Técnicas para minimizar la degradación provocada por la polarización en las comunicaciones por fibra óptica

Abstract

En els últims anys la importància de la polarització en les comunicacions òptiques ha crescut notablement com resultat de tres grans desenvolupaments:<br/>1. L'aparició de l'amplificació òptica ha fet que es produeixi un gran increment en les longituds dels enllaços de fibra monomode, així com en el nombre de dispositius òptics que ha de travessar la llum sense regenerar-se. Com a resultat d'això, petits efectes com la diferència de retards entre els modes amb polaritzacions ortogonals, o petites diferències entre les pèrdues d'inserció per a aquests modes, poden acumular-se a causa de la gran distància a recórrer, esdevenint un paràmetre a considerar en el disseny dels sistemes.<br/>2. La possibilitat de la detecció coherent en la qual el receptor és sensible al batut de dos feixos de llum i no només a la potència del feix, ha dut també a haver de considerar el tractament de la polarització com un dels punts d'investigació importants.<br/>3. L'última raó per la qual la polarització s'ha convertit en un tema fonamental és l'impressionant increment que s'ha donat en les velocitats de transmissió, que de nou duu que petits efectes es tornin importants per l'extremadament petit temps de bit.<br/>L'estructura no perfectament cilíndrica de la fibra òptica durà a les diferents components transversals dels camps a veure índexs de refracció lleugerament diferents, amb el que es produirà acoblament d'energia d'un mode a l'ortogonal i diferències de retard entre els modes. Les imperfeccions de la fibra no són predictibles (les seves causes van des de la pròpia fabricació fins als esforços als que es vegi sotmesa després de la seva instal·lació) pel que es fa difícil una caracterització del problema. Es tractarà d'un fenomen estadístic pel que no es pot solucionar de forma determinista. Aquest treball s'emmarca dintre de l'àmbit de la recerca de solucions als efectes provocats per la polarització en els sistemes de comunicacions per fibra òptica. Els objectius marcats inicialment es van circumscriure a la detecció coherent. L'objectiu fonamental era l'estudi de les diverses tècniques per a solucionar els esvaïments per desadaptació de les polaritzacions en aquest tipus de receptors. No obstant això, en el treball que es presenta s'han inclòs també realitzacions encaminades als sistemes MI-DD, cap a les quals s'han bolcat els nostres esforços durant el període de durada del mateix. Encara que es tracta de filosofies totalment distintes, pràcticament totes les realitzacions pensades per als sistemes coherents podran aplicar-se també als sistemes MI-DD pel que no ha de pensar-se en aplicacions excloents.<br/>Les parts en que es divideix el treball són: <br/>· Estudi analític de la variació de la polarització de la llum en fibres òptiques. Dintre d'aquesta part s'oferixen resultats que es corresponen amb mesures realitzades sobre fibra i simulacions del comportament de la mateixa, i representen la justificació de tot el treball posterior.<br/>· Estudi de les diferents solucions al problema de la polarització en els receptors coherents. Es presenten aquí tots els dispositius dissenyats i construïts així com els diferents algorismes proposats per al control de la polarització. S'exposen tanmateix les mesures realitzades per a la caracterització d'aquests dispositius i la seva integració en un receptor coherent real.<br/>· Estudi dels efectes de la polarització en els sistemes MI-DD d'última generació i aplicació dels dispositius dissenyats en aquest tipus de sistemes. En aquesta part s'oferixen algunes prediccions sobre els valors que pot prendre la dispersió deguda a la polarització en enllaços reals. Així mateix es proposa un aleatorizador de la polarització amb aplicació en sistemes amb amplificació òptica.

El trabajo desarrollado en esta tesis doctoral se enmarca dentro del ámbito de la búsqueda de soluciones a los efectos provocados por la polarización en los sistemas de comunicaciones por fibra óptica tanto Coherentes como de Modulación de Intensidad y Detección Directa. El objetivo fundamental es el estudio de diversas técnicas para solucionar los problemas que los efectos de la polarización provocan en dichos sistemas como por ejemplo, los desvanecimientos por desadaptación de las polarizaciones en receptores de detección coherente o la dispersión debida a la polarización (PMD) en los sistemas MI-DD de última generación.<br/><br/>Las partes en que se divide el trabajo son:<br/><br/>- Estudio analítico de la variación de la polarización de la luz en fibras ópticas.<br/><br/>Dentro de esta parte se ofrecen resultados que se corresponden con medidas realizadas sobre fibra y simulaciones del comportamiento de la misma y representan la justificación de todo el trabajo posterior.<br/><br/>- Estudio de las diferentes soluciones al problema de la polarización en los receptores coherentes. Se presentan aquí todos los dispositivos diseñados y construidos así como los diferentes algoritmos propuestos para el control de la polarización. Se exponen asimismo las medidas realizadas para la caracterización de los mismos y su integración en un receptor coherente real.<br/><br/>- Estudio de los efectos de la polarización en los sistemas MI-DD de última generación y aplicación de los dispositivos diseñados a su solución. En esta parte se ofrecen algunas predicciones sobre los valores que puede tomar la dispersión debida a la polarización en enlaces reales. Asimismo se propone un aleatorizador de la polarización con aplicación en sistemas con amplificación óptica.

Polarization related topics have gained momentum during last years in the optical communications field, due to the advent of three main developments:<br/>1. Optical amplification has allowed a great increase in the singlemode fiber lengths, as well as in the number of optical devices that the light must cross without being regenerated. As a result, small effects like the difference of propagation delays between the orthogonal modes, or the small differences between the insertion losses for those modes, can be accumulated due to the great distance, becoming a parameter to consider in the systems design.<br/>2. The optical coherent detection, where the receiver is sensitive to the beat of two light beams and not only to the optical power level, has also lead to take into account the light polarization as an increasingly important topic of research, as a mismatch in beams polarizations implies no signal found after the coherent detection.<br/>3. Last reason for the high importance of polarization stems from the impressive increase in bit rates that optical communications have experienced. This implies that small effects which could be neglected at lower bit rates appear now as important due to the extremely low bit periods.<br/>Therefore, it is clear that in the present and future systems the problems related to the polarization are one of the stumbling blocks to save. The origin of the polarization effects in fibers resides in their non-ideal performance. The not perfectly cylindrical structure of the optical fiber will lead the orthogonal components of the fields to see slightly different refractive indices, and so coupling of energy between modes, as well as different delays will take place. The imperfections of the fiber are not predictable (their causes go from the own manufacture to the stress applied after its installation) reason why a characterization of the problem becomes difficult. It is a statistical phenomenon, so it is not possible to be solved in a deterministic form.<br/>This work focuses on the search of solutions to the effects brought about the polarization in optical fiber communications systems. The objectives were initially confined to coherent detection systems. The main target was the study of the diverse techniques to solve the fadings by polarizations mismatch in this type of receivers. Nevertheless, solutions focusing on IM-DD systems have also been included in this work. Even considering that the approaches are very different, the different solutions thought for coherent systems can find their place in IM-DD systems.<br/>This work is divided in three parts:<br/>· Analytical study of the variation of the light polarization in optical fibers. Within this part results are offered that correspond to measures and simulations realised on fibers characterizing their behaviour. These results give reason for the remaining work.<br/>· Study of the different solutions about the polarization problem in coherent receivers. All the devices designed and constructed, as well as the different algorithms proposed for the control of the polarization are presented in this part. The measures realised for their characterization and their integration in an actual coherent receiver are also shown.<br/>· Study of the polarization effects in advanced MI-DD systems, and application of the devices designed to overcome polarization related problems. In this part some predictions are offered on the values that can take the dispersion due to the polarization in real links. Also a polarization scrambler to be used in systems with optical amplification has been designed, constructed and tested.