Bajo el mar: repetidores ópticos para cables submarinos

Aproximadamente una vez al mes, tengo el privilegio de sentarme con el editor en jefe Elliot Williams para grabar el podcast de La-Tecnologia. Es muy divertido pasar un par de horas juntos, e invariablemente nos vamos por tangentes ridículas sin posibilidad de llegar al corte final, excepto tal vez como material para la introducción y la salida. Es mucho trabajo, especialmente para Elliot, que tiene que editar las grabaciones en bruto, pero también es muy divertido.

Por supuesto, lo hacemos todo virtualmente y tenemos un pequeño ritual que hacemos al principio: las palmas. Nos turnamos para aplaudir tres veces en nuestros micrófonos, y la persona al otro lado de la línea aplaude sincronizadamente con el aplauso final. Eso le da a Elliot una idea de cuánto retraso hay en la línea, lo que le permite sincronizar las dos grabaciones. Como él está en Alemania y yo en Idaho, el retraso es bastante notable, al menos uno o dos segundos.

Cada vez que realizamos este ritual, no puedo evitar preguntarme acerca de todo el equipo que lo hace posible, incluidos los cables de fibra óptica que corren bajo el Océano Atlántico. El cable de comunicaciones submarino une al mundo y transporta más del 99% del tráfico transcontinental de Internet. Están llenos de ingeniería fascinante, pero por mi dinero, los repetidores ópticos en línea que aumentan las señales a lo largo del camino son las partes más interesantes, aunque (o tal vez especialmente porque) están escondidos en el fondo del mar.

La mayor parte de la larga historia de las comunicaciones transoceánicas ha estado dominada por un material: el cobre. Desde los primeros cables telegráficos hasta los cables coaxiales que transportaban miles de señales multiplexadas de teléfono y televisión, los conductores de cobre realizaron la mayor parte del trabajo durante casi todo el siglo XX. Eso empezó a cambiar en 1988 con el tendido del primer cable telefónico transatlántico de fibra óptica, el TAT-8. Con una capacidad de 40.000 llamadas telefónicas simultáneas en sólo dos pares de fibras de vidrio monomodo (con un par de reserva), TAT-8 superó a los cables transatlánticos coaxiales más avanzados por un factor de diez.

Al igual que los cables coaxiales, los cables ópticos requieren un refuerzo periódico de la señal, especialmente en los aproximadamente 7.000 kilómetros de longitud del TAT-8. Los repetidores estaban espaciados aproximadamente cada 50 km a lo largo del cable, alojados en carcasas largas resistentes a la presión que creaban protuberancias en el cable delgado, pero aún eran compatibles con el equipo de tendido de cables. Estos repetidores funcionaban recibiendo las señales ópticas debilitadas con fotodiodos, demodulando la señal antes de pasarla a través de amplificadores semiconductores y convirtiéndola nuevamente en luz usando diodos láser. La energía para los repetidores se aplicó a un conductor de cobre dentro del conjunto de cable óptico mediante un equipo en la estación de aterrizaje.

TAT-8 fue un éxito fantástico, hasta el punto que la demanda superó la capacidad a los dieciocho meses de su entrada en servicio. Quedó fuera de servicio en 2002, en parte porque en los años intermedios se habían tendido cables ópticos con mucha más capacidad, lo que dejó obsoleto al TAT-8. También estaba el asunto de los repetidores regenerativos; dado que necesitaban demodular y remodular las señales, esto limitó los cambios que los operadores podían realizar en el equipo de cabecera en los aterrizajes. Sin la capacidad de actualizar ese equipo, el cable estaba condenado al fracaso.

Pero ya en 1985 se estaban realizando avances en amplificadores ópticos que eventualmente llegarían a los cables submarinos. Fue entonces cuando un estudiante de física llamado Robert Mears hizo experimentos con fibras de vidrio dopadas con erbio y demostró que podían actuar como amplificadores puramente ópticos y de bajo ruido en las longitudes de onda típicamente utilizadas para las comunicaciones. Diez años después del primer artículo sobre el tema, los amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) se estaban deslizando hacia el Atlántico a través del cable TAT-12/13.

Como muchos dispositivos que utilizamos todos los días y que tendemos a dar por sentado, los EDFA aprovechan los principios de la física cuántica y, sin embargo, son sorprendentemente simples. Los EDFA se basan en las propiedades fluorescentes de los óxidos del elemento de tierras raras erbio para lograr la amplificación. Cuando se añade una pequeña cantidad de óxido de erbio (III) al núcleo de una fibra de sílice, los electrones de los iones de erbio pueden excitarse desde su estado fundamental (L1) al golpearlos con luz láser en una longitud de onda de bombeo específica. El láser de bombeo puede ser de 980 nm, que excita los electrones de erbio al estado L3, o de 1.480 nm, que los excita al estado L2. Los EDFA prácticos tienden a utilizar láseres de bombeo de 980 y 1480 nm.

La excitación por el láser de bombeo deja la fibra dopada con erbio con una inversión de población, que es un estado en el que hay más átomos en el estado excitado que en el estado fundamental. Esto crea un medio propicio para la alteración, específicamente por el paso de un fotón en una longitud de onda específica. Para los iones de erbio excitados, eso es aproximadamente 1.550 nm, que resulta ser la longitud de onda de los láseres infrarrojos utilizados para enviar señales a través de un cable óptico. Cuando los fotones de 1.550 nm golpean los iones de erbio excitados, los induce a regresar a su estado fundamental, liberando un fotón de la misma longitud de onda en el proceso. Cada relajación libera un fotón, cada uno de los cuales tiene la misma longitud de onda y la misma fase que el fotón incidente y viaja en la misma dirección, lo que resulta en una amplificación masiva de la señal entrante de 1.550 nm.

En teoría, los EDFA son extremadamente simples: sólo un bucle de fibra dopada de 10 a 20 metros de longitud, un diodo láser para bombear y los componentes ópticos necesarios para unir el bucle amplificador a la fibra entrante y saliente y multiplexar ambas. Los únicos componentes electrónicos necesarios son los que accionan el diodo de bombeo, además de los circuitos necesarios para monitorear el estado del amplificador y controlarlo de forma remota.

Los EDFA del mundo real son un poco más complejos y tienden a tener una serie de otros componentes ópticos, como aisladores en las fibras de entrada y salida que evitan que reflexiones no deseadas se filtren desde el lado de salida. Sin embargo, incluso con estas elaboraciones, los EDFA son lo suficientemente simples como para fabricarse como módulos compactos que pueden instalarse en gabinetes de montaje en bastidor, al menos para amplificadores para cables de fibra óptica terrestres.

Las cosas cambian sensiblemente para los equipos de “planta húmeda” de los cables submarinos, que como su nombre indica es todo lo que discurre bajo el océano. Cada repetidor no sólo debe incluir múltiples EDFA (uno para cada fibra del cable) en un paquete lo suficientemente compacto como para ser manejado por el equipo de tendido de cables, sino que también debe ser capaz de soportar los rigores de operar en uno de los entornos más ambientes hostiles en el planeta. Y luego está la cuestión de proporcionar energía a los láseres de bombeo y a la electrónica de supervisión a distancias enormes, lo que en sí mismo no es una tarea trivial. Agregue una vida útil de diseño de 25 años (si bien no es imposible recuperar y reparar un repetidor defectuoso, no es barato ni conveniente) y se necesita mucha ingeniería para estos dispositivos.

Dependiendo de las necesidades del propietario del cable y de la ruta por la que se tenderá el cable, los repetidores pueden encontrarse potencialmente hasta 8.000 metros bajo la superficie. La presión a esa profundidad es de aproximadamente 78 MPa, o más de 11.000 psi, que debe ser resistida por la propia carcasa del repetidor y cada junta y sello entre la carcasa y el cable. Las carcasas generalmente están hechas de titanio o una aleación de cobre y berilio como la C17200, que es casi tan fuerte y dura como el acero, pero exhibe una excelente resistencia a los efectos corrosivos del agua de mar. También tiene una excelente conductividad eléctrica y térmica, siendo esta última extremadamente importante a la hora de disipar el exceso de calor generado por los láseres de bombeo.

Los repetidores submarinos obtienen su energía a través de una funda de cobre dedicada que envuelve las fibras de vidrio en el centro del cable, con un camino de retorno a través del agua de mar que rodea el cable. El equipo de distribución de energía en el rellano del cable inyecta alto voltaje de CC en este conductor, con cada repetidor conectado en serie. La potencia es considerable, normalmente en el rango de 10 a 15 kilovoltios y entre 1 y 2 amperios. La caída de voltaje en cada repetidor depende de la cantidad de pares de fibras a los que da servicio, pero normalmente oscila entre 30 y 70 voltios.

Con los repetidores submarinos, la redundancia es el nombre del juego. Por supuesto, los componentes individuales se seleccionan para ofrecer una alta fiabilidad. Pero eventualmente algo fallará, por lo que es fundamental tener una copia de seguridad disponible al instante. Esto es más evidente con la disposición de los diodos de bombeo, que obviamente son el componente con mayor probabilidad de desgastarse. Los primeros EDFA submarinos utilizaban un esquema de redundancia “2×2”, donde cada módulo amplificador que daba servicio a un par de fibras de transmisión y recepción tenía dos láseres de bombeo que compartían un circuito controlador común. Esto proporcionó al menos algo de respaldo; En caso de que fallara un láser de bomba, los operadores de cable podrían cambiar a la bomba de respaldo. Un mejor esquema es la redundancia “4×2”, donde cada par de amplificadores comparte cuatro láseres de bomba unidos por un acoplador óptico. Dado que una sola bomba puede hacer funcionar tanto las fibras de transmisión como las de recepción, un amplificador aún puede funcionar si fallan tres de las bombas. Mejor aún es el “cultivo de bombas”, en el que hay hasta 16 bombas disponibles para enrutar hasta 16 pares de fibras a través de una compleja red de conmutación de fibra óptica. La agricultura de bombas proporciona una gran cantidad de redundancia, así como la flexibilidad de reconfigurar el cable sobre la marcha.

Por muy omnipresentes que se hayan vuelto los amplificadores EDFA en las rutas submarinas de larga distancia, no aparecen en todos los cables. Algunas rutas de cable son lo suficientemente cortas como para que la línea no tenga repetidores, lo que genera beneficios obvios tanto para el propietario como para el operador en términos de costos iniciales y continuos. Otras rutas regionales que son demasiado largas para un diseño verdaderamente sin repetidores pueden aprovechar ROPA o amplificadores remotos con bombeo óptico. Estos son esencialmente los mismos que los EDFA, con la excepción de que los láseres de bombeo se instalan como parte del equipo de "planta seca" en los descansos de cables y se transmiten a los repetidores ROPA a través de una fibra óptica dedicada. Esto elimina la necesidad de un conductor de alimentación en el cable, además de eliminar el equipo de distribución de energía, y hace que los repetidores sean más simples y compactos.

Otro avance en los amplificadores ópticos submarinos es el amplificador Raman, que utiliza dispersión Raman estimulada para amplificar la señal. Los fotones de señal entrantes a una frecuencia chocan con fotones de bomba a una frecuencia ligeramente más alta en un medio óptico no lineal, que puede ser un bucle separado de fibra óptica o la propia fibra portadora de señales. La colisión inelástica transfiere parte de la energía de los fotones de la bomba a los fotones de señal, lo que produce una amplificación. Los amplificadores Raman requieren mayor potencia para los láseres de bombeo (alrededor de 500 mW o más de potencia óptica), pero la ventaja es que la amplificación se puede distribuir a lo largo de la fibra de transmisión, lo que resulta en la necesidad de menos repetidores. Los amplificadores Raman para aplicaciones submarinas son relativamente nuevos y no son aplicables a todos los cables (generalmente no se pueden utilizar en cables transpacíficos debido a los mayores requisitos de energía eléctrica), pero están incursionando en los cables transatlánticos y regionales.