Método y sistema de detección óptica coherente y de procesamiento de señal.

Un sistema de detección óptica coherente que recibe una señal óptica entrante en una red de comunicación óptica,

comprendiendo dicho sistema:

un oscilador local (56) que emite una luz;

un mezclador óptico híbrido (54) para combinar la señal óptica entrante y la luz del oscilador local en al menos una salida;

un fotodetector (62, 64) que comunica con el mezclador óptico híbrido (54), en donde dicho fotodetector (62, 64) recibe una señal óptica procedente de la salida y la convierte en una señal eléctrica;

un convertidor analógico/digital, A/D (58, 60) para recibir la señal eléctrica procedente de dicho fotodetector (62, 64), en donde dicho convertidor A/D (58, 60) digitaliza la señal eléctrica y

un procesador de señal digital (36) para realizar cálculos sobre valores digitales procedentes del convertidor A/D (58, 60), proporcionando el procesador de señal digital (36) una representación compleja de la envolvente del campo eléctrico de la señal óptica entrante o un componente de la representación compleja de la envolvente del campo eléctrico de la señal óptica entrante,

en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para realizar cálculos sobre valores digitales procedentes del convertidor A/D (58, 60) para proporcionar una salida que es el resultado de una operación de procesamiento de señal en una pluralidad de muestras, a través del tiempo, de la envolvente compleja del campo eléctrico de la señal óptica entrante.

Método y sistema de detección óptica coherente y de procesamiento de señal

SOLICITUDES DE PATENTE RELACIONADAS

Esta solicitud de patente de utilidad reivindica la fecha de prioridad de la solicitud de patente provisional número de serie 60/432500 por Michael G. Taylor, presentada el 11 de diciembre de 2012 y la solicitud de patente provisional número 60/445, 742 por Michael G. Taylor, presentada el 7 de febrero de 2003.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la invención Está invención se refiere a transmisiones ópticas a través de un cable de fibra óptica. Más concretamente, la presente invención se refiere a un sistema y método de detección coherente de señales ópticas utilizando un procesamiento de señal digital para recuperar señales.

Descripción de la técnica relacionada El uso de cables de fibras ópticas para la transmisión de información, fue introducida hace varios años. Recientemente, con la demanda por los usuarios de la transmisión rápida de grandes cantidades de información, la utilidad de la transmisión de señales ópticas es particularmente evidente. [Véase “Sistema de comunicación óptica” por J. Gowar (Gowar) y “Sistemas de comunicación de fibra óptica” por G. Agrawal (Agrawal 2) ]. La transmisión de esta información suele adoptar la forma de signos digitales binarios (esto es, niveles lógicos “1” y “0”. Además, la fibra óptica se utiliza para transportar señales analógicas, tales como señales de televisión por cable.

En los años 1990, se desarrollaron amplificadores ópticos en redes de televisión por cable y telefónicas. En condiciones normales, se utilizaron los amplificadores de fibras ópticas dopados con erbio (EDFAs) . Los amplificadores realizan la amplificación de las señales ópticas y superan la pérdida de una señal transmitida a través de la fibra sin la necesidad de detectar y retransmitir las señales. Además, en la década de los años 1990, se produjo la introducción de la técnica de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) a un nivel comercial, con el consiguiente aumento de la capacidad de transporte de información de la fibra transmitiendo varias longitudes de onda en paralelo. Durante la multiplexación WDM, diferentes longitudes de onda se originan y terminan en el

mismo lugar pero, en algunos casos, las longitudes de ande se añaden o suprimen en ruta hacia un destino.

Con los sistemas de transmisión de señales ópticas, cada sistema tiene un transmisor para emitir luz modulada con información a través del cable de fibras ópticas y un receptor, que detecta la luz y recupera la información. La unidad de transmisión contiene una fuente de luz, que suele ser un láser de semiconductores en el modo longitudinal único. La información se impone sobre la luz mediante modulación directa de la corriente de láser o mediante modulación externa (aplicando una tensión a un componente de modulador que sigue la señal de láser) . El receptor utiliza un fotodetector que convierte luz en una corriente eléctrica.

Existen actualmente dos maneras para detectar la luz, la detección directa y la dirección coherente. Los sistemas de 45 transmisión existentes utilizan todos ellos técnicas de detección directa para detectar la luz. Aunque las técnicas de detección coherentes son más complejas, ofrecen algunas ventajas bien diferenciadas. Una de las ventajas primarias es que efectivamente proporciona una ganancia de señal. Sin embargo, los amplificadores EDFA ofrecían la misma ventaja y se encontró siendo una solución más rentable.

Los sistemas de transmisión actuales imponen información sobre la amplitud (o intensidad/potencia) de la señal. La luz se activa para transmitir un “1” y se desactiva para transmitir un “0”. En el caso de técnicas de detección directa, el fotodetector se presenta con la luz modulada ‘on / off’ y en consecuencia, el flujo de corriente a través de ella es una réplica de la potencia óptica. Después de la amplificación, la señal eléctrica pasa a un circuito de decisión, que la compara con un valor de referencia. El circuito de decisión proporciona luego una salida “1” o “0” no ambigua.

Existen muchas clases de formatos de modulación ‘on / off’. El más sencillo es el denominado de no retorno a cero sin variación de fase (NRZ sin variación de fase) , en donde la potencia óptica y la fase de la onda óptica se mantienen constantes durante la transición entre un par de símbolos “1” consecutivos. Otros formatos de transmisión son los de NRZ con variación de fase, los de retorno a cero (RZ) [véase “Comparación entre los formatos de señales NRZ y RZ para la transmisión de amplificador en línea en el régimen de dispersión nula” por Matsuda (Matsuda) ], RZ de portadora suprimida [véase “Transmisión, no repetida, de DWDM de 8x43 Gbit/s con un espaciamiento de 100 GHz a través de 163 km utilizando un formato de retorno a cero con portadora suprimida, duobinaria” por Y. Miyamoto et al (Miyamoto) ] y transmisión binaria en forma de fase (PSBT) [véase “La transmisión binaria en forma de fase (PSBT) : una nueva técnica para transmitir bastante más allá del límite de dispersión cromática” por D.

Penninckx et al (Penninckx) ].

Existe también otra clase de formatos de modulación en donde la información se codifica en la fase de la señal óptica, tal como la modulación por desplazamiento de fase diferencial óptica (oDPSK) . Un fotodetector no responde a los cambios en la fase de la luz que incide sobre dicho fotodetector, por lo que se utiliza un componente pasivo denominado un discriminador antes del fotodetector. El discriminador convierte los cambios en fase en cambios en potencia, que pueden detectar el fotodetector.

Según se indicó con anterioridad, el fotodetector no responde a la fase de una onda óptica. Si dos longitudes de onda se introducen en el fotodetector, a modo de ejemplo, el fotodetector no distingue entre las dos longitudes de onda. Los sistemas de WDM utilizan componentes de filtros ópticos pasivos para separar los diferentes canales de longitud de onda en el terminal receptor, de modo que cada fotodetector detecte solamente un canal. Este método establece un límite sobre lo próximo que pueden estar espaciados los canales, principalmente basado en la capacidad del filtro óptico para dejar pasar un canal y rechazar sus canales próximos.

Las técnicas de detección coherente tratan la onda óptica en una manera similar a la recepción de ondas de radio seleccionando, de forma inherente, una longitud de onda y respondiendo a su amplitud y fase. La Figura 1A ilustra un diagrama de bloques simplificado de un receptor coherente básico de extremo único 16 en un sistema de fibras ópticas existente. La Figura 1B ilustra un diagrama de bloques simplificado de un receptor coherente 21 que utiliza la detección equilibrada con dos fotodetectores 27 y 29 en un sistema de fibras ópticas existente. Una señal entrante 18 se combina con la luz procedente de un oscilador local (LO) 20, que tiene próxima al mismo estado de polarización (SOP) y la forma de onda exacta o muy similar. Cuando se detectan las señales combinadas, la fotocorriente contiene un componente a una frecuencia que es la diferencia entre las frecuencias ópticas de la señal y del oscilador local. Esta componente de frecuencia diferencia contiene toda la información (amplitud y fase) que está en la señal óptica. Puesto que la nueva frecuencia portadora es mucho más baja, normalmente unos pocos GHz en lugar de 200 THz, toda la información en la señal puede recuperarse utilizando métodos de demodulación de radio estándar. Los receptores coherentes perciben solamente señales próximas en longitud de onda al oscilador local. Por lo tanto, la sintonía de la longitud de onda LO proporciona la funcionalidad de un filtro sintonizable incorporado.

El proceso de detección coherente puede explicarse con varias ecuaciones matemáticas. La siguiente descripción utiliza la notación compleja para sinusoides que se resumen en el Apéndice A. El campo eléctrico de la señal puede escribirse como:

en donde Es (t) es la envolvente de variación lenta, que contiene la información codificada sobre la amplitud y fase de la señal óptica. De modo similar, el campo eléctrico del oscilador local puede describirse como:

en donde ELO es una constante para un oscilador local. El campo eléctrico de la luz que llega al fotodetector 29 en la bifurcación superior de la Figura 1B (o el fotodetector 24 en la Figura 1A) es la suma de los dos campos eléctricos:

1. Un sistema de detección óptica coherente que recibe una señal óptica entrante en una red de comunicación óptica, comprendiendo dicho sistema:

un oscilador local (56) que emite una luz;

un mezclador óptico híbrido (54) para combinar la señal óptica entrante y la luz del oscilador local en al menos una salida;

un fotodetector (62, 64) que comunica con el mezclador óptico híbrido (54) , en donde dicho fotodetector (62, 64) recibe una señal óptica procedente de la salida y la convierte en una señal eléctrica;

un convertidor analógico/digital, A/D (58, 60) para recibir la señal eléctrica procedente de dicho fotodetector (62, 64) , 15 en donde dicho convertidor A/D (58, 60) digitaliza la señal eléctrica y

un procesador de señal digital (36) para realizar cálculos sobre valores digitales procedentes del convertidor A/D (58, 60) , proporcionando el procesador de señal digital (36) una representación compleja de la envolvente del campo eléctrico de la señal óptica entrante o un componente de la representación compleja de la envolvente del campo eléctrico de la señal óptica entrante,

en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para realizar cálculos sobre valores digitales procedentes del convertidor A/D (58, 60) para proporcionar una salida que es el resultado de una operación de procesamiento de señal en una pluralidad de muestras, a través del tiempo, de la envolvente compleja del campo eléctrico de la señal óptica entrante.

2. El sistema de detección óptica coherente según la reivindicación 1, en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para, al menos en parte, invertir el efecto de propagación de la señal óptica entrante a través de un sistema de transmisión de fibra óptica.

3. El sistema de detección óptica coherente según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para compensar la dispersión cromática sufrida por la señal óptica entrante.

4. El sistema de detección óptica coherente según la reivindicación 3, en donde el procesador de señal digital (36)

está dispuesto para compensar la dispersión cromática sufrida por la señal óptica aplicando a la envolvente compleja de la señal óptica entrante una convolución con una función matemática especificada, estando la función matemática próxima a la respuesta de impulsos de la función de transferencia correspondiente a una dispersión cromática igual, en magnitud y opuesta a, la dispersión cromática del sistema de transmisión de fibra óptica.

5. El sistema de detección óptica coherente según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para, al menos en parte, invertir el efecto de la automodulación de fase impuesta sobre la señal óptica entrante.

6. El sistema de detección óptica coherente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el

procesador de señal digital (36) está dispuesto para realizar una función de filtrado óptico sobre la envolvente compleja del campo eléctrico de la señal entrante.

7. El sistema de detección óptica coherente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para mejorar la calidad de una señal recuperada, estando el procesador de señal digital (36) dispuesto para aplicar un algoritmo que utiliza parámetros que se ajustan para proporcionar funciones de procesamiento de señal diferentes y los valores de dichos parámetros se elijen para mejorar la calidad de la señal recuperada.

8. El sistema de detección óptica coherente según la reivindicación 7, en donde el procesador de señal digital (36)

está dispuesto para realizar una función de ecualización de precompensación-ecualización de decisión recursiva para mejorar la calidad de la señal recuperada.

9. El sistema de detección óptica coherente según la reivindicación 7, en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para realizar una función de estimación de secuencia de probabilidad máxima para mejorar la calidad de la señal recuperada.

10. El sistema de detección óptica coherente según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde el procesador de señal digital (36) está dispuesto para proporcionar una salida que es el resultado de una operación de procesamiento de señal en una pluralidad de muestras, en el transcurso del tiempo, del vector de Jones de la señal

óptica entrante.

11. El sistema de detección óptica coherente según la reivindicación 10, en donde el procesador de señal digital

(36) está dispuesto para, al menos parcialmente, invertir el efecto de la dispersión del modo de polarización impuesto sobre la señal óptica entrante.

12. Un método de recepción de una señal óptica entrante en un sistema de detección óptica coherente, comprendiendo dicho método las etapas de:

emitir luz desde un oscilador local (56) ;

combinar, por un mezclador óptico híbrido (54) , la señal óptica entrante y la luz del oscilador local en al menos una salida;

recibir una señal óptica procedente de la salida por un fotodetector (62, 64) en comunicación con el mezclador óptico híbrido (54) y 15 convertir la señal óptica en una señal eléctrica por el fotodetector (62, 64) ;

digitalizar la señal eléctrica por un convertidor A/D (58, 60) y realizar cálculos, por un procesador de señal digital (36) , sobre valores digitales procedentes del convertidor A/D (58, 60) , proporcionando el procesador de señal digital 20 (36) una representación compleja de la envolvente del campo eléctrico de la señal óptica entrante;

en donde la etapa de realizar cálculos por un procesador de señal digital (36) proporciona una salida que es el resultado de una operación de procesamiento de señal en una pluralidad de muestras, en el transcurso del tiempo, de la envolvente compleja del campo eléctrico de la señal óptica entrante.

13. El método según la reivindicación 12, en donde la etapa de realizar cálculos por el procesador de señal digital

(36) comprende invertir, al menos parcialmente, el efecto de propagación de la señal a través de un sistema de transmisión de fibra óptica.

14. El método según la reivindicación 12 o la reivindicación 13, en donde la etapa de realizar cálculos por el procesador de señal digital (36) comprende realizar una función de filtrado óptico sobre la envolvente compleja del campo eléctrico.

15. Un receptor óptico que comprende el sistema de detección óptica coherente de cualquiera de las 35 reivindicaciones 1 a 11.

16. Un sistema de comunicación óptica que comprende el receptor óptico de la reivindicación 15.

Señal entrante

Oscilador local Combinador fotodetector (Técnica anterior) Demodulador (en caso dedetección heterodina) Circuito de decisión

Señal entrante Amplificador diferencial

Oscilador local Combinador fotodetector Demodulador (en caso dedetección heterodina) Circuito de decisión

(Técnica anterior)

Componentes analógicos Conexión datos (normalmente en paralelo)

Convertidor Procesador Convertidor A/D central D/A

90º híbrido Señal entrante Oscilador Fotodetector Convertidor Circuito delocal A/D decisión

Desplazamiento fase extra

Híbrido 4 ramas Señal

ConvertidorA/D

Fotodetector ConvertidorA/D

Divisor 1:2 Amplif. Ganancia Señal

estándar variable entrante

OsciladorDivisorFotodetector Demodulador local polarización

90º híbrido

Divisor 1:2 estándar

Señal

Fotodetector ConvertidorA/D

90º híbrido Divisor 1:2 estándar Señal

Divisor de polarización Fotodetector

ConvertidorA/D