Comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica (2) por la que circula una señal portadora de información (S1),

un bloque (3) láser local, un bloque (4) de detección óptica y un bloque (5) de demodulación diferencial.

Se caracteriza por el hecho de que la señal portadora de información (S1) de la fibra óptica de entrada (2) y el haz de luz (h1) generado por el bloque láser local (3) dispuesto en el receptor (1), se acoplan y detectan en un bloque de detección óptica (4), que convierte la señal portadora de información (S1) en una señal eléctrica portadora de información (S2) la cual es procesada eléctricamente en un bloque de demodulación (5) que realiza una demodulación diferencial de sus componentes de fase y de cuadratura, combinándolas posteriormente.

Se consigue un receptor óptico (1) con detección óptica homodina, siendo las longitudes de onda de la señal de entrada S1 y del haz de luz sintonizado h1 coincidentes, con una alta tolerancia al ruido de fase que generan los láseres de las comunicaciones ópticas y sin la necesidad de utilizar un seguidor de fase óptico (OPLL)

Receptor homodino para comunicaciones ópticas con procesado a posteriori.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a la transmisión de señales ópticas a través de un cable de fibra óptica. Específicamente, la presente invención se refiere a un sistema y a un método de detección coherente de señales ópticas utilizando procesado de la señal para recuperar señales.

Antecedentes de la invención

El uso de cables de fibra óptica para la transmisión de la información fue introducida años atrás. Recientemente, con la creciente demanda de transmisión de grandes cantidades de información a alta velocidad, la utilidad de tal transmisión de señales ópticas se hace evidente. (G. P. Agrawal "Fiber Optic Communication Systems" John Wiley & Sons, 2002). La transmisión de esta información típicamente toma forma de dígitos binarios (unos y ceros lógicos), aunque también se puedan transportar señales analógicas, como son las señales de televisión por cable.

En tos años 90, se introdujo la multiplexación por división de longitud de onda (Wavelength Division Multiplexing, WDM) a nivel comercial, cosa que hizo posible transmitir varias longitudes de onda en paralelo, para así poder incrementar la capacidad de transporte de información de la fibra.

Por otro lado, desde hace algunos años, se está investigando sobre como debiera ser el despliegue de las redes de fibra óptica para llegar directamente hasta el hogar (Fiber To The Home, FTTH). Se pretende que para este tipo de redes, en una sola fibra de distribución se tenga una longitud de onda por cada usuario, así el máximo rendimiento vendrá dado cuando podamos tener el máximo número de longitudes de onda posibles en una sola fibra. Por lo tanto se pretende estrechar al máximo la separación entre los diferentes canales.

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 en información en forma de luz la información entrante con forma de señal eléctrica; un medio 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, cuyo bloque recibe el nombre de receptor óptico. Es importante destacar que el emisor óptico 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 avalancha) o un fototransistor. Dicho emisor y receptor ópticos comprenden conectores que les permiten acoplarse a la fibra óptica.

En lo que al emisor se refiere, este consta de una fuente de luz, preferiblemente láser, y módulos, opcionales dependiendo del formato de modulación, colocados a continuación para introducir la información a transmitir. Los formatos de modulación pueden ser varios, la mayoría de ellos siendo simples adaptaciones de sus versiones utilizadas en las comunicaciones de ámbito radioeléctrico. Así se dispone de modulaciones de fase, amplitud, frecuencia, etc.; para transmitir la información.

Son conocidos en el campo de los receptores ópticos, los receptores ópticos de detección directa y los receptores ópticos de detección coherente.

La arquitectura de los receptores ópticos de detección directa se basa principalmente en un fotodetector seguido de un amplificador y unos circuitos de procesado de señal. Así pues, el receptor convierte una señal óptica en una eléctrica proporcional a la potencia óptica incidente, que es posteriormente procesada. Dichos receptores ópticos de detección directa presentan problemas de selección del canal óptico y de ruidos, entendiéndose por ruido cualquier modificación no deseada de la señal portadora de información en el sistema de comunicaciones. También cabe destacar que en este tipo de receptores no es posible recuperar la fase de la señal óptica, por lo que la posibilidad de utilizar modulaciones de fase y similares que excluida.

Por otro lado, los receptores ópticos de detección coherente, la cual se describe en (Silvelo Betti, Giancarlo de Marchis, Eugenio Iannone, "Coherent optical communications systems", John Wiley & sons, inc. 1995), reciben una señal óptica portadora de información y la mezclan con la luz de un láser oscilador local para obtener, debido a la interferencia entre los dos haces luminosos, la información en banda base o en una frecuencia intermedia eléctrica a la salida del fotodetector, de forma equivalente a la de un receptor radio actual. Cuando traslademos la información a la banda base eléctrica, diremos que se trata de un receptor homodino. En otro caso de recepción coherente diremos que es heterodino.

Es importante destacar que la detección homodina mejora las prestaciones del receptor óptico, tales como la sensibilidad y ta selectividad frecuencia) de la transmisión óptica, aunque presenta el inconveniente de precisar unos láseres altamente coherentes y un seguidor de fase óptica (comúnmente denominado PLL), que es todavía un dispositivo en fase experimental, con un diseño complejo y un coste elevado. Es por ello que, en la actualidad, la detección homodina únicamente es posible realizarla en experimentos de laboratorio, como los varios tipos de PLL que se han demostrado: portadora-piloto balanceados, Lazo de Costas y Dirigido a la Decisión, principalmente (véanse L. G. Kazovsky "Balanced phase-locked loops for optical homodyne receivers: Performance analysis, design considerations, and laser linewidth requirements" Journal of Lightwave Technology, Volume 4, Issue 2, Feb 1986 Page(s):182 - 195; o S. Norimatsu y K. Iwashita "PLL propagation delay-time influence on linewidth requirements of optical PSK homodyne detection" Journal of Lightwave Technology, Volume 9, Issue 10, Oct. 1991 Page(s):1367 - 1375). Todos ellos requieren un ancho de línea espectral de los láseres menor que un 0.1% de la velocidad de transmisión, y un retardo de lazo menor a su tiempo de coherencia.

Existe hoy día considerable actividad de investigación para solventar tos problemas mencionados, ya que este tipo de recepción se considera como la más ventajosa teóricamente (véase por ejemplo "Homodyne Phase-Shift-Keying Systems: Past Challenges and Future Oportunities", de L. Kazovsky, en el Optical Fiber Communications Conference -OFC'2005-, actas OTuL3, Anaheim, California, USA, Marzo 2005). Últimamente se han propuesto algunos diseños vanguardistas de receptores homodinos, como el de S. Camatel (Electronics Letters, volumen 40, número 6, Marzo 2004), en el que el PLL opera en base a una sub-portadora eléctrica, que se puede adaptar a la señal recibida con velocidad; sin embargo requiere un láser altamente coherente y costoso. Otras propuestas, como las de R. Noé (US patent 2004/0051066 "Apparatus and Method for a Carrier Recovery" del 13/05/2004) o M.G. Taylor (US patent 2004/0114939 "Coherent Optical Detection and Signal Processing Method and System" del 17/06/2004) se basan en estimar y recuperar la fase de la portadora heterodinada mediante un procesador digital de señal. Este tipo de estimación hoy día es poco factible a las altas velocidades de transmisión de la fibra óptica.

Dadas las expectativas de crecimiento de las redes de fibra óptica actuales y las ventajas que ofrece la recepción homodina, entendemos que existe la necesidad de dicho sistema de recepción, con todas sus prestaciones en cuanto a sensibilidad y selectividad; que se pueda implementar fácilmente con componentes sencillos y además sea potencialmente de bajo coste.

Descripción de la invención

El objetivo de la presente invención es solucionar los inconvenientes citados anteriormente, con el fin de hacer el sistema más robusto y abaratarlo. Una de las características fundamentales de la invención es el post-procesado eléctrico con demodulación diferencial que se realiza en diversidad de fase, tanto de la componente en fase como en cuadratura, que se separan previamente y se vuelven a combinar posteriormente. Se consigue que la sintonía de canal óptico no requiera coincidencia de fase entre los dos láseres, y que la sintonía se siga realizando mediante un láser oscilador local y el filtrado de canal eléctricamente en banda base. Mediante este homodinaje se consiguen unas mejoras sustanciales en las prestaciones de la transmisión óptica, tales como la sensibilidad y la selectividad frecuencial del...

1. Receptor (1) para comunicaciones ópticas que comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica (2) por la que circula una señal portadora de información (S1), un bloque (3) láser local, un bloque (4) de detección óptica y un bloque (5) de demodulación, caracterizado por el hecho de que la señal portadora de información (S1) de ta fibra óptica de entrada (2) y el haz de luz (h1) generado por el bloque láser local (3), se acoplan y detectan en el bloque de detección óptica (4) que convierte la señal portadora de información (S1) en una señal eléctrica portadora de información (S2) en banda base, la cual es procesada eléctricamente en un bloque de demodulación (5) que realiza la demodulación diferencial de sus componentes de fase y de cuadratura, combinándolas posteriormente.

2. Receptor (1) según la reivindicación anterior, caracterizado por el hecho de que el bloque de detección óptica (4) comprende un acoplador óptico (4a) para combinar la señal portadora de información (S1) y el haz de luz (h1) generado por el bloque láser local (3).

3. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el bloque de láser local (3) comprende un dispositivo láser (3a) que se sintoniza a la misma longitud de onda nominal del canal óptico que desea recibir.

4. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el bloque de demodulación (5) comprende uno o varios demoduladores diferenciales, que realizan la demodulación diferencial tanto de la componente en fase como de la componente en cuadratura de la señal de información.

5. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la demodulación diferencial se realiza mediante el producto, en uno o dos mezcladores (5f, 5h), de la señal de información por ella misma retardada en un determinado tiempo, del orden del tiempo de bit (5e, 5g).

6. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que en láser local 3b se le introduce una señal eléctrica, procedente del módulo de condicionamiento de la señal (6c), con el fin de heterodinar las dos señales ópticas (S1 y h1) tanto en fase como en cuadratura, y permitir así obtener una representación de la energía de las componentes de fase (cl) y de cuadratura (cQ) separadamente.

7. Receptor (1) según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por el hecho de que el bloque de láser local (3) comprende un modulador óptico de fase en el que se le introduce una señal eléctrica, procedente del módulo de condicionamiento de la señal (6c), con el fin de heterodinar las dos señales ópticas (S1 y h1) tanto en fase como en cuadratura, y permitir así obtener una representación de la energía de las componentes de fase (cl) y de cuadratura (cQ) separadamente.

8. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el bloque de demodulación separa la componente en fase (I) de la componente en cuadratura (cQ) a partir de la señal de generada en el condicionador de señal (6c) del bloque de regeneración (6).

9. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende un desfasador de la señal de salida del condicionador de señal, dispuesto entre el bloque de regeneración (6) y el bloque láser local (3), con el fin generar sincronizadamente la perturbación alternada dentro del tiempo de bit.

10. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende un desfasador (5d) de la señal de control de sincronismo, dispuesto entre el bloque de regeneración (6) y el bloque de demodulación (5), con el fin de separar sincronizadamente la componente en fase (cl) de la componente en cuadratura (cQ).

11. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el bloque de demodulación (5) combina o acopla cada una de las componentes (fase y cuadratura) demoduladas diferencialmente mediante un bloque que responda a una operación matemática de combinación ventajosa de dos señales, que asegure la presencia de suficiente nivel de señal a la salida. Por ejemplo mediante un sumador (5j), que suma las dos componentes demoduladas diferencialmente; o un bloque alternativo que implemente la elección de la componente demodulada diferencialmente con mayor potencia en cada caso.

12. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el dispositivo láser (3a) comprende cualquier tipo de dispositivo láser, adecuado para el funcionamiento correcto del receptor. Unos ejemplos de ello serian un láser semiconductor monomodo de onda continua; láser semiconductor monomodo sintonizable; o bien láser monomodo de onda continua.

13. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el bloque de detección óptica (4) comprende un acoplador óptico (4a) que acopla la señal (S1) provinente de la fibra de entrada (2) y el haz de luz (h1) generado por el bloque de láser local (3), y un fotodetector (4b) que recibe una de las salidas del acoplador óptico direccional balanceado (4a), y obtiene en su salida una señal en banda base, que se inyecta en un primer amplificador (4d) para obtener un nivel de señal máximo (S2) en la salida del bloque de detección óptica (4).

14. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el bloque de detección (5) comprende un segundo fotodetector (4c), que recibe la salida restante del acoplador óptico (4a), cuya señal de salida se resta a la del primer fotodetector (4b), directamente en serie o mediante un amplificador diferencial (4d), que amplifica y resta sus entradas.

15. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el bloque de detección óptica (4) utiliza un sistema de detección homodina.

16. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el sistema de detección homodina se basa en un esquema balanceado.

17. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende un bloque de regeneración (6).

18. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la señal óptica portadora de información recibida (S1) está modulada en cualquier de los siguientes formatos:

• Fase.

• Amplitud o intensidad de luz.

• Frecuencia.

19. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que comprende un elemento óptico de control de polarización adaptativo (4e) en una de las dos entradas ópticas del bloque de detección óptica (4).

20. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado por el hecho de que el bloque de detección óptica (4) comprende un separador de polarizaciones que separa las dos polarizaciones básicas, y duplica los elementos de detección óptica (4) y de demodulación diferencial (5), para procesarlas separadamente y combinarlas posteriormente.

21. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, caracterizado por el hecho de que comprende un modulador de polarización alternada en alguna de las entradas del bloque de detección óptica (4), que genera las dos polarizaciones básicas permitiendo la diversidad.

22. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho que además comprende, al menos, un amplificador al lado del receptor o entre sus bloques constitutivos, para aumentar el nivel de la señal que se ha atenuado en la transmisión por la fibra óptica.

23. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho que además comprende, al menos, un filtro al lado del receptor o entre sus bloques constitutivos, para ecualizar la señal y limitar el ruido que se ha introducido en la transmisión por el sistema.

24. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en que se utilizan 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.

25. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la demodulación se realice mediante un dispositivo procesador digital de señal.