Francisco Ramos Pascual. Profesor Titular de la Universidad Politécnica de Valencia.
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La demanda de tráfico en las redes de telecomunicaciones está experimentando un crecimiento espectacular en los últimos años, lo cual provoca que gran parte de la infraestructura de red instalada quede obsoleta rápidamente y sea necesaria su sustitución por tecnologías fotónicas que permitan un mayor ancho de banda. En particular, la tendencia de las redes ópticas es a evolucionar a la conmutación de paquetes (Optical Packet Switching, OPS), pues el tráfico de datos (principalmente Internet) supera día a día en mucho al tráfico de voz, y las redes basadas en conmutación de circuitos (SONET/SDH) no son las más adecuadas para manejar el elevado tráfico asíncrono de paquetes IP.
En los nodos ópticos de conmutación de una de estas redes, los paquetes de información necesitarían convertirse al dominio electrónico para realizar las labores de procesado (lectura de cabeceras/ etiquetas, toma de decisiones de encaminamiento, enrutado, etc.). Sin embargo, la conversión optoelectrónica de la información impone un “cuello de botella” y limita la velocidad de los datos y la capacidad de tráfico que puede manejarse, a la vez que aumenta el tiempo de tránsito. Se requieren pues tecnologías fotónicas que puedan procesar y enrutar los paquetes directamente en el dominio óptico, lo que se conoce comúnmente como “on fly processing”. Para este propósito, se necesitan dispositivos ópticos equivalentes que realicen estas funciones, principalmente puertas lógicas y flip-flops. Lo ideal sería que estos elementos se basaran en el mismo bloque funcional, pues ello facilitaría su completa integración y la tendencia hacia el llamado computador fotónico.

Proyecto Multilogic
En el proyecto de investigación Multilogic (“Dispositivos fotónicos multi-función para implementar funcionalidades de puerta lógica y flip-flop en redes ópticas de conmutación de paquetes”), financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia (Referencia TEC2005-04554), se plantea el diseño, construcción y validación experimental de un dispositivo multi-función completamente óptico que permita actuar como puerta lógica reconfigurable (NOT, AND, XOR, OR) o flip-flop. Para ello se propone el uso de interferómetros Mach-Zehnder con amplificadores ópticos de semiconductor (SOA-MZI), pues se trata de un circuito lo suficientemente versátil como para permitir realizar todas las funcionalidades que se pretenden con este proyecto de investigación. Hasta el momento, los primeros resultados obtenidos resultan muy prometedores, habiéndose demostrado las funcionalidades de puerta lógica XOR, correlador óptico, flip-flop y conmutador óptico sobre cabeceras de 10 Gbit/s y paquetes de 40 Gbit/s.
El bloque funcional básico en el que se basaría un futuro router óptico de paquetes se muestra en la figura 1. En primer lugar, se separa la cabecera del paquete para realizar su lectura. Dado que se deben emplear técnicas todo ópticas, y por lo tanto evitar las conversiones optoelectrónicas, el único modo de realizar la lectura de cabecera es por medio de comparaciones en el dominio óptico con todas las posibles direcciones de referencia. Esta función se consigue empleando un correlador óptico que compara la cabecera del paquete entrante con una dirección local. Si ambas coinciden, entonces se realiza una conversión en longitud de onda del paquete con el fin de enrutarlo hacia el puerto de salida correspondiente. Posteriormente, dicho bloque funcional deberá replicarse tantas veces como número de puertos de salida tenga el router (número de direcciones posibles).

Correlador óptico
El correlador óptico se basa en el empleo de puertas lógicas XOR. El funcionamiento de estos dispositivos ya se explicó en un artículo anterior (Electrónica & Comunicaciones no. 187, pp. 16-17), y pueden construirse empleando SOA-MZIs. Básicamente, el correlador óptico genera un pulso a su salida sólo en el caso de que ambas direcciones coincidan (más concretamente, una de ellas debe ser el complemento a 1 de la otra). Este pulso óptico se utiliza posteriormente como señal de control para el subsistema de inserción de nueva cabecera y el flip-flop óptico. La nueva cabecera puede generarse a partir del pulso óptico mediante la utilización de divisores ópticos y líneas de retardo de múltiplos de la duración de bit.
Por otro lado, el flip-flop óptico se encarga de alimentar el conversor de longitud de onda con una señal de onda continua a determinada longitud de onda. Su funcionamiento es muy similar al de un circuito electrónico de tipo latch R-S. Inicialmente, el flip-flop se encuentra emitiendo a una longitud de onda I0, la cual está configurada para inhibir el funcionamiento del conversor de longitud de onda. Si se recibe un pulso óptico de entrada (pulso de Set), entonces la longitud de onda de salida del flip-flop conmuta a Ii. De este modo, los paquetes se convertirán a la nueva longitud de onda y se enrutarán a la salida por medio de un dispositivo sensible a la longitud de onda, por ejemplo un AWGR (Arrayed Waveguide Grating Router). Tras el enrutado del paquete, el flip-flop deberá volver a su posición inicial (I0), con el fin de inhibir nuevamente el conversor de longitud de onda antes de la llegada del siguiente paquete óptico de entrada. En la figura 2 se representa de forma esquemática el funcionamiento completo del subsistema de conmutación.
Para la construcción del flip-flop óptico existen diversas posibilidades. Entre las más interesantes se encuentra el empleo de amplificadores ópticos de semiconductor, pues se consiguen dispositivos compactos que requieren bajas potencias de entrada. Al igual que en el caso de las puertas lógicas XOR, también pueden utilizarse SOA-MZIs. Un SOA-MZI es básicamente un interferómetro Mach-Zehnder con sendos amplificadores de semiconductor en cada uno de sus dos brazos. Existen diversas técnicas para su fabricación. Como ejemplo, la empresa CIP (The Centre for Integrated Photonics) fabrica y comercializa SOA-MZIs empleando una plataforma de integración híbrida (figura 3). Consiste básicamente en el diseño de tarjetas de dispositivos ópticos que después se ensamblan sobre una tarjeta madre de sílice. El proceso requiere de máquinas de gran precisión, así como un cuidadoso diseño de los interfaces de acoplamiento óptico (mode expansion). El resultado son dispositivos compactos y versátiles, habiéndose conseguido ya la implementación de multiplexores add-drop, regeneradores de señal 2R y 3R, conmutadores ópticos, dispositivos pasivos WDM y buffers ópticos, entre otros.
Con el avance de estas técnicas de integración óptica, la conmutación de paquetes está cada vez más cerca de ser una realidad. En la actualidad, algunos puntos clave a resolver son la escalabilidad y el consumo de potencia. Si se consigue solucionar estas cuestiones de forma eficiente, de aquí a unos años podremos ver los primeros routers fotónicos comerciales con capacidad de manejar paquetes ópticos a Tbit/s.