ES2258924B1

ES2258924B1 - Receptor para comunicaciones opticas con ecualizador no lineal.

Info

Publication number: ES2258924B1
Application number: ES200500415A
Authority: ES
Inventors: Josep Joan Prat Goma
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2007-11-16
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: ES2258924A1; US20080159757A1; JP2008530930A; CN101142771A; ES2340015B1; WO2006087407A3; ES2340015A1; WO2006087407A2

Abstract

Receptor para comunicaciones ópticas con ecualizador no lineal. Comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica (2) por la que circula una señal portadora de información (S1), un bloque (3) detector óptico, un bloque (4) ecualizador no lineal y un bloque (5) ecualizador lineal. Se caracteriza por el hecho de que comprende un bloque ecualizador no lineal eléctrico (4), conectado entre la salida del bloque detector óptico (3) y la entrada del bloque ecualizador lineal (5), que compensa la característica no lineal cuadrática del detector óptico (3). Se consigue de este modo que el conjunto de los dos bloques (3 y 4) presenten una característica conjunta lineal entre la envolvente de campo eléctrico de la señal óptica portadora de información (S1) en la fibra óptica (2) y la señal eléctrica (S3), y que, de este modo, el bloque ecualizador lineal (5) pueda compensar, de forma más efectiva, las distorsiones lineales que sufre la señal óptica en la transmisión por la fibra óptica. Se consigue un receptor óptico (1) con compensación no lineal del proceso de foto-detección y con compensación lineal de las distorsiones lineales de la transmisión por la fibra.

Description

Receptor para comunicaciones ópticas con ecualizador no lineal.

La presente invención se refiere a un receptor para comunicaciones ópticas que comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica a través de la cual circula una señal portadora de información, un bloque de detección óptica, un bloque eléctrico ecualizador no lineal, y un bloque ecualizador lineal.

Antecedentes de la invención

Debido a los progresos conseguidos en los campos referentes a los rayos láser y a la fibra óptica, es posible la realización de sistemas de comunicaciones mediante fibras ópticas como canal de transmisión, que dependen fundamentalmente de las características de la luz.

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

Son conocidos en el campo de los receptores ópticos los receptores ópticos de detección directa, que son los habituales, y los receptores ópticos de detección homodina o heterodina.

La arquitectura de los receptores ópticos de detección directa se basa principalmente en un fotodetector y unos circuitos de amplificación y de procesado de la señal. Así pues, el receptor convierte una señal óptica en una señal eléctrica cuya corriente y tensión son proporcionales a la potencia óptica incidente, que es posteriormente procesada.

La transmisión o propagación de la señal óptica a lo largo del canal de fibra óptica, entre el transmisor óptico y el receptor, puede presentar problemas de distorsiones lineales y no lineales, así como ruidos e interferencias. Entre las distorsiones lineales está la dispersión cromática, que degrada la señal detectada debido a que unas longitudes de onda viajan más rápidamente que otras, ensanchando los pulsos digitales y, por tanto, corrompiendo la comunicación cuando la longitud del enlace de fibra y la anchura de banda superan los límites de calidad de detección requeridos, tal como se describe por ejemplo en "Fiber Optic Communication Systems" de Govind P. Agrawal, de la Editorial John Wiley Et Sons.

Se han desarrollado diversos métodos de compensación y minimización de los efectos negativos de dichas distorsiones lineales, tanto mediante compensadores o ecualizadores ópticos, como, últimamente, compensadores o ecualizadores eléctricos u electrónicos en el sistema receptor óptico. Los eléctricos presentan normalmente, hasta el momento, menor poder de compensación pero tienen las ventajas de poder ser adaptativos, es decir, pueden reconfigurarse para adaptarse a distintos enlaces automáticamente o semi-automáticamente, y de poder ser menos costosos, gracias a las tecnologías de procesamiento digital de la señal, que ya puede operar a las altas velocidades de transmisión de las comunicaciones ópticas. Estos métodos se explican de forma actualizada en el amplio artículo "OFC 2004 workshop on optical and electronic mitigation of impairments", de Nielsen, T.; y Chandrasekhar, S.; en el Journal of Lightwave Technology, volumen 23, número 1, Enero 2005, páginas 131 a 142. Alguno de éstos métodos de ecualización ha sido patentado, como el "Optical transmission method and optical transmission device", referencia WO2004068747. En esta invención se compensan las distorsiones lineales del enlace óptico mediante un transformador óptico de Fourier.

El poder de compensación de las distorsiones lineales de los ecualizadores eléctricos está limitado normalmente por la característica no lineal del foto-detector del receptor óptico, anteriormente comentada, y como se explica en "Electronic equalization for advanced Modulation formats in dispersión-limited systems" de Curri, V.; Gaudino, R.; Napoli, A.; y Poggiolini, P.; publicado en el IEEE Photonics Technology Letters, volumen 16, número 11, Noviembre 2004, páginas 2556 a 2558.

Descripción de la invención

El objeto de la presente invención es solucionar al menos en parte la limitación citada anteriormente, haciendo que el ecualizador eléctrico pueda compensar de forma mucho más eficiente los efectos negativos de la distorsión lineal en la transmisión óptica por la fibra.

El receptor para comunicaciones ópticas objeto de la presente invención se caracteriza por el hecho de que comprende un bloque ecualizador eléctrico no lineal entre el detector óptico y el ecualizador lineal que compensa la característica no lineal entre la envolvente del campo electro-magnético de S1 y la corriente eléctrica de S2 producida por el foto-detector (3). Dicha característica es cuadrática (envolvente del campo al cuadrado), ya que es a la vez lineal con la potencia óptica, la cual es proporcional a la envolvente del campo elevado al cuadrado (debido al fenómeno cuántico de conversión fotón por electrón que se produce en el fotodetector óptico).

En esta invención se propone la inclusión del bloque ecualizador electrónico no lineal con una característica inversa a la del fotodetector, por tanto que responda como una función raíz cuadrada. Matemáticamente podemos definir el bloque como el que hace que la relación entre sus señales de entrada y de salida: S3 = k S2^{(1/2)}, siendo k una constante. Siendo ésta la relación teóricamente ideal, la implementación práctica del bloque con un circuito eléctrico o electrónico no es normalmente ideal o exacta, sino intenta aproximar esta función con suficiente precisión. Es un bloque sin memoria, que no realiza funciones de filtro.

La inclusión de este bloque ecualizador no lineal en el receptor óptico a la salida del bloque fotodetector es la característica que permite aprovechar plenamente las ventajas del sistema de ecualización electrónica de las distorsiones lineales de la transmisión, la cual se realiza en el bloque ecualizador lineal (5) y que utiliza los algoritmos de procesado de la señal, tanto analógico como digital. Entre ellos están los filtros transversales lineales, la ecualización "feed-forward", la ecualización "decisión- feedback", los "máximum likelihood sequence estimators" o combinaciones entre ellos. Se componen comúnmente de varias etapas similares con retardos y con multiplicadores por coeficientes o pesos configurables.

Estos algoritmos permiten teóricamente compensar cualquier distorsión lineal y, por tanto, eliminar sus efectos negativos. La característica no lineal característica del fotodetector convierte una distorsión lineal en no lineal. La presente invención soluciona esto último.

La investigación realizada del sistema receptor óptico objeto de la presente invención corrobora esta ventaja. Con la misma se obtiene un aumento de la longitud máxima permitida del enlace de fibra óptica en un factor superior a dos (fácilmente se duplica e incluso triplica), respecto a la no utilización del ecualizador no lineal (4), para una misma calidad final de la comunicación de información desde la entrada del transmisor óptico y la salida del receptor óptico.

El bloque ecualizador eléctrico lineal (5) puede ventajosamente estar formado por un primer filtro analógico paso-bajo y por un segundo filtro ecualizador adaptativo o reconfigurable.

Ventajosamente, el sistema receptor óptico comprende también un bloque de decisión o regenerador, el cual es necesario para extraer la información contenida en la señal (S4) obtenida en la salida del bloque ecualizador lineal (5), y convertirla a un formato digital de datos, habitualmente binario.

Ventajosamente, el receptor óptico puede utilizar también elementos amplificadores entre los bloques individuales indicados, y a su entrada y salida, para aumentar el nivel de señal, que ha sido atenuado durante la propagación por la fibra óptica. También puede utilizar conectores, cables y demás elementos de interconexión o adaptación de las señales ópticas o eléctricas.

Alternativamente, el canal de comunicación puede ser, en lugar de la fibra óptica, el propio aire o el vacío, de las llamadas "Free Space Optics".

Breve descripción de los dibujos

Para mayor comprensión de cuanto se ha expuesto se acompaña un dibujo, en el cual:

la figura 1 es un diagrama de bloques del receptor para comunicaciones ópticas de acuerdo con una realización de la invención;

Descripción de realizaciones preferidas

Como se puede ver en la figura 1, el receptor para comunicaciones ópticas 1 comprende principalmente un primer elemento de entrada de una fibra óptica 2 por la que circula una señal portadora de información S1, un bloque 3 detector óptico, un bloque 4 ecualizador no lineal y un bloque 5 ecualizador lineal.

Así, la señal óptica portadora de información S1 que circula por la fibra óptica 2 proveniente del transmisor óptico remoto (no mostrado), es introducida en el bloque detector óptico o fotodetector 3, que a su vez genera una señal eléctrica S2 que se introduce en el bloque ecualizador no lineal 4. Este último genera, a partir de S2, la señal S3, la cual es posteriormente ecualizada y filtrada linealmente por el bloque ecualizador lineal 5, que genera la señal de salida S4.

El objeto principal de esta invención es la inclusión del bloque ecualizador no lineal 4, que produce una señal a su salida 53 proporcional a la raíz cuadrada de su señal de entrada 52. La realización de este bloque puede ser diversa, siendo lo fundamental la relación entrada-salida no lineal descrita que debe aproximar.

Una realización preferida se basa en un circuito electrónico que utilice un dispositivo semiconductor no lineal (o varios). No es necesario que la función no lineal se implemente totalmente, sino que es suficiente que se aproxime en el margen de variación de la señal de entrada S2.

El dispositivo semiconductor no lineal puede tratarse, preferiblemente, de un transistor de efecto campo (tipo FET, JFET, MOSFET, MESFET o HEMT) que presentan una relación de tipo cuadrático entre la tensión de entrada (entre puerta y surtidor, habitualmente) y la corriente de salida (en drenador y surtidor, habitualmente). Sin embargo, si se invierte su funcionamiento, o sea, el transistor se realimenta y se excita en corriente, con una fuente de corriente controlada por S2, y se mide la tensión producida 53, se puede obtener la función no lineal raíz cuadrada deseada.

Otra posible implementación preferida se basa en un diodo semiconductor. Si se excita en corriente, con una fuente de corriente, y se mide la tensión en bornes, se obtiene una relación entrada-salida de tipo logarítmico, que puede aproximarse a la función raíz cuadrada en un margen útil, eligiendo apropiadamente las resistencias de adaptación y la corriente de polarización.

Otras posibles implementaciones puede realizar una aproximación de la función por tramos o combinando diversas funciones lineales y no lineales para aproximar la función ideal. También pueden utilizarse para ello otros dispositivos semiconductores como el transistor bipolar (BJT) u otros.

Claims

1. Receptor (1) para comunicaciones ópticas que comprende un primer elemento de entrada de una fibra óptica (2) a través de la cual circula una señal portadora de información (S1), un bloque receptor óptico (1), caracterizado por el hecho de que comprende un bloque ecualizador no lineal (4), conectado entre la salida del bloque detector óptico (3) y la entrada del bloque ecualizador lineal (5), que compensa la característica no lineal cuadrática del detector óptico (3), consiguiéndose de este modo que el conjunto de los dos bloques (3 y 4) presenten una característica lineal entre la envolvente de campo eléctrico de la señal óptica portadora de información (S1) en la fibra óptica (2) y la señal eléctrica (53), y que, de este modo, el bloque ecualizador lineal (5) puede compensar, de forma más efectiva, las distorsiones lineales que sufre la señal óptica en la transmisión por la fibra óptica.

2. Receptor (1) según reivindicación 1, caracterizado por el hecho que comprende, al menos, un amplificador al lado del receptor, o entre sus bloques constitutivos (3, 4, 5), para aumentar el nivel de la señal, que se ha atenuado en la transmisión por la fibra óptica.

3. Receptor (1) según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por el hecho de que los amplificadores pueden ser tanto eléctricos como ópticos.

4. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por el hecho de que el bloque ecualizador no lineal (4) presenta una relación entrada-salida de tipo raíz cuadrada, o la aproxima.

5. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 ó 4, caracterizado por el hecho de que el bloque ecualizador no lineal (4) se basa en un circuito electrónico o eléctrico que utiliza un dispositivo semiconductor no lineal.

6. Receptor (1) según la reivindicación 5 caracterizado por el hecho de que el dispositivo semiconductor es del tipo transistor de efecto campo (FET, JFET, MOSFET, MESFET o HEMT).

7. Receptor (1) según la reivindicación 5 caracterizado por el hecho de que el dispositivo semiconductor es un diodo.

8. Receptor (1) según la reivindicación 5 caracterizado por el hecho de que el ecualizador no lineal se implementa a partir de la aproximación de la función por tramos o combinando diversas funciones lineales y no lineales para aproximar la función ideal, realizadas con dispositivos lineales y no lineales.

9. Receptor (1) según la reivindicación 8 caracterizado por el hecho de que utiliza para ello dispositivos semiconductores como el transistor bipolar (BJT) u otros.

10. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en los que se utiliza 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.

11. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el canal de comunicación puede ser el propio aire o el vacío.

12. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la señal óptica recibida S1 contiene una porción o vestigio de luz sin modular, para facilitar la realización práctica del receptor (1).