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

Introducción

Cuando la luz se propaga a través de una fibra óptica, los pulsos cortos no permanecen perfectamente confinados en el tiempo. La dispersión provoca que cada pulso se ensanche mientras viaja, porque diferentes componentes de la señal — diferentes longitudes de onda, modos o estados de polarización — se propagan a velocidades ligeramente diferentes. Como resultado, la forma de onda recibida se vuelve cada vez más dispersa en el tiempo.

De manera crucial, incluso si una fibra tuviera atenuación cero, un enlace óptico aún tendría un alcance finito porque la dispersión distorsiona progresivamente la forma de onda. Cuando los pulsos vecinos se extienden lo suficiente como para superponerse, el receptor ya no puede determinar dónde termina un bit (o símbolo) y dónde comienza el siguiente. El resultado práctico es la interferencia entre símbolos (ISI) y una tasa de error de bits (BER) en aumento. Este comportamiento se ilustra en la Figura 1, donde dos pulsos inicialmente distintos se ensanchan con la distancia, se superponen gradualmente y eventualmente pueden volverse indistinguibles dentro de la ventana de muestreo del receptor. En sistemas reales, el receptor tiene un margen de temporización finito y tolerancia limitada al ISI, por lo que la dispersión finalmente establece un límite de tasa de bits × distancia incluso cuando la potencia óptica sigue siendo adecuada.

En este artículo, explicamos qué es la dispersión, de dónde proviene, cómo afecta el rendimiento del transceptor — especialmente a altas tasas de datos — y cómo puede gestionarse. Revisamos los principales mecanismos de dispersión en las fibras, incluyendo la dispersión modal en fibras multimodo y la dispersión cromática y la dispersión por modo de polarización (PMD) en fibras monomodo. También discutimos qué formatos de modulación y sistemas de transmisión son más sensibles a la dispersión y resumimos las estrategias modernas de mitigación, incluyendo el diseño de fibras, la compensación de dispersión y el procesamiento del lado del receptor. Finalmente, describimos los Módulos de Compensación de Dispersión (DCM), su contenido, y proporcionamos un ejemplo de cálculo del ensanchamiento de pulso inducido por dispersión en un enlace representativo.

Tipos de dispersión en fibras ópticas

La dispersión en fibras ópticas puede categorizarse según su origen físico. Los tres tipos principales son la dispersión modal, la dispersión cromática y la dispersión por modo de polarización (PMD). Los tres causan ensanchamiento de pulsos, pero surgen de diferentes mecanismos:

• Dispersión modal: Ocurre en fibras multimodo debido a que diferentes caminos de propagación (modos) tienen diferentes longitudes y velocidades.
• Dispersión cromática (intramodal): Ocurre en todas las fibras (especialmente fibras monomodo) debido a que diferentes longitudes de onda (colores) viajan a diferentes velocidades. Tiene dos subcomponentes:
  • Dispersión del material: causada por el índice de refracción dependiente de la longitud de onda del vidrio.
  • Dispersión de guía de onda: causada por la distribución dependiente de la longitud de onda de la luz entre el núcleo y el revestimiento en una fibra monomodo.
• Dispersión por modo de polarización (PMD): ocurre en fibras monomodo cuando una polarización de la luz viaja más rápido que la polarización ortogonal, debido a pequeñas asimetrías o tensiones en la fibra.

Cada tipo de dispersión tiene un impacto y relevancia diferentes dependiendo del tipo de fibra y sistema. Describiremos cada tipo con más detalle a continuación.

Dispersión modal en fibra multimodo

En fibra multimodo (MMF), el núcleo es lo suficientemente grande (por ejemplo, 50 µm o 62,5 µm de diámetro) para soportar muchos caminos de propagación o modos. Los rayos de luz que entran en diferentes ángulos siguen diferentes caminos en zigzag a través de la fibra; algunos viajan directamente por el centro (modo axial) mientras que otros rebotan en ángulos más pronunciados (modos de orden superior). Estos caminos tienen diferentes longitudes — los rayos de ángulo alto viajan una distancia más larga que los rayos casi axiales. Incluso si comienzan al mismo tiempo, llegan al extremo de la fibra en diferentes momentos. Esto causa que un pulso de entrada corto se extienda en un pulso de salida más largo, ver Figura 2.

Para una fibra multimodo de índice escalonado, la diferencia en el tiempo de llegada entre los modos más rápidos y más lentos puede ser significativa, limitando el ancho de banda de la fibra. Esta dispersión intermodal se cuantifica mediante un parámetro de dispersión modal (a menudo dado en ns/km). La fibra multimodo de índice gradual está diseñada para reducir este efecto: al disminuir gradualmente el índice de refracción desde el centro del núcleo hacia el revestimiento, los modos de ángulo alto viajan más rápido en las regiones de índice más bajo, alcanzando parcialmente a los modos de bajo ángulo. Esto iguala los tiempos de viaje y produce un ancho de banda mucho mayor (menos dispersión modal) que la MMF de índice escalonado.

Aun así, las fibras multimodo tienen límites de distancia × ancho de banda del orden de unos pocos cientos de MHz·km a unos pocos GHz·km, razón por la cual se utilizan para enlaces más cortos (por ejemplo, conexiones de centros de datos o LAN). La dispersión modal es la limitación dominante en fibra multimodo pero no ocurre en fibra monomodo, ya que una fibra monomodo solo permite que se propague un modo espacial.

Dispersión cromática en fibra monomodo

Las fibras monomodo (SMF) eliminan la dispersión modal al guiar solo un modo, pero aún están sujetas a la dispersión cromática (también llamada dispersión de velocidad de grupo, GVD). La dispersión cromática significa que diferentes longitudes de onda (colores) de luz viajan a diferentes velocidades en la fibra. Incluso un láser, que consideramos casi monocromático, tiene un ancho espectral finito (por ejemplo, un láser de retroalimentación distribuida podría tener un ancho de línea de unos pocos MHz a varios MHz, y su señal modulada puede efectivamente tener un ancho espectral del orden de 0,1 nm o más dependiendo de la tasa de datos y el formato de modulación). Cada componente de longitud de onda del pulso se propagará con una velocidad diferente, causando que algunas partes del pulso lleguen antes o después que otras. El resultado es que un pulso inicialmente corto se extiende en el tiempo, ver Figura 3.

Hay dos causas físicas principales de la dispersión cromática en las fibras:

Dispersión del material: El índice de refracción del material de vidrio de la fibra (sílice, a menudo con dopantes) varía con la longitud de onda. En la sílice, las longitudes de onda más cortas ven un índice de refracción más alto que las longitudes de onda más largas, lo que significa que viajan ligeramente más lento. Por el contrario, las longitudes de onda más largas (más cercanas al infrarrojo) ven un índice más bajo y viajan más rápido. Esta es una propiedad del material en sí — una consecuencia de cómo la estructura atómica de la sílice responde a diferentes frecuencias ópticas. La dispersión del material es cero en una longitud de onda particular (alrededor de 1300 nm en sílice pura), negativa (lo que significa que las longitudes de onda más cortas llegan más tarde) por debajo de ese punto, y positiva (las longitudes de onda más cortas llegan antes) por encima de ese punto.

Dispersión de guía de onda: En una fibra monomodo, no toda la luz está confinada en el núcleo; parte se filtra hacia el revestimiento. La fracción de potencia en el núcleo versus el revestimiento depende de la longitud de onda. En longitudes de onda más cortas, la luz está más estrechamente confinada en el núcleo; en longitudes de onda más largas, el campo del modo se extiende más hacia el revestimiento (que tiene un índice de refracción más bajo). Esto cambia el índice de refracción efectivo experimentado por el modo. Esencialmente, a medida que aumenta la longitud de onda, la luz siente menos del núcleo de alto índice y más del revestimiento de bajo índice, por lo que su índice efectivo disminuye — causando un efecto en la velocidad de propagación. La dispersión de guía de onda puede ser diseñada mediante el diseño de la fibra (tamaño del núcleo, perfil de índice) y generalmente es de signo opuesto a la dispersión del material en cierta región. En SMF estándar, la dispersión de guía de onda es pequeña comparada con la dispersión del material, pero en fibras especialmente diseñadas puede ser significativa.

La dispersión cromática total de una fibra es la suma de las contribuciones de dispersión del material y de guía de onda. A menudo se expresa mediante el coeficiente de dispersión D, típicamente dado en unidades de ps/(nm·km). D indica cuántos picosegundos de ensanchamiento de pulso ocurrirán por nanómetro de ancho espectral por kilómetro de fibra. Por ejemplo, una fibra monomodo estándar G.652 tiene D ≈ 17 ps/(nm·km) a λ = 1550 nm. Esto significa que si envías luz con un ancho espectral de 1 nm a través de 1 km de dicha fibra, la diferencia en tiempos de llegada entre los componentes puede ser de aproximadamente 17 ps. En 100 km, eso serían 1700 ps (1,7 ns) de ensanchamiento por nm de ancho de banda de la fuente.

La dispersión cromática causa que el ensanchamiento del pulso se acumule linealmente con la longitud de la fibra. Cuanto más larga sea la fibra, más la dispersión extenderá el pulso. Para una fibra y fuente de señal dadas, el ensanchamiento total del pulso ΔT puede aproximarse por:

ΔT ≈ D · Δλ · L

donde Δλ es el ancho espectral de la fuente (en nm) y L es la distancia (en km). Por ejemplo, considera una señal NRZ de 10 Gb/s (período de bit de aproximadamente 100 ps) enviada a través de 80 km de SMF estándar (D ≈ 17 ps/nm/km a 1550 nm) usando un láser con ancho espectral de 0,1 nm. El ensanchamiento aproximado del pulso sería:

ΔT ≈ 17 ps/(nm·km) × 0,1 nm × 80 km = 136 ps

Esto es aproximadamente 1,36 veces el período de bit original (100 ps), lo que significa que los pulsos se superpondrán significativamente y el sistema tendría una alta tasa de error de bits sin compensación de dispersión. En contraste, a 2,5 Gb/s (período de bit de 400 ps), la misma fibra y fuente producirían 136 ps de ensanchamiento, que es solo aproximadamente un tercio de un período de bit — más fácil de tolerar para un receptor.

Esto ilustra un punto importante: las señales de mayor tasa de bits son mucho más sensibles a la dispersión. De hecho, para una fibra y fuente dadas, la distancia limitada por dispersión escala inversamente con el cuadrado de la tasa de bits. Una regla general común es que si cuadruplicas la tasa de bits (digamos de 2,5 a 10 Gb/s), la tolerancia a la dispersión (distancia máxima) disminuye por un factor de 16, siendo todo lo demás igual.

Efectos del formato de modulación: La sensibilidad a la dispersión también depende del formato de modulación y la forma del pulso:

• Formato NRZ (Sin Retorno a Cero) (donde un "1" es un pulso continuo durante todo el período de bit) es bastante tolerante a la dispersión a tasas de bits más bajas, pero a altas velocidades, las largas cadenas de 1s o 0s en NRZ no tienen transiciones que un receptor pueda usar para la sincronización del reloj, y la dispersión puede difuminar aún más las transiciones.
• Formato RZ (Retorno a Cero) usa pulsos más estrechos (cada "1" es un pulso más corto que la ranura de bit, volviendo a cero entre bits). Los pulsos RZ tienen un espectro óptico más amplio (ya que son más cortos en el tiempo), lo que en realidad empeora la dispersión cromática en términos de ensanchamiento absoluto del pulso. Sin embargo, debido a que cada pulso está confinado a una fracción más pequeña del período de bit, el RZ a menudo puede tolerar un poco más de dispersión antes de que el ISI se vuelva catastrófico — esencialmente, los pulsos tienen algo de tiempo de guarda entre ellos. En sistemas de larga distancia de 10 Gb/s, los formatos RZ o RZ con chirp se encontraron que rendían mejor que NRZ en presencia de dispersión y no linealidad de la fibra. La compensación es que RZ requiere más ancho de banda.
• Transmisores con chirp: Un láser de modulación directa (DML) impone un chirp de frecuencia durante las transiciones de bits (la longitud de onda instantánea del láser cambia ligeramente al encenderse y apagarse). Este chirp interactúa con la dispersión: un chirp positivo puede ensanchar aún más el pulso en fibra de dispersión normal. Un láser de modulación externa (usando un modulador Mach-Zehnder) puede producir pulsos casi sin chirp, que son preferidos para largas distancias. Alternativamente, se puede pre-chirpear el pulso en la dirección opuesta para contrarrestar la dispersión.
• Formatos avanzados: Los esquemas de modulación como DPSK, QPSK o QAM (a menudo usados con detección coherente) típicamente usan información de fase y a menudo transmiten a tasas de baudios más altas pero con DSP en el receptor. La tolerancia a la dispersión en estos sistemas proviene principalmente de la capacidad del DSP para ecualizar la dispersión. Sin embargo, pulsos más largos (tasas de baudios más bajas o uso de código corrector de errores con spreading) tolerarán inherentemente más dispersión porque el ensanchamiento relativo es más pequeño comparado con el período del símbolo.

Dispersión por modo de polarización (PMD)

La fibra monomodo transporta luz como un solo modo espacial, pero ese modo tiene dos estados de polarización degenerados (piénsalo como dos fibras idénticas en una — una para cada orientación de polarización). En una fibra perfecta sin asimetría, los dos componentes de polarización de un pulso viajan a la misma velocidad. En fibras reales, pequeñas imperfecciones, asimetría en la forma del núcleo, o tensiones externas (por ejemplo, curvas, presión, variaciones de temperatura) rompen esta simetría y hacen que la fibra sea birrefringente. Como se ilustra en la Figura 4, un modo de polarización viaja ligeramente más rápido que el otro. En largas distancias, una polarización puede acumular un retardo significativo respecto a la otra — esto es dispersión por modo de polarización.

La PMD es diferente de la dispersión cromática: no depende de la longitud de onda de la misma manera, y tiende a variar aleatoriamente con los cambios ambientales. Se caracteriza por un Retardo de Grupo Diferencial (DGD) promedio estadístico, a menudo dado en unidades de ps/√km (por ejemplo, 0,1 ps/√km para fibras modernas). Por ejemplo, una fibra podría tener una PMD de 0,05 ps/√km, lo que significa ~0,5 ps de retardo diferencial en 100 km. Esto es despreciable a velocidades más bajas, pero a 40 Gb/s (período de bit de 25 ps) incluso unos pocos picosegundos de división de pulso pueden causar el cierre del diagrama de ojo.

La PMD era una preocupación seria para sistemas de ultra larga distancia a 10 Gb/s y sistemas de 40 Gb/s en fibras antiguas. Afortunadamente, las fibras modernas tienen PMD extremadamente baja, y técnicas como el scrambling de polarización o la ecualización electrónica en receptores coherentes pueden mitigar la PMD. Aun así, a 100G y superiores, la PMD a veces puede impactar el rendimiento si un tramo de fibra particular tiene birrefringencia inusualmente alta. A diferencia de la dispersión cromática, la PMD no es fácilmente predecible o fija — puede derivar con el tiempo y la temperatura. Por lo tanto, típicamente se maneja mediante margen de diseño de red o compensación en tiempo real en receptores en lugar de compensadores ópticos fijos.

Impacto de la dispersión en el rendimiento del sistema

La dispersión tiene una influencia directa en el rendimiento y diseño de los enlaces de comunicación por fibra óptica. Los dos límites clave que impone son sobre la distancia y la tasa de datos:

• Para una fibra y transmisor dados, existe un producto máximo de tasa de bits × distancia más allá del cual los pulsos se superponen demasiado para ser recuperados.
• Para una tasa de bits y longitud de enlace dados, existe una dispersión máxima (o ancho espectral) que puede tolerarse antes de que los errores superen los niveles aceptables.

Los ingenieros a menudo presupuestan una cierta "penalización por dispersión" en el diseño del enlace. Una penalización de potencia debido a la dispersión significa que el receptor necesita una potencia óptica mayor para lograr la misma tasa de error de bits, comparado con un caso sin dispersión. Típicamente, un sistema podría permitir una penalización de potencia de 1 dB por dispersión, lo que corresponde a algún valor máximo de dispersión en ps/nm que el enlace puede tener. Por ejemplo, los estándares podrían decir algo como "para 10 Gb/s 1550 nm NRZ sobre SMF estándar, dispersión máxima 1600 ps/nm para <1 dB de penalización". Esos 1600 ps/nm corresponden a aproximadamente 100 km de fibra (ya que 100 km × 17 ps/nm/km = 1700 ps/nm). De hecho, en la práctica ~80–100 km es aproximadamente el alcance limitado por dispersión para 10 Gb/s en SMF estándar sin compensación. Para 2,5 Gb/s, el alcance es mucho mayor (del orden de 400 km) debido a la menor tasa de bits. A 40 Gb/s, el alcance en la misma fibra podría ser solo ~20–40 km, mostrando la relación cuadrática de tolerancia con la tasa de bits mencionada anteriormente.

La dispersión afecta a diferentes formatos de modulación de diferentes maneras. Como se señaló, los sistemas coherentes QPSK/QAM pueden corregir digitalmente la mayor parte de la dispersión cromática, por lo que están limitados por otros factores (como la relación señal-ruido óptica y las no linealidades) más que por la dispersión. Los sistemas de modulación on-off tienen que lidiar con la dispersión en el dominio óptico, a menudo añadiendo dispositivos de compensación. En el pasado, las redes WDM densas de 10 Gb/s usaban gestión de dispersión: tramos de fibra alternados con fibra compensadora de dispersión para mantener baja la dispersión acumulada. Si la dispersión no se controlaba, no solo se ensancharían los pulsos, sino que en sistemas WDM la dispersión puede reducir la diafonía no lineal como el mezclado de cuatro ondas (lo cual es en realidad una razón para evitar la dispersión cero en WDM — algo de dispersión es bueno para descorrelacionar los canales).

¿Qué sistemas son los más afectados?

• Enlaces de corto alcance (dentro de un edificio o campus): A menudo usan fibra multimodo a 850 nm con transmisores VCSEL. Aquí, la dispersión modal es en realidad la limitación principal, no la cromática (las fuentes tienen ~0,5 nm de ancho espectral pero la fibra es corta). Estos enlaces a menudo están limitados a cientos de metros para 10 Gb/s (usando fibra OM3/OM4). La dispersión cromática en fibra multimodo a 850 nm es relativamente alta, pero las longitudes son lo suficientemente cortas como para que no sea el factor principal.
• Enlaces metropolitanos (~10–40 km): Generalmente usan fibra monomodo y fuentes de ~1310 nm o 1550 nm. Para hasta 10–40 km, la dispersión cromática es notable pero a menudo dentro de la tolerancia a 10 Gb/s (para 10 km es despreciable, para 40 km a 10 Gb/s en SMF ~680 ps/nm lo cual es una pequeña penalización). A 40 km 10G, muchos diseños comienzan a usar alguna forma de compensación de dispersión o un formato tolerante a la dispersión. 100G (que típicamente usa coherente) no tiene problemas en 40 km debido al DSP.
• Larga distancia (100–1000 km, sistemas DWDM): La gestión de dispersión es una parte crítica del diseño. Estos sistemas, especialmente a 10G, 40G, usaban fibras compensadoras de dispersión periódicamente para mantener baja la dispersión residual. Demasiada dispersión residual cerraría el diagrama de ojo; muy poca dispersión podría causar mezclado no lineal entre canales WDM. Había un arte en los mapas de dispersión — alternando tramos de fibra con dispersión neta positiva y neta negativa para minimizar las penalidades no lineales mientras se mantienen los pulsos recuperables. Los sistemas modernos de larga distancia (100G/200G coherentes) a menudo simplemente dejan la dispersión sin compensar en la fibra (lo que en realidad ayuda a reducir las no linealidades) y manejan todo con DSP al final.

Técnicas de compensación y gestión de la dispersión

Debido a que la dispersión impone restricciones tan estrictas en los enlaces de fibra de alta velocidad, se utilizan varias estrategias de gestión de dispersión en los sistemas de telecomunicaciones. Estas pueden dividirse ampliamente en enfoques de diseño de fibra, dispositivos de compensación óptica y compensación electrónica.

Diseños de fibra optimizados para dispersión

Una forma de lidiar con la dispersión es diseñar la fibra misma para que tenga características de dispersión más favorables:

Ventanas de dispersión cero: La fibra monomodo estándar (UIT-T G.652) fue optimizada para dispersión cromática cercana a cero alrededor de 1310 nm (banda O), lo que ayudó a los primeros sistemas a evitar penalidades por dispersión. Sin embargo, la atenuación es mayor a 1310 nm (≈0,35 dB/km) que a 1550 nm (≈0,20 dB/km), por lo que las redes de larga distancia se trasladaron a 1550 nm a pesar de que G.652 tiene dispersión significativa allí (≈17 ps/nm/km).

Fibra de dispersión desplazada (DSF, UIT-T G.653): La DSF (G.653) desplaza la longitud de onda de dispersión cero a 1550 nm adaptando el diámetro del núcleo y el perfil de índice para que la dispersión de guía de onda cancele la dispersión del material. Aunque esto minimiza la dispersión cromática en la banda C, hace que los sistemas DWDM sean vulnerables a las no linealidades — especialmente el mezclado de cuatro ondas (FWM) — porque la dispersión cercana a cero mantiene los canales en fase. Por esta razón, la DSF rara vez se usa en redes DWDM modernas.

Fibra de dispersión desplazada no cero (NZDSF, G.655): La NZDSF (G.655) mantiene la dispersión pequeña pero no cero en la banda C (por ejemplo, ≈+4 ps/nm/km). Esto es lo suficientemente bajo para soportar enlaces de larga distancia y alta tasa de bits mientras es lo suficientemente alto para suprimir el FWM y reducir la diafonía WDM. Se desplegó ampliamente en backbones de larga distancia, aunque mezclarla con G.652 puede complicar la planificación de dispersión.

Fibra de dispersión aplanada (DFF): La DFF usa perfiles de índice complejos para mantener baja dispersión en un amplio rango (≈1300–1600 nm). Ofrece excelente rendimiento multibanda pero es menos común debido al mayor costo y complejidad de fabricación.

Fibra de área efectiva grande y pérdidas ultra bajas (G.654.E): Fibras como G.654.E apuntan a enlaces coherentes 100G+ (especialmente submarinos) con pérdidas muy bajas y área efectiva grande para reducir los efectos no lineales. La dispersión es típicamente similar a — o ligeramente mayor que — G.652 (≈20 ps/nm/km), confiando en el DSP coherente para manejar la dispersión mientras mejora el alcance.

Compensación de dispersión con módulos (DCM)

Un Módulo de Compensación de Dispersión (DCM) es un dispositivo óptico (o carrete de fibra) insertado en el enlace para revertir la dispersión acumulada en la fibra de transmisión. La forma más común de DCM es un carrete de fibra compensadora de dispersión (DCF), que es una fibra especial diseñada para tener alta dispersión negativa en la banda de 1550 nm. Al empalmar una longitud de DCF después de un largo tramo de fibra regular, la dispersión positiva de la SMF puede ser cancelada por la dispersión negativa de la DCF.

Por ejemplo, considera 100 km de SMF estándar (D ≈ +17 ps/nm/km). Acumula aproximadamente +1700 ps/nm de dispersión. Si ahora pasamos la señal a través de, digamos, 16 km de DCF que tiene D ≈ –105 ps/nm/km, esa DCF introduce aproximadamente –1680 ps/nm de dispersión, casi cancelando la dispersión de los 100 km de SMF. La dispersión neta puede llevarse cerca de cero (o a un pequeño valor residual). Este principio se ilustra conceptualmente en la Figura 5, que muestra cómo la dispersión positiva de la SMF y la dispersión negativa de la DCF suman casi cero alrededor de 1550 nm.

Las primeras DCF se fabricaban a menudo dopando fuertemente la fibra para aumentar el índice y reducir el tamaño del núcleo, lo que aumenta la dispersión de guía de onda en la dirección negativa. La DCF típicamente tiene una magnitud de dispersión muy grande (–80 a –120 ps/nm/km) por lo que solo se necesita un trozo relativamente corto. Sin embargo, la DCF generalmente tiene otros inconvenientes: alta atenuación (quizás 0,5 dB/km o más, comparado con 0,2 dB/km para SMF) y un área efectiva más pequeña (haciéndola más no lineal). Esto significa que añadir DCF en un enlace introduce pérdida extra (requiriendo amplificadores ópticos para superar) y puede añadir penalidades no lineales si la potencia óptica es alta. Por lo tanto, los módulos DCF a menudo se colocan estratégicamente, por ejemplo, en el medio de un tramo de amplificador (muchos amplificadores ópticos EDFA tienen un acceso de etapa intermedia donde se puede insertar un DCM para que el amplificador pueda amplificar la señal nuevamente inmediatamente después de la pérdida del DCM). La DCF también está típicamente confinada a la banda C. Si se usan canales de banda L, podría necesitarse DCF diferente (o longitudes más largas) ya que la dispersión a menudo difiere en la banda L.

Aparte de la DCF, otras tecnologías de DCM incluyen:

Redes de Bragg en fibra (FBG). Los FBG con chirp proporcionan retardo dependiente de la longitud de onda al reflejar diferentes longitudes de onda desde diferentes posiciones a lo largo de la red. Con el chirp correcto, pueden "re-sincronizar" los componentes espectrales y recomprimir un pulso dispersado. Ofrecen pérdidas relativamente bajas (típicamente dominadas por el circulador) y no linealidad despreciable, y pueden diseñarse para dispersión específica (incluyendo algunos términos de orden superior). Los compensadores FBG a menudo se aplican por canal, aunque son posibles diseños de banda ancha.

Etalones y filtros ópticos sintonizables. Dispositivos como los etalones de Gires-Tournois actúan como filtros pasa-todo que introducen un cambio de fase dependiente de la frecuencia, permitiendo dispersión sintonizable. Fueron útiles en algunos enlaces 40G/100G antes de que el DSP coherente se volviera dominante. Los límites prácticos incluyen unos pocos dB de pérdida por inserción y sensibilidad potencial a la polarización, lo que puede requerir diseños con diversidad de polarización.

Compensación electrónica de dispersión (EDC). En sistemas de detección directa (especialmente a 10 Gb/s), los ecualizadores de receptor (feedforward o de decisión con retroalimentación) pueden reducir el ISI causado por dispersión moderada. El EDC puede extender el alcance, pero no puede corregir completamente una dispersión cromática muy grande porque la función de transferencia óptico-eléctrica puede desarrollar nulos profundos que son difíciles de invertir.

DSP coherente. Los receptores coherentes modernos 100G+ compensan la dispersión digitalmente muestreando la señal e invirtiendo numéricamente la respuesta dispersiva de la fibra. Esto puede corregir una dispersión acumulada extremadamente grande; la compensación principal es la complejidad del DSP y la longitud de memoria del filtro para enlaces largos.

Gestión de dispersión: En la era de las redes ópticas WDM 10G/40G (alrededor de los años 2000), un esquema típico de gestión de dispersión era: cada tramo de 80 km de SMF (fibra G.652) acumularía ~1360 ps/nm de dispersión. Después de cada tramo, se usaría un DCM (quizás ~16 km de DCF o un FBG) para introducir –1360 ps/nm, anulándola. A menudo, sobre-compensaban o sub-compensaban ligeramente cada tramo ("pre-chirpeando" el siguiente tramo con algo de dispersión residual) para minimizar los efectos no lineales. El término mapa de dispersión se refiere a cómo la dispersión se distribuye entre tramos y se compensa. Algunos mapas dejaban una pequeña dispersión residual de extremo a extremo (como unos pocos cientos de ps/nm en todo un enlace) porque una pequeña dispersión residual reduce las penalidades no lineales versus tener dispersión cero en todas partes. Esto era un acto de equilibrio: suficiente dispersión para disminuir la diafonía no lineal, pero no tanta que la señal no pudiera ser recibida.

Limitaciones de los DCM: Aunque efectivos, los compensadores de dispersión añaden complejidad y costo. Los módulos DCF son voluminosos (cientos de metros de fibra en un módulo), añaden pérdida por inserción, y necesitan ser adaptados a la longitud de la fibra. Los módulos FBG son específicos del canal y fijos para ciertos valores de dispersión — si actualizas un enlace (digamos reemplazas un 10G con un 40G en la misma fibra), las tolerancias de dispersión cambian y los DCM fijos podrían necesitar ajuste (algunos formatos de modulación 40G prefieren una dispersión residual ligeramente diferente). Los módulos sintonizables pueden ajustarse, pero son caros. Los sistemas coherentes, como se señaló, eliminaron la necesidad de DCM físicos enteramente en muchas redes, lo cual es una enorme simplificación (no más módulos inter-tramo y sus pérdidas asociadas). Como resultado, muchos de los DCM instalados han sido removidos o bypasseados en redes modernas al migrar a longitudes de onda coherentes 100G+. La Tabla 1 compara algunas características de los enfoques comunes de compensación de dispersión:

Ejemplo de cálculo práctico de dispersión cromática

Para solidificar la comprensión, hagamos un ejemplo de cálculo rápido: Supongamos que tenemos un transmisor de 1550 nm con un ancho espectral (Δλ) de 0,2 nm. Enviamos una señal NRZ de 10 Gb/s a través de 50 km de fibra G.652 estándar (D ≈ 17 ps/nm/km). ¿Cuánto ensanchamiento de pulso esperamos, y es probable que el sistema funcione sin compensación de dispersión?

Usando la aproximación ΔT ≈ D · Δλ · L:

• D = 17 ps/(nm·km)
• Δλ = 0,2 nm
• L = 50 km

Entonces:

ΔT ≈ 17 × 0,2 × 50 = 170 ps

A 10 Gb/s, un período de bit es 100 ps. Un pulso ensanchado por 170 ps se superpondrá significativamente con los bits vecinos (casi 1,7 períodos de bit de ancho). El diagrama de ojo estaría casi cerrado. Tal enlace tendría una tasa de error muy alta a menos que la dispersión sea compensada. De hecho, 50 km está más allá del alcance típico limitado por dispersión (~30–40 km) para 10 Gb/s en fibra estándar con ese ancho de línea del láser.

Si en cambio usáramos una fuente de espectro más estrecho, digamos un láser estabilizado con Δλ = 0,05 nm, el ensanchamiento caería a 42,5 ps, que es aproximadamente 0,425 de un período de bit — esto podría ser apenas manejable con algo de ecualización electrónica. Alternativamente, si mantenemos Δλ = 0,2 nm pero usamos una fibra de dispersión desplazada (D ≈ 0 ps/nm/km), el ensanchamiento sería despreciable (0 ps) pero, como se señaló, la DSF pura no se usa en la práctica para redes DWDM debido a las penalidades no lineales.

Este cálculo demuestra por qué la compensación o gestión de dispersión es esencial para enlaces más largos a altas tasas de datos. Con compensación, el ensanchamiento de 170 ps podría ser en gran parte cancelado por un DCM. Por ejemplo, 8 km de una DCF con D = –21 ps/nm/km insertada en el receptor podría introducir aproximadamente –168 ps para contrarrestar los +170 ps, dejando solo unos pocos picosegundos de ensanchamiento residual.

Conclusión

La dispersión de la señal óptica — junto con la atenuación y el ruido — es un factor primario que limita el rendimiento de los enlaces de fibra óptica. Surge de la física fundamental de las fibras: la fibra multimodo exhibe dispersión modal porque múltiples caminos espaciales tienen diferentes retardos, mientras que la fibra monomodo principalmente sufre dispersión cromática (contribuciones del material y de guía de onda) y también puede experimentar dispersión por modo de polarización (PMD) por birrefringencia. El resultado común es el ensanchamiento de pulsos, que crea interferencia entre símbolos (ISI), reduce el margen del receptor y restringe la tasa de bits alcanzable sobre la distancia.

Para los ingenieros de telecomunicaciones, la dispersión impacta directamente las decisiones del sistema: la ventana de longitud de onda de operación (1310 nm históricamente para baja dispersión, 1550 nm hoy para bajas pérdidas), el tipo de fibra desplegada (SMF estándar, NZDSF, etc.), y el enfoque de transceptor y modulación (tolerancia al chirp, limitaciones IM-DD, o detección coherente con DSP).

La mitigación de la dispersión ha evolucionado a través de toda la pila. Los diseños de fibra como las fibras de dispersión desplazada y de dispersión desplazada no cero redujeron las penalidades en bandas clave. Las arquitecturas de enlace usaron ampliamente módulos de compensación de dispersión (DCM) (DCF o FBG) para cancelar la dispersión acumulada. Los transceptores coherentes modernos ahora realizan compensación digital de dispersión, permitiendo que las longitudes de onda 100G/400G abarquen distancias muy largas en fibra estándar sin DCM ópticos.