ES2335992T3 - Dispositivo de regeneracion de una señal optica y procedimiento correspondiente. - Google Patents

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ES2335992T3 ES04292088T ES04292088T ES2335992T3 ES 2335992 T3 ES2335992 T3 ES 2335992T3 ES 04292088 T ES04292088 T ES 04292088T ES 04292088 T ES04292088 T ES 04292088T ES 2335992 T3 ES2335992 T3 ES 2335992T3
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Abstract

Dispositivo (32) de regeneración óptica de una señal portadora de una información cifrada por modulación de fase de esa señal, transmitiéndose esa señal a través de una red óptica (14) y comprendiendo una sucesión temporal de impulsos ópticos, que comprende: - un módulo (36) de desfase no lineal de los impulsos ópticos, comprendiendo este módulo de desfase un medio de propagación óptica no dispersivo y no lineal parametrado de manera a compensar el efecto de la transmisión de la señal en la red óptica (14), inducido sobre la diferencia de fase entre impulsos sucesivos; caracterizado porque comprende igualmente: - un módulo (34) de ensanchamiento temporal lineal de los impulsos situado en la cadena de funcionamiento antes del módulo de desfase (36), comprendiendo este módulo de ensanchamiento temporal un medio de propagación óptica dispersivo y lineal; y - un módulo (38) de compensación lineal del ensanchamiento temporal sufrido por los impulsos en el módulo de ensanchamiento temporal lineal (34), situado en la cadena de funcionamiento después del módulo de desfase, comprendiendo este módulo de compensación lineal un medio de propagación óptica dispersivo y lineal.

Description

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Dispositivo de regeneración de una señal óptica y procedimiento correspondiente.
La presente invención se refiere a un dispositivo de regeneración óptica de una señal portadora de una información cifrada por modulación de fase de esa señal. La invención se refiere igualmente a un correspondiente procedimiento de regeneración.
Más concretamente, la invención se refiere a un dispositivo de regeneración óptica de una señal portadora de una información cifrada por modulación de fase de esa señal, transmitiéndose esa señal a través de una red óptica y comprendiendo una sucesión temporal de impulsos ópticos.
Cuando se transmite una señal por una fibra óptica, sufre un cierto número de distorsiones, por ejemplo distorsiones de amplitud, frecuencia o fase. Con el fin de recuperar una señal lo más similar posible a la señal emitida, es entonces necesario colocar un dispositivo de regeneración de la señal a la salida de la fibra óptica.
Ya se conocen en el estado de la técnica dispositivos de regeneración óptica de la amplitud de las señales, como los absorbentes saturables por ejemplo.
Ahora bien, los dispositivos de transmisión óptica actuales, que permiten obtener caudales de 40 Gbits/s o más, se utilizan cada vez más para señales moduladas en fase, concretamente mediante modulaciones del tipo RZ-DPSK (Differential Phase Shift Keying). En este tipo de modulación, la información se cifra en la fase de las señales: por ejemplo, un bit "1" es cifrado por
\hbox{una
inversión de fase de la señal portadora y uno  0   por una
ausencia de cambio de fase.}
Los dispositivos de regeneración óptica actuales no permiten obtener una regeneración correcta de las señales portadoras de una información cifrada por modulación de fase puesto que sólo actúan sobre la amplitud de las señales. Por consiguiente, la distorsión de fase de las señales que deteriora la información que transportan no puede ser suprimida o al menos reducida.
La invención tiene por propósito proponer un dispositivo de regeneración de una señal, que permite la regeneración de las señales portadoras de una información cifrada por modulación de su fase.
La invención tiene pues por objeto un dispositivo de regeneración óptica tal como se describe anteriormente, caracterizado porque comprende un módulo de desfase no lineal de los impulsos ópticos, comprendiendo este módulo de desfase un medio de propagación óptica no dispersivo y no lineal parametrado de manera a compensar el efecto de la transmisión de la señal en la red óptica, inducido sobre la diferencia de fase entre impulsos sucesivos.
Cuando se transmiten varios impulsos sucesivos en un medio no lineal, se constata que interacciones no lineales entre impulsos sucesivos provocan distorsiones de fase de estos impulsos.
Con el fin de reducir el efecto de estas distorsiones de fase sufridas por la señal transmitida en la red óptica, un dispositivo según la invención utiliza un módulo de desfase no lineal que permite reconstruir interacciones entre impulsos sucesivos. Las interacciones entre impulsos sucesivos pasan a ser entonces tales que las distorsiones de fase que aquéllas inducen compensan las sufridas por los impulsos en su transmisión en la red óptica.
Un dispositivo según la invención permite pues regenerar las fases de los impulsos de una señal en la que la información que transporta se cifra por modulación de fase.
Según un modo de realización ventajoso, el dispositivo puede comprender un módulo de ensanchamiento lineal de los impulsos situado en la cadena de funcionamiento antes del módulo de desfase, comprendiendo este módulo de ensanchamiento un medio de propagación óptica dispersivo y lineal, y un módulo de compensación lineal del ensanchamiento sufrido por los impulsos en el módulo de ensanchamiento lineal, situado en la cadena de funcionamiento después del módulo de desfase, comprendiendo este módulo de compensación lineal un medio de propagación óptica dispersivo y lineal.
En efecto, las distorsiones debidas a las interacciones entre impulsos contiguos son tanto más sensibles a la no linealidad del medio cuanto más cercanos y/o ensanchados temporalmente están los impulsos.
El módulo de ensanchamiento lineal que aumenta la anchura temporal de los impulsos permite aumentar la sensibilidad y la eficacia del módulo de desfase.
El módulo de compensación lineal permite, después de haber regenerado la fase de la señal, encontrar las anchuras iniciales de los impulsos.
De manera opcional, el dispositivo de regeneración puede comprender un amplificador óptico situado en la cadena de funcionamiento antes del módulo de desfase.
Este amplificador permite que la señal alcance una potencia óptica suficiente para propagarse por el módulo de desfase.
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
Para que el módulo de ensanchamiento funcione de manera lineal, es preferible que la potencia óptica inyectada sea relativamente escasa. Se aconseja pues colocar el amplificador óptico entre el módulo de ensanchamiento y el módulo de desfase sufriendo los efectos no lineales.
Un dispositivo de regeneración óptica según la invención puede comprender además una o varias de las siguientes características:
-
el dispositivo comprende un atenuador óptico situado en la cadena de funcionamiento después del módulo de desfase;
-
el dispositivo comprende medios de regeneración en amplitud, como un absorbente saturable.
La invención tiene igualmente por objeto un procedimiento de regeneración óptica de una señal portadora de una información cifrada por modulación de fase esta señal, transmitiéndose esta señal a través de una red óptica y comprendiendo una sucesión temporal de impulsos ópticos, caracterizado porque comprende una etapa de desfase no lineal de los impulsos ópticos, en un módulo de desfase que comprende un medio de propagación óptica no dispersivo y no lineal parametrado de manera a compensar el efecto de la transmisión de la señal en la red óptica, inducido sobre la diferencia de fase entre impulsos sucesivos.
Un procedimiento de regeneración óptica según la invención puede comprender además una o varias de las siguientes características:
-
el procedimiento comprende una etapa de ensanchamiento lineal de los impulsos, realizada antes de la etapa de desfase por un módulo de ensanchamiento lineal de los impulsos que comprende un medio de propagación óptica dispersivo y lineal, y una etapa de compensación lineal del ensanchamiento sufrido por los impulsos en la etapa de ensanchamiento lineal, realizándose esta etapa después de la etapa de desfase por un módulo de compensación lineal de los impulsos que comprende un medio de propagación óptica dispersivo y lineal;
-
se amplifica la señal antes de que entre en el módulo de desfase;
-
se atenúa la señal después de la salida del módulo de desfase.
La invención se comprenderá mejor con la lectura de la descripción que viene a continuación, dada únicamente a título de ejemplo y hecha refiriéndose a los dibujos anexados en los cuales:
- la figura 1 representa esquemáticamente la estructura general de una instalación de transmisión óptica de impulsos que comprende un dispositivo de regeneración óptica según la invención; y
- la figura 2 ilustra una representación detallada del dispositivo de regeneración óptica de la figura 1.
Se ha representado en la figura 1 una instalación de transmisión óptica de una señal portadora de una información cifrada por modulación de fase de esta señal.
Esta instalación comprende un dispositivo de emisión 10, un dispositivo de recepción 12 y una red óptica 14 de transmisión de la señal. En el modo de realización representado, la red óptica está constituida por una fibra óptica 14 de tipo clásico.
La información a transmitir desde el dispositivo de emisión 10 hacia el dispositivo de recepción 12 se cifra en binario.
Se toma por ejemplo la secuencia "...00101110111...". Con el fin de permitir su transmisión por la fibra óptica 14, se modula la fase de una señal óptica para que sea portadora de la información a transmitir.
Para eso el dispositivo de emisión 10 comprende un generador 18 de impulsos ópticos. El dispositivo de emisión 10 comprende además un modulador de fase 16. Este modulador de fase 16 recibe a la entrada los impulsos ópticos proporcionados por el generador 18, así como una secuencia de valores de fase de estos impulsos determinada a partir de la secuencia "...00101110111...".
Los impulsos se espacian una duración T_{B} que se llama "tiempo bit" y presentan todos el mismo espectro frecuencial.
El modulador de fase 16 proporciona a la salida impulsos ópticos a la misma frecuencia que los impulsos de entrada, pero cuyas fases son portadoras de la información.
En el modo de realización elegido, se utiliza una modulación RZ-DPSK: un bit "1" es cifrado mediante una inversión de fase de la señal portadora y un "0" mediante una ausencia de cambio de fase. Así pues, la secuencia "...00101110111..." se cifrará mediante la siguiente sucesión de valores de fase: "...00\pi\pi0\pi00\pi0\pi...".
Para obtener automáticamente esta sucesión de valores de fase a partir de la secuencia inicial, se utiliza una puerta lógica "o exclusivo" 20, generalmente llamada puerta lógica XOR. Las dos variables de entrada de esta puerta lógica son los datos binarios a transmitir "...00101110111..." y los datos binarios obtenidos a la salida de esta puerta después de haber sufrido un retraso de un tiempo bit. A la inicialización, se considera que la salida vale 0. La secuencia de bites obtenida en salida de la puerta lógica 20 es entonces: "...00110100101...".
Esta secuencia de bites se envía a continuación por un componente 22 que multiplica por \pi la secuencia de bites que pasa a ser: "...00\pi\pi0\pi00\pi0\pi...". Se obtiene por lo tanto una secuencia de fases que valen 0 o \pi, proporcionándose esta secuencia a la entrada del modulador de fase 16.
Los impulsos modulados se transmiten a continuación por la fibra óptica 14 hasta el dispositivo de recepción 12.
Téngase en cuenta E_{gaussien}(t), la ecuación general de un impulso óptico proporcionado por el generador 18. Este impulso es por ejemplo un impulso de envolvente gaussiano.
Cada impulso transmitido es igual a este impulso gaussiano, a la fase próxima de notación \varphi(n) y al decalaje temporal próximo. El n^{ésimo} impulso, recibido en el instante nT_{B} por el dispositivo de recepción 12 se escribe pues:
1
El valor de la fase \varphi(n) del n^{ésimo} impulso es dado por el n^{ésimo} valor de la secuencia de las fases.
El dispositivo de recepción 12 incluye un detector óptico 24 que es sensible a la intensidad de las señales ópticas y no a su fase. Por lo tanto, se crea con ayuda de acopladores 3dB un dispositivo de cambio de modulación 26 que permite transformar la señal modulada en fase en una señal modulada en amplitud.
Este dispositivo de cambio de modulación 26 funciona de la siguiente forma: los impulsos pasan en primer lugar por un primer acoplador 28 con el fin de obtener dos secuencias de impulsos idénticas. Una de las dos secuencias se retrasa temporalmente a continuación un tiempo bit T_{B}. Luego, las dos secuencias se añaden en un segundo acoplador 30 que realiza la suma entre dos impulsos sucesivos:
2
Lo que da, desarrollando esta ecuación:
3
En el caso en el que \varphi(n)=\varphi(n-1), es decir, cuando los dos impulsos sucesivos tienen la misma fase, la señal final E_{final} vale 2E_{gaussien}(t-nT_{B})e^{i\varphi (n)}. No es nulo, por lo tanto la potencia captada por el detector óptico 24 no es nula. Eso corresponde al caso en el que el n^{ésimo} impulso lleva la información binaria "0".
En el caso donde \varphi(n)=\varphi(n-1)+\pi, es decir, cuando las dos señales sucesivas están en oposición de fase, la señal final E_{final} es nula, por lo tanto la potencia captada por el detector óptico 24 es nula. Eso corresponde al caso en el que el n^{ésimo} impulso lleva la información binaria "1".
Este dispositivo de cambio de modulación permite efectivamente pues transformar la señal modulada en fase en una señal modulada en amplitud.
El detector óptico 24 interpreta la señal final modulada en amplitud y permite encontrar la secuencia de bites de origen.
Las fibras ópticas no son sin embargo perfectas. En la transmisión, un ruido de fase perturba la señal óptica. Debido a este ruido de fase, los valores de las diferencias de las fases de los impulsos no valen ya exactamente 0 o \pi, sino valores con ruido cercanos de 0 o \pi.
Por consiguiente, ninguna de las dos ecuaciones \varphi(n)=\varphi(n-1) y \varphi(n)=\varphi(n-1)+\pi se verifica después del paso de la señal por el segundo convertidor 30, y la divergencia entre el valor mínimo y el valor máximo de la señal E_{final} es mayor que en el caso de una transmisión ideal.
\newpage
\global\parskip0.960000\baselineskip
Es pues más delicado para el detector óptico 24 distinguir los bites "0" de los bites "1", y su tasa de errores de detección aumenta.
Para disminuir la tasa de errores en el desciframiento, se coloca al final de la fibra óptica 14, antes del dispositivo de recepción 12, un dispositivo 32 de regeneración de la fase de los impulsos. Este dispositivo de regeneración de la fase de los impulsos permite obtener impulsos cuyos desfases son de nuevo aproximadamente de 0 o \pi. Se detallará con referencia a la figura 2.
Un modelo conocido permite obtener la ecuación de evolución de un impulso gaussiano en el transcurso de su transmisión por una fibra óptica, en función de ciertos parámetros:
4
Los parámetros de esta ecuación tienen el siguiente significado:
-
X_{1} representa la amplitud del impulso;
-
X_{2} representa el decalaje temporal del impulso;
-
X_{3} caracteriza su anchura;
-
X_{4} representa una variación de frecuencia de segundo orden generalmente llamada "chirp" del impulso;
-
X_{5} representa el decalaje frecuencial; y
-
X_{6} representa el desfase del impulso.
En el caso de una señal que comprende una sucesión de impulsos, se muestra que la fase X_{6} de un impulso cualquiera sigue más precisamente la siguiente ecuación diferencial:
5
en la que Re[] es la función parte real, \gamma es un coeficiente característico de la no linealidad de la fibra óptica en la cual se propaga la señal, y K_{d2} y K_{g2} son factores característicos de las interacciones entre impulsos contiguos.
El factor K_{d2} caracteriza las interacciones entre el impulso en cuestión y el impulso que lo precede, mientras que el factor K_{g2} caracteriza las interacciones entre el impulso en cuestión y el impulso que lo sigue. En el primer orden, estos dos factores están dados por las ecuaciones proporcionadas en anexo.
En estas ecuaciones, las variables tienen dos índices: el primer índice que varía entre 1 y 6 retoma la notación adoptada anteriormente en la ecuación de evolución de los impulsos gaussianos. El segundo índice vale 1 cuando la variable es relativa al impulso en cuestión, y 2 cuando la variable es relativa al impulso contiguo.
\delta(\varphi) representa la diferencia de fase entre el impulso en cuestión y el impulso contiguo.
En estas dos ecuaciones, se ve aparecer los términos X_{32} y X_{31} característicos de la anchura de los impulsos. Cuando X_{31} y/o X_{32} aumentan, es decir, durante el ensanchamiento de los impulsos, los términos K_{d2} y K_{g2} aumentan, favoreciendo así las interacciones no lineales entre impulsos.
La ecuación diferencial que da las distorsiones sufridas por la fase comprende la adición de tres términos. El primero corresponde a los efectos lineales de la fibra óptica, el segundo a algunos efectos no lineales (automodulación de fase) y el tercero a las interacciones no lineales entre impulsos contiguos.
El tercer término revela que la fase de un impulso es modificada por una interacción no lineal con los impulsos contiguos.
El dispositivo de regeneración según la invención utiliza esta propiedad para actuar sobre las fases de los impulsos. Con el fin de aumentar la sensibilidad de las variaciones de fases a las interacciones no lineales, actúa principalmente sobre los parámetros vinculados al tercer término. Estos parámetros son concretamente el parámetro \gamma, el parámetro X_{1} y el parámetro X_{3}.
\newpage
\global\parskip1.000000\baselineskip
El dispositivo de regeneración de fase 32 está representado en la figura 2 de manera detallada.
Comprende un módulo 34 de ensanchamiento lineal de impulsos que recibe a la entrada los impulsos transmitidos por la fibra óptica 14. Este módulo de ensanchamiento 34 comprende un medio de propagación óptica dispersivo y lineal. De manera práctica, puede estar constituido por una fibra óptica clásica, en la cual los impulsos se ensanchan (parámetro X_{3}).
Por ejemplo, para un caudal de 160 Gbit/s o de 40 Gbit/s, se utiliza ventajosamente una fibra óptica de dispersión total igual a -2,72 ps/nm, lo que representa por ejemplo 30,2 metros de fibra óptica de tipo DCF de dispersión por unidad de longitud igual a -90 ps/nm/km.
El dispositivo de regeneración de fase 32 comprende por otro lado un módulo 36 de desfase no lineal de los impulsos ensanchados por el módulo de ensanchamiento lineal 34. Este módulo de desfase 36 recibe pues a la entrada los impulsos proporcionados por el módulo 34 de ensanchamiento lineal. Comprende un medio de propagación óptica no dispersivo y no lineal destinado a compensar el efecto de la transmisión de la señal en la red óptica, inducido sobre la diferencia de fase entre impulsos sucesivos.
De manera práctica, este módulo de desfase 36 está constituido por una fibra óptica que presenta una fuerte no linealidad.
De manera ventajosa, para caudales de 40 Gbit/s o 160 Gbit/s, se utiliza una fibra de longitud igual a 2 km, de dispersión nula a la longitud de onda en cuestión, de índice no lineal 2,6 x 10^{-20} m^{2}.W^{-1} y de diámetro de núcleo igual a 10 \mum^{2} con el fin de aumentar los efectos no lineales.
El dispositivo de regeneración de fase 32 comprende por otro lado un módulo 38 de compensación lineal del ensanchamiento sufrido por los impulsos en el módulo de ensanchamiento lineal 34. Este módulo de compensación lineal 38 comprende un medio de propagación óptica dispersivo y lineal. De manera práctica, está constituido por una fibra óptica clásica que presenta una dispersión total opuesta a la del módulo 34 de ensanchamiento lineal, es decir, 2,72 ps/nm. De manera ventajosa, para caudales de 40 Gbit/s o 160 Gbit/s, se utilizan 160 m de fibra óptica de tipo SMF de dispersión por unidad de longitud igual a 17 ps/nm/km.
Tal fibra óptica permite recobrar las anchuras iniciales de los impulsos proporcionados por la fibra óptica 14.
Para aumentar los efectos de no linealidad del módulo de desfase 36, se puede disponer, entre el módulo 34 de ensanchamiento lineal y el módulo 36 de desfase, un amplificador óptico 40 que permite que los impulsos alcancen una potencia suficiente.
En ese caso, se puede entonces también disponer, entre el módulo de desfase 36 y el módulo de compensación 38, un atenuador 42 que permite disminuir la potencia de los impulsos, de modo que éstos no sufran distorsión no lineal en su propagación en el módulo de compensación 38.
De manera ventajosa, se utilizan un amplificador óptico de potencia de salida igual a 13,5 dBm a 160 Gbit/s, y un amplificador óptico de potencia de salida igual a 16,5 dBm a 40 Gbit/s. Del mismo modo, se utiliza preferiblemente un atenuador de 15 dB a 40 Gbit/s o a 160 Gbit/s.
La presencia del dispositivo de regeneración 32 permite mejorar la tasa de error a la salida del dispositivo de recepción 12.
Así pues, una simulación informática de la instalación descrita anteriormente con los parámetros indicados, muestra que esta instalación permite mejorar el factor de calidad Q^{2} que mide la tasa de errores a la salida de la instalación:
-
entorno a 2,5 dB a 160 Gbit/s, cuando se sitúa en las proximidades de Q^{2} = 16 dB; y
-
entorno a 3,05 dB a 40 Gbit/s, en las proximidades de Q^{2} = 16 dB.
Todo indica claramente que un dispositivo de regeneración óptica según la invención permite compensar los desfases sufridos por impulsos que se propagan en una fibra óptica. Al jugar sobre los parámetros de anchura de los impulsos (X_{3}), gracias a un módulo de ensanchamiento lineal por una parte, sobre la amplitud de los impulsos (X_{1}), gracias a la presencia de un amplificador 40, y sobre \gamma, gracias a la presencia del módulo de desfase 36, se puede regular el dispositivo de regeneración óptica 32 para que estos efectos de no linealidad se reduzcan, o incluso compensen el efecto de la transmisión de la señal en la red óptica 14.
Por supuesto, la invención no se limita al modo de realización descrito anteriormente.
En efecto, se puede por ejemplo utilizar el dispositivo de regeneración 32 descrito anteriormente como complemento de otro dispositivo de regeneración, por ejemplo en amplitud, como un absorbente saturable, con el fin de mejorar aún más la calidad de la señal recibida.
Anexo
6

Claims (7)

1. Dispositivo (32) de regeneración óptica de una señal portadora de una información cifrada por modulación de fase de esa señal, transmitiéndose esa señal a través de una red óptica (14) y comprendiendo una sucesión temporal de impulsos ópticos, que comprende:
- un módulo (36) de desfase no lineal de los impulsos ópticos, comprendiendo este módulo de desfase un medio de propagación óptica no dispersivo y no lineal parametrado de manera a compensar el efecto de la transmisión de la señal en la red óptica (14), inducido sobre la diferencia de fase entre impulsos sucesivos;
caracterizado porque comprende igualmente:
- un módulo (34) de ensanchamiento temporal lineal de los impulsos situado en la cadena de funcionamiento antes del módulo de desfase (36), comprendiendo este módulo de ensanchamiento temporal un medio de propagación óptica dispersivo y lineal; y
- un módulo (38) de compensación lineal del ensanchamiento temporal sufrido por los impulsos en el módulo de ensanchamiento temporal lineal (34), situado en la cadena de funcionamiento después del módulo de desfase, comprendiendo este módulo de compensación lineal un medio de propagación óptica dispersivo y lineal.
2. Dispositivo de regeneración óptica según la reivindicación 1, que comprende un amplificador óptico (40) situado en la cadena de funcionamiento antes del módulo (36) de desfase (36).
3. Dispositivo de regeneración óptica según la reivindicación 2, que comprende un atenuador óptico (42) situado en la cadena de funcionamiento después del módulo (36) de desfase.
4. Dispositivo de regeneración óptica según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende además medios de regeneración en amplitud, tales como un absorbente saturable.
5. Procedimiento de regeneración óptica de una señal portadora de una información cifrada por modulación de fase de esa señal, transmitiéndose esa señal a través de una red óptica (14) y comprendiendo una sucesión temporal de impulsos ópticos, que comprende:
- una etapa de desfase no lineal de los impulsos ópticos, en un módulo de desfase (36) que comprende un medio de propagación óptica no dispersivo y no lineal parametrado de manera a compensar el efecto de la transmisión de la señal en la red óptica (14), inducido sobre la diferencia de fase entre impulsos sucesivos;
caracterizado porque comprende igualmente:
- una etapa de ensanchamiento temporal lineal de los impulsos realizada antes de la etapa de desfase por un módulo (34) de ensanchamiento temporal lineal de los impulsos que comprende un medio de propagación óptica dispersivo y lineal; y
- una etapa de compensación lineal del ensanchamiento temporal sufrido por los impulsos en la etapa de ensanchamiento temporal lineal, realizándose esta etapa después de la etapa de desfase por un módulo de compensación lineal de los impulsos que comprende un medio de propagación óptica dispersivo y lineal.
6. Procedimiento de regeneración óptica de una señal según la reivindicación 5, en el cual se amplifica la señal antes de que entre en el módulo de desfase (36).
7. Procedimiento de regeneración óptica de una señal según la reivindicación 6, en el cual se atenúa la señal después de la salida del módulo de desfase.
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