Mitigation of Nonlinear Effects using Machine Learning in Coherent Optical Access Networks

Introduction/Context: The use of coherent detection jointly with high-level modulation formats such as 16 and 64-QAM seems to be a convenient strategy to increment capacity of future optical access networks. However, coherent detection requires high complexity digital signal processing to mitigate different impairments. Objective: Mitigate signal distortions using nonsymmetrical demodulation techniques based on Machine Learning (ML) algorithms. Methodology: First, a single channel Nyquist m-QAM system at 28 and 32 Gbps was simulated in VPIDesignSuite software. Then, different signals modulated at 16 and 64-QAM were generated with different laser linewidth, transmission distances and launch powers. Two ML algorithms were implemented to carry out the demodulation of the generated signals. The performance of the algorithms was evaluated using the bit error rate (BER) in terms of different system parameters as laser linewidth, transmission distance, launch power and modulation format. Results: The use of ML allowed gains up to 2 dB in terms of optical signal-to-noise ratio at a BER value of  for 16-QAM and 1.5 dB for 64-QAM. Also, the use of ML showed that it is possible to use a lower cost laser (100 kHz linewidth vs 25 kHz) with a better BER performance than using conventional demodulation. Conclusions: We showed that the use of both algorithms could mitigate nonlinear effects and could reduce computational complexity for future optical access networks.Introducción/Contexto: Una de las estrategias más convenientes para el incremento de las capacidades en las redes ópticas de acceso, es el uso de la detección coherente junto con formatos de modulación de alto nivel tales como 16 y 64-QAM. Sin embargo, la detección coherente es una tecnología que requiere de un complejo procesamiento digital de señales para la mitigación de diferentes fenómenos. Objetivo: Minimizar efectos distorsivos de las señales ópticas usando demodulación no simétrica basada en algoritmos de Aprendizaje Automático.  Metodología: Se simuló un sistema Nyquist m-QAM a 28 y 32 Gbps en el software especializado VPIDesignSuite. Luego, se generaron diferentes señales moduladas a 16 y 64-QAM a diferentes anchos de línea de láser, longitudes de transmisión y potencias. Se implementaron dos algoritmos de aprendizaje automático para realizar demodulación de las señales generadas. Finalmente, el desempeño de la demodulación se midió en términos de la tasa de error de bit (BER, del inglés Bit Error Rate), en función de varios parámetros del sistema tales como longitud de fibra, potencia de salida, ancho espectral del láser y formato de modulación. Resultados: A un valor de BER de , el uso de los algoritmos permitió ganancias de hasta 2 dB en términos de relación señal a ruido óptica para 16-QAM y de 1.5 dB para 64-QAM. Además, la demodulación basada en estos algoritmos permitió una transmisión de hasta 50 km usando un láser con un ancho espectral de 100 kHz logrando un BER menor que usando un láser de 25 kHz sin implementar las técnicas de demodulación propuestas.   Conclusiones: Se demostró que las dos técnicas pueden ser aplicadas para minimizar efectos no lineales, y a su vez, permitiría una reducción de complejidad computacional en futuras redes de acceso ópticas

Caracterización de una fuente de luz no ionizante para la medición de concentración de Hg mediante espectrometría de absorción atómica

Las crecientes alertas de productos alimenticios contaminados con mercurio (Hg), y los riegos para la salud que implica su consumo cuando se sobrepasan concentraciones por encima del límite permitido (1mg/kg), han motivado al gobierno colombiano a firmar el convenio de Minamata sobre el mercurio (marzo 13-2018). Al firmar este convenio Colombia se obliga a suspender el uso Hg en cualquier proceso a nivel industrial, además de promover la investigación de técnicas de medición y cuantificación que estén libres de mercurio, ya sea modificando las actuales o creando nuevas. En este trabajo de grado se propone analizar métodos para obtener fuentes de luz con longitud de onda adecuada para realizar una medida absorción atómica de Hg, implementar uno de estos métodos, realizar la debida caracterización de la fuente de luz obtenida y analizar su desempeño en la medición de estándares de mercurio. Las fuentes de luz estudiadas deben cumplir con 2 condiciones: (1) estar fuera de la región ionizante del espectro electromagnético (se quiere evitar el uso de fuentes de luz que representen un peligro para la salud del usuario), (2) que no se utilice Hg en ninguna parte del proceso de generación de la luz. Los resultados obtenidos muestran que utilizar luz blanca junto con un dispositivo monocromador es la opción de menor costo que cumple con las 2 condiciones impuestas. El límite de detección al usar una fuente de banda estrecha alrededor de 436 nm o 546 nm es de 10 ppm cuando se utiliza Hg disuelto en ácido nítrico como muestra de análisis. Así mismo se utilizó una fuente en 408 nm, resultando ser la longitud de onda donde se tuvo mayor absorción para Hg en una solución acuosa, alcanzado absorciones del 30% en concentraciones de 10 ppm. Se usó un espectrofotómetro para la detección de los espectros. Se desarrolló un algoritmo para diferentes sensores ópticos basados en el microcontrolador Arduino, y se realizaron pruebas de absorción en 436nm y 546 nm (líneas espectrales de mayor interés). Los resultados mostraron que la resolución de estos no es suficiente para medir absorciones inferiores al 5%. Palabras claves: Espectrometría de absorción atómica (ASS), Monocromador, Generación Segundo armónico, Espectro de absorción, ley de Beer-Lambert