Publicado por: Departamento de Investigación y Desarrollo, Technologie Optic.ca Inc., enero 2026

Introducción

Las telecomunicaciones por fibra óptica dependen de la modulación – el proceso de codificar información en ondas de luz – para transmitir datos digitales de manera eficiente. En términos simples, la modulación significa cambiar alguna propiedad de la luz (como su intensidad, fase o frecuencia) de manera controlada para representar unos y ceros binarios. A lo largo de los años, los sistemas de fibra óptica han evolucionado desde la señalización básica de encendido-apagado de luz hasta formatos de modulación muy complejos con el fin de transportar tasas de datos cada vez más altas a través de distancias más largas.

Este artículo proporciona una visión general de los formatos de modulación clave utilizados en transceptores ópticos en el sector de las telecomunicaciones, explicando cómo funciona cada uno, junto con sus ventajas, limitaciones y capacidad de datos típica. Cubriremos formatos de modulación de intensidad como la modulación por encendido-apagado sin retorno a cero (NRZ) y la modulación de amplitud de pulso multinivel (PAM4), esquemas de modulación basados en fase como la modulación por desplazamiento de fase binaria y en cuadratura (BPSK, QPSK), y combinaciones avanzadas como la modulación de amplitud en cuadratura (QAM). También abordamos la multiplexación por polarización tal como se utiliza en los sistemas ópticos coherentes modernos.

Modulación de intensidad – Modulación por encendido-apagado (NRZ)

El formato de modulación óptica más simple es la modulación por encendido-apagado (OOK), que codifica datos como la presencia o ausencia de luz. En forma digital, esto se denomina a menudo señalización sin retorno a cero (NRZ). Como se muestra en la Figura 1, NRZ utiliza dos niveles de intensidad: una potencia óptica alta para un bit "1" y una potencia baja (generalmente casi cero) para un bit "0". Cada bit se transmite dejando el láser encendido o apagándolo durante la duración de un período de bit. Solo se transmite un bit por símbolo (período de bit) en NRZ, lo que lo convierte en un formato de modulación binario (de 2 niveles).

La simplicidad de NRZ-OOK lo ha convertido en el pilar de la fibra óptica durante décadas. Las primeras redes ópticas desde 1 Gb/s hasta 10 Gb/s por canal utilizaron modulación NRZ, y todavía se usa para muchos enlaces de corta distancia e interfaces de menor velocidad. Las ventajas clave de NRZ incluyen su simplicidad y robustez: requiere diseños de transmisor y receptor relativamente simples (solo encender/apagar un láser y detección directa con un fotodiodo), y tiene una gran "apertura del ojo" (diferencia de amplitud de señal entre 0 y 1) que proporciona un buen margen de ruido. Las señales NRZ también ocupan un espectro óptico relativamente estrecho para una tasa de bits dada, lo que históricamente permitió empaquetar muchos canales de longitud de onda de manera densa en sistemas WDM (aunque todavía limitado a aproximadamente 10 Gb/s por longitud de onda en rejillas de 50 GHz en las primeras redes DWDM).

A medida que aumentan las tasas de datos, NRZ-OOK alcanza límites prácticos. Debido a que NRZ transporta un bit por símbolo, lograr tasas de bits más altas requiere un aumento proporcional en la tasa de símbolos (baudios), lo que ajusta los requisitos de ancho de banda del transmisor/receptor y aumenta la sensibilidad a las deficiencias de la fibra. Por ejemplo, NRZ de 40 Gb/s requiere operación a 40 Gbaudios, lo que hace que la señal sea altamente vulnerable a la dispersión y las penalizaciones de implementación. Como resultado, NRZ fue difícil de escalar a la transmisión de largo alcance de 40G y fue progresivamente reemplazado por formatos de modulación más avanzados.

Hoy en día, NRZ-OOK sigue ampliamente desplegado a 10 Gb/s y, en algunas plataformas, hasta aproximadamente 25 Gb/s por carril, principalmente en enlaces de corto alcance y metro. En la banda O (aproximadamente 1310 nm), donde la dispersión cromática es cercana a cero, NRZ puede soportar típicamente 10–25 km sin compensación de dispersión, lo que se alinea con la óptica Ethernet común. Cuando se necesita margen de enlace adicional, los amplificadores ópticos de semiconductor (SOA) pueden proporcionar un aumento de potencia de corto alcance. En la práctica, los SOA a menudo se usan con ganancia moderada (típicamente aproximadamente 10–20 dB, dependiendo del dispositivo y el punto de operación), y pueden ayudar a extender el alcance proporcionando varios dB de presupuesto adicional; sin embargo, la distancia alcanzable sigue siendo dependiente de la aplicación porque los SOA agregan ruido y pueden introducir distorsión no lineal. Para muchos enlaces NRZ de banda O, un alcance extendido realista con asistencia de SOA es del orden de unas pocas decenas de kilómetros, comúnmente aproximadamente 20–40 km, asumiendo que las penalizaciones del sistema permanecen controladas.

En la banda C (aproximadamente 1550 nm), NRZ todavía es común en el transporte DWDM de 10G. Sin compensación de dispersión, el alcance a menudo está limitado a aproximadamente 20–40 km; con módulos de compensación de dispersión (DCM) y amplificación óptica, se pueden alcanzar aproximadamente 80–100 km en enlaces DWDM que incluyen pérdidas de inserción de MUX/DMUX. A aproximadamente 25 Gb/s, la tolerancia a la dispersión se vuelve insuficiente para tramos largos incluso con compensación, por lo que el despliegue se limita típicamente a distancias más cortas. En general, la tasa de datos práctica máxima para NRZ-OOK es de aproximadamente 25 Gb/s por carril, con el rendimiento de alcance más robusto que ocurre en enlaces de banda O cortos y sistemas DWDM de banda C de 10G heredados.

Modulación de amplitud multinivel – PAM4

A medida que las tasas de datos por canal aumentaron a 100 Gb/s y más, el tradicional NRZ-OOK se volvió impráctico, y PAM4 surgió como el formato de modulación de intensidad dominante para transceptores de corto alcance de alta velocidad. PAM4 utiliza cuatro niveles de intensidad óptica por símbolo (comúnmente etiquetados como 0–3), por lo que cada símbolo transporta 2 bits asignados a 00, 01, 10, 11; una forma de onda representativa se muestra en la Figura 2 (a). Al empaquetar dos bits en un símbolo, PAM4 entrega la misma tasa de bits a la mitad de la tasa de baudios de NRZ, reduciendo las demandas de ancho de banda en óptica y electrónica (por ejemplo, aproximadamente 50 Gbaudios para transportar aproximadamente 100 Gb/s por longitud de onda). El diagrama de ojo PAM4 correspondiente en la Figura 2 (b) muestra tres aperturas de ojo más pequeñas, destacando una mayor sensibilidad al ruido que NRZ.

En términos prácticos, PAM4 permite la señalización de 50 Gbaudios para transportar 100 Gb/s por longitud de onda, mientras que NRZ requeriría 100 Gbaudios para el mismo rendimiento. Esta reducción de la tasa de baudios ha sido crítica para escalar las tecnologías Ethernet e interconexión. Hoy en día, PAM4 soporta módulos ópticos de 100G, 200G, 400G e incluso 800G. Las implementaciones típicas incluyen 1×100G PAM4, 2×100G PAM4 o 4×100G PAM4 carriles, dependiendo del factor de forma y la aplicación. La velocidad máxima efectiva por carril con PAM4 es actualmente de aproximadamente 100 Gb/s, correspondiente a señalización de aproximadamente 50–56 Gbaudios.

En la banda O (aproximadamente 1310 nm), la dispersión cromática es intrínsecamente baja (≈0 a ≤1 ps/nm·km); por lo tanto, no se requieren módulos de compensación de dispersión (DCM), incluso para tramos largos de fibra. Sin embargo, la transmisión de 100 km con PAM4 en la banda O no es factible, no debido a la dispersión, sino debido al presupuesto de potencia insuficiente y las limitaciones de OSNR. Los amplificadores ópticos de semiconductor (SOA) pueden proporcionar una ganancia de aproximadamente 10–20 dB, como se mencionó anteriormente, permitiendo la extensión del alcance a aproximadamente 10–20 km, pero el ruido de emisión espontánea amplificada y la distorsión no lineal impiden un mayor escalado. Dado que los DCM no proporcionan beneficios en la banda O y la amplificación de alta ganancia no está disponible, los enlaces PAM4 de banda O de largo alcance (≥100 km) son imprácticos, y se requieren formatos de modulación de mayor sensibilidad.

En la banda C (aproximadamente 1550 nm), PAM4 experimenta una dispersión cromática significativa (aproximadamente 17 ps/nm·km), por lo que sin compensación de dispersión el alcance práctico es corto, típicamente aproximadamente 2–5 km antes de que la dispersión degrade la señal. Los módulos PAM4 no amplificados pueden extenderse a aproximadamente 5–10 km según la pérdida del enlace y la sensibilidad del receptor solamente. Con amplificación EDFA y compensación de dispersión (por ejemplo, DCM o compensación electrónica de dispersión), los enlaces DWDM PAM4 pueden alcanzar aproximadamente 80 km en condiciones favorables, y algunos productos afirman hasta aproximadamente 80–120 km con un cuidadoso presupuesto de potencia óptica y compensación. Los tramos más largos generalmente requieren ecualización avanzada y control estricto de OSNR para mitigar los efectos de dispersión y ruido.

El principal compromiso de PAM4 es su mayor sensibilidad al ruido. En relación con NRZ, PAM4 exhibe tres aperturas de ojo más pequeñas, requiriendo una SNR más alta para lograr la misma tasa de error de bits; por lo tanto, la corrección de errores hacia adelante (FEC) es efectivamente obligatoria en enlaces basados en PAM4. Aunque PAM4 mejora el rendimiento dentro de un ancho de banda limitado, su alcance es generalmente más corto que NRZ y significativamente más corto que la transmisión coherente. En la práctica, PAM4 de banda O está optimizado para operación de corto alcance (típicamente ≤10–20 km), mientras que PAM4 de banda C, incluidas las implementaciones DWDM, puede diseñarse para alcanzar decenas de kilómetros y, en sistemas optimizados con amplificación y gestión de dispersión, hasta aproximadamente 120 km. Más allá de estos rangos, la modulación coherente generalmente se prefiere debido a la sensibilidad superior y la tolerancia a la dispersión.

Modulación por desplazamiento de fase (PSK) – Uso de la fase de la luz para datos

Más allá de la modulación de intensidad, la información óptica puede codificarse en la fase de la portadora óptica utilizando modulación por desplazamiento de fase (PSK). A diferencia de OOK o PAM4, PSK mantiene una potencia óptica constante y codifica datos a través de cambios de fase controlados del campo electromagnético. Detectar la fase requiere receptores coherentes capaces de medir la fase relativa a un oscilador local, aumentando la complejidad del sistema pero permitiendo importantes ganancias en sensibilidad y alcance.

En la modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK), la fase óptica alterna entre dos valores separados por π radianes (0° y 180°), representando los binarios 0 y 1 (ver Figura 3). BPSK transporta 1 bit por símbolo, similar a NRZ, pero con intensidad constante, lo que mejora la tolerancia a las no linealidades de la fibra. El BPSK coherente exhibe aproximadamente 3 dB mejor sensibilidad que NRZ o PAM4 para una tasa de error de bits dada, lo que lo convierte en uno de los formatos de modulación más eficientes en potencia. En comparación con PAM4, BPSK requiere una OSNR significativamente más baja, no requiere FEC por defecto y soporta distancias de transmisión mucho más largas.

El compromiso es la eficiencia espectral. Mientras que PAM4 soporta 100G–400G+ por longitud de onda usando modulación de amplitud multinivel, BPSK está típicamente limitado a aproximadamente 100 Gb/s por longitud de onda en sistemas modernos, a menudo implementado como BPSK de polarización dual (DP-BPSK). Este formato sacrifica capacidad a cambio de alcance y robustez extremos.

En la banda C (aproximadamente 1550 nm), el BPSK coherente se utiliza ampliamente en sistemas DWDM de largo alcance de telecomunicaciones y puede lograr un alcance de >1000 km en redes comerciales. La amplificación EDFA con longitudes de tramo típicas de 80–100 km es estándar, mientras que la amplificación híbrida EDFA + Raman se utiliza para mejorar aún más la OSNR y extender el alcance más allá de aproximadamente 2000 km. No se requieren DCM, ya que los receptores coherentes proporcionan compensación completa de dispersión cromática digital. Para la transmisión de 100G, BPSK y PAM4 sirven diferentes regímenes. Se prefiere 100G BPSK para enlaces de ultra largo alcance, donde el alcance, el margen de OSNR y la tolerancia no lineal dominan sobre la eficiencia espectral. En contraste, 100G PAM4 en la banda C se favorece para aplicaciones de corto alcance y metro (típicamente ≤40–120 km), donde se necesita una mayor eficiencia espectral pero las limitaciones de dispersión y OSNR requieren el uso cuidadoso de EDFA, DCM y FEC obligatorio. Por lo tanto, se elige BPSK para el alcance máximo, mientras que PAM4 se selecciona para maximizar la capacidad en distancias limitadas.

En la banda O (aproximadamente 1310 nm), BPSK se despliega con menos frecuencia para sistemas de largo alcance debido a la falta de infraestructura de amplificación de largo alcance madura. Aunque la dispersión es cercana a cero y los DCM son innecesarios, el alcance está limitado principalmente por la amplificación disponible y la OSNR. Como resultado, los sistemas BPSK de ultra largo alcance se implementan casi exclusivamente en la banda C.

BPSK diferencial (DPSK) evita la detección de fase absoluta codificando información en transiciones de fase entre símbolos, permitiendo receptores más simples. DPSK proporcionó aproximadamente 3 dB de mejora de sensibilidad sobre OOK y se utilizó ampliamente en sistemas de 40 Gb/s antes de que madurara la tecnología completamente coherente. En resumen, BPSK supera a PAM4 en alcance, sensibilidad y tolerancia no lineal, pero soporta tasas de datos por canal más bajas. PAM4 es óptimo para enlaces de corto alcance y alta capacidad, mientras que BPSK sigue siendo una opción preferida para la transmisión de ultra largo alcance donde el alcance y la robustez dominan sobre la eficiencia espectral.

Modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK)

QPSK (modulación por desplazamiento de fase en cuadratura) aumenta la capacidad óptica codificando datos en cuatro estados de fase de la portadora, permitiendo 2 bits por símbolo. Para una detección confiable, las fases se eligen para estar máximamente separadas: con 360° de fase total y cuatro símbolos, el espaciamiento es de 90°, produciendo la constelación estándar a 45°, 135°, 225° y 315° (Figura 4). La asignación de bit a fase es arbitraria siempre que el transmisor y el receptor estén de acuerdo, y la codificación Gray se utiliza comúnmente para reducir errores entre estados vecinos. Debido a que QPSK idealmente mantiene la intensidad óptica constante, es más tolerante a las no linealidades que la modulación de intensidad.

Al transportar dos bits por símbolo, QPSK duplica la eficiencia espectral en relación con BPSK a la misma tasa de baudios. Por ejemplo, una señal QPSK multiplexada por polarización (DP-QPSK) de 28–32 Gbaudios soporta aproximadamente 100 Gb/s por longitud de onda, lo que se convirtió en la base de los sistemas DWDM coherentes comerciales de 100G a partir de aproximadamente 2010. Esta reducción de la tasa de baudios mejora significativamente la tolerancia a la dispersión y permite una operación eficiente dentro del espaciamiento de canal DWDM estándar de 50 GHz.

En la banda C (aproximadamente 1550 nm), QPSK se utiliza ampliamente para redes DWDM de largo alcance y metro. La dispersión cromática (aproximadamente 17 ps/nm·km) se maneja completamente mediante procesamiento digital de señales (DSP) en receptores coherentes; por lo tanto, no se requieren módulos de compensación de dispersión (DCM). La amplificación óptica es esencial, con EDFA formando la columna vertebral de los sistemas comerciales (tramos típicos de 80–100 km), mientras que la amplificación híbrida EDFA + Raman se utiliza para enlaces de ultra largo alcance. Con amplificación y detección coherente, DP-QPSK alcanza rutinariamente alcances de 1,000–3,000 km, soportando tasas de datos de 100G y 200G por longitud de onda.

En la banda O (aproximadamente 1310 nm), QPSK es menos común para el despliegue de largo alcance. Aunque la dispersión cromática es cercana a cero, la transmisión de larga distancia está limitada por la falta de amplificadores ópticos de alto rendimiento. Los SOA pueden usarse para corto alcance con ganancias típicas de aproximadamente 10–20 dB, permitiendo decenas de kilómetros, pero agregan ruido y distorsión no lineal. Como resultado, los sistemas QPSK de largo alcance se despliegan casi exclusivamente en la banda C, no en la banda O.

En comparación con PAM4, QPSK ofrece un alcance mucho mayor y tolerancia a OSNR. Mientras que PAM4 permite tasas por carril más altas (100G–400G+) usando modulación de intensidad, es limitado por ruido y sensible a la dispersión, restringiendo PAM4 de banda C a aproximadamente 40–120 km incluso con EDFA y DCM. QPSK, por el contrario, intercambia eficiencia espectral por órdenes de magnitud de alcance más largo, lo que lo convierte en la opción preferida para el transporte de telecomunicaciones de largo alcance, mientras que PAM4 se favorece para aplicaciones de corto alcance y metro.

Modulación de amplitud en cuadratura (QAM): Aumento de bits por símbolo

Mientras que PSK modula solo la fase de la portadora óptica, la modulación de amplitud en cuadratura (QAM) explota tanto la fase como la amplitud, formando una constelación bidimensional en el plano en fase (I) y en cuadratura (Q). Al aumentar el número de puntos de constelación, QAM permite más bits por símbolo y, por lo tanto, una mayor eficiencia espectral. De hecho, PSK puede verse como un caso especial de QAM con amplitud constante. Los formatos QAM de orden superior (por ejemplo, 16-QAM, 64-QAM) son la piedra angular de los sistemas modernos de comunicación óptica coherente.

16-QAM

Rendimiento y requisitos del sistema 16-QAM (DWDM de telecomunicaciones) — ver Figura 5. 16-QAM de polarización dual (DP-16QAM) codifica 4 bits/símbolo por polarización, produciendo 8 bits/símbolo en total. A aproximadamente 30–32 Gbaudios, DP-16QAM entrega aproximadamente 200–240 Gb/s de rendimiento neto, mientras que la operación cerca de aproximadamente 60–64 Gbaudios permite aproximadamente 400 Gb/s por longitud de onda después de la sobrecarga. Con tasas de baudios más altas y DSP/FEC avanzado, se pueden lograr aproximadamente 800 Gb/s por longitud de onda en rutas cortas de alta OSNR. En relación con DP-QPSK, DP-16QAM proporciona una ganancia de eficiencia espectral de 2× a la misma tasa de baudios, pero requiere una OSNR más alta (típicamente aproximadamente 6–7 dB más para BER comparable), lo que limita el alcance de transmisión.

En redes de telecomunicaciones comerciales, DP-16QAM se despliega principalmente en la banda C (aproximadamente 1550 nm) para DWDM metro/regional porque los receptores coherentes realizan compensación de dispersión cromática digital, haciendo innecesarios los DCM. Por lo tanto, el alcance está limitado por OSNR en lugar de por dispersión; el alcance operacional típico es de aproximadamente 100–500 km, dependiendo de la pérdida del tramo, la cifra de ruido del amplificador, las penalizaciones de filtrado ROADM y el margen de FEC. La amplificación óptica es obligatoria: los EDFA siguen siendo la opción predeterminada debido al costo, madurez y compatibilidad con la ingeniería de tramos de 80–100 km. Raman (a menudo EDFA+Raman híbrido) se prefiere cuando se requiere una OSNR más alta, por ejemplo, rutas regionales más largas, tasas de baudios más altas o cadenas ROADM más densas, porque la ganancia distribuida mejora la OSNR efectiva y puede extender el alcance.

El filtrado DWDM debe acomodar la tasa de baudios y el roll-off: las rejillas de canal de aproximadamente 50 GHz se emparejan comúnmente con DP-16QAM de aproximadamente 30–32 Gbaudios, mientras que se requiere típicamente un espaciamiento de aproximadamente 75–100 GHz a aproximadamente 60–64 Gbaudios para reducir las penalizaciones de banda pasante de MUX/DMUX y ROADM. El despliegue en la banda O (aproximadamente 1310 nm) es poco común para DP-16QAM de largo alcance; a pesar de la baja dispersión, la amplificación de alto rendimiento limitada y las restricciones de OSNR hacen que la banda C sea el dominio práctico.

QAM de orden superior (64-QAM y más allá)

Los formatos de orden superior como 64-QAM codifican 6 bits por símbolo (12 bits con PDM), permitiendo aproximadamente 600 Gb/s por longitud de onda a aproximadamente 60 Gbaudios e incluso tasas más altas con DSP avanzado y conformación probabilística. Sin embargo, estos formatos demandan una OSNR muy alta y, por lo tanto, están limitados a distancias cortas, típicamente <100–200 km, como la interconexión de centros de datos (DCI) o enlaces metro muy limpios. Los órdenes más allá de 64-QAM están mayormente confinados a enlaces coherentes de corto alcance o sistemas experimentales.

Comparación con QPSK y PAM4

En comparación con QPSK, los formatos QAM (por ejemplo, 16-QAM) ofrecen mayor capacidad por longitud de onda pero menor alcance debido a una mayor sensibilidad a OSNR. QPSK sigue siendo preferido para enlaces de largo alcance (>1000 km), mientras que 16-QAM se favorece para redes metro y regionales donde la capacidad supera la distancia.

En comparación con PAM4, QAM (con detección coherente) proporciona una tolerancia a la dispersión y alcance muy superiores. PAM4, siendo modulado en intensidad, es sensible al ruido y típicamente está limitado a ≤10–20 km en la banda O y decenas de kilómetros (hasta aproximadamente 120 km) en la banda C con amplificación y gestión de dispersión. En contraste, QAM coherente no requiere DCM, ya que la dispersión cromática se compensa completamente digitalmente, permitiendo distancias mucho más largas.

Conclusión

Este artículo ha demostrado que ningún formato de modulación único es el mejor para cada enlace óptico: la elección correcta depende de la tasa de bits, el alcance requerido, la banda de fibra (O/C) y el costo/complejidad. NRZ-OOK sigue siendo la opción más simple y de menor costo para enlaces de 10G y muchos enlaces de 25G. En la práctica, 10G NRZ puede abarcar aproximadamente 10 km en banda O (óptica típica de clase LR) y, con óptica DWDM de banda C de alto presupuesto, puede alcanzar aproximadamente 80–100 km sobre SMF sin amplificadores o DCM en algunos diseños; agregar EDFA y (si es necesario) compensación de dispersión ayuda principalmente al margen y la pérdida del sistema (por ejemplo, MUX/DMUX). 25G NRZ en banda C está mucho más limitado por la dispersión, por lo que DWDM de largo alcance generalmente es impráctico.

PAM4 permite 100G–400G+ pero es más sensible a OSNR. Es típicamente de corto alcance en banda O, y en banda C a menudo necesita FEC y gestión de dispersión (electrónica y/u óptica) para tramos más largos. Para distancias más largas y mayor capacidad por longitud de onda, se requieren formatos coherentes basados en fase. QPSK ofrece un equilibrio óptimo entre alcance y capacidad, soportando 100–200G sobre miles de kilómetros en la banda C utilizando amplificación EDFA/Raman sin DCM. Los formatos QAM (por ejemplo, 16-QAM, 64-QAM) aumentan aún más la capacidad a 400G–800G+, pero con alcance reducido (aproximadamente 100–500 km para 16-QAM; <200 km para 64-QAM), lo que los hace ideales para DWDM metro y regional.

En la práctica, las redes modernas dependen de transceptores coherentes adaptativos, seleccionando dinámicamente NRZ, PAM4, QPSK o QAM para equilibrar capacidad, alcance y costo bajo condiciones de red reales.