Conversor inferior de 120º integrado monoliticamente acromático.

Conversor inferior de 120º integrado monolíticamente acromático que consiste en un conversor inferior de 120º integrado monolíticamente basado en un acoplador de interferencia multimodo (multimode interference coupler,

MMI) 2x3 y con tres fotodiodos seguidos de sus respectivos TIAs con recuperación IQ desde un circuito analógicamente calibrado que permite incrementar a 80 el número de canales coincidentes de forma eficiente, mostrando un buen rango dinámico de señal y alto rendimiento de fabricación. Como este conversor inferior hace uso del menor número de medidas de potencia necesarias para la perfecta recuperación de las componentes IQ de señal, resulta en una interesante alternativa a los receptores convencionales a 90º. Asimismo es objeto de la invención un receptor óptico coherente que comprende dicho conversor inferior de 120° integrado monolíticamente acromático.

OBJETO DE LA INVENCiÓN

la invención se encuadra en el campo de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TICs) and se refiere de forma general a conversores inferiores integrados monolíticamente, particularmente a conversores inferiores integrados monolíticamente acromáticos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

la incorporación de multiplexores de adición-extracción ópticos reconfigurables (reconfigurable optical add-drop multiplexers, ROADM) en redes ópticas de transporte ha proporcionado flexibilidad y posibilidades de configuración a los operadores de red. la introducción en un futuro cercano de ROADM acromático permitirá también que cualquier longitud de onda sea añadida / extraida en cualquier puerto. En este contexto, los receptores acromático pueden ser usados en los puertos de extracción para incrementar la eficiencia y reducir el coste de las redes ópticas reconfigurables. En un receptor acromático, sólo ajustando el oscilador local (Ol) , un canal de multiplexado por división de longitud de onda (wavelength-division multiplexed, WDM) individual puede ser seleccionado y detectado sin utilizar ningún dispositivo de filtrado óptico (por ejemplo un desmultiplexador o un filtro) .

El Opticallnternetworking Forum (OIF) [1] ha propuesto el formato de modulación DP-QPSK (dual polarization quadrature phase-shift keying) para alcanzar los 100 Gbps por canal en la banda C amplificada sobre la infraestructura de red óptica existente. la modulación de amplitud en cuadratura de mayor orden (por ejemplo 16-64 QAM) es una alternativa viable para un mayor incremento de la capacidad de transmisión del sistema a la vez que se reducen los requerimientos de ancho de banda. Así, en el marco del proyecto MIRTHE [2.], transmisores y receptores integrados monolíticamente 16-QAM para 400 Gbps están siendo probados. los receptores coherentes requeridos comprenden una red con diversidad de polarización (por ejemplo divisores de polarización) y dos conversores inferiores con diversidad de fase (uno por polarización) . En este documento nos centraremos en la última parte, esto es, en el conversor inferior óptico. Una solución muy extendida es la integración monolítica del híbrido óptico de 90º con cuatro fotodiodos en configuración balanceada sobre el mismo chip ~, ~. En la recepción acromática, una medida de la supresión de los términos de detección directa interferentes de canales WDM coincidentes es el rechazo del modo común (common-mode-rejection-ratio, CMRR) [~, §J. Por tanto, un receptor coherente basado en un híbrido de 90º balanceado con un alto CMRR y una razón Ol-potencia de señal alta puede ser usado como receptor acromático. Sin embargo, un alto CMRR en el ancho de banda tendrá unos requisitos de tolerancia de fabricación estrictos (resultando en un coste alto y una tasa de fabricación baja) para reducir errores de hardware (Le. desbalanceos de amplitud existentes en la red de diversidad de fase o el desfase de responsividad del fotodiodo) [2, Zl

Una alternativa prometedora para superar los problemas anteriores es el receptor de diversidad de fase de 120º el cuál, adecuadamente calibrado, ha demostrado ser altamente tolerante a errores de hardware a frecuencias de microondas [ª-l. Esta es una solución interesante porque, como es sabido a partir de la teoría multipuerto rn, .1.Q) , tres es el número mínimo de salidas de potencia para recuperar perfectamente señales la a partir de lecturas de potencia mediante medios lineales, siendo el conversor inferior de 1200 el receptor multipuerto más simple. Este tipo de conversor inferior de 1200 ha sido descrito en varias ocasiones para comunicaciones ópticas usando acopladores en fibra 3x3 [11, .1lJ. los autores hemos propuesto recientemente un conversor inferior integrado monolíticamente, basado en un acoplador de interferencia multimodo (multimode interference coupler, MM/) 2x3, con una estrategia de calibración lineal simple para corregir completamente errores del receptor [Z, .1.Q) . Nuestra propuesta, comparada con el conversor inferior de 900 balanceado (basado en un MMI 2x4) , no sólo muestra la misma sensibilidad a ruido bajo un hardware ideal, sino que exhibe un mayor rango dinámico de señal, un ancho de banda opertativo más amplio, y una mayor tolerancia a errores de fabricación para una recepción unicanal.

En la figura 1 se muestra un conversor inferior integrado híbrido de 90º convencional basado en un MMI 2x4 integrado monolítica mente con cuatro fotodiodos seguido de amplificadores de transimpedancia (transimpedance amplifiers, TIA) con eliminación de continua (OC offset cancel/ation) [~. los componentes de salida eléctrica de señal/Q son entonces digitalizados en dos convertidores analógico-digitales (analog-to-digital converters, ADC) y combinados para ser posteriormente procesados en el procesador de señal digital (signal processor, DSP) .

Asumiendo una red de control de diversidad de polarización previa, el campo eléctrico de la señal WDM recibida (compuesta de N canales multiplexados) y el láser Ol pueden ser descritos en términos de sus envolventes complejas como

e, (t) ~ Re{ ~e. &., } (1)

ew (t) = Re{~p¡, oeflOk/} ;kE[l, N] (2)

Para una detección homodina, el Ol (de potencia Pw ) debe ser ajustado a la frecuencia angular Wk del canal a ser detectado. Considerando una potencia de señal igual para todos los canales multiplexados Ps=le-snI2, las envolventes de señal de complejidad lentamente variante del canal dh pueden ser descritas (omitiendo los impedimentos de transmisión de la fibra) en términos de los componentes de la señal IQ normalizada, In and Qn, como (3)

la señal WDM y el Ol son combinados en el MMI 2x4, con parámetros de scattering Sk, j definidos entre sus puertos a frecuencia Wk, y detectados a partir de los fotodiodos, con responsividades R¡. Consecuentemente, cuando se selecciona un canal / (h, las cuatro fotocorrientes de salida pueden ser calculadas (con i =3, 4, 5 ó 6) como (4)

Omitiendo los términos del batido de alta frecuencia a Wn-Wk, los cuáles serán completamente filtrados por la electrónica, las fotocorrientes i/ y iQ k para los componentes IQ pueden ser obtenidos a partir de TIAs diferenciales idealizados y ser descritos en forma de matriz como Tres términos pueden ser identificados en el lado derecho de la ecuación (5) : término en continua (OC offset) , un término de detección directa interferente procedente del batido de canales adjacentes entre sí, y una transformación lineal de los componentes IQ. Sus parámetros (a, y, u, v) , que fueron descritos por primera vez en ~, se muestran otra vez aquí en la Tabla 1 por convenencia.

Componente continua Coeficiente distorsión Transformación la

no-lineal

al, =Pw ( R, 1s;21 2-R41~~n a (M = !YO ( ~IS;; 12 -R6IS~ l' ) y1" = 1', ( RlIS;'¡I' R41s:¡I' ) y9" = 1', ( RsIS;; 12 -R6IS:' 12) u, = 2JpóP, (R3S;;S~' -A'4S:, S:I' ) ¡P;;;P; ( , , ' , ~, ) V, = 2 !YóP' RsSs, Ssl -R6 S62 61

Tabla 1. Parámetros derivados en [1l] que caracterizan un receptor coherente integrado híbrido de 90º

Los términos lineales cuasan un desbalanceo, rotación y traslación de los ejes de referencia. La compensación de la distorsión lineal inducida a cada longitud de onda causada por imperfecciones hardware (desbalanceo a nivel de responsividad de fotodiodo y del híbrido) serán eliminadas en el DSP mediante el procedimiento de ortogonalización de GramSchmidt orthogonalization procedure (GSOP) [H]. El segundo término de la ecuación 5

causa una corriente de interferencia en banda base que no puede ser eliminada y que limita el comportamiento acromático del receptor. Esta corriente de interferencia puede ser por tanto expresada como El término interferente depende de la potencia de la señal, el número de canales coincidentes, y las prestaciones del receptor coherente en términos de desbalanceo de potencia. Debe señalarse que la corriente de interferencia de banda basal Imuestra una relación próxima con el CMRR para una única señal de longitud de onda [1], dado que es una medida directa del comportamiento desbalanceado de potencia de un receptor coherente.

( ) ¡n _in

_ Rsl~12 _R61~12

CMRR~I\W = S 6

.

2

•I!? n ¡n + ¡n

- 1 n 11 ~1

S 6

Inlerf Rs SsI + R6 u 61

Por lo tanto, usaremos el CMRR como figura de mérito de las prestaciones de los receptores 25 acromáticos integrados propuestos, tal y como se hace habitualmente en la literatura ~.

1. Conversor inferior de 1200 integrado monolíticamente acromático que consiste en un conversor inferior de 1200 integrado monolítica mente basado en un acoplador de interferencia multimodo (multimode interference coupler, MMI) 2x3 y con tres fotodiodos seguidos de sus respectivos TlAs con una estrategia de calibración lineal simple para corregir completamente errores del receptor caracterizado por que las componentes IQ de la señal recibida, previamente a su conversión digital en dos ADCs y a su procesado digital, son resueltas mediante la combinación lineal de las fotocorrientes de salida desde un circuito analógico previamente calibrado de forma que la combinación en el acoplador de 1200 de la señal multicanal WDM y el Ol permite describir las tres fotocorrientes de salida al detectar el canal k-ésimo como i/, i/ Y il según la ecuación (8)

obteniéndose finalmente, una vez resuelta dicha ecuación (8) , las componentes la del canal demodulado sin distorsión cancelándose el término de interferencia inducido según la ecuación (9)

(9)

demostrándose para una implementación ideal que

~3 ../3

AJ3 = AI5 = --, A I4 = 1; AQ3 = -, AQ4 = O, AQ5 = -- (10)

2 2

2. Conversor inferior de 1200 integrado monolítica mente acromático según la reivindicación anterior caracterizado por que los coeficientes (AIi, AQi) se obtienen mediante un sencillo proceso de calibración a la longitud de onda central de la banda e (1550 nm) , coeficientes que debido a la reducida dependencia con la longitud de onda de los parámetros del MMI

2x3 pueden usarse sobre toda la banda-C, cancelando prácticamente en toda ella los F.OEPM13/12/2014F.EfectivaNº solicitud17/12/2014desbalanceos del receptor, lo que permite la regeneración eléctrica de las componentes IQ de cualquier canal en la banda-C desde la implementación de la operación lineal analógica descrita por la ecuación (9) sin usar el algoritmo digital de ortonormalización GSOP, en tanto que la calibración analógica prácticamente compensa los des balanceos del receptor sobre toda la banda-C y el número efectivo de bits (ENoB) del ADC en presencia de múltiples canales no se ve reducido.

3. Conversor inferior de 1200 integrado monolíticamente acromático según la reivindicación anterior caracterizado por que tomando como partida las ecuanciones (8) y (9) la interferencia en banda base se puede expresar según la ecuación (11)

(11 )

de forma que para una implementación ideal (con IS, Jf=~ en toda la banda de trabajo) , desde las ecuaciones (10) Y (11) , el término de interferencia multicanal se cancela y no limita la recepción acromática.

4. Conversor inferior de 1200 integrado monolítica mente acromático según la reivindicación 1 caracterizado por que no siendo el acoplador de 1200 ideal, las desviaciones respecto al funcionamiento ideal son parcialmente compensadas usando los coeficientes de calibración (Afi, AQi) , de tal modo que la interferencia multicanal bajo transmisión WDM es altamente reducida.

5. Receptor óptico coherente que comprende un conversor inferior de 1200 integrado monolíticamente acromático conforme cualquiera de las reivindicaciones anteriores.