ES2390861B1 - Sistema para establecer un enlace analógico por fibra óptica de alto margen dinámico para altas frecuencias - Google Patents
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Abstract
Sistema para establecer un enlace analógico por fibra óptica de alto margen dinámico para altas frecuencias.#La presente invención se refiere a un enlace analógico por fibra óptica de alto margen dinámico para altas frecuencias. Dicho enlace comprende: una o varias fuentes ópticas que generan al menos dos señales ópticas; un acoplador que acopla las señales ópticas en una fibra óptica; al menos un modulador que recibe las señales ópticas acopladas y a su salida ofrece señales ópticas complementarias moduladas por una señal eléctrica; un primer filtro conectado a la salida del modulador que selecciona las señales ópticas moduladas con señales complementarias para ser enviadas por una única fibra de transmisión; un segundo filtro conectado a la fibra de transmisión que recibe las señales ópticas moduladas con señales complementarias y las separa en al menos dos caminos que llegan a al menos un detector donde se realiza una detección diferencial de las mismas.
Description
Sistema para establecer un enlace analógico por 'fibra óptica de alto margen dinámico para altas frecuencias
La presente invención se refiere en general a los sistemas de transmisión ópticos y más en particular a la mejora del margen dinámico libre de espurios de un enlace óptico analógico de banda ancha.
Los sistemas de transmisión por fibra óptica presentan multitud de ventajas frente a otras alternativas como el reducido tamaño, peso, atenuación baja, inmunidad a interferencias electromagnéticas, baja dispersión y alta capacidad de transferencia de datos. Incluso en ambientes agresivos sometidos a radiación y altas/bajas temperaturas, las fibras típicas utilizadas poseen unas características que las hacen particularmente interesantes a fin de sustituir el tradicional cableado eléctrico.
Los enlaces de fibra óptica pueden ser empleados tanto para la transmisión de señales digitales como de señales analógicas. La transmisión de señales mediante fibra óptica implica la necesidad de convertir las señales eléctricas generadas por los sistemas transmisores en señales ópticas que puedan ser guiadas por fibra hasta su destino, donde de igual manera deberán convertirse de óptico a eléctrico. Para aplicaciones a bajas frecuencias la conversión de eléctrico-óptica se puede llevar a cabo mediante láseres que permiten ser modulados directamente por la señal de radiofrecuencia. Sin embargo, para aplicaciones a mayores frecuencias es necesario el uso de moduladores externos para conseguir tal propósito. La principal desventaja de la modulación externa es el aumento de las pérdidas de inserción debidas al modulador externo.
En lo que respecta a los sistemas de transmisión analógica por fibra óptica, se encuentran multitud de aplicaciones en fase de uso o de desarrollo experimental. Una de las más importantes son los sistemas Radio-sobre-Fibra (RoF, Radio-over-Fibre). En estos sistemas, se usa la fibra óptica para transmitir una señal de RF (Radio-Frecuencia) modulada desde una estación central a una o varias estaciones base. Dado que la fibra óptica dispone de un enorme ancho de banda, se pueden transmitir las señales de RF tal y como serán radiadas por la antena, de modo que no sea necesaria la etapa de conversión en frecuencia en la estación base remota, abaratando así el coste y complejidad de dichas estaciones.
En otro ámbito de aplicación, podemos encontrar señales analógicas moduladas y transmitidas por fibra óptica en los denominados Photonic Analog-to-Digital Converters (PADCs), que son convertidores analógico-digitales implementados con tecnolo~lía fotónica. Este tipo de enlaces necesitan de unas condiciones mucho más favorables en el medio de transmisión que los que transportan información digital. En concreto, para que los niveles de calidad de la señal recibida sean aceptables se requieren niveles de ruido e intermodulación sensiblemente más bajos que para la transmisión de señales digitales. Por tanto, de cara a la transmisión de señales analógicas por fibra óptica se deben optimizar los enlaces de forma que presenten el mejor margen dinámico libre de espúrios posible.
En los enlaces ópticos existen varias fuentes de degradación de la señal. Por un lado se encuentra el ruido, que está causado por distintos efectos. Así, encontramos el ruido originado por las fluctuaciones de la intensidad de señal óptica a la salida de la fuente óptica debido al láser (RIN , Relative Intensity Noise), el ruido térmico del receptor debido a la agitación térmica de los electrones, el ruido shot provocado por la naturaleza cuántica del proceso de fotodetección y el ruido de emisión espontánea amplificada (ASE, Amplified Spontaneous Emission) debido a la introducción de amplificadores de fibra dopada con erbio para mejorar las pérdidas introducidas en el enlace. Por otro lado, se tiene la distorsión debida a los armónicos y productos de intermodulación. Esta distorsión está causada por las no-linealidades en una o varias partes del sistema.
La forma más común de medir la calidad proporcionada por los enlaces analógicos es el Margen Dinámico Libre de Espúrios (SFDR, Spurious Frs!e Dynamic Range), lo ilustra la figura 1. Este parámetro tiene en cuenta conjuntamente el ruido (11) y la intermodulación (12) para evaluar las prestaciones del enlace. En concreto, se define el SFDR (10) como el rango de potencias de la señal de entrada para los cuales la señal de salida está por encima de los niveles tanto de ruido como de intermodulación. El SFDR
')
,
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se expresa en unidades de dB/Hz2/ , cuando la intermodulación de 3er orden es el factor limitante, tomando 1 Hz como ancho de banda de ruido.
En los últimos años se han demostrado varios esquemas que consiguen reducir el ruido presente en los enlaces y otros que mejoran la linealidad de los dispositivos moduladores, de modo que, se consigue aumentar el Margen Dinámico Libre de Espúrios del sistema y por tanto la calidad del enlace. Sin embargo, los esquemas presentados hasta el momento, no son válidos para altas frecuencias de trabajo, ya que basan su operación en la detección diferencial de dos señales complementarias que se transmiten por dos fibras diferentes a lo largo del enlace, como por ejemplo las propuestas de las patentes US6157752 quot;Fiber optic linkquot;, US5644665 quot;Multi-octave, high dynamic range operation of low-biased modulators by balanced detectionquot; o US630436B quot;Method and apparatus for eliminating noise in analog fiber linksquot;. Para que las señales complementarias se combinen correctamente mediante la detección diferencial es necesario que la fase y amplitud de las mismas sea igual, lo cual es muy complicado de implementar a altas frecuencias de operación.
La presente invención resuelve la problemática mencionada anteriormente mejorando el Margen Dinámico Libre de Espurios a altas frecuencias por medio de un enlace que permite la transmisión y posterior detección diferencial de señales complementarias mediante una única fibra. Así, la presente invención propone un enlace analógico por fibra óptica de alto margen dinámico para altas frecuencias que comprende:
- -
- al menos una unidad de conversión electroóptica calibrada en retardo temporal y amplitud que a su
vez comprende:
una o varias fuentes ópticas que generan al menos dos señales ópticas;
un acoplador que acopla las señales ópticas en una fibra óptica;
al menos un modulador que recibe las señales ópticas acopladas y a su salida ofrece
señales ópticas complementarias moduladas por al menos una señal eléctrica;
un primer filtro conectado a la salida del modulador que selecciona las señales ópticas
moduladas con señales complementarias para ser enviadas por una única fibra de
transmisión ;
al menos una unidad de conversión optoelectrónica, calibrada en retardo temporal y amplitud,
conectada a la al menos una unidad de conversión electroóptica mediante la fibra óptica que a su vez
comprende:
un segundo filtro conectado a la fibra de transmisión que recibe las señales ópticas
moduladas con señales complementarias y las separa en al menos dos caminos que llegan
al menos a un detector
al menos un detector que recibe las señales separadas por el filtro y realiza una detección
diferencial de las mismas.
De forma adicional, en otras realizaciones de la invención se puede añadir un amplificador óptico, dicho amplificador se puede colocar por ejemplo inmediatamente antes del modulador.
También de forma opcional la presente invención puede incorporar unas líneas de retardo ópticas y atenuadores ópticos, las cuales pueden ser fijas o variables dependiendo de la realización, que compensan las pequeñas diferencias de longitud y amplitud entre los caminos de las diferentes salidas del modulador y las diferencias de longitud y amplitud entre los caminos de las diferentes entradas del detector balanceado.
El al menos un modulador empleado puede ser ele cualquier tipo (amplitud/fase/polarización) y en cuanto a la fibra óptica que une los distintos elementos así como la que se emplea para la transmisión de señales pueden ser fibra estándar, fibra mantenedora de polarización o cualquier otro tipo de fibra. A diferencia de la implementaciones con dos fibras, la presente invención resulta más sencilla de implementar y gestionar puesto que lo habitual es trabajar con sistemas con una sola fibra de transmisión y no dos.
Las características y ventajas anteriores no limitan la presente invención, y los expertos en la técnica reconocerán características y ventajas adicionales tras la lectura de la siguiente descripción detallada, y en vista de los dibujos adjuntos.
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Para completar la descripción que está realizándose y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, según un ejemplo preferido de realización práctica de la misma, se adjunta a la descripción como parte integrante de la misma un juego de dibujos en los que, a modo de ilustración y de manera no restrictiva, se ha representado lo siguiente:
La figura 1 muestra un diagrama de bloques general de una realización de la invención
La figura 2 muestra la función de transferencia de un modulador MZM y el punto de trabajo adecuado para el funcionamiento de la invención.
La figura 3 muestra un diagrama de bloques general de la invención.
La figura 4 muestra un diagrama de bloques de una realización de la invención.
Puede describirse una posible realización práctica de la presente invención (figura 4) a partir del esquema general de la invención que se representa en la figura 3.
La invención comprende dos partes bien diferenciadas: un primer bloque en el que se realiza la conversión electro-óptica y un segundo bloque en el que se realiza la conversión opto-electrónica de las señales. Ambos bloques se encuentran enlazados por una línea de transmisión de fibra óptica 4.
En cuanto a los elementos de la invención comprendidos por una de las realizaciones de la invención, se pueden encontrar dos fuentes ópticas 1, por ejemplo pueden ser dos laser 41 como se representa en la figura 4, que generan los componentes espectrales relativos a dos señales ópticas A1 y A2. Dichas señales ópticas A 1 Y A2 se acoplan mediante un acoplador 42 en fibra y se amplifican mediante un amplificador óptico 2, por ejemplo de fibra dopada con erbio 43 como se representa en la figura 4. Los amplificadores se usan para compensar pérdidas del enlace y/o aumentar la longitud del mismo. Existen amplificadores ópticos basados en varias tecnologías, sin embargo los amplificadores basados en fibra dopada con erbio (EDFA, erbium doped fiber amplifier) son los preferidos para esta realización de la invención debido a que su ventana de amplificación coincide con la tercera ventana de transmisión de la fibra óptica de sílice (1550 nm), el gran ancho de banda óptico, la alta potencia de salida (+30 dBm o más), la relativamente pequeña figura de ruido (típicamente 4-5 dB), baja sensibilidad a la polarización y madurez tecnológica.
Una vez las señales se han amplificado, se inyectan a un modulador electro-óptico dual 3 con salidas complementarias. En dicho modulador electro-óptico dual 3 las señales amplificadas son moduladas por la señal eléctrica deseada. Las dos salidas complementarias serán referidas en adelante como quot;Qb(+)quot; y quot;Qb(-)quot;. Existen dos tipos de moduladores externos electro-ópticos, los moduladores de electroabsorción (EAM) y los moduladores Mach Zehnder (MZM). Mientras que los EAM precisan de menores voltajes para funcionar, los MZM ofrecen la menor distorsión posible gracias al comportamiento lineal que presentan si se elige correctamente el punto de trabajo. Los MZM tienen una función de transferencia sinusoidal que permite seleccionar el punto de trabajo 2, conocido como QB, Quadrature Bias, donde el MZM presenta un comportamiento prácticamente lineal (Figura 2), de manera que la señal de información que se modula sufre la menor distorsión posible. Sin embargo, en dicho punto de trabajo la mitad de la luz incidente se disipa en el dispositivo, es decir las pérdidas del modulador aumentan 3dB.
Esta realización práctica de la invención represel1tada en la figura 4 hace uso de moduladores MZM 44. En este tipo de moduladores, cuando se trabaja en régimen lineal, Qb , la señal óptica a la salida del MZM presenta principalmente una componente de frecuencia ffio que se corresponde con la fuente óptica, y dos componentes que contienen la información eléctrica con frecuencias ü)o-ü)RF y ffio+ü)RF conocidas como portadora, banda lateral inferior y banda lateral superior, respectivamente. La mayor cantidad de potencia transmitida se encuentra concentrada en la portadora lo cual reduce el nivel de sensibilidad de detección de las señales de información del fotoreceptor/fotodetector debido al alto nivel de corriente continua que se genera en dicho dispositivo, limitando de este modo el Margen Dinámico Libre de Espúrios del enlace. Aumentando la potencia de Ila señal de radiofrecuencia inyectada al modulador sería posible mejorar el nivel de potencia de las bandas laterales sin embargo, no resulta conveniente puesto que al tratarse de un dispositivo no lineal, un aumento de la potencia de radiofrecuencia genera armónicos de segundo, tercer orden y productos de intermodulación cuando se trabaja fuera de la zona lineal, empeorando en este caso la SFDR del enlace. Por tanto, la única solución posible es trabajar con
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la máxima potencia óptica que permita operar con los fotoreceptores/fotodetectores sin dañarlos, con el fin de obtener la máxima potencia en las bandas laterales y de este modo obtener la máxima SFDR.
En cada una de las salidas Qb(+) y Qb(-) del modulador electro-óptico dual 3 se tiene la señal A1 y su
complementaria A2, respectivamente.
A continuación, mediante un filtro óptico 5, como por ejemplo puede ser un band splitter 46, se selecciona
una de las componentes espectrales (A1, A2) de cada salida Qb(+) Y Qb(-) del modulador electro-óptico
dual 3, de modo que en la fibra de transmisión del enlace se tienen dos señales A1 (QB1) y A2(QB2)
moduladas con señales complementarias.
Finalmente, y de nuevo mediante un filtro óptico 5, cada una de las señales A 1 (QB1 ) Y A2(QB2) moduladas con señales complementarias son dirigidas a las entradas de un detector balanceado 6, en el que se lleva a cabo una detección diferencial dónde las portadoras de radiofrecuencia se combinan coherentemente, aumentando así la potencia de portadora de un enlace convencional. El aumento que se experimenta generalmente es de 6dB. Sin embargo, el ruido al no ser común para ambas señales detectadas, se combina incoherentemente, aumentando de este modo 3 dB. Como resultado, se produce un aumento de la calidad de la señal que se recibe de 3 dB Y se mejora la SFDR, o también llamado Margen Dinámico Libre de Espurios. Además, una vez calibradas las unidades de conversión electroóptica y opto-electrónica, el sistema es independiente de la longitud de la fibra de transmisión, debido al hecho de que las señales complementarias viajan por una única fibra, eliminando de este modo el requerimiento de precisión de la fibra en cualquier frecuencia de operación.
Esta realización de la invención representada en la figura 4 también cuenta con unas líneas de retardo ópticas 45 y unos atenuadores ópticos 47 en cada uno de los dos bloques, es decir, una línea de retardo y un atenuador en el bloque de conversión electro-óptico y una línea de retardo y un atenuador en el bloque de conversión opto-electrónico. Estas líneas de retardo y atenuadores compensan pequeñas diferencias de longitud y amplitud, respectivamente, entre los diferentes caminos de las unidades de conversión electro-óptica y opto-electrónica de modo que ambas unidades queden calibradas en retardo temporal y amplitud. La ubicación exacta es preferiblemente a la salida del modulador electro-óptico dual ya la entrada del detector balanceado.
Tanto los atenuadores ópticos como las líneas de retardo descritas en la presente invención pueden ser tanto fijos como variables.
El tipo de detección diferencial llevado a cabo difiere de unas realizaciones a otras. En una de las realizaciones las señales complementarias se detectan mediante dos fotodetectores estándar, se aplica un desfase de 1800 a una de las señales detectadas y posteriormente se combinan las señales en fase. Mientras que en otras realizaciones las señales complementarias detectadas mediante dos fotodetectores estándar alimentan a un amplificador diferencial que resta las señales.
El tipo de fibras que unen, tanto las fuentes ópticas como el amplificador óptico y el modulador electroóptico dual pueden ser por ejemplo mantenedoras de polarización con el fin de proporcionar la polarización adecuada al modulador electro-óptico dual, puesto que su función de trasferencia depende de la polarización, obteniendo así la máxima potencia que el dispositivo puede proporcionar cuando se incide con la polarización adecuada. Sin embargo también pueden ser fibras estándar o cualquier otro tipo de fibra.
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Claims (8)
- REIVINDICACIONES1.-Sistema para establecer un enlace analógico por fibra óptica de alto margen dinámico para altas frecuencias caracterizado por que comprende: -al menos una unidad de conversión electroóptica calibrada en retardo temporal y amplitud que a su vez comprende:una o varias fuentes ópticas que generan al menos dos señales ópticas; un acoplador que acopla las señales ópticas en una fibra óptica; al menos un modulador que recibe las señales ópticas acopladas y a su salida ofrece señales ópticas complementarias moduladas por al menos una señal eléctrica; un primer filtro conectado a la salida del modulador que selecciona las señales ópticas moduladas con señales complementarias para ser enviadas por una única fibra de transmisión ;al menos una unidad de conversión optoelectrónica, calibrada en retardo temporal y amplitud, conectadaa la al menos una unidad de conversión electroóptica mediante la fibra óptica que a su vez comprende: un segundo filtro conectado a la fibra de transmisión que recibe las señales ópticas moduladas con señales complementarias y las separa en al menos dos caminos que llegan al menos a un detector al menos un detector que recibe las señales separadas por el filtro y realiza una detección diferencial de las mismas.
-
- 2.
- Sistema de acuerdo a la reivindicación 1 que además comprende un amplificador óptico que amplifica las señales ópticas.
-
- 3.
- Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende una línea de retardo óptica a la salida del modulador, dicha línea compensa las pequeñas diferencias de longitud entre los caminos de las diferentes salidas del modulador.
- 4.-Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende una línea de retardo óptica en la entrada del detector balanceado, dicha línea compensa las pequeñas diferencias de longitud entre los caminos de las diferentes entradas del detector balanceado.
- 5.-Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende un atenuador óptico a la salida del modulador que compensa las diferencias de amplitud entre los caminos de las diferentes salidas del modulador.
- 6. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende un atenuador óptico en la entrada del detector balanceado que compensa las pequeñas diferencias de amplitud entre los caminos de las diferentes entradas del detector balanceado.
- 7.-Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde se incluyen dos o más moduladores de cualquier tipo, amplitud/fase/polarización.
- 8.-Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde tanto la fibra óptica que une los distintos elementos como la que se emplea para la transmisión de señales pueden ser fibra estándar o fibra mantenedora de polarización o cualquier otro tipo de fibra.
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG2A | Definitive protection |
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