro de los sistemas de Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM).
• Tipos y Ubicación: En aplicaciones de muy larga distancia, como los cables submarinos, se integran cables de energía para alimentar los amplificadores ópticos que se encuentran a grandes profundidades, donde el mantenimiento es extremadamente difícil.
• Mejora de la Capacidad: La combinación de avances en la gestión de la dispersión, la multiplexación por división de longitud de onda y el uso de amplificadores ópticos ha permitido que las fibras ópticas transporten información a velocidades de alrededor de 14 terabits por segundo (Tbps) a lo largo de más de 160 kilómetros.

Extensores de Alcance

Los amplificadores ópticos son los "extensores de alcance" de las redes ópticas, ya que superan la limitación fundamental de la atenuación, permitiendo que las señales viajen miles de kilómetros sin necesidad de ser convertidas de nuevo a señales eléctricas y retransmitidas. Esta es una ventaja significativa sobre las redes de cobre, que requieren repetidores eléctricos frecuentes. A diferencia de los repetidores eléctricos, que realizan una conversión óptico-eléctrico-óptico (OEO), los amplificadores ópticos aumentan directamente la señal luminosa, manteniendo su integridad óptica y evitando la complejidad y la latencia de las conversiones OEO. Esta capacidad es una piedra angular de las redes modernas de larga distancia y los sistemas de cable submarino, reduciendo significativamente el costo y la complejidad de desplegar y mantener la infraestructura de comunicación global. El rendimiento de los amplificadores ópticos, incluyendo su figura de ruido y la planitud de la ganancia en todo el rango de longitudes de onda, impacta directamente la capacidad y el alcance general de los sistemas WDM/DWDM. La investigación continua en tecnología de amplificadores, como la amplificación multibanda , es vital para satisfacer las crecientes demandas de ancho de banda global.

4. Protocolos de Comunicación Óptica

Los protocolos de comunicación son conjuntos de reglas estandarizadas que rigen la transmisión de datos a través de redes ópticas, asegurando la interoperabilidad y un flujo de información eficiente.

4.1. Estándares de Redes Sincrónicas: SONET y SDH (Jerarquía Digital Síncrona)

SONET (Synchronous Optical Networking) y SDH (Synchronous Digital Hierarchy) son protocolos estandarizados diseñados para transferir múltiples flujos de bits digitales de manera síncrona a través de fibra óptica, utilizando láseres o luz altamente coherente de diodos emisores de luz (LED). Estos protocolos constituyen la columna vertebral de muchas redes de comunicación globales.

Originalmente, SONET y SDH fueron concebidos para transportar comunicaciones en modo circuito, como señales DS1 y DS3, y se diseñaron principalmente para soportar voz en tiempo real, sin comprimir y conmutada por circuitos, codificada en formato PCM.

• Estructura: SONET se subdivide en cuatro subcapas: trayectoria, línea, sección y capa física. Cada conexión SDH/SONET en la capa física óptica utiliza dos fibras ópticas, independientemente de la velocidad de transmisión.
• Diferencias Clave (SONET vs. SDH):
• Tasa de Transmisión Básica y Jerarquía: La diferencia más fundamental reside en su unidad básica de transmisión. SONET comienza con una tasa OC-1 de 51.84 Mbps, y todas las velocidades superiores son múltiplos directos de esta tasa base. En contraste, la tasa base de SDH es STM-1 a 155.52 Mbps. Esta tasa fue elegida intencionalmente para ser equivalente al nivel OC-3 de SONET, lo que facilita la interconexión de ambos sistemas a esa velocidad y superiores.
• Sobrecarga y Estructura de la Trama: Ambos protocolos reservan una porción de sus tramas de datos para tareas de gestión y operación, conocidas como sobrecarga. Sin embargo, asignan esta sobrecarga de manera diferente. SDH proporciona bytes de sobrecarga más extensos para funciones de gestión de red, lo que refleja su diseño para entornos internacionales y de múltiples proveedores más amplios. La sobrecarga de SONET, por otro lado, está más adaptada a los estándares de red de América del Norte en los que se basó.
• Terminología: Los dos estándares emplean diferentes convenciones de nombres. SONET se refiere a sus niveles de señal como "Optical Carrier" (OC-1, OC-3, etc.), mientras que SDH utiliza "Synchronous Transport Module" (STM-1, STM-4, etc.). De manera similar, los componentes internos de las tramas de datos tienen nombres distintos; por ejemplo, lo que SONET denomina "Virtual Tributary" (VT) para transportar señales de baja velocidad, en SDH se conoce como "Virtual Container" (VC).
• Uso Geográfico: SONET es el estándar establecido en América del Norte. SDH, en cambio, es el estándar predominante en Europa, Asia y la mayor parte del resto del mundo.
• Mecanismos de Protección y Resiliencia:
• Conmutación de Protección Automática Lineal (APS) / 1+1: Implica el uso de cuatro fibras: dos de trabajo (una en cada dirección) y dos de protección. La conmutación se basa en el estado de la línea y puede ser unidireccional o bidireccional.
• Anillo con Conmutación de Trayectoria Unidireccional (UPSR): Se envían dos copias redundantes (a nivel de trayectoria) del tráfico protegido en ambas direcciones alrededor de un anillo. Un selector en el nodo de salida determina qué copia tiene la mayor calidad y la utiliza, lo que permite hacer frente a deterioros de la señal por fallos. La capacidad total de un UPSR es igual a la velocidad de línea N del anillo OC-N. El equivalente SDH es la Protección de Conexión de Subred (SNCP).
• Anillo con Conmutación de Línea Bidireccional (BLSR): Existe en variedades de dos y cuatro fibras. La conmutación se realiza a nivel de línea. A diferencia del UPSR, el BLSR no envía copias redundantes desde la entrada a la salida. En su lugar, los nodos del anillo adyacentes al fallo redirigen el tráfico "por el camino largo" alrededor del anillo utilizando las fibras de protección. Los BLSRs ofrecen eficiencia de ancho de banda y la capacidad de soportar "tráfico extra" que puede ser interrumpido si ocurre un evento de conmutación de protección. El equivalente SDH es el Anillo de Protección Compartida de Sección de Multiplexación (MS-SPRING).
• Beneficios:
• SONET: Alta disponibilidad y fiabilidad (capacidades de auto-recuperación, redireccionamiento automático en milisegundos), gestión eficiente del ancho de banda (multiplexación de adición/extracción).
• SDH: Compatibilidad global, gestión flexible de la carga útil (adapta varios tipos de tráfico), capacidades de gestión mejoradas (mayor visibilidad, diagnóstico de fallos simplificado).
• Vigencia: Tanto SONET como SDH siguen siendo utilizados en la actualidad.

La persistencia de SONET y SDH en la infraestructura de red, a pesar del auge de las redes basadas en IP, subraya sus fortalezas fundamentales en fiabilidad, rendimiento determinista y mecanismos de protección robustos. Su diseño inicial para la voz conmutada por circuitos revela su origen, pero su adaptabilidad para transportar otros tipos de tráfico digital demuestra su papel fundacional. La división geográfica entre SONET y SDH ha requerido soluciones de interoperabilidad en puntos específicos, como la equivalencia entre OC-3 y STM-1, lo que ilustra los desafíos de la estandarización internacional. Aunque tecnologías más recientes como DWDM (que puede transportar tráfico SONET/SDH) y Ethernet de alta velocidad son cada vez más comunes, SONET/SDH continúa sirviendo como una capa de transporte crítica y altamente resiliente para muchas redes troncales. Las tendencias futuras probablemente verán una integración y convergencia continuas de estas capas, con SONET/SDH siendo potencialmente abstraído o reemplazado por tecnologías de transporte óptico más flexibles y optimizadas para paquetes en ciertas áreas, mientras mantiene su papel donde su naturaleza determinista es primordial.

4.2. Protocolos Ethernet Ópticos

Ethernet, que originalmente se desarrolló sobre medios de cobre, ha evolucionado de manera significativa para soportar la transmisión por fibra óptica, consolidándose como el protocolo principal a nivel de enlace. El estándar internacional IEEE 802.3 define diversas versiones de Ethernet que operan sobre fibra.

Protocolos

• Versiones y Características Clave:
• 10BASE-F: Ofrece 10 Mbit/s sobre fibra óptica, con una longitud máxima de segmento de 1000 metros.
• 100BASE-FX: Proporciona 100 Mbit/s sobre fibra óptica, con una distancia máxima de 2000 metros. Soporta modos Half y Full Duplex, pero no permite el uso de concentradores (hubs).
• 1000BASE-X (Gigabit Ethernet): Opera a 1 Gbit/s sobre fibra óptica.
• 1000BASE-SX: 1000 Mbit/s sobre fibra óptica multimodo, con una distancia máxima de 550 metros. Permite Full Duplex con un conmutador (switch).
• 1000BASE-LX: 1000 Mbit/s sobre fibra óptica monomodo, con una distancia máxima de 5000 metros. También permite Full Duplex con un conmutador.
• 10 Gigabit Ethernet (10GBASE): Alcanza 10 Gbit/s.
• 10GBASE-SR: 10000 Mbit/s sobre fibra óptica multimodo, con una distancia máxima de 300 metros.
• 10GBASE-LR: 10000 Mbit/s sobre fibra óptica monomodo, con una distancia máxima de 10000 metros.
• Velocidades Superiores: Ethernet ha continuado escalando, con enmiendas al estándar IEEE 802.3 que definen especificaciones de capa física para:
• 50 Gbps, 200 Gbps y 400 Gbps sobre fibra monomodo con alcances de al menos 40 kilómetros.
• Interfaces ópticas de 100 Gbps y 400 Gbps para alcances de hasta 10 kilómetros, basadas en señalización óptica de 100 Gbps por longitud de onda.
• PHYs ópticos bidireccionales de más de 50 Gbps sobre una sola hebra de fibra monomodo de al menos 10 kilómetros.
• Operación de 400 Gbps en cuatro u ocho pares de fibra multimodo con alcances de al menos 100 metros.
• 25GBASE-PQ para operación EPON (Ethernet Passive Optical Network) sobre distancias de al menos 20 kilómetros y una relación de división de 1:32.

La hegemonía de Ethernet se debe en gran medida a su exitosa adaptación a la fibra óptica. Esta evolución le ha permitido superar las limitaciones de distancia y ancho de banda del cobre, extendiendo su aplicación a redes metropolitanas, de área amplia y centros de datos. La continua creación de estándares Ethernet ópticos de mayor velocidad demuestra su escalabilidad y su capacidad de respuesta a las crecientes demandas de ancho de banda. Los esfuerzos de estandarización por parte del IEEE 802.3 son cruciales para garantizar la interoperabilidad y fomentar la adopción masiva. Las variantes específicas, como SR para corto alcance en MMF y LR para largo alcance en SMF, reflejan la optimización del uso de diferentes tipos de fibra para distintos escenarios de aplicación. El desarrollo constante de Ethernet multi-gigabit y terabit sobre fibra óptica es un habilitador clave para aplicaciones de próxima generación, como la inteligencia artificial, la computación en la nube y 5G. Esto, a su vez, impulsa la demanda de componentes ópticos avanzados y soluciones de empaquetado, como CPO, para satisfacer los requisitos extremos de ancho de banda y eficiencia energética de estos enlaces Ethernet de alta velocidad.

Tabla 4: Comparación de Módulos Ópticos SFP y QSFP (y sus variantes)

Tipo de Módulo	Formato	Velocidad(es) Soportada(s)	Medio de Transmisión	Distancia Máxima Típica	Canales Ópticos	Aplicaciones Típicas
SFP	Compacto, hot-pluggable	1 Gbps	Cobre (RJ45), MMF, SMF	100 m (cobre), 550 m (MMF), 10 km (SMF)	1	LAN, redes de campus
SFP+	Compacto, hot-pluggable	10 Gbps	MMF, SMF	300 m (MMF), 10 km (SMF)	1	Redes de alta velocidad, interconexiones de servidores
SFP28	Compacto, hot-pluggable	25 Gbps	Fibra óptica	Hasta 40 km	1	Infraestructura 5G, computación en la nube
QSFP+	Mayor ancho de banda, 4 canales	40 Gbps	MMF, SMF	150 m (MMF), 10 km (SMF)	4	Centros de datos, HPC (High-Performance Computing)
QSFP28	Mayor ancho de banda, 4 canales	100 Gbps	MMF, SMF	100 m (MMF), 10 km (SMF)	4	Centros de datos, redes troncales
QSFP-DD	Double Density	200/400 Gbps	Fibra óptica	Hasta 80 km	8	Redes de próxima generación
OSFP	Octal SFP	Hasta 800 Gbps	Fibra óptica	N/A	8	IA, 5G

Tabla 5: Estándares Ópticos de Ethernet (Selección Representativa)

Estándar Ethernet	Velocidad	Medio	Distancia Máxima	Características Adicionales
10BASE-F	10 Mbit/s	Fibra óptica	1000 m
100BASE-FX	100 Mbit/s	Fibra óptica	2000 m	Half/Full Duplex, no hubs
1000BASE-SX	1000 Mbit/s	Fibra óptica multimodo	550 m	Full Duplex (con switch)
1000BASE-LX	1000 Mbit/s	Fibra óptica monomodo	5000 m	Full Duplex (con switch)
10GBASE-SR	10000 Mbit/s	Fibra óptica multimodo	300 m
10GBASE-LR	10000 Mbit/s	Fibra óptica monomodo	10000 m
400GBASE-SR4/SR8	400 Gbps	Fibra óptica multimodo	100 m	4 u 8 pares de fibra
400GBASE-LR4/ER4	400 Gbps	Fibra óptica monomodo	10 km (LR4), 40 km (ER4)	100 Gbps por longitud de onda

4.3. Fibre Channel (FC) para Redes de Almacenamiento

Fibre Channel (FC) es un protocolo estandarizado de comunicación serial, reconocido por su capacidad de transmisión de datos rápida, de baja latencia y con bajos errores. Proporciona transferencia de datos de alta velocidad para dispositivos de almacenamiento, redes de datos IP y transmisiones de audio, sirviendo como una tecnología de columna vertebral. Es esencial para la conectividad óptica de extremo a extremo, particularmente en las Redes de Área de Almacenamiento (SANs).

• Ventajas: Fibre Channel se distingue por su alta tasa de transmisión, baja latencia y gran escalabilidad. Es especialmente adecuado para topologías punto a punto y en anillo, así como para la cascada de switches.
• Medios Ópticos: La conectividad de fibra multimodo OM3/OM4 es el medio óptico principal utilizado en los centros de datos para distancias de corto alcance, abarcando hasta 100-150 metros.
• Transceptores y Conectividad:
• Tradicionalmente, Fibre Channel ha empleado transceptores conectables SFP+ con una interfaz de conector LC dúplex para la electrónica SAN.
• Los troncales con conectores MTP® terminados en fábrica se implementan comúnmente desde un área de parcheo central hacia las diversas áreas con servidores, almacenamiento y directores SAN. Los módulos MTP/LC se utilizan para desglosar los conectores MTP en puertos LC dúplex.
• Para los directores SAN, a menudo se utiliza un arnés MTP/LC en lugar de un módulo para reducir el volumen de cables y la congestión.
• Velocidades de Transmisión: Las velocidades comunes incluyen 1.0625 Gbit/s (conocida como FullSpeed), con variantes de 1/2, 1/4, 1/8, 2x (2.125 Gbit/s) y 4x (4.25 Gbit/s).
• Óptica Paralela en FC:
• El estándar FC-PI6 de Fibre Channel incorpora una tasa de datos de 128 GFC que utiliza un transceptor QSFP con una interfaz MTP de 8 o 12 fibras.
• La velocidad de datos de 128 GFC emplea tecnología de transmisión óptica paralela, donde los datos se transmiten y reciben simultáneamente a través de múltiples fibras ópticas. Esto requiere ocho fibras OM3 o OM4: cuatro para transmitir (Tx) a 32 GFC por fibra, y cuatro para recibir (Rx) a 32 GFC por fibra.

• 128 GFC es la primera variante de transmisión óptica paralela definida por Fibre Channel. La actividad del FC-PI7 está en curso para incluir una variante óptica paralela de 256 GFC en el futuro.
• Las implementaciones iniciales de 128 GFC se esperan para enlaces entre switches (ISL) que utilizan conectividad MTP.

El enfoque de Fibre Channel en las redes de almacenamiento (SANs) destaca una aplicación especializada de la comunicación óptica donde la baja latencia, el alto rendimiento y la alta fiabilidad son de suma importancia. La adopción temprana de la óptica paralela (como en 128 GFC y 256 GFC) demuestra un enfoque proactivo para escalar el ancho de banda dentro de las limitaciones de su arquitectura específica. Mientras que los enlaces ópticos seriales tradicionales transmiten datos secuencialmente, la óptica paralela supera las limitaciones de complejidad de componentes y dispersión a altas velocidades al distribuir los datos de alta velocidad a través de múltiples carriles ópticos de menor velocidad, multiplicando efectivamente el ancho de banda. Esta es una solución pragmática para aplicaciones de alta densidad y corto alcance, como las SANs, que requieren numerosas conexiones. El uso de conectores MTP y troncales multifibra es una consecuencia directa de la adopción de la óptica paralela, ya que permite una gestión eficiente de múltiples hebras de fibra dentro de un único conector, simplificando el cableado y aumentando la densidad en los racks de los centros de datos. La tendencia hacia la óptica paralela en Fibre Channel (y también en Ethernet de alta velocidad) anticipa los desafíos que impulsan tecnologías como CPO. Mientras que la óptica paralela aumenta el ancho de banda utilizando más fibras, CPO busca aumentar la densidad de ancho de banda y la eficiencia integrando los componentes ópticos más cerca de los chips eléctricos, reduciendo la necesidad de largas trazas eléctricas y simplificando potencialmente la propia interfaz óptica.

4.4. Consideraciones de Interoperabilidad y Compatibilidad

Garantizar la interoperabilidad y compatibilidad entre transceptores ópticos es un requisito fundamental para el funcionamiento exitoso de cualquier red. La falta de correspondencia en ciertos parámetros puede llevar a una degradación del rendimiento o a una ausencia total de conexión.

• Requisitos Clave:
• Longitud de Onda Idéntica: Los transceptores en ambos extremos de un enlace deben soportar la misma longitud de onda para poder comunicarse eficazmente. Una falta de coincidencia, como intentar conectar un transceptor de 1310 nm con uno de 850 nm, provocará pérdidas y degradación en la transmisión de datos.
• Misma Velocidad: Los transceptores deben operar a la misma velocidad. La mezcla de módulos con velocidades diferentes, como un SFP de 1G y un SFP+ de 10G, puede resultar en un rendimiento limitado (por ejemplo, un módulo SFP+ en un puerto SFP funcionará a 1 Gbps) o en la imposibilidad de establecer la conexión. Una excepción notable es el módulo 10GBASE-T, que puede soportar múltiples velocidades (1000 Mbps, 2.5 Gbps, 5 Gbps, 10 Gbps) utilizando cables de cobre.
• Tipo Correcto de Fibra: Es crucial utilizar el tipo de cable de fibra adecuado. Los cables de fibra óptica multimodo se clasifican en tipos OM1, OM2, OM3, OM4 y OM5, todos destinados a la transmisión de corto alcance. Una conexión fallará si un módulo está conectado con fibras OM1/OM2 y el otro con OM3/OM4. Los colores estandarizados del revestimiento exterior de las fibras pueden ayudar a su identificación.
• Funcionamiento Perfecto de los Switches: Es importante asegurarse de que los módulos compatibles adquiridos hayan sido probados en los switches de la marca original. Además, se debe verificar que los dispositivos sean compatibles con los módulos que se pretenden utilizar, ya que algunos switches de ciertas marcas no son fácilmente compatibles con módulos de otros fabricantes.
• Modo de Trabajo: Un transceptor full-duplex debe emparejarse con otro módulo full-duplex para que la transmisión sea posible.
• Compatibilidad de Terceros:

Para asegurar que un transceptor de un fabricante de terceros funcione correctamente en un switch OEM, es fundamental elegir un proveedor fiable que cuente con un riguroso sistema de pruebas para sus transceptores. Este sistema debe incluir pruebas de apariencia básica, rendimiento paramétrico, potencia óptica, espectro, diagrama de ojo, funciones de diagnóstico digital y pruebas de temperatura.

Los requisitos de interoperabilidad son un desafío complejo y multifacético que abarca desde la capa física (tipo de fibra, conector) hasta la capa óptica (longitud de onda), la capa eléctrica (velocidad) y la capa del sistema (compatibilidad del switch). Esta dependencia interconectada resalta la complejidad inherente al diseño y mantenimiento de redes ópticas heterogéneas. La necesidad de una correspondencia precisa en múltiples niveles subraya que la comunicación óptica no es simplemente una cuestión de conectar dos dispositivos, sino de garantizar que todos los componentes del enlace funcionen en perfecta armonía. Esta complejidad impulsa la necesidad de estándares robustos y pruebas exhaustivas, así como la colaboración entre fabricantes para asegurar la compatibilidad.

5. Aplicaciones Industriales de los Transmisores de Datos Ópticos

Los transmisores de datos ópticos, en particular los transceptores, han transformado múltiples sectores industriales debido a su capacidad para transmitir datos de forma eficiente, rápida y segura.

5.1. Telecomunicaciones y Centros de Datos

• Telecomunicaciones: Los transceptores ópticos son fundamentales para facilitar el envío de datos a través de las redes de fibra óptica. Constituyen la columna vertebral de la comunicación global, permitiendo que la información se transmita casi instantáneamente en todo el mundo.
• Centros de Datos: En los centros de datos, los transceptores ópticos son omnipresentes y desempeñan un papel crítico. La mayoría de los centros de datos actuales se basan en interconexiones de fibra óptica, y sin los módulos ópticos, simplemente no podrían operar. Un centro de datos de tamaño mediano puede requerir miles de transceptores ópticos para interconectar decenas de miles de dispositivos, lo que hace que el costo total de adquisición de estos módulos pueda superar el de los equipos de red generales.

Razones de su Importancia Crítica en Centros de Datos:

• Velocidad Inigualable: Transmiten datos utilizando luz, que viaja a la velocidad de la luz, permitiendo la transferencia rápida de grandes volúmenes de datos.
• Requisitos de Ancho de Banda: Su capacidad para transmitir datos a altas frecuencias es esencial para satisfacer la creciente demanda de ancho de banda de aplicaciones como la transmisión de medios, la computación en la nube y las videoconferencias.
• Atenuación Mínima de la Señal: A diferencia de los cables de cobre, las fibras ópticas presentan una pérdida de señal mínima, asegurando una transmisión de datos consistente y fiable incluso en redes extensas.
• Larga Distancia: Son capaces de transmitir datos a distancias mucho mayores que las alternativas de cobre, lo cual es vital para conectar ubicaciones remotas y vincular centros de datos geográficamente dispersos.
• Menor Latencia: Ofrecen una latencia inferior, crucial para aplicaciones en tiempo real.
• Seguridad e Inmunidad: La transmisión óptica es inherentemente segura, ya que las señales de luz son difíciles de interceptar y las fibras ópticas son inmunes a las interferencias electromagnéticas.
• Eficiencia Energética: La transmisión de datos por luz requiere menos energía que las señales eléctricas, lo que se traduce en un menor consumo de energía y costos operativos.
• Eficiencia General del Centro de Datos: Optimizan las operaciones del centro de datos y aumentan la eficiencia general gracias a sus altas velocidades y baja latencia, siendo la columna vertebral de la tecnología moderna al conectar servidores, sistemas de almacenamiento y equipos de red.

Demandas Crecientes en Centros de Datos:

El mercado de los centros de datos se expande continuamente, lo que impone requisitos cada vez más exigentes a los transceptores ópticos, enfocándose en cuatro aspectos principales:

• Alta Velocidad: Las interfaces de servidor están evolucionando de 1G a 10G, y los switches de agregación de 10G a 40G/100G. Además, se están desarrollando estándares de 25G y 400G para mejorar aún más la capacidad de ancho de banda de la red.
• Bajo Consumo de Energía: El consumo de energía y el calor generado en los centros de datos son muy elevados. El consumo de energía de un solo módulo óptico puede ser significativo; por ejemplo, una placa de switch de 48 Gigabit con módulos de 10G puede consumir 144W.
• Alta Densidad y Ahorro de Espacio: A pesar del aumento de la velocidad, el tamaño de los transceptores ópticos se ha reducido. Los transceptores ópticos de 100G actuales tienen un tamaño similar a los de 10G, lo que permite una mayor densidad de puertos en una sola placa, hasta 48 puertos de 100G.
• Bajo Costo: El alto precio de los transceptores ópticos de 100G limita su adopción masiva en muchos centros de datos. Una reducción en su costo impulsaría significativamente su popularización.

Los transceptores ópticos son la base de los centros de datos modernos, impulsados por el crecimiento exponencial de los datos y la necesidad de velocidad, ancho de banda y eficiencia energética. El aumento de los costos y las demandas de energía de las interconexiones ópticas dentro de los centros de datos representan un desafío importante, lo que impulsa la innovación hacia soluciones más integradas y eficientes.

5.2. Automatización Industrial y Robótica

La fibra óptica y los transceptores ópticos aportan numerosas ventajas a los sistemas de automatización industrial, mejorando significativamente la eficiencia y fiabilidad de las operaciones.

Automatización Industrial

• Beneficios Clave:
• Velocidad de Transmisión de Datos Mejorada: Crucial para el monitoreo y control en tiempo real en sistemas de automatización, garantizando una comunicación rápida entre dispositivos.
• Inmunidad a EMI: Esencial en entornos industriales ruidosos donde la maquinaria puede generar un ruido eléctrico significativo, asegurando un rendimiento constante.
• Seguridad Mejorada: Es difícil acceder a los cables de fibra óptica sin ser detectado, lo que proporciona un medio seguro de transmisión de datos y protege la información industrial sensible.
• Transmisión de Larga Distancia: Reduce la necesidad de repetidores de señal en grandes instalaciones, permitiendo una transmisión eficiente a lo largo de distancias extensas.
• Baja Latencia: Esencial para una automatización y control perfectos en los procesos de fabricación.
• Tiempo de Inactividad Reducido: La transmisión fiable de datos minimiza el riesgo de fallos de comunicación que podrían provocar tiempos de inactividad en los equipos.
• Escalabilidad: Los sistemas de fibra óptica son fácilmente escalables, lo que permite una expansión sin inconvenientes a medida que crecen las fábricas y sus necesidades de transmisión de datos.
• Aplicaciones Específicas:
• Detección de Objetos: Sensores de fibra óptica compactos y robustos se utilizan para la detección de objetos y posiciones. Son versátiles con fibras plásticas o de vidrio. Ejemplos incluyen el control de eyectores o el conteo de pastillas y tornillos.
• Medición de Distancias: Sensores que miden distancias y recorridos con rangos desde micras (μm) hasta más de 60 metros.
• Entornos Agresivos: Las fibras ópticas son robustas frente a medios químicos agresivos como ácidos y disolventes, y pueden estar revestidas de metal para mayor resistencia mecánica. Permiten la detección fiable de medios transparentes, niveles de llenado y fugas, incluso en líquidos peligrosos, con fibras cubiertas de PTFE para protección.
• Instalaciones con Espacio Reducido: Fibras ópticas con salida angular de 90∘ o cuboidales/cilíndricas con salida lateral son adecuadas para espacios confinados.
• Fibras de Matriz: Se utilizan para la detección de objetos irregulares independientemente de su posición, generando una banda de luz plana y lineal.
• Transmisión Óptica de Datos Inalámbrica: Fotocélulas con transmisión óptica de datos utilizan el "aire" para transmitir datos de forma invisible, sin contacto y sin desgaste a distancias de hasta 300-500 metros.
• DDLS 500: Ofrece 100 Mbit/s en tiempo real para interfaces Ethernet industriales (PROFINET, EtherCAT, Ethernet TCP/IP) con alcances escalados de hasta 200 metros (o 500 metros). Incluye telediagnóstico vía servidor web integrado.
• DDLS 200: Proporciona 2 Mbit/s para buses de campo e interfaces RS.
• Casos de Uso: Incluyen la transmisión de datos a transelevadores, grúas pórtico, carros móviles en el sector de flujo de materiales y sistemas de portales en plantas de galvanizado para desacoplar líneas de transmisión paralelas.
• Transceptores Industriales: Existen módulos SFP+ industriales específicos, diseñados para entornos exigentes, con rangos de temperatura extendidos y un diseño robusto.

La fibra óptica y los transmisores ópticos son elementos transformadores para la automatización industrial, al permitir el control en tiempo real, el mantenimiento predictivo y una mayor seguridad. La transición de soluciones cableadas a soluciones ópticas inalámbricas en escenarios industriales específicos subraya la búsqueda de flexibilidad y fiabilidad en entornos desafiantes.

5.3. Equipos Médicos y Ciencias de la Vida

Los transceptores ópticos y la tecnología de fibra óptica están encontrando una aplicación creciente y crítica en el sector de equipos médicos y las ciencias de la vida, donde la precisión, la estabilidad y la fiabilidad son primordiales. Los dispositivos médicos del Internet de las Cosas (IoMT) están ayudando a los hospitales a ser más estratégicos, utilizándose principalmente para mantener historiales médicos y monitorear a los pacientes.

• Aplicaciones:
• Imágenes Médicas: Los transceptores ópticos coherentes son cada vez más importantes para transmitir datos de imágenes médicas, como radiografías o tomografías computarizadas, entre hospitales y clínicas. Esto permite a los médicos analizar rápidamente los resultados de los pacientes independientemente de su ubicación. Las fibras ópticas plásticas (POF) se utilizan en procedimientos de endoscopia y laparoscopia para transmitir luz, iluminar órganos internos y capturar imágenes, siendo flexibles para su inserción en el cuerpo a través de pequeñas incisiones.
• Sensores y Monitoreo: Las POF pueden integrarse en dispositivos médicos para crear sensores que monitorean parámetros como los niveles de oxígeno en sangre, la frecuencia cardíaca y la presión. También se utilizan para detectar cambios químicos con fines de diagnóstico. Dispositivos portátiles pueden incorporar POF para rastrear signos vitales y monitorear pacientes de forma remota.
• Fototerapia: Las POF se emplean en tratamientos de fototerapia, como el tratamiento de la ictericia neonatal, proporcionando longitudes de onda de luz específicas a la piel del paciente para promover la curación.
• Terapias Basadas en la Luz: Las POF se utilizan en terapias fotodinámicas, donde longitudes de onda de luz específicas activan medicamentos fotosensibles para tratar ciertos tipos de cáncer y otras afecciones.
• Aplicaciones Dentales: Las POF se encuentran en herramientas y dispositivos dentales para curar compuestos dentales e iluminar la cavidad bucal durante los procedimientos.
• Navegación Quirúrgica: Los sistemas de navegación quirúrgica utilizan POF para guiar a los cirujanos durante los procedimientos, proporcionando retroalimentación visual en tiempo real.
• Tratamientos y Diagnósticos con Láser: Las POF pueden guiar tratamientos con láser y emitir luz láser con fines de diagnóstico, por ejemplo, en oftalmología para obtener imágenes de la retina.
• Automatización en la Fabricación de Dispositivos Médicos: Los sistemas ópticos de detección y comunicación soportan la automatización de la fabricación de dispositivos médicos, incluyendo el control preciso de la temperatura, entornos de sala blanca ISO, producción de alto volumen, control de calidad y validación de máquinas. La automatización mejora la productividad, la calidad y la repetibilidad en todo el ciclo de vida del producto.

La tecnología óptica en el sector de la salud permite una precisión sin precedentes, la recopilación de datos en tiempo real y capacidades remotas, lo que mejora significativamente el diagnóstico, el tratamiento y la atención al paciente. Los estrictos requisitos de precisión y estabilidad en las aplicaciones médicas subrayan la alta fiabilidad que se exige a los componentes ópticos en este campo.

6. Tendencias Futuras y Desarrollos Innovadores

El campo de los transmisores de datos ópticos está en constante evolución, impulsado por la demanda insaciable de mayor ancho de banda, menor latencia y mayor eficiencia energética.

6.1. Co-packaged Optics (CPO)

La óptica coempaquetada (CPO) es un enfoque innovador diseñado para abordar los desafíos crecientes relacionados con la densidad de ancho de banda, la latencia de la comunicación, el alcance del cobre y la eficiencia energética en las redes actuales que consumen grandes volúmenes de datos. Esta tecnología logra sus objetivos al integrar los transceptores ópticos, a menudo denominados chiplets fotónicos, con los chips integrados (ICs) en un mismo sustrato de silicio. Esto reduce significativamente la longitud de la ruta eléctrica entre la óptica y los ICs eléctricos. CPO forma parte de una tendencia más amplia hacia la tecnología basada en chiplets, donde la óptica se integra en un circuito integrado tridimensional (3D-IC).

Micro Optica

• Beneficios Clave:
• Ahorro de Energía:

Las soluciones iniciales de CPO han demostrado ahorros de energía del 30-50%, con una potencia de interconexión inferior a 1 pJ/bit (picojulio por bit). Estos ahorros se logran de varias maneras:

• Eliminación de Trazas de Cobre con Pérdidas: A diferencia de la óptica conectable, el diseño de CPO elimina la necesidad de que las señales viajen a través de enlaces de cobre que consumen energía. En su lugar, la fibra se conecta directamente al switch, permitiendo una comunicación corta y de baja pérdida entre el chip y el motor óptico.
• Menos Procesadores de Señales Digitales (DSPs): Los diseños CPO eliminan la pérdida de señal de las trazas de cobre, lo que permite a los diseñadores suprimir un nivel de DSPs. Los DSPs pueden consumir hasta el 25-30% de la energía total del sistema.
• Láseres Integrados: La integración directa de los láseres en el chip ofrece un acoplamiento óptico notablemente superior en comparación con los láseres externos, aunque la gestión térmica y la fiabilidad siguen siendo desafíos. Los láseres externos pueden incurrir en una pérdida de potencia óptica del 30-50%.

 Alto Ancho de Banda y Baja Latencia:

La reducción del número de DSPs y la eliminación de las largas trazas de cobre minimizan los retrasos, permitiendo un mayor ancho de banda y menor latencia. Se han demostrado rendimientos bidireccionales de 16 Tbps , y permite productos de red de 51.2 y 102.4 Tbps.

• Aplicaciones:

La aplicación principal de CPO se encuentra en las redes de front-end utilizadas para conectar servidores en centros de datos. Es un enfoque prometedor para implementar la próxima generación de tecnología Ethernet óptica. Además, es crítica para los clústeres de entrenamiento de IA y los servidores de inferencia, permitiendo servidores de escalado de mayor rendimiento.

• Desafíos y Consideraciones:
• Interferencia Térmica (Crosstalk):
• La ubicación del circuito integrado fotónico (PIC) dentro del paquete eléctrico aumenta la posibilidad de interferencia térmica. El calor generado en los dies eléctricos y el mecanismo de enfriamiento del sistema general afectan el comportamiento térmico del PIC.
• Fiabilidad y Mantenimiento en Campo:
• A diferencia de los módulos conectables, que son altamente modulares y fácilmente reemplazables, la sustitución de la óptica en CPO implica retirar todo el switch, lo que requiere un nivel de experiencia para realizar una tarea de servicio compleja. Para abordar esto, algunos diseños de CPO desagregan componentes activos de alto riesgo, como los láseres, en un módulo conectable remoto que es más fácil de reemplazar en campo.
• Conectividad Fibra-a-Chip:
• La conexión de fibras a estos chiplets transceptores o PICs de manera precisa y fiable es un habilitador crítico para los sistemas CPO. Actualmente, esto se logra acoplando una matriz de fibras monomodo al borde o a la superficie del PIC.
• Escalabilidad y "Beachfront":
• Una métrica clave para CPO es el "beachfront" o la densidad de ancho de banda a lo largo del borde del chip, ya que las fibras suelen acoplarse por el borde. Existen requisitos de espaciado mínimo de fibras que limitan el número de fibras para un tamaño de sustrato dado.

La óptica coempaquetada representa un cambio de paradigma fundamental que aborda los límites físicos de la óptica conectable tradicional, impulsado por las demandas insaciables de la inteligencia artificial y los centros de datos. Esta tecnología implica una reestructuración fundamental de las interconexiones ópticas, avanzando hacia una integración más estrecha para lograr una eficiencia energética y una densidad de ancho de banda sin precedentes. Los desafíos relacionados con la gestión térmica, la fiabilidad y el acoplamiento fibra-a-chip son áreas activas de innovación que determinarán la adopción masiva de CPO.

6.2. Mayor Velocidad y Ancho de Banda (400G, 800G y Más Allá)

La búsqueda incesante de mayores velocidades de transmisión es una tendencia definitoria en el desarrollo de la comunicación óptica.

• 400G: La tecnología de 400G ha iniciado su fase de uso comercial y se espera que su escala crezca significativamente en 2023. Se proyecta que 400G se convierta en una plataforma de red óptica crucial durante la próxima década, de manera similar a cómo 100G dominó la era anterior. La comercialización de 400G de larga distancia está pasando de un segundo plano a un primer plano. Las soluciones principales, como PM QPSK (128 Gbaud) y 16QAM (107 Gbaud), presentan sus propias fortalezas y se espera que converjan en el futuro.
• Más allá de 400G: Se están desarrollando estándares como OSFP (Octal SFP), que soportará hasta 800G, especialmente para aplicaciones de inteligencia artificial y redes 5G.
• Factores Impulsores: El aumento en el número de dispositivos conectados a internet, un uso más rápido de la red y la necesidad de conexiones de comunicación más fiables y seguras están impulsando la demanda de mayor velocidad y ancho de banda. La tecnología 5G, en particular, requiere redes de comunicación rápidas y fiables para conectar grandes cantidades de radios desde la antena hasta la red central, donde la fibra óptica monomodo es ideal.

La incesante búsqueda de velocidades más altas es una tendencia fundamental, impulsada por aplicaciones intensivas en datos como la inteligencia artificial y 5G. Esto requiere una innovación continua no solo en los transceptores, sino también en los tipos de fibra y en los esquemas de modulación para maximizar la capacidad de transmisión.

6.3. Redes Totalmente Ópticas y OXC (Optical Cross Connect)

La evolución hacia redes totalmente ópticas es un enfoque central en la construcción de infraestructuras de comunicación de alta capacidad.

• Redes Totalmente Ópticas: Son el foco principal en la construcción de redes de energía y comunicaciones, buscando minimizar las conversiones entre dominios óptico y eléctrico.
• OXC (Optical Cross Connect): Es el núcleo del desarrollo de la red totalmente óptica. Para hacer frente a la expansión continua de la escala de nodos, los nodos troncales de la red se están actualizando de los ROADM (Multiplexores Ópticos de Adición/Extracción Reconfigurables) tradicionales a los OXC. La dimensión WSS (Conmutador de Selección de Longitud de Onda) evolucionará a dimensiones superiores a 32, y los equipos OXC miniaturizados se popularizarán aún más en las redes de área metropolitana.

Redes Optica

La transición hacia redes totalmente ópticas y sistemas OXC avanzados representa un cambio estratégico para reducir la dependencia de las conversiones óptico-eléctrico-óptico (OEO). Esto aumenta la eficiencia, reduce la latencia y simplifica la gestión de la red, permitiendo un enrutamiento y conmutación de señales ópticas directamente en el dominio óptico.

6.4. Optimización Continua de Nuevas Fibras Ópticas

La fibra óptica en sí misma sigue siendo un área clave de innovación para desbloquear el potencial completo de los sistemas de alta velocidad.

• Fibra G.654.E de Ultra Baja Pérdida: Esta fibra ha mejorado significativamente el rendimiento de la transmisión de larga distancia a velocidades ultra altas de 400 Gbps y superiores. Se espera que su escala comercial se expanda aún más en 2023.
• Nuevas Tecnologías de Fibra: Continuamente aparecen nuevas tecnologías como las fibras de núcleo hueco y nuevas fibras multimodo, que buscan mejorar constantemente el rendimiento de la transmisión en comunicaciones ópticas.
• Banda C+L Extendida: Esta extensión de las bandas de longitud de onda ópticas está a punto de comercializarse, lo que permitirá un mayor número de canales en una sola fibra.
• Multibanda y SDM (Spatial Division Multiplexing): Estas tecnologías se perfilan como el próximo foco de desarrollo, buscando explotar nuevas bandas espectrales y la multiplexación espacial para aumentar aún más la capacidad por fibra.

La innovación en el diseño de la fibra es crucial para explotar todo el potencial de los sistemas de alta velocidad. Los nuevos tipos de fibra y las estrategias de utilización del espectro son fundamentales para extender el alcance y aumentar aún más la capacidad por fibra, respondiendo a las crecientes demandas de ancho de banda.

7. Recomendaciones Estratégicas

Para las organizaciones que buscan maximizar el potencial de sus infraestructuras de comunicación y mantenerse a la vanguardia de las tecnologías de datos, se formulan las siguientes recomendaciones estratégicas:

• Inversión en Tecnologías de Próxima Generación: Es imperativo priorizar la inversión en tecnologías emergentes como la óptica coempaquetada (CPO). Aunque presenta desafíos en fiabilidad y gestión térmica, los beneficios en eficiencia energética y densidad de ancho de banda son cruciales para las demandas futuras de IA y centros de datos. La colaboración con fabricantes y centros de investigación para la adopción temprana de estas soluciones puede conferir una ventaja competitiva significativa.
• Optimización de la Infraestructura de Fibra: Continuar explorando y adoptando nuevas generaciones de fibra óptica, como la fibra G.654.E de ultra baja pérdida y las fibras de núcleo hueco. Estas innovaciones son esenciales para extender el alcance y aumentar la capacidad por fibra, maximizando el valor de la infraestructura física existente.
• Estrategias de Multiplexación Avanzadas: Implementar y expandir el uso de DWDM y explorar la comercialización de nuevas bandas espectrales (C+L extendida, multibanda) y técnicas de multiplexación espacial (SDM). Estas estrategias permiten escalar el ancho de banda de manera eficiente sin la necesidad de desplegar nuevas fibras, optimizando el uso de los recursos de red.
• Foco en la Interoperabilidad y Estandarización: Dada la complejidad de los ecosistemas ópticos, es fundamental seleccionar equipos y módulos que cumplan con estándares abiertos y que demuestren una interoperabilidad rigurosa. Trabajar con proveedores fiables que ofrezcan sistemas de prueba exhaustivos y soporte técnico especializado es clave para evitar problemas de compatibilidad y garantizar la estabilidad de la red.
• Capacitación y Desarrollo de Talento: Invertir en la formación de personal técnico especializado en diseño, despliegue y mantenimiento de redes ópticas avanzadas. La complejidad de estas tecnologías requiere un conocimiento profundo de sus principios físicos y operacionales para optimizar su rendimiento y resolver problemas de manera eficiente.

Redes en la Industria

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