Receptor para comunicaciones ópticas con ecualizador no lineal.

Esta patente representa una extensión a la patente "Receptor para comunicaciones ópticas con ecualizador no lineal" PCT/ES2006/000074 con fecha de emisión 20/02/2006 y a la original P200500415 con fecha 21/02/2005.Comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica (2) por la que circula una señal portadora de información (S1), un bloque (3) detector óptico, un bloque (4) ecualizador no lineal y un bloque (5) procesador final, tal como se muestra en la figura 1.Se caracteriza por el hecho de que el bloque ecualizador no lineal eléctrico (4), además de compensar la característica no lineal cuadrática del detector óptico (3), recupera la estadística Gausiana de la señal afectada por ruido óptico aleatorio, perdida tras la foto-detección. Se pretende con ello que el receptor de comunicaciones ópticas se asemeje al receptor de comunicaciones radio

Receptor para comunicaciones ópticas con ecualizador no lineal.

La presente invención se refiere a un receptor para comunicaciones ópticas que comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica a través de la cual circula una señal portadora de información, un bloque de detección óptica, un bloque eléctrico ecualizador no lineal, y un bloque procesador final.

Esta patente representa una extensión a la patente "Receptor para comunicaciones ópticas con ecualizador no lineal" PCT/ES2006/000074 con fecha de emisión 20/02/2006 y a la original P200500415 con fecha 21/02/2005. Ahora, se ha incorporado el efecto del ruido óptico, que provoca que la función no-lineal óptima no sea exactamente la raíz cuadrada de la foto-corriente, sino una función más general y compleja.

Antecedentes de la invención

Debido a los progresos conseguidos en los campos referentes a los rayos láser y a la fibra óptica, es posible la realización de sistemas de comunicaciones mediante fibras ópticas como canal de transmisión, que dependen fundamentalmente de las características de la luz.

Un sistema de comunicaciones por fibra óptica, en su estructura más básica, está formado por un bloque de emisión, llamado emisor o transmisor óptico, que tiene la función de transformar la información en forma de señal eléctrica en información en forma de luz; un canal de transmisión de dicha luz, que es la fibra óptica; y un bloque de recepción, que tiene la función de transformar la información óptica recibida en información en forma de señal eléctrica, que recibe el nombre de receptor óptico. Es importante destacar que el emisor contiene la fuente de luz, que puede ser, por ejemplo, un diodo láser o un diodo emisor de luz (LED), mientras que el receptor óptico contiene un detector óptico, que puede ser, por ejemplo, un fotodiodo (PIN o APD) o un fototransistor. Dicho emisor y receptor ópticos comprenden conectores que les permiten acoplarse a la fibra óptica.

Son conocidos en el campo de los receptores ópticos los receptores ópticos de detección directa, que son los habituales, y los receptores ópticos de detección homodina o heterodina.

La arquitectura de los receptores ópticos de detección directa se basa principalmente en un fotodetector y unos circuitos de amplificación y de procesado de la señal. Así pues, el receptor convierte una señal óptica en una señal eléctrica cuya corriente y tensión son proporcionales a la potencia óptica incidente, que es posteriormente procesada.

La transmisión o propagación de la señal óptica a lo largo del canal de fibra óptica, entre el transmisor óptico y el receptor, puede presentar problemas de distorsiones lineales y no lineales, así como ruidos e interferencias. Entre las distorsiones lineales está la dispersión cromática, que degrada la señal detectada debido a que unas longitudes de onda viajan más rápidamente que otras, ensanchando los pulsos digitales y, por tanto, corrompiendo la comunicación cuando la longitud del enlace de fibra y la anchura de banda superan los límites de calidad de detección requeridos, tal como se describe por ejemplo en "Fiber Optic Communication Systems" de Govind P. Agrawal, de la Editorial John Wiley & Sons.

Se han desarrollado diversos métodos de compensación y minimización de los efectos negativos de dichas distorsiones lineales, tanto mediante compensadores o ecualizadores ópticos, como, últimamente, compensadores o ecualizadores eléctricos u electrónicos en el sistema receptor óptico. Los eléctricos presentan normalmente, hasta el momento, menor poder de compensación pero tienen las ventajas de poder ser adaptativos, es decir, pueden reconfigurarse para adaptarse a distintos enlaces automáticamente o semi-automáticamente, y de poder ser menos costosos, gracias a las tecnologías de procesamiento digital de la señal, que ya puede operar a las altas velocidades de transmisión de las comunicaciones ópticas. Estos métodos se explican de forma actualizada en el amplio artículo "OFC 2004 workshop on optical and electronic mitigation of impairments", de Nielsen, T.; y Chandrasekhar, S.; en el Journal of Lightwave Technology, volumen 23, número 1, Enero 2005, páginas 131 a 142. Alguno de éstos métodos de ecualización ha sido patentado, como el "Optical transmission method and optical transmission device", referencia WO2004068747. En esta invención se compensan las distorsiones lineales del enlace óptico mediante un transformador óptico de Fourier.

El poder de compensación de las distorsiones lineales de los ecualizadores eléctricos está limitado normalmente por la característica no lineal del foto-detector del receptor óptico, anteriormente comentada, y como se explica en "Electronic equalization for advanced Modulation formats in dispersion-limited systems" de Curri, V.; Gaudino, R.; Napoli, A.; y Poggiolini, P.; publicado en el IEEE Photonics Technology Letters, volumen 16, número 11, Noviembre 2004, páginas 2556 a 2558.

Además de las distorsiones lineales originadas en el canal de fibra óptica caracterizadas por la dispersión cromática, la transmisión o propagación de la señal óptica, a lo largo del canal produce una atenuación sobre la amplitud del campo electro-magnético. Así, los amplificadores ópticos tienen la misión de amplificar la señal óptica para asegurar una calidad mínima a la entrada del receptor. Estos amplificadores ópticos introducen ruido aditivo a la portadora óptica modulada. Este ruido se acostumbra a modelar por un ruido Gaussiano (distribución estadística Gaussiana) y blanco (no hay correlación en el tiempo). En comunicaciones este tipo de canales se denominan AWGN (Additive White Gaussian Noise) y se representa con una densidad espectral de potencia de ruido plana en las longitudes de onda de interés. Finalmente, y en el caso particular de los amplificadores ópticos, este tipo de ruido se le llama ruido ASE (Amplified Spontaneous Emission). El ruido ASE es debido a la alteración aleatoria tanto de la amplitud como de la fase del campo óptico como consecuencia de la emisión espontánea de fotones más o menos con la misma energía que los fotones de la señal. Otro tipo de ruido óptico es la retro-difusión de Rayleigh, que se añade con características similares.

La característica cuadrática e intrínseca no lineal del foto-detector modifica la estadística de la señal óptica y hace que la cantidad de ruido eléctrico sea dependiente con la amplitud de la señal. Además, se añaden más contribuciones de ruido como el ruido térmico (ocasionado por el agitamiento de los electrones y dependiente de la temperatura) y el ruido shot. Así, la estadística de la señal eléctrica no tiene una expresión matemática cerrada.

En la mayoría de ocasiones se puede asumir que la contribución de ruido ASE es mucho mayor que el ruido térmico y el ruido shot. Bajo estas condiciones se puede modelar la estadística de la señal eléctrica con una distribución Chi cuadrada, tal y como se describe en "On the Bit Error Rate of Lightwave Systems with Optical Amplifiers" de Pierre A. Humblet y Murat Azizoglu, Journal of Lightwave Technology. VoL 9. no. 11. Noviembre 1991.

Descripción de la invención

Uno de los objetivos de la presente invención es solucionar al menos en parte las limitaciones ocasionadas por las distorsiones lineales, haciendo más lineal la relación entre la amplitud del campo eléctrico y la corriente eléctrica. Esto último permite que el ecualizador eléctrico pueda compensar de forma mucho más eficiente los efectos negativos de la distorsión lineal en la transmisión óptica por la fibra. El otro objetivo será recuperar la estadística Gaussiana y estacionaria (misma cantidad de ruido para cualquier nivel de señal) para el señal S3 cuando a la entrada hay ruido óptico aditivo.

El receptor para comunicaciones ópticas objeto de la presente invención se caracteriza por el hecho de que comprende un bloque ecualizador eléctrico no lineal, entre el detector óptico y el procesador final, que compensa la característica no lineal entre la envolvente del campo electro-magnético de S1 y la corriente eléctrica de S2 producida por el foto-detector (3). Dicha característica es cuadrática (envolvente del campo al cuadrado), ya que es a la vez lineal con la potencia óptica, la cual es proporcional a la envolvente del campo elevado al cuadrado (debido al fenómeno cuántico de conversión fotón por electrón que se produce en el fotodetector óptico).

En esta invención se...

1. Receptor (1) para comunicaciones ópticas que comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica (2) a través de la cual circula una señal portadora de información (S1), un bloque receptor óptico (1), un bloque ecualizador no lineal (4), conectado entre la salida del bloque detector óptico (3) y la entrada del bloque procesador final (5), que compensa la característica no lineal cuadrática del detector óptico (3), consiguiéndose de este modo que el conjunto de los dos bloques (3 y 4) presenten una característica lineal entre la envolvente de campo eléctrico de la señal óptica portadora de información (S1) en la fibra óptica (2) y la señal eléctrica (S3), y que, de este modo, el bloque procesador final (5) puede compensar, de forma más efectiva, las distorsiones lineales que sufre la señal óptica en la transmisión por la fibra óptica caracterizado por el hecho de que el bloque ecualizador no lineal (4) presenta una relación entrada-salida determinada por la transformación no lineal entre las funciones de distribución de probabilidad de las señales S2 y S3, que transforma la estadística de la señal fotodetectada en gaussiana o la aproxima, definida por la expresión matemática siguiente:

S3 = F^-1_{S3 \arrowvert S1} (F_{S2 \arrowvert S1} (S2))

donde F_{S3 \arrowvert S1}(•) y F_{S2 \arrowvert S1}(•) son las funciones de distribución de probabilidad condicionadas a S1 de la señal S3 y S2, respectivamente.

2. Receptor (1) según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el bloque ecualizador no lineal (4) presenta una relación aproximada entre la entrada S2 y la salida S3 determinada por la aproximación matemática:

S3 = α ₀ + α ₁ • \sqrt{S2} - α ₂ • \frac{1}{(S2)^1/_n}

donde {α₀,α₁,α₂} y n son constantes y se calculan mediante un algoritmo de mínimos cuadrados.

3. Receptor (1) según reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho que comprende, al menos, un amplificador al lado del receptor, o entre sus bloques constitutivos (3, 4, 5), para aumentar el nivel de la señal, que se ha atenuado en la transmisión por la fibra óptica.

4. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que el bloque ecualizador no lineal (4) se basa en un conversor analógico digital cuyos niveles de cuantificación presentan el espaciado según las funciones inversas expresadas en las reivindicaciones 1 o 2 para implementar la función del bloque ecualizador (4).

5. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de que el bloque no lineal (4) se integra con el fotodetector (3) y/o el preamplificador y/o el bloque procesador final (5), para reducir coste y elementos.

6. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 y 3 caracterizado por el hecho de que el bloque ecualizador no lineal (4) se basa en un circuito electrónico o eléctrico que utiliza un dispositivo semiconductor no lineal.

7. Receptor (1) según la reivindicación 6 caracterizado por el hecho de que el dispositivo semiconductor es del tipo transistor de efecto campo (FET, JFET, MOSFET, MESFET o HEMT).

8. Receptor (1) según la reivindicación 6 caracterizado por el hecho de que el dispositivo semiconductor es un diodo.

9. Receptor (1) según la reivindicación 6 caracterizado por el hecho de que el ecualizador no lineal se implementa a partir de la aproximación de la función por tramos o combinando diversas funciones lineales y no lineales para aproximar la función ideal, realizadas con dispositivos lineales y no lineales, ya sean analógicos o digitales, como una operación o una tabla de datos.

10. Receptor (1) según la reivindicación 9 caracterizado por el hecho de que utiliza para ello dispositivos semiconductores como el transistor bipolar (BJT) u otros.

11. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en los que se utiliza conectores, cables y demás elementos de interconexión o adaptación de las señales ópticas o eléctricas antes, después o dentro de los bloques constitutivos del receptor.

12. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el canal de comunicación puede ser el propio aire o el vacío.

13. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la señal óptica recibida S1 contiene una porción o vestigio de luz sin modular, para facilitar la realización práctica del receptor (1).

14. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) es básicamente lineal.

15. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) es del tipo "Máximum Likelihood Sequence Estimation" (MLSE) o, en general, de cualquiera de los tipos conocidos de dispositivos decisores adaptativos que operan con símbolos recibidos aislados o en secuencia.

16. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) es del tipo "Decision-Feedback Equalizer" (DFE) o, en general, de cualquiera de los tipos conocidos de ecualizadores que se optimizan para obtener la mejor calidad de la señal a la salida del sistema.

17. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) está realizado a partir de una combinación de varios de los tipos conocidos de ecualizadores, filtros, decisores adaptativos o procesadores lineales o no lineales, analógicos o digitales, incluyendo decodificadores "hardware" o "software", iterativos o no, como con códigos "Reed-Salomon", convolucionales, turbo o de control de paridad de baja densidad (LDPC), con técnicas de estimación de secuencias de máxima similitud, secuencial o iterativas con algoritmos de Viterbi o BCJR, y realizando o no funciones de decisión, posiblemente con un umbral adaptativo.