WO2006087407A2 - Receptor para comunicaciones ópticas con ecualizador no lineal - Google Patents

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WO2006087407A2
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Josep PRAT GOMÀ
Pierluiggi Poggiolini
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Universitat Politècnica De Catalunya
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/60—Receivers
    • H04B10/66—Non-coherent receivers, e.g. using direct detection
    • H04B10/69—Electrical arrangements in the receiver
    • H04B10/697—Arrangements for reducing noise and distortion
    • H04B10/6971—Arrangements for reducing noise and distortion using equalisation

Definitions

  • the present invention relates to a receiver for optical communications comprising a first input element of an optical fiber through which an information carrier signal, an optical detection block, a non-linear equalizer electrical block, and a block circulates final processor
  • a fiber optic communications system in its most basic structure, is formed by an emission block, called an optical transmitter or transmitter, which has the function of transforming information in the form of an electrical signal into information in the form of light; a transmission channel of said light, which is the optical fiber; and a reception block, which has the function of transforming the received optical information into information in the form of an electrical signal, which is called an optical receiver.
  • the emitter contains the light source, which can be, for example, a laser diode or a light emitting diode (LED), while the optical receiver contains an optical detector, which can be, for example, a photodiode (PIN or APD) or a phototransistor.
  • Said optical transmitter and receiver comprise connectors that allow them to be coupled to the optical fiber.
  • Optical direct detection receptors which are the usual ones, and homodin or heterodyne detection optical receptors are known in the field of optical receptors.
  • the architecture of the direct detection optical receivers is mainly based on a photodetector and amplification and signal processing circuits.
  • the receiver converts an optical signal into an electrical signal whose current and voltage are proportional to the incident optical power, which is subsequently processed.
  • the transmission or propagation of the optical signal along the fiber optic channel, between the optical transmitter and the receiver can present problems of linear and non-linear distortions, as well as noise and interference.
  • the linear distortions is the chromatic dispersion, which degrades the detected signal because some wavelengths travel faster than others, widening the digital pulses and, therefore, corrupting the communication when the fiber link length and the width of band exceeds the required detection quality limits, as described for example in "Fiber Optic Communication Systems" by Govind P.
  • the compensation power of the linear distortions of the electric equalizers is normally limited by the non-linear characteristic of the photo-detector of the optical receiver, discussed above, and as explained in "Electronic equalization for advanced Modulation formats in dispersion-limited systems" of Curri, V .; Gaudino, R .; Napoli, A .; and Poggiolini, P .; published in the IEEE Photonics Technology Letters, volume 16, number 11, November 2004, pages 2556 to 2558.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the aforementioned limitation, by making the electric equalizer much more efficient to compensate for the negative effects of linear distortion in the optical transmission through the fiber.
  • the receiver for optical communications object of the present invention is characterized by the fact that it comprises a non-linear electrical equalizer block, between the optical detector and the final processor, which compensates for the non-linear characteristic between the envelope of the electro-magnetic field of S1 and the electric current of S2 produced by the photo detector (3).
  • This characteristic is quadratic (envelope of the squared field), since it is both linear with the optical power, which is proportional to the envelope of the field squared (due to the quantum phenomenon of photon to electron conversion that occurs in the optical photodetector).
  • this non-linear equalizer block in the optical receiver at the output of the photodetector block is the characteristic that allows to take full advantage of the electronic equalization system of the linear distortions of the transmission, which is performed in the final processor block ( 5) and that uses the signal processing algorithms, both analog and digital.
  • the linear transverse filters the "feed-forward” equalization, the “decision-feedback” equalization, the "maximum likelihood sequence estimators” or combinations between them. They are commonly composed of several similar stages with delays and with multipliers by configurable coefficients or weights.
  • the final electrical processor block (5) performs a processing, which can be very diverse, with the function of optimizing the quality of the signal at the receiver's output adapting to the characteristics of the transmission channel and compensating for its disturbances or inconveniences if possible . It incorporates, unlike block (4), filtering elements or electrical memory already Be it analog or digital. This block can be very diverse depending on the application and complexity, as referenced in the literature. Usually this block is linear, but there are also more sophisticated versions that are not linear and that demonstrate good behavior in the system. Said final processor block (5) does not constitute the essential novelty element of the invention, and can be any of the types of equalizers, filters or adaptive decision makers that exist in the literature.
  • FFE Feed-forward equalizer
  • DFE Decision-Feedback Equalizer
  • MSE Maximum Likelihood Sequence Estimation
  • FFE Feed-forward equalizer
  • DFE Decision-Feedback Equalizer
  • MSE Maximum Likelihood Sequence Estimation
  • They can be linear or non-linear, analog or digital processors, including “hardware” or “software” decoders, iterative or not, such as with “Reed-Salomon”, convolutional, turbo or low density parity control (LDPC) codes, with techniques for estimating sequences of maximum similarity, sequential or iterative with Viterbi or BCJR algorithms, and performing or not making decision functions, possibly with an adaptive threshold. It can also consist of combinations between them, and can include a fixed analog low-pass filter.
  • LDPC low density parity control
  • the optical receiver system also comprises a decision element or regenerator, which is necessary to extract the information contained in the signal (S4) obtained at the output of the processor block (5), and convert it to a digital data format, usually binary.
  • This element is usually included in block (5).
  • the optical receiver can also use amplifying elements between the indicated individual blocks, and at their input and output, to increase the signal level, which has been attenuated during propagation by the optical fiber.
  • You can also use connectors, cables and other interconnection or adaptation elements of the optical or electrical signals.
  • the communication channel may be, instead of the optical fiber, the air itself or the vacuum, of the so-called "Free Space Optics. "
  • Figure 1 is a block diagram of the receiver for optical communications according to an embodiment of the invention.
  • the receiver for optical communications 1 mainly comprises a first input element of an optical fiber 2 through which an information carrier signal S1, an optical detector block 3, a non-linear equalizer block 4 circulates and a block 5 final processor.
  • the main object of this invention is the inclusion of the non-linear equalizer block 4, which produces a signal at its output S3 proportional to the square root of its input signal S2.
  • a preferred embodiment is based on an electronic circuit that uses a non-linear (or several) semiconductor device. It is not necessary to the nonlinear function is fully implemented, but it is sufficient that it approximates in the range of variation of the input signal S2.
  • the non-linear semiconductor device may preferably be a field effect transistor (type FET, JFET, MOSFET, MESFET or HEMT) that has a quadratic type relationship between the input voltage (between door and dispenser, usually) and the output current (in drain and spout, usually). However, if its operation is reversed, that is, the transistor is fed back and excited in current, with a current source controlled by S2, and the voltage produced S3 is measured, the desired non-linear square root function can be obtained.
  • a field effect transistor type FET, JFET, MOSFET, MESFET or HEMT
  • Another possible preferred implementation is based on a semiconductor diode. If it is excited in current, with a current source, and the terminal voltage is measured, an input-output ratio of logarithmic type is obtained, which can approximate the square root function in a useful range, appropriately choosing the adaptation resistors and the polarization current.
  • BJT bipolar transistor

Abstract

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) procesador final. 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 procesador final (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 procesador final (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 procesador final.
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 dispersion-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 procesador final, 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 procesador final (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 "decision- 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 trata de solucionar 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. La inclusión de este bloque (4) en el receptor opto-eléctrico constituye la principal novedad de la presente invención.
El bloque procesador eléctrico final (5) realiza un procesado, que puede ser muy diverso, con la función de optimizar la calidad de la señal a la salida del receptor adaptándose a las características del canal de transmisión y compensando sus perturbaciones o inconvenientes en lo posible. Incorpora, al contrario que el bloque (4), elementos de filtrado o memoria eléctrica ya sea analógica o digital. Este bloque puede ser muy diverso dependiendo de la aplicación y la complejidad, tal como se referencia en la literatura. Habitualmente este bloque es de tipo lineal, pero también existen versiones más sofisticadas que no son lineales y que demuestran un buen comportamiento en el sistema. Dicho bloque procesador final (5) no constituye el elemento esencial de novedad de la invención, y puede ser cualquiera de los tipos de ecualizadores, filtros o decisores adaptativos que existen en la literatura. Los más comunes son del tipo analógico, del tipo "Feed-forward equalizer" (FFE), del tipo "Decision-Feedback Equalizer" (DFE) o del tipo "Máximum Likelihood Sequence Estimation" (MLSE). Pueden ser procesadores lineales o no lineales, analógicos o digitales, incluyendo decodificadores "hardware" o "software", iterativos o no, como con códigos "Reed-Salomon", convolucionales, turbo o de control de paridad de baja densidad (LDPC), con técnicas de estimación de secuencias de máxima similitud, secuencial o iterativas con algoritmos de Viterbi o BCJR, y realizando o no funciones de decisión, posiblemente con un umbral adaptativo. También puede constar de combinaciones entre ellos, y puede incluir un filtro analógico paso-bajo fijo.
Ventajosamente, el sistema receptor óptico comprende también un elemento de decisión o regenerador, el cual es necesario para extraer la información contenida en la señal (S4) obtenida en la salida del bloque procesador (5), y convertirla a un formato digital de datos, habitualmente binario. Este elemento está habitualmente incluido en el bloque (5).
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 procesador final.
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 procesador final 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 S3 proporcional a la raíz cuadrada de su señal de entrada S2.
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 S3, 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 pueden ser digitales, con una operación o una tabla de datos, o 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

REIVINDICACIONES
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 procesador final (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 (S3), y que, de este modo, el bloque procesador final (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, ya sean analógicos o digitales, como una operación o una tabla de datos.
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 ).
13. Receptor (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) es básicamente lineal.
14. Receptor (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) es del tipo "Máximum Likelihood Sequence Estimation" (MLSE) o, en general, de cualquiera de los tipos conocidos de dispositivos decisores adaptativos que operan con símbolos recibidos aislados o en secuencia.
15. Receptor (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) es del tipo "Decision- Feedback Equalizer" (DFE) o, en general, de cualquiera de los tipos conocidos de ecualizadores que se optimizan para obtener la mejor calidad de la señal a la salida del sistema.
16. Receptor (1 ) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el bloque procesador final (5) está realizado a partir de una combinación de varios de los tipos conocidos de ecualizadores, filtros, decisores adaptativos o procesadores lineales o no lineales, analógicos o digitales, incluyendo decodificadores "hardware" o "software", iterativos o no, como con códigos "Reed-Salomon", convolucionales, turbo o de control de paridad de baja densidad (LDPC), con técnicas de estimación de secuencias de máxima similitud, secuencial o iterativas con algoritmos de Viterbi o BCJR, y realizando o no funciones de decisión, posiblemente con un umbral adaptativo.
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