Método y sistema para la transmisión de pulsos ópticos a través de medios dispersivos.

Una secuencia de pulsos ópticos (1), pasa por un conformador óptico (2) para darle la forma de pulso apropiada para la transmisión invariante por un canal óptico dispersivo (3), en el que el término de dispersión dominante es dispersión cromática lineal, y la secuencia de pulsos llega a un receptor (4), que procesa la señal recibida en los dominios óptico y/o eléctrico. El pulso conformado permanece esencialmente inalterado al propagarse con un medio cuya componente dispersiva dominante es la dispersión cromática de segundo orden.Este método evita la introducción de elementos de compensación de dispersión de segundo orden adaptables en el receptor, transmitiendo pulsos ópticos cuya forma permanece básicamente inalterada al propagarse por el canal óptico dispersivo

Método y sistema para la transmisión de pulsos ópticos a través de medios dispersivos.

Sector técnico

La invención se encuadra dentro del sector técnico de las comunicaciones ópticas, en particular, las redes de fibra óptica.

Estado de la técnica

Una de las limitaciones existentes en las redes de fibra óptica consiste en la dispersión, la cual provoca un ensanchamiento y distorsión del los pulsos que se propagan por la fibra, impidiendo alcanzar elevadas tasas de transmisión a determinadas distancias de propagación.

En el caso de la dispersión cromática, que es el componente dominante en muchas situaciones, existen diferentes técnicas de compensación mediante la introducción de elementos ópticos compensadores de dispersión, que introducen una dispersión de signo contrario y de similar cantidad a la introducida por el canal óptico, de manera que contrarrestan los efectos, recuperando de esta manera la forma original de los pulsos en el receptor.

Estos elementos ópticos compensadores de dispersión pueden ser de muy diversa tecnología, entre los que se destacan principalmente interferómetros Gires-Tournois propuestos por B. Golubovic et al. en el documento "Double Gires-Tournois interferometer negative-dispersion mirrors for use in tunable mode-locked lasers", Opt. Lett. 25 (4), 275 (2000).

R. L. Fork et al. han propuesto pares de prismas, tal como se divulga en "Negative dispersión using pairs of prisms", Opt. Lett. 9 (5), 150 (1984).

Es conocida en el estado de la técnica la propuesta de redes de difracción de Bragg en fibra (RDBF). Este procedimiento es el que describen N. M. Litchinitser et al., en el documento "Fiber-based tunable dispersión compensation", J. Opt. Fiber Commun. Rep. 4, 41 (2007).

Las técnicas mencionadas cuentan con la desventaja de requerir un reajuste de los dispositivos ópticos para compensar diferentes valores de dispersión cromática.

Descripción de la invención

Se propone un método y un sistema que evita la introducción de elementos de compensación de dispersión de segundo orden adaptables en el receptor, transmitiendo pulsos ópticos cuya forma permanece básicamente inalterada al propagarse por el canal óptico dispersivo.

La dispersión cromática de un medio óptico consiste en un fenómeno en el que la velocidad de fase y la velocidad de grupo de la luz que se propaga por ese medio dependen de la frecuencia óptica. Existen diferentes órdenes de dispersión cromática, pero en muchas situaciones podemos tener una buena aproximación con el término de dispersión de segundo orden, también conocido como dispersión de retardo de grupo. Cabe mencionar que esta aproximación es el equivalente temporal a la aproximación paraxial en óptica espacial. En lo siguiente, cuando se hable de dispersión, se entenderá que nos referimos al término de dispersión cromática de segundo orden, que es el término dominante en muchos medios ópticos dispersivos, como es el caso de las fibras ópticas monomodo.

El método que se propone está basado en la conformación de pulsos ópticos cuya forma, permanece esencialmente inalterada al propagarse por un medio cuya componente dispersiva dominante es la dispersión cromática de segundo orden, por lo que denominamos al pulso propuesto como "pulso invariante". Como se mostrará, al propagarse por el medio dispersivo se producirá una variación de la frecuencia central del pulso, dejando la forma del pulso básicamente inalterada. El ancho de banda y la forma concreta del pulso deberán ser diseñados dependiendo de la dispersión introducida por el canal óptico que se trate.

A continuación se expone la demostración analítica de la invariabilidad de la forma del "pulso invariante" ideal propuesto frente a la dispersión. Expresamos la envolvente compleja en ω₀ del "pulso invariante" ideal con f_inv(t), y su transformada de Fourier con F_inv(ω), donde t es la variable temporal, ω es la frecuencia angular banda base, i.e., ω=ω_opt-ω₀, ω_opt es la frecuencia angular óptica, y ω₀ es la frecuencia angular central.

La definición del "pulso invariante" que se propone en el dominio de la frecuencia corresponde con F_inv(ω) = exp(j(a₃ω³ + a₁ω+a₀)), donde a₀, a₁, y a₂ son constantes reales, y j es la unidad imaginaria. Si obviamos los términos de fase constante y lineal, que no afectan a la forma de la envolvente compleja, tenemos:

Por otra parte, se puede demostrar que la dispersión introducida por un canal óptico dispersivo en una sección de longitud L, corresponde con una fase cuadrática, y se puede expresar con la siguiente respuesta espectral de un filtro lineal H_disp (ω) = exp(jαLω²) donde estamos obviando los términos de fase constante y lineal, que no afectan a la forma del pulso, y α es una constante real, que expresa la cantidad de dispersión introducida por el medio por unidad de longitud.

Se puede demostrar que la forma de la envolvente compleja del pulso resultante de la aplicación de este medio dispersivo al "pulso invariante", que expresamos mediante f_disp(t), permanece inalterada, siendo el efecto de la dispersión el de modificar la frecuencia central de la envolvente compleja de ω₀ a otra frecuencia angular ω₀'. Así pues, podemos calcular el efecto de la dispersión en el pulso mediante:

donde F_disp(ω) es la transformada de Fourier de f_disp(t). Definimos ω'=ω_opt-ω₀' como la frecuencia angular en banda base correspondiente a la frecuencia angular central ω₀', y el desplazamiento de frecuencia central Δω=ω₀'-ω₀=ω-ω'.

Podemos expresar la Ecuación 2 en ω' con:

donde b₀ y b₁ son constantes reales. Es fácil comprobar que para un valor de Δω=-αL/(3a₃), y despreciando los términos de fase constante y lineal, tenemos F_disp (ω = ω'-αL/(3a₃)) = exp(j(a₃ω'³)), que coincide con la expresión de la Ecuación 1 que describe el pulso auto-compensado original en el dominio de la frecuencia F_inv(ω). Por lo tanto, la envolvente compleja f_disp(t) centrada en ω₀' tendrá la misma forma que la envolvente compleja del pulso original f_inv(t) centrado en ω₀. De esta forma, se comprueba que el efecto de la dispersión es el de introducir un desplazamiento Δω de frecuencia angular central, sin afectar a la forma de la envolvente compleja.

Breve descripción del dibujo

La figura 1 muestra el diagrama de bloques del sistema de transmisión de pulsos mediante el método propuesto, donde (1) es la secuencia de pulsos de entrada al sistema, (2) es un conformador de pulsos, que aplicará un determinado procesamiento sobre los pulsos de entrada (1) para obtener una forma de "pulso invariante". Los pulsos conformados por (2) se propagan a través de (3) el canal óptico dispersivo, los cuales finalmente llegan a (4) el receptor.

La figura 2 muestra una comparativa de cómo afectaría el mismo medio dispersivo (3) a un pulso gaussiano (parte superior), y al pulso invariante que se propone (parte inferior).

La figura 3 muestra la distribución tiempo-frecuencia del "pulso invariante" ideal antes de la transmisión, centrado en ω₀....

1. Método para transmitir pulsos ópticos a través de un medio óptico con dispersión cromática entre un emisor que conforma pulsos con un ancho de banda (B) generados con una fuente de láser y al menos un receptor (4), caracterizado por que comprende los siguientes pasos: