Sistema, método, transmisor y receptor de comunicaciones ópticas.

El sistema comprende:

- un transmisor (T) formado por un demultiplexor y un multiplexor con unos elementos ópticos (C1, C2) que, junto con un modulador (M1) dispuesto entre ellos, permiten utilizar los sub-haces que componen un haz de luz de entrada (H1) como canales ópticos para la transmisión de datos, en la forma de un haz de luz multiplexado (HM); y

- un receptor (R) dispuesto para recibir dicho haz, tras haber viajado por el medio de transmisión, y que comprende un demultiplexor con un elemento óptico (C3) que recupera los canales ópticos del haz de luz multiplexado (HM).

El método está adaptado para implementarse utilizando el sistema de la invención.

El transmisor y el receptor están adaptados para realizar las funciones de, respectivamente, el transmisor y el receptor del sistema de la invención.

Sistema, método, transmisor y receptor de comunicaciones ópticas

Sector de la técnica La presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema de

comunicaciones ópticas que permite la codificación y transmisión de información en un haz de luz, y más particularmente a un sistema que incluye una serie de elementos ópticos que permiten utilizar los sub-haces que componen el haz de luz como canales ópticos para el transporte de datos. En un segundo aspecto, la invención concierne a un método adaptado para

implementarse utilizando el sistema del primer aspecto. Unos tercer y cuarto aspectos de la invención conciernen a un transmisor y un receptor adaptados para realizar las funciones de, respectivamente, el transmisor y el receptor del sistema del primer aspecto de la invención.

Estado de la técnica anterior Las conexiones mediante láser son actualmente utilizadas para FSOC (del inglés “Free-Space Optical Communications”: Comunicaciones Ópticas en el Espacio Libre) de punto a punto en grandes distancias. La mayoría de ventajas sobre otras tecnologías de comunicación provienen de la gran coherencia alcanzada en radiación

láser y la baja divergencia del haz. Se considera que las tecnologías de FSOC mediante láseres son las de mayor eficiencia y ritmo de datos (en ancho de banda y capacidad) para cualquier canal óptico en espacio libre. Estas ventajas son cruciales para las comunicaciones ópticas en el espacio profundo [1], sin olvidar que las conexiones mediante láser pueden ser consideradas incluso como una alternativa (o

una herramienta/canal adicional) a las comunicaciones ópticas de radiofrecuencia y con fibras para algunas aplicaciones terrestres. Diferentes propiedades de los campos ópticos pueden ser exploradas para codificar y decodificar eficientemente la información. Hasta el momento se han desarrollado técnicas eficientes para el procesado de la señal en fuentes láseres de alta

modulación en frecuencia, sensores ultrarrápidos y otros componentes ópticos y electrónicos ultrarrápidos. Además, la capacidad de un canal de comunicación puede ser notablemente incrementada si uno combina eficientemente y descompone (sin pérdida de la información) haces con características ligeramente diferentes tal como, por ejemplo, hace la técnica de multiplexado por división de longitud de onda (WDM) ,

35 que ha sido desarrollada para comunicaciones con fibra óptica.

Con tal de incrementar la capacidad del canal en FSOC, se ha considerado utilizar el momento angular orbital (OAM) de la luz para codificar información en un haz láser monocromático [2-5]. De esta manera, como el OAM de la luz puede ser descompuesto en un número infinito de estados ortogonales, i.e., los ampliamente conocidos modos propios TEMpl dados por las funciones de Laguerre-Gauss, la capacidad del canal puede ser arbitrariamente incrementada, en principio. No obstante, existen inconvenientes prácticos que dificultan la codificación de información en el OAM de la luz [6-8] tales como el hecho de que órdenes elevados de modos de OAM presentan una gran divergencia y, en consecuencia, no pueden ser utilizados para FSOC en distancias largas. Es por ello que hoy en día no existe un sistema factible de comunicación basado en el multiplexado mediante OAM.

Por otra parte, el fenómeno de la refracción cónica, o CR (del inglés “Conical Refraction”) es conocido por diversas referencias [9-17], aunque a pesar de ser un fenómeno descubierto en 1832 [10] su aprovechamiento para la implementación de sistemas ópticos con aplicaciones concretas ha sido hasta ahora escaso.

Una de tales implementaciones se haya descrita en WO2010084317A1, donde se propone un sistema óptico con una fuente óptica de entrada, tal como un láser, para proyectar un haz de luz de entrada a lo largo de un eje óptico y un elemento óptico que crea un haz de refracción cónica a partir del haz de entrada, proyectando en el plano de Lloyd un anillo de luz y subsiguientemente reconstruye el haz de entrada a partir del anillo de luz. El elemento óptico comprende uno o más elementos de refracción cónica que, en alguna de las realizaciones, se encuentran orientados inversamente.

El objetivo del sistema propuesto en WO2010084317A1 es el de generar un haz de luz, tal como una haz láser, que tenga un alto rendimiento en términos de potencia y calidad, así como una gran eficiencia.

No se enseña ni se sugiere en WO2010084317A1 la utilización del sistema óptico allí propuesto para otros fines que no sean los indicados y relativos a la mejora de las características del haz de luz suministrado, no sugiriéndose en absoluto la utilización de tal sistema para la transmisión de datos.

En JP58202422A se propone realizar un multiplexado óptico sin utilizar un elemento de selección de longitud de onda, proporcionando para ello un pequeño dispositivo que utiliza la refracción cónica de un cristal óptico biaxial, y que permite multiplexar la luz proveniente de una pluralidad de fuentes de luz a una fibra óptica de salida dispuesta en una cara de salida del cristal, donde la luz de cada una de las fuentes de luz se transmite a través de un respectivo conducto de fibra óptica con un extremo que incide sobre una cara de entrada del cristal opuesta a dicha cara de salida cristal. Los extremos de las fibras ópticas que contactan el cristal, tanto las de entrada como la de salida, deben fijarse justamente en unos puntos predeterminados con el fin de que, en teoría, debido a la refracción cónica, la luz de todos los haces de entrada converja en el punto de salida. Pero en la práctica esto no es así, debido al inconveniente principal del que adolece la propuesta hecha en JP58202422A, que es el siguiente:

Cada fuente de luz mencionada en JP58202422A produce un anillo de refracción cónica en la cara de salida del cristal. En el caso de que las fuentes de entrada estén desplazadas entre sí, los anillos de CR en la superficie de salida del cristal biaxial serán desplazados en la misma cantidad. Por lo tanto, para N fuentes de luz en la superficie de entrada, aparecerán N anillos de CR en la superficie de salida. Además, en la superficie de salida estos anillos de CR se cruzan en unos puntos, pero no se superponen totalmente entre sí. Esto impide que puedan ser recogidos adecuadamente por una fibra colocada en la superficie de salida del cristal biaxial.

Explicación de la invención

Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, en particular las existentes en los sistemas de comunicaciones basados en el multiplexado OAM, y que permita su utilización para FSOC en distancias largas.

Con tal fin, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema de comunicaciones ópticas, que comprende, de manera en sí conocida:

- un transmisor configurado para transmitir y codificar información en un haz de luz a través de un medio de transmisión; y

- un receptor dispuesto para recibir dicho haz, tras haber viajado por dicho medio de transmisión, y configurado para decodificar dicha información codificada incluida en el haz de luz.

A diferencia de las propuestas conocidas, en el sistema propuesto por el primer aspecto de la presente invención, de manera característica:

- el transmisor comprende:

- un demultiplexor formado por como mínimo un primer elemento óptico

dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, un haz de luz inicial, demultiplexarlo cambiando la dirección de los vectores de onda de al menos dos de los sub-haces que componen dicho haz de luz inicial, y suministrar dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo; -al menos un modulador dispuesto y configurado para realizar dicha codificación de información modulando en amplitud dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas, cada uno de ellos constituyendo un canal óptico; y -un multiplexor formado por al menos un segundo elemento óptico dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, la luz de dichos canales ópticos, y suministrar dichos canales ópticos multiplexados hacia dicho medio de transmisión en la forma de un haz de luz multiplexado, por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo,

1. Sistema de comunicaciones ópticas, del tipo que comprende: -un transmisor (T) configurado para transmitir y codificar información en un haz

de luz a través de un medio de transmisión; y -un receptor (R) dispuesto para recibir dicho haz, tras haber viajado por dicho

medio de transmisión, y configurado para decodificar dicha información codificada

incluida en el haz de luz ;

estando el sistema caracterizado porque: dicho transmisor (T) comprende: -un demultiplexor formado por al menos un primer elemento óptico (C1) dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, un haz de luz inicial (H1) , demultiplexarlo cambiando la dirección de los vectores de onda de al menos dos de los sub-haces que componen dicho haz de luz inicial (H1) , y suministrar dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo; -al menos un modulador (M1) dispuesto y configurado para realizar dicha codificación de información modulando en amplitud dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas, cada uno de ellos constituyendo un canal óptico; y -un multiplexor formado por al menos un segundo elemento óptico (C2) dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, la luz de dichos canales ópticos, y suministrar dichos canales ópticos multiplexados hacia dicho medio de transmisión en la forma de un haz de luz multiplexado (HM) , por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo, y porque dicho receptor (R) comprende un demultiplexor formado por al menos un tercer elemento óptico (C3) dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, a dicho haz de luz multiplexado (HM) , y suministrar, por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo, dichos canales ópticos recuperados tras demultiplexar al haz de luz multiplexado (HM) , cambiando la dirección de los vectores de onda de los sub-haces, que son al menos dos, que componen el haz de luz multiplexado (HM) .

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque:

- dicho primer elemento óptico (C1) es un primer cristal biaxial de refracción cónica, dispuesto y configurado para demultiplexar dicho haz de luz inicial cambiando la dirección de los vectores de onda de los sub-haces que lo componen, suministrando dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas de manera que su proyección en un plano adopta la forma de un anillo de luz, donde los sub-haces con vectores de onda en un mismo plano van a parar a sectores diametralmente opuestos del anillo de luz;

- dicho modulador (M1) , que es al menos uno, está dispuesto y configurado para realizar dicha codificación de información modulando en amplitud, en dicho plano de proyección o en otro u otros planos, los sub-haces correspondientes a diferentes sectores de dicho anillo de luz, o canales ópticos;

- y porque dichos segundo (C2) y tercero (C3) elementos ópticos son unos respectivos segundo y tercero cristales biaxiales de refracción cónica.

3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dicho haz de luz inicial (H1) es de tipo Gaussiano.

4. Sistema según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque dicho haz de luz multiplexado (HM) es similar a un haz Gaussiano, al menos por lo que se refiere a características de divergencia.

5. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho medio de transmisión es un medio isotrópico.

6. Sistema según la reivindicación 5, caracterizado porque dicho medio isotrópico es el espacio libre.

7. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dicho medio de transmisión es una guía de ondas.

8. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho transmisor (T) comprende también al menos una primera lente (L1) dispuesta frente al primer extremo del primer elemento óptico (C1) para enfocar el haz de luz inicial (H1) sobre el mismo, y al menos una segunda lente (L2) dispuesta tras el segundo extremo del segundo elemento óptico (C2) para colimar dicho haz de luz multiplexado (HM) .

9. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho receptor (R) comprende al menos un objetivo (L3) dispuesto frente al primer extremo del tercer elemento óptico (C3) , para que éste reciba al haz de luz multiplexado (HM) tras atravesar dicho objetivo (L3) , y al menos un dispositivo fotodetector (FD) dispuesto frente al segundo extremo del tercer elemento óptico (C3) para recibir la luz de los canales ópticos y procesar la información contenida en los mismos.

10. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende, tras dicho tercer elemento óptico (C3) , al menos un grupo óptico que incluye:

- al menos un segundo modulador dispuesto y configurado para codificar información modulando en amplitud dichos canales ópticos recuperados,

- al menos un segundo multiplexor formado por al menos un cuarto elemento óptico dispuesto y configurado para mutiplexar los canales ópticos codificados por el segundo modulador, y

- al menos un segundo demultiplexor formado por al menos un quinto elemento óptico dispuesto y configurado para demultiplexar al haz de luz multiplexado por el segundo multiplexor.

11. Sistema según la reivindicación 2 o una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 10 cuando dependen de la 2, caracterizado porque dicho modulador (M1) , que es al menos uno, comprende al menos una máscara de amplitud angular dispuesta en dicho plano donde se forma el anillo de luz o en otro plano.

12. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho modulador (M1) comprende al menos un modulador de luz espacial.

13. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho haz de luz inicial (H1) es un haz de luz monocromático.

14. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho modulador (M1) está configurado para modular de manera independiente al menos parte de dichos canales ópticos, mediante modulación espacial

o modulación espacial y temporal.

15. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho modulador (M1) está configurado para modular de manera dependiente al menos parte de dichos canales ópticos, mediante modulación espacial o modulación espacial y temporal.

16. Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los ejes ópticos de dichos primero (C1) y segundo (C2) elementos ópticos se encuentra alineados entre sí.

17. Sistema según la reivindicación 16 cuando depende de la 2, caracterizado porque dicho segundo cristal biaxial de refracción cónica es substancialmente de iguales dimensiones que el primero.

18. Sistema según la reivindicación 2 o una cualquiera de las reivindicaciones 3 a 17 cuando dependen de la 2, caracterizado porque dicho segundo cristal biaxial de refracción cónica se encuentra orientado inversamente con respecto al primero.

19. Método de comunicaciones ópticas, del tipo que comprende: a) transmitir y codificar información en un haz de luz a través de un medio de transmisión; y

b) recibir dicho haz de luz, tras haber viajado por dicho medio de transmisión, y decodificar dicha información codificada incluida en el haz de luz; estando el método caracterizado porque:

dicha etapa a) comprende: -emitir un haz de luz inicial hacia un primer elemento óptico; -recibir, mediante dicho primer elemento óptico, dicho haz de luz inicial,

demultiplexarlo cambiando la dirección de los vectores de onda de al menos dos de los sub-haces que componen dicho haz de luz inicial, y suministrar dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas;

- realizar dicha codificación de información modulando en amplitud dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas, cada uno de ellos constituyendo un canal óptico; y enviar la luz de dichos canales ópticos a un segundo elemento óptico; y

- recibir y multiplexar, mediante dicho segundo elemento óptico, la luz de dichos canales ópticos, suministrando dichos canales ópticos multiplexados hacia dicho medio de transmisión en la forma de un haz de luz multiplexado,

y porque dicha etapa b) comprende recibir y demultiplexar, mediante un tercer elemento óptico, dicho haz de luz multiplexado, suministrando dichos canales ópticos recuperados tras demultiplexar al haz de luz multiplexado, cambiando la dirección de los vectores de onda de los sub-haces, que son al menos dos, que componen el haz de luz multiplexado.

20. Método según la reivindicación 19, caracterizado porque dichos primer,

segundo y tercer elementos ópticos son unos respectivos primer, segundo y tercer cristales biaxiales de refracción cónica, donde cada una de dichas demultiplexaciones de las etapas a) y b) comprende cambiar la dirección de los vectores de onda de los sub-haces que componen el haz de luz inicial, por lo que se refiere a la etapa a) , y el haz multiplexado, por lo que se refiere a la etapa b) , suministrando dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas de manera que su proyección en un plano adopta la forma de un anillo de luz, donde los sub-haces con vectores de onda en un mismo plano van a parar a sectores diametralmente opuestos del anillo de luz.

21. Método según la reivindicación 19 ó 20, caracterizado porque está previsto para implementarse utilizando el sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.

22. Método según la reivindicación 19, 20 ó 21, caracterizado porque dicho haz de luz inicial está polarizado lineal o circularmente.

23. Método según la reivindicación 19, 20 ó 21, caracterizado porque dicho haz de luz inicial está depolarizado.

24. Transmisor de comunicaciones ópticas, del tipo que está configurado para transmitir y codificar información en un haz de luz a través de un medio de transmisión, estando el transmisor caracterizado porque comprende:

- un demultiplexor formado por al menos un primer elemento óptico (C1) dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, un haz de luz inicial (H1) , demultiplexarlo cambiando la dirección de los vectores de onda de al menos dos de los sub-haces que componen dicho haz de luz inicial (H1) , y suministrar dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo; -al menos un modulador (M1) dispuesto y configurado para realizar dicha codificación de información modulando en amplitud dichos sub-haces con vectores de onda con direcciones cambiadas, cada uno de ellos constituyendo un canal óptico; y -un multiplexor formado por al menos un segundo elemento óptico (C2) dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, la luz de dichos canales ópticos, y suministrar dichos canales ópticos multiplexados hacia dicho medio de transmisión en la forma de un haz de luz multiplexado (HM) , por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo.

25. Transmisor según la reivindicación 24, caracterizado porque está configurado para hacer las funciones del transmisor (T) del sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18.

26. Receptor de comunicaciones ópticas, del tipo que está dispuesto para recibir un haz de luz que incluye información codificada, tras haber viajado por un medio de transmisión, y configurado para decodificar dicha información codificada incluida en el haz de luz, estando el receptor caracterizado porque comprende un demultiplexor formado por al menos un elemento óptico (C3) dispuesto y configurado para recibir, por un primer extremo, a un haz de luz (HM) con información codificada en unos canales ópticos correspondientes a unos sectores de luz multiplexados en dicho haz de luz (HM) , y suministrar, por un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo, dichos

canales ópticos recuperados tras demultiplexar el haz de luz multiplexado (HM) cambiando la dirección de los vectores de onda de los sub-haces, que son al menos dos, que componen el haz de luz multiplexado (HM) .

27. Receptor según la reivindicación 26, caracterizado porque está configurado para hacer las funciones del receptor (R) del sistema según una cualquiera de las 10 reivindicaciones 1 a 18.