BR112021015591A2 - Método e instrumento para comunicação por laser de pulso ultracurto por um meio com perdas - Google Patents
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Abstract
método e instrumento para comunicação por laser de pulso ultracurto por um meio com perdas. a presente invenção se refere a uma transmissão sem fio óptica pelo espaço livre (fso), incluindo comunicações ópticas, sensoriamento remoto, formação de feixe de energia etc., pode ser melhorada substituindo-se fontes de laser convencional que operam na porção infravermelha do espectro óptico com fontes de laser de pulso ultracurto (uspl) tendo energias de pulso de pico de um kwatt ou mais e comprimentos de pulso menores que um picossegundo. especificamente, foi observado que sob estas condições, a atenuação de um feixe de uspl, tendo a mesma energia óptica média de um laser convencional em um meio com perdas, por exemplo, a atmosfera, é substancialmente menor que a atenuação de um feixe de laser convencional tendo uma energia de pulso de pico menor e/ou uma largura de pulso mais longa. o desempenho superior do sistema ao utilizar um uspl pode ser traduzido em uma maior distância entre uma fonte de laser em um transmissor e um fotodetector no receptor e/ou uma maior confiabilidade da operação do sistema sob condições climáticas severas.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “MÉTODO E INSTRUMENTO
[0001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Patente dos EUA Nº 16/269106, depositado em 06 de fevereiro de 2019, intitulado METHOD AND APPARATUS FOR ULTRA-SHORT PULSED LASER COMMUNICATION THROUGH A LOSSY MEDIUM, cujo teor se encontra incorporado no presente documento por referência.
[0002] O assunto em pauta descrito no presente documento se refere a transmissão sem fio óptica pelo espaço livre (FSO), incluindo comunicações ópticas, sensoriamento remoto, formação de feixe de energia etc., e, mais particularmente, a eficácias de transporte óptico otimizadas que podem ser realizadas para a propagação do comprimento de onda utilizando fontes de laser de pulso ultracurto (USPL) para a propagação do feixe através de condições atmosféricas opticamente reduzidas devido a fatores que podem incluir, sem limitações, neblina, nuvens (por exemplo, aerossóis de água), desvio de feixe atmosférico, efeitos de cintilação e similares.
[0003] O crescimento explosivo na demanda dos serviços de telecomunicações, tanto de setores privados quanto de setores comerciais e governamentais, dispôs uma tensão sem precedentes sobre as redes de telecomunicações atualmente disponíveis. Sem tecnologias de rede de fornecimento alternativas e topologias, a velocidade geral da rede efetiva provavelmente será limitada, enquanto as ocorrências de gargalos dentro das redes se tornarão cada vez frequentes.
[0004] As redes de comunicações ópticas sem fio bidirecionais pelo espaço livre (FSO) podem, onde viável, prover uma alternativa útil a links de micro-ondas, fios, ou aplicativos de sistema de cabos. Tais redes podem ser transparentes em relação a arquiteturas de redes atuais e futuras em função do compartilhamento de plataformas tecnológicas comuns com sistemas de transmissão de fibra óptica, o suporte principal de diversos sistemas de telecomunicações atuais. Os sistemas de comunicações FSO, em geral, podem compartilhar os componentes de fibra óptica comuns, e os componentes ópticos comerciais podem ser frequentemente utilizados para ambos os aplicativos ópticos pelo espaço livre quanto ópticos por fibra. A diferença primária nos sistemas de conexão de dados ópticos pelo espaço livre é que o meio de propagação é a atmosfera ao invés de uma fibra óptica.
[0005] Utilizando os componentes de fibra óptica do estado da técnica atual, os links de dados ópticos pelo espaço livre podem ser totalmente integrados nas redes ópticas de alta velocidade de curta e longa distância. Os links de dados pelo espaço livre podem atingir plenamente as arquiteturas do sistema da rede óptica sincrônica (SONET), tais como, por exemplo, as arquiteturas SONET OC-48, utilizando as plataformas de tecnologia ópticas atuais no comprimento de onda de 1550 nm. Adicionalmente, tais sistemas podem ser escalados a taxas e configurações de dados mais altas. Os sistemas de link de dados ópticos podem se beneficiar da operação em um segmento não regularizado do espectro eletromagnético. Diferente do espectro das micro-ondas e RF, os links de dados ópticos em geral podem não exigir a emissão de taxas e tarifas de leasing especiais. Adicionalmente, em função do comprimento de onda em operação no sistema, os problemas relacionados à segurança óptica podem, em geral, ser minimizados. Além disto, não são exigidas precauções especiais ou permissões relacionadas aos direitos de caminhos territoriais para operar um link de dados ópticos pelo espaço livre. As despesas relacionadas à disposição e abertura de caminhos para sistemas de cabeamento fixo também podem ser evitadas.
[0006] Mais recentemente, a tecnologia da comunicação FSO alavancou os avanços comerciais elaborados na banda de transmissão óptica no comprimento de onda de 1550 nm. A tecnologia do amplificador de fibra dopada com érbio (AFDE) foi incorporada na configuração do projeto do sistema para otimizar o budget óptico efetivo global para atenuação óptica aceitável e, por meio disto, estender o alcance dos sistemas de transporte pela atmosfera.
[0007] Os amplificadores ópticos de alta potência são úteis para a transmissão pelo espaço livre, bem como os sistemas de fibra óptica. As distâncias repetidoras foram estendidas em sistemas de fibra terrestre e submarina, tendo sido introduzidas densas arquiteturas de transmissão de multiplexação por divisão de comprimento de onda (DWDM). Com a chegada dos amplificadores ópticos Er/Yb de alta potência, avanços similares, conforme os vistos na transmissão por fibra óptica, também foram realizados nos sistemas de comunicação óptica a laser sem fio pelo espaço livre. Foram reportados resultados experimentais de transmissão de um link de dados ópticos pelo espaço livre operando a 2,5 Gbps ao longo de uma amplitude de 2,4 km, bem como os resultados de um link de dados ópticos pelo espaço livre de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) de quatro canais de 1550 nm operando a 10 Gbps por uma distância de transmissão de 4,4 km.
[0008] Embora diversos sistemas de comunicação FSO comerciais e militares tenham sido desenvolvidos e estão atualmente em operação, seu desempenho para aplicações terrestres é limitado por efeitos de atenuação óptica associados à atmosfera devido a efeitos climáticos adversos incluindo nevoeiro, chuva, neve, fumaça, e turbulência do ar. Estes efeitos limitam a aplicação de comunicações FSO a distâncias de transmissão óptica relativamente curtas (na ordem de várias centenas de metros) em típicas situações em que alta confiabilidade e disponibilidade ininterrupta são exigidas.
[0009] Em 4 de agosto de 1997, um pedido de patente, cedido à Motorola Corporation (Pedido Nº 08/905.760) foi depositado, o qual prometia alívio dos indesejáveis efeitos de atenuação causados pela atmosfera e uma patente (US
6.043.920) foi concedida para este pedido em 2003. Na coluna 2, linhas 22 a 35, está declarado: “The method and apparatus and a method for operating of the present invention applies. the newly-discovered characteristics of these narrow pulse-width signals to the laser communications field. In accordance with a preferred embodiment, an extremely narrow-width, modulated laser pulse can be transmitted through a lossv medium without suffering significant attenuation. Thus the method and apparatus of the. present invention enables extremely high-rate communications through mediums which were previously considered too lossy to be conducive to high-rate laser communications. For example the method and apparatus of the present invention could be used for laser communications through air, water, water vapor, solid obstructions, particulate suspension, glass fiber, and other mediums.” [O método e instrumento da presente invenção aplica as características recém-descobertas destes sinais de largura de pulso estreita ao campo de comunicações por laser. De acordo com uma modalidade preferencial, um pulso de laser modulado de largura extremamente estreita pode ser transmitido através de um meio com perdas sem sofrer atenuação significativa. Assim, o método e instrumento da presente invenção permitem que comunicações de taxa extremamente alta, através de meios que foram previamente considerados com muitas perdas, seja propícia para comunicações por laser de alta taxa. Por exemplo, o método e instrumento da presente invenção poderiam ser usados para comunicações por laser através do ar, água, vapor d’água, obstruções sólidas, suspensão particulada, fibra de vidro, e outros meios]. Entretanto, essa afirmação foi apenas confirmada pela declaração (coluna 2, linhas 16 a 21): "Modern laser technology has enabled the generation of narrow-width pulses and experiments are showing that these narrow-width pulses have characteristics which enable then to penetrate mediums with substantially less attenuation than was suffered by prior-art techniques." [A moderna tecnologia de laser permitiu a geração de pulsos de largura estreita e os experimentos estão mostrando que estes pulsos de largura estreita possuem características que permitem então penetrar meios com substancialmente menos atenuação em comparação com o que ocorreu em técnicas do estado da técnica].
[0010] A reivindicação 1 desta patente concedida era muito ampla, sendo aplicável à comunicação por qualquer link sem fio através de meio com perdas (como a atmosfera) com pulsos modulados de luz de laser de comprimento de onda não especificado que possui uma largura de pulso menor que 200 fentossegundos.
[0011] Com base na pesquisa realizada na Attochron LLC e em outros locais, presume-se que esta patente, e especificamente esta reivindicação, foram baseadas em uma redução construtiva à prática que nunca foi validada ou reproduzida por outros, mesmo após a vigência desta patente, expirada em 2017. Entretanto, ao longo dos anos, houve considerável controvérsia sobre o assunto de possível atenuação óptica reduzida em vários meios usando pulsos ópticos ultracurtos. Por exemplo, na Patente Nº US 6.583.911 B1, depositada em 6 de outubro de 2000 e concedida em 24 de junho de 2003, o inventor, D. R. Alexander, discorreu sobre extensos testes laboratoriais usando pulsos de laser ultracurtos menores que 100 fentossegundos de duração e que têm um comprimento de onda na faixa de 0,75 a 0,85 mícron) declarando: "...the data gave no indication that the pulsed wave transmission was more beneficial than continuous wave." [...os dados não deram indicação de que a transmissão de onda de pulso foi mais benéfica do que a onda contínua]. Estes dados factuais contradisseram diretamente as afirmações feitas na patente da Motorola.
[0012] Subsequentemente, em 2005 e 2006, Ulf Osterberg et al. publicaram dois artigos [U. J. Gibson, U. L. Osterberg, "Optical Precursors and Beer's Law Violations; Non-Exponential Propagation Losses in Water," Optics Express 13 6 (2005), e A. E. Fox, U. Osterberg, "Observation of Non-Exponential Absorption of Ultra-fast Pulses in Water," Optics Express 14 8 (2006)] sugerindo que a absorção de um feixe de USPL pode não obedecer a lei de Beer (a atenuação exponencial de um feixe óptico em um meio com perdas). Estes resultados foram usados pelos autores para sugerir que as perdas de absorção óptica para pulsos de laser em fentossegundo são substancialmente menores do que para um laser CW que opera no mesmo comprimento de onda. Foi reportado que os comprimentos de onda na faixa de 650 a 800 nm foram usados na parte experimental do trabalho de pesquisa. Assim, a princípio, parecia que a presunção subjacente de atenuação óptica anormalmente baixa relatada na patente US 6.043.920 da Motorola, depositada em 1997, tinha sido, talvez, pós-validada pelo trabalho de Ulf Osterberg et al., mesmo que fosse um tanto especulativo e contradito pelos dados apresentados por Alexander no documento US
6.583.911 B1.
[0013] Entretanto, um artigo importante publicado em 2007 por Jian Chao Li et al. da Universidade de Nebraska [Universidade de Nebraska – Lincoln; DigitalCommon@Universidade de Nebraska – Linclon; Publicações do corpo docente do Departamento de Engenharia Elétrica, 2-2007] intitulado "Propagation of ultrashort laser pulses through water" especificamente refuta as conclusões e explicações acima dadas por Osterberg et al. Este artigo conclui que o efeito de absorção da lei de sub- Beer (não exponencial) observado por Osterberg et al. ocorre meramente devido à ampla banda espectral do USPL e não está relacionado à característica curta dos pulsos de laser. Li et al. apontaram que o mesmo efeito de sub-Beer seria observado para uma fonte de luz CW incoerente com a mesma ampla banda espectral que o USPL. Assim, a absorção pela lei de sub-Beer não pode ser diretamente atribuída à menor atenuação de pulsos de fentossegundo em água. Isto, por sua vez, questiona, novamente, qualquer vantagem do uso de pulsos ultracurtos para transmissão melhorada através de meios com perdas conforme ensinado pelos inventores no documento US 6.043.920 da Motorola.
[0014] A resposta mais clara para a pergunta "Há alguma vantagem em utilizar um USPL para transmissão melhorada pela atmosfera?" parece vir do trabalho de Paul Corrigan et al. em um artigo de 2007 intitulado "Enhanced Performance of Low-Power (60mW) Femtosecond Free Space Optical Communication System Over Conventional CW Operation" [Proc. SPIE 6457, Free-Space Laser Communication Technologies XIX and Atmospheric Propagation of Electromagnetic Waves, 64570X (12 de fevereiro de 2007)]. E a resposta para a pergunta acima parece ser um marginal "Sim" para espalhamento óptico e um "Não, ainda não" para a absorção óptica. Os autores deste artigo afirmam em sua conclusão:
"Once the transmission and scattering properties of a stable substance are known (usually determined in two different measurements), the difference is the absorption. This [separating absorption effects from scattering effects] is particularly hard to do in simulated fog, as the simulation itself is unstable, as is real fog. However, there is no current measurement or claim which indicates this enhanced propagation is related to different physics of absorption of Ultrafast Pulses by the atmosphere." [Depois que as propriedades de transmissão e espalhamento de uma substância estável são conhecidas (geralmente determinadas em duas diferentes medições), a diferença é a absorção. Isto [a separação dos efeitos de absorção dos efeitos de espalhamento] é particularmente difícil de realizar em nevoeiro simulado, pois a própria simulação é instável, assim como o nevoeiro real. Entretanto, não há medição ou reivindicação atual que indique que esta propagação melhorada está relacionada a diferentes físicas de absorção de pulsos ultrarrápidos pela atmosfera]. Deve ser observado aqui que este trabalho por Corrigan et al. foi conduzido em um comprimento de onda mais longo (1560 nm) do que aquele usado pelos pesquisadores anteriormente mencionados. Assim, pode haver uma explicação diferente para estes resultados em comparação com alguns ou a todos os outros resultados discutidos acima.
[0015] Diante de todos os resultados sem fundamentação acima e da subsequente contradição e controvérsia, não é surpreendente que o crescimento das comunicações FSO foi limitado e que ainda não houve um único sistema comercial produzido que seja baseado nas reivindicações na patente expirada da Motorola (US
6.043.920). Claramente, seria benéfico estabelecer de uma vez por todas se o uso de pulsos de laser ultracurtos melhoraria substancialmente as comunicações ópticas terrestres pelo espaço livre sob condições severas. E se o resultado for positivo, isto representaria um grande avanço e teria um impacto substancial favorável sobre a futura adoção das comunicações FSO.
[0016] Um ponto decisivo em relação a esta controvérsia discutida acima ocorreu em 2013 com a publicação de um artigo na edição de 2013 da Laser Focus por Isaac Kim el al. intitulada "ADVANCES IN COMMUNICATIONS: New FSO provides reliable 10 Gbit/sec and beyond backhaul connections". Este artigo relatou: "Experiments performed by Attochron, LLC at a 500 m wireless testing facility at the U.S. Army's Picatinny Arsenal in Dover, NJ, demonstrated that USP laser-based FSO systems have an up to 25 dB increase in receive power over a legacy CW FSO system in fog." These authors also mention that "Legacy FSO systems work well in clear or hazy weather at distances up to 1.5 km, but the presence of fog can reduce effective link distances to 200 m [I. I. Kim, Lightwave, 26, 19-21 (2009)]" [Experimentos realizados pela Attochron, LLC em uma instalação de testes sem fio de 500 m na base militar Picatinny Arsenal do Exército Americano em Dover, NJ, demonstrou que sistemas FSO baseados em laser USP têm um aumento de até 25 dB na potência de recepção em relação a um sistema Legacy CW FSO em nevoeiro". Estes autores também mencionam que "Os sistemas Legacy FSO funcionam bem em clima claro ou nublado em distâncias de até 1,5 km, porém a presença de nevoeiro pode reduzir as distâncias de link eficiente para 200 m [I. I. Kim, Lightwave, 26, 19-21 (2009)]].
[0017] Neste trabalho, um sistema de USPL e um sistema de laser CW foram operados simultaneamente, lado a lado, com seus feixes de laser percorrendo trajetórias ópticas adjacentes na mesma faixa de teste. Eles prosseguem:
[3] "These new USP FSO system's output is produced by a passively mode-locked 100 fs pulse at 1550 nm, with an average output power of 50 mW with a 1 Gbit/s [data] repetition rate. The stream of ultrashort pulses is modulated externally to produce the gigabit Ethernet signal. In Picatinny Arsenal experiments, a single 3 inch diameter telescope was used on the transmit side and a similar 3 inch telescope was used on the receiver side." [A saída destes novos sistemas FSO USP é produzida por um pulso de 100 fs passivamente em modo travado a 1550 nm, com uma energia de saída média de 50 mW com uma taxa de repetição de 1 Gbit/s [dados]. O fluxo de pulsos ultracurtos é modulado externamente para produzir o sinal de Ethernet em gigabit. Nos experimentos na base militar Picatinny Arsenal, um telescópio simples de 3 polegadas de diâmetro foi usado no lado transmissor e um telescópio similar de 3 polegadas foi usado no lado receptor].
[0018] A conclusão que Isaac Kim et al. chegaram é que: "In preliminary testing of our prototype USP laser-based FSO systems, the 25 dB additional margin improves link availability at 1 Gbit/s to 99.5% at [a range of] 3 km." [Em testes preliminares de nossos sistemas FSO protótipos baseados em laser USP, a margem adicional de 25 dB melhora a disponibilidade do link em 1 Gbit/s até 99,5% em [uma faixa de] 3 km"].
[0019] Depois de se obter estes importantes resultados durante os testes na base militar Picatinny Arsenal em 2010 e 2011, uma aplicação de patente (Pedido Nº 13/737.898) foi depositada pela Attochron LLC em 16 de janeiro de 2013 com amplas reivindicações que descrevem: "An optical communication apparatus comprising: an ultra-short-pulse-laser (USPL) source that generates a beam comprising light pulses each having a duration of approximately 1 nanosecond or shorter (Claim 1), or 1 picosecond or shorter (Claim 3) or 1 femtosecond or shorter (Claim 4)……." [Um instrumento de comunicação óptica, caracterizado por compreender: uma fonte de laser de pulso ultracurto (USPL) que gera um feixe que compreende pulsos de luz, sendo que cada um tem uma duração de aproximadamente 1 nanossegundo ou menos (Reivindicação 1), ou 1 picossegundo ou menos (Reivindicação 3) ou 1 fentossegundo ou menos (Reivindicação 4)]. Entretanto, o escopo das reivindicações da patente concedida foi substancialmente limitado pela seguinte cláusula que foi adicionada a todas as reivindicações durante o processamento do pedido: "Wherein the optical transceiver is configured to detect atmospheric elements enabling analysis of a backscattered signal of an air-borne particulate signature of the detected atmospheric elements to enable adjustment of the beam generated by the USPL source enhancing atmospheric penetration." [Em que o transceptor óptico é configurado para detectar elementos atmosféricos, permitindo a análise de um sinal de reflexão reversa de uma assinatura de material particulado carregado pelo ar dos elementos atmosféricos detectados para permitir o ajuste do feixe gerado pela fonte de USPL, melhorando a penetração atmosférica"].
[0020] Em efeito, as reivindicações mais amplas do pedido original não foram permitidas, pois não ficou evidente a partir do pedido de patente depositado da Attochron que uma invenção foi concebida sem esta cláusula restritiva. Especificamente, os resultados do teste em campo obtidos pela Attochron LLC na base militar Picatinny Arsenal não foram sequer mencionados na especificação. Porém, mesmo que tivessem sido introduzidos, não teria ficado claro que o desempenho superior do sistema observado e relatado pelos funcionários da Attochron LLC durante os testes em campo na base militar Picatinny Arsenal foram simplesmente devido a um ou mais efeitos já bem-conhecidos como (1) um efeito reduzido de turbulência atmosférica sobre o feixe de USPL devido à sua conhecida menor coerência em relação ao feixe de laser CW que foi usada como uma referência durante os testes na base militar Picatinny Arsenal, e/ou (2) uma razão melhorada conhecida entre sinal e ruído ao se detectar feixes de laser com pulsos de maior pico em comparação com feixes de laser CW ou energia comparável por bit recebido (vide L. Biovin et al., "Receiver Sensitivity Improvement by Impulsive Coding", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 9, Nº 5, maio de 1997), ou (3) outros fatores conhecidos.
[0021] Um dos objetivos do presente pedido é resumir todos os resultados importantes que foram observados durante os testes na base militar Picatinny Arsenal em 2010 e 2011, bem como resultados adicionais que foram revelados por extensa análise dos dados registrados que foram finalmente concluídos em outubro de 2017. Estes resultados são impressionantes. Durante condições de intenso nevoeiro, bem como durante condições de clima claro e quente que causam efeitos de cintilação, o desempenho do sistema de USPL demonstrou, em ambos os casos, uma superioridade de mais que 25 dB na margem de sinal recebido em comparação com um sistema FSO de laser CW lado a lado que opera na mesma faixa de teste e, de fato, no exato mesmo caminho óptico que o caminho do feixe USPL. Além disso, o fator de superioridade observado de pelo menos 25 dB do sistema de USPL em relação ao sistema de CW é apenas um limite inferior a, possivelmente, um fator muito maior que surge provavelmente quando fontes de laser mais poderosas forem avaliadas.
[0022] Deve ser observado que o fator de superioridade de pelo menos 25 dB do sistema de USPL em relação ao sistema de CW, discutido acima, é expresso em termos logarítmicos, como é convencional para descrever o desempenho de muitos tipos de sistemas de comunicação. Em termos lineares, isto é equivalente a um fator de 316 ou mais (log10 316 = 10 x 2,5 = 25 dB). Quando expresso desta forma, fica evidente que este é um fator muito grande que era inesperado com base em qualquer técnica anterior reportada ou física conhecida.
[0023] Embora haja diversas teorias que podem explicar parte ou todos os resultados observados, é provável que algum fenômeno óptico não linear que ainda não é compreendido ou amplamente aceito, contribua para o grande fator de superioridade observado, associado ao resultado do teste de laser de USPL vs CW. Testes preliminares na Attochron LLC também sugerem que este é o caso. Especificamente, o fator de superioridade observado não aparece ao se usar pulsos de laser ultracurtos tendo menores níveis de energia de pico inferiores a aproximadamente 1 quilowatt. Porém, o fator de superioridade fica evidente ao se usar pulsos de laser ultracurtos, com larguras de pulso menores que um nanossegundo, que são operadas em energias ópticas de pico em ou acima de 1 quilowatt. E estes efeitos se tornam substanciais quando os níveis de pico de energia óptica de pulso estão na faixa de 5 a 10 quilowatts ou mais.
[0024] Com o benefício desta nova visão das comunicações FSO, fica evidente porque as reivindicações sem fundamento na patente expirada da Motorola (6.043.920) continuaram a ser tão controversas ao longo dos anos. Os efeitos benéficos do uso de pulsos de fentossegundo podem ser somente observados ao se usar uma fonte de laser com uma alta potência óptica de pico na faixa de 1 quilowatt ou mais e, de preferência, na faixa de 10 quilowatts ou mais. E deve ser claramente observado que todas as reivindicações na patente da Motorola estão limitadas à "a aplicação do fluxo de pulso [elétrico] modulado a um [feixe de] laser [CW] para gerar pulsos de laser dentro de uma largura de pulso de cada pulso do fluxo de pulso está abaixo de 200 fentossegundos; e direcionamento dos pulsos ópticos de laser através do meio com perdas em direção a um detector". A realidade é que a única maneira de atender a estas condições seria começar com um laser CW que tem uma energia de saída média de pelo menos 1 quilowatt, a partir da qual os pulsos menores que 200 fentossegundos poderiam ser gravados usando um modulador de feixe óptico externo. Este laser de alta potência teria construção e operação impraticáveis e seria muito caro para uso em sistemas de comunicação FSO comerciais. Entretanto, o uso de fontes de USPL em sistemas de comunicação FSO com energias de saída médias muito mais modestas, porém com energias de pulso de pico muito elevadas além de 1 quilowatt, é a essência da presente invenção. Isto leva a uma melhora inesperada na transmissão atmosférica em relação ao uso de lasers de onda contínua (CW) e lasers de pulso de menor energia de todos os tipos.
[0025] Deve ser observado que a largura espectral dos pulsos de um USPL pode ter uma largura considerável. Por exemplo, um USPL com um comprimento de onda central de 1560 nm pode ter uma largura de banda espectral que se estende por várias centenas de nanômetros ou mais. Isto ocorre devido a uma relação recíproca fundamental entre a largura espectral de frequência mínima, f, dos pulsos de qualquer laser e sua largura de pulso temporal, t, ou seja, f = 1/t. E uma vez que o comprimento de onda, , é definido pela relação = c/f, em que c é a velocidade da luz em um vácuo e f é a frequência central do laser, diferenciando os resultados desta relação em = (-c/f2)f = - (2/c)(1/t). Por exemplo, se = 1560 nm e a largura de pulso, t, for de 20 fentossegundos, então usando esta equação a largura espectral mínima, , seria igual a 406 nm. De modo similar, para um USPL com largura de pulso de 10 fentossegundos, a largura espectral mínima seria duas vezes maior, 812 nm. E, para um USPL com uma largura de pulso de 100 fentossegundos, haveria uma largura espectral mínima de 81 nm.
[0026] O que segue resume os principais resultados que foram observados:
1. Benefício imprevisto de propagação dos pulsos de USPL através de efeitos atmosféricos de ar limpo: Melhoras de ~30 dB+ na margem de link de USPL (em relação ao laser CW) de comprimento de onda central 'pretendido' (1550 nm) através de efeitos atmosféricos de ar limpo (cintilação, desvio de feixe, turbulência,
2. Benefício imprevisto de propagação dos pulsos de USPL através de aerossóis de água (nevoeiro, nuvens etc.): Melhoras de 30 dB+ na margem de link de USPL (em relação ao laser CW) de comprimento de onda central 'pretendido' (1550 nm) através de aerossóis de água (nevoeiro, nuvens etc.).
3. Benefícios imprevistos de alteração de comprimento de onda para comprimentos de onda de 'infravermelho mais profundo' em aerossóis de água densos (melhorando a propagação): Em aerossóis de água pesados (algumas vezes 'em ou se aproximando' de ~100 a ~150 dB por atenuação de quilômetro), e depois que o feixe de laser CW foi atenuado para abaixo de seu nível de detecção (ou seja, abaixo da base de ruído do medidor de energia óptica) e depois que a porção mais poderosa do espectro de saída de USPL (centralizado em 1550 nm) também tiver sido atenuada até abaixo de seu nível de detecção, uma porção restante de 1571 nm do feixe de USPL (energia média lançada de ~5 dB mais baixa que a parte de 1550 nm do espectro) ficou completamente 15 dB acima do nível de detecção e estável (baixos níveis de oscilação ao longo do tempo).
4. Benefícios imprevistos em níveis de energia de “pico ao enfraquecimento” recebida de pulso de USPL: Oscilações da energia recebida no feixe de USPL – tanto durante os períodos de menor atenuação, porém, da forma mais crítica, durante períodos de atenuação crescente ou decrescente devido a efeitos climáticos – foram substancialmente menores, por volta de dezenas de dBs, durante períodos muito curtos (tipicamente períodos de um segundo) em comparação às oscilações de energia no feixe de laser CW), e
5. Benefício de Codificação Impulsiva Usando um Pulso Discreto Verdadeiro de Energia de Pico Alto de Retorno para Zero: Melhoras de até e além de 10 dB nas melhoras da margem de link no detector óptico usando pulsos ultracurtos como o portador de sinal em modulação 'de codificação impulsiva' de qualquer tipo.
[0027] Também deve ser observado que os benefícios acima contribuíram significativamente tanto isoladamente quanto em combinação para substancialmente melhorar a disponibilidade geral dos sistemas de comunicação USPL e de sensor.
[0028] O objeto descrito na presente invenção pode ser configurado em sistemas, instrumentos, métodos, e/ou artigos, dependendo da configuração desejada. As implementações definidas na descrição acima não representam todas as implementações consistentes com o objeto descrito na presente invenção. Em vez disso, são meramente alguns exemplos consistentes com os aspectos relacionados ao objeto descrito. Embora algumas variações tenham sido descritas acima detalhadamente, outras modificações ou inclusões são possíveis. Em particular, outras características e/ou variações podem ser fornecidas além daquelas estabelecidas na presente invenção. Por exemplo, as implementações descritas acima podem ser direcionadas a várias combinações e subcombinações das características reveladas e/ou combinações e subcombinações de várias características adicionais reveladas acima. Além disso, os fluxogramas lógicos ilustrados nas figuras anexas e/ou descritos na presente invenção não necessariamente exigem a ordem particular mostrada, ou ordem sequencial, para se atingir os resultados desejáveis.
[0029] Os desenhos anexos, que se encontram incorporados e constituem parte desta especificação, mostram certos aspectos do objeto aqui divulgado e, junto com as descrições, ajudam a explicar alguns dos princípios associados às configurações divulgadas.
Em todos os casos em que os USPLs são mostrados ou discutidos, deve-se assumir que a energia de saída de pico destes lasers é de um kWatt ou mais e que suas larguras de pulso são de um nanossegundo ou menos.
A figura 1 descreve o exemplo de uma plataforma de comunicação óptica, incluindo o acoplamento isento de espaço de uma fonte de USPL como uma fonte óptica para o transporte a um terminal óptico e remoto de recepção; A figura 2 descreve o exemplo de uma plataforma de comunicação óptica, incluindo o acoplamento de fibras de uma fonte de USPL como uma fonte óptica para o transporte a um terminal óptico e remoto de recepção; A figura 3 descreve o exemplo de uma plataforma de comunicação óptica, incluindo o acoplamento de fibras de uma fonte de USPL a um modulador externo para o transporte a um terminal óptico e remoto de recepção; A figura 4 descreve o exemplo de uma plataforma de comunicação óptica, incluindo o acoplamento de fibras de uma fonte de USPL a um modulador externo por um meio de fibras para o transporte a um terminal óptico e remoto de recepção; A figura 5 descreve o exemplo de elementos de transmissão ou recepção que podem ser do tipo das Técnicas de Fabricação do Espelho Hiperbólico ou do projeto Newtoniano; A figura 6 descreve o exemplo de um elemento amplificador de fibra óptica identificado e utilizado para aumentar a intensificação da potência de lançamento da transmissão óptica para o transporte ao terminal de recepção óptica remoto; A figura 7 descreve o exemplo de um dispositivo de laser de USPL que é acoplado por fibra a um modulador externo para transporte, em uma configuração ponto-a-ponto para o transporte a um terminal de recepção óptica remoto; A figura 8 descreve o exemplo de um dispositivo de laser de USPL que é acoplado por fibra a um modulador externo para transporte, em uma configuração ponto-a-multiponto;
A figura 9 descreve o exemplo da utilização de fontes de USPL agindo como fontes de sinalizador (indicação) de rastreio e alinhamento; A figura 10 descreve um exemplo da polarização de fontes de laser de USPL com multiplexação sobre um sinal óptico transmitido, para prover funcionalidade de Multiplexação de Polarização USP-FSO (PM-USP-FSO); A figura 11A e a figura 11B, respectivamente, descrevem exemplos de transceptores USPL-FSO utilizados no âmbito de aplicativos de laser com a linha de visão e fora da linha de visão; A figura 12 descreve um exemplo de luz, incluindo a luz do sinal de dados, propagada para frente sofrendo reflexão reversa pela interação de partículas conduzidas pelo ar que são objeto de investigação; A figura 13 descreve um exemplo de fontes de laser de USPL como técnicas de recepção óptica para aperfeiçoar a sensibilidade da detecção consistente com uma implementação do objeto corrente; as fontes de laser de USPL, bem como as técnicas de recepção óptica aperfeiçoam a sensibilidade de detecção; A figura 14 descreve um exemplo de um transceptor USPL-FSO utilizado e operado por toda a faixa de comprimento de onda infravermelho, opcionalmente incluindo a luz do sinal de dados, como um instrumento localizador e descobridor de faixas para os objetivos da identificação de alvos; A figura 15 descreve um exemplo de um dispositivo multiplicador de pulsos de USPL consistente com as configurações do objeto corrente; A figura 16 descreve outro exemplo de um dispositivo para a geração de fluxos ópticos de USPL de taxas de pulso altas, consistente com as configurações do objeto corrente; A figura 17 descreve outro exemplo de um dispositivo óptico para gerar um fluxo de dados de USPL RZ a partir de um elemento de rede de transmissão convencional; A figura 18 descreve um exemplo da configuração de um dispositivo multiplicador de pulsos USPL para a geração de um sistema de sinais do tipo 10 x
TDM para fornecer uma saída de 100 Gbps; A figura 19 descreve um exemplo da configuração de outro tipo de dispositivo multiplicador de pulsos de USPL para a extensão da taxa de repetição de pulsos para a utilização em redes de alta capacidade; A figura 20 descreve um exemplo da configuração de um outro tipo de dispositivo multiplicador de pulsos de USPL para a extensão da taxa de repetição de pulsos para a utilização em redes de alta capacidade; A figura 21 descreve exemplos de lasers de fibra linear de modo ativo bloqueado com sistemas regenerativos de feedback (FR), multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), fibra dopada com érbio (EDF), acoplador óptico (OC), detector de fotos (PD), loop de fase bloqueada (PLL) e Modulador Mach- Zehnder (MZM); A figura 22 e a figura 23 descrevem exemplos de lasers de fibra linear de modo bloqueado utilizando um absorvedor saturável de nano tubos: refletor de fibra (FR), multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), fibra dopada com érbio (EDF), acoplador óptico (OC) e absorvedor saturável (SA); A figura 24 descreve um exemplo de mecanismo de estabilização de retardo de tempo: acoplador óptico (Ocin, OCout), fotodetector (PDin, PDout), filtro de passagem alta (HPF), filtro de passagem baixa (LPF), loop de fase bloqueada (PLL), comparador de fases (PC), divisor de frequência (1/N), sistema de recuperação de pulso de disparo-dados (CDR), atuadores piezoelétricos (PZ1..PZN), amplificador de operação de resumo, para a utilização na estabilização da relação de pulso a pulso óptico produzida pela fonte de USPL; As Figuras 25A e 25B, respectivamente, incluem um diagrama esquemático e um gráfico relacionado a um exemplo de um mecanismo de controle para estabilizar a frequência de saída de fontes TDM utilizando um atuador PZ idealizado; A figura 26 descreve o exemplo de uma Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM), onde a TDM faz a multiplexação de um trem de pulsos utilizando canais paralelos de atraso de tempo, os canais de atraso devendo ser “consistentes” entre si
(porque a frequência de um trem de pulsos de multiplexação, de modo ideal, é tão insensível quanto possível às alterações ambientais, um sistema de controle de loop de feedback pode corrigir as unidades em atraso quanto a quaisquer flutuações que comprometam a estabilidade da taxa de rep. de saída, e o feedback pode ser provido por meio da interconexão a uma Rede Neutra); A figura 27 descreve um exemplo da utilização de colimadores com base em fibra junto com transdutores piezoelétricos para o controle de circuitos MFC individuais; A figura 28 descreve um exemplo da temporização do chip TDM da fonte de modulação de USPL para prover um Terabyte/segundo (ou mais rápido) com um chip Fotônico Multiplicador; A figura 29 descreve um exemplo da temporização do chip TDM da fonte de modulação de USPL para prover um Terabyte/segundo (ou mais rápido) com um chip Fotônico Multiplicador operando em uma configuração WDM; A figura 30 descreve um exemplo da construção de um sistema assistido por computador que pode controlar a largura do pulso de um laser todo de fibra de modo bloqueado utilizando ajustes recursivos de polarização linear com estabilização simultânea da taxa de repetição da cavidade utilizando um mecanismo autorregenerativo sincronizado e que também pode oferecer possibilidade de controle da taxa de repetição e largura do pulso; A figura 31 descreve um exemplo de um esquema de intercalação de pulso modificado, por meio de uma técnica de multiplicação de pulsos, na qual o trem de pulsos da taxa de repetição mais baixa de um laser bloqueado no modo fonte pode ser acoplado a um acoplador direcional óptico-integrado, onde uma fração fonte- determinada do pulso é desparafusada e “recirculada” em um loop óptico com um retardo óptico igual ao espaço interpulso desejado no trem de pulsos de saída, e reacoplado à saída do acoplador direcional; A figura 32 é um fluxograma de processo ilustrando as características de um método consistente com as configurações do objeto;
A figura 33 é outro fluxograma de processo ilustrando as características de um método consistente com as configurações do objeto; e A figura 34 é outro fluxograma de processo ilustrando as características de um método consistente com as configurações do objeto.
[0030] A figura 1 ilustra um exemplo de uma plataforma de comunicação óptica 100 consistente com a configuração do objeto corrente para a utilização de um dispositivo USPL que é acoplado em espaço livre como uma fonte óptica para transporte. Como mostrado na figura 1, uma fonte de USPL 102 se encontra diretamente modulada por um elemento de fonte externa 104. A potência óptica da fonte de USPL 102 pode ser acoplada através do espaço livre 110 a um elemento de transmissão 106, opcionalmente por um telescópio óptico. O elemento de transmissão 106 pode incluir opcionalmente componentes ópticos formados por técnicas hiperbólicas de fabricação de espelho, projetos Newtonianos convencionais, ou similares. Um telescópio recíproco de recepção em um sistema de recepção pode prover a recepção óptica. Consistente com as configurações do objeto corrente, cada plataforma de transporte óptico pode ser projetada para operar como unidade bidirecional. Em outras palavras, o elemento de transmissão 106 da plataforma de comunicação óptica 100 também pode funcionar como elemento de recepção. Em geral, a menos que explicitamente informado ao contrário, um elemento de transmissão 106, conforme descrito, também pode ser considerado funcional também como elemento de recepção e vice-versa. Um elemento óptico que elaborar tanto as funções de transmissão quanto as de recepção pode ser mencionado no presente documento como um transceptor.
[0031] A figura 2 ilustra um exemplo de um sistema de comunicação óptico 200 consistente com a configuração do objeto corrente que inclui a plataforma de comunicação óptica 100 da figura 1. Na figura 2 também é mostrado um segundo elemento de recepção complementar 204, que pode ser um telescópio de recepção localizado à distância remota do elemento de transmissão 106. Conforme observado acima, tanto o elemento de transmissão 106 quanto o elemento de recepção 204 podem ser bidirecionais, e cada um pode funcionar tanto como um elemento de transmissão 106 quanto um elemento de recepção 204, dependendo da direção instantânea da transmissão de dados no sistema de comunicação óptico 200. Esta característica se aplica por meio desta divulgação para elementos de transmissão e recepção, a menos que explicitamente afirmado de outro modo. Cada um ou ambos os elementos de transmissão 106 ou elemento de recepção 204 podem ser telescópios ópticos ou outros dispositivos para a transmissão e recepção da informação óptica.
[0032] A figura 3 ilustra um exemplo de uma plataforma de comunicação óptica 300 consistente com uma configuração do objeto corrente para a utilização de uma fonte de USPL 102 de fibra acoplada a um modulador externo 302 por um meio de fibra 304 e conectada a um elemento de transmissão 106 por um meio de transmissão adicional 306, o qual pode ser opcionalmente um meio de fibra, uma conexão pelo espaço livre etc. A fonte de USPL 102 pode ser modulada externamente pelo modulador externo 302 de modo que a potência óptica da fonte de USPL 102 seja fibra acoplada ao elemento de transmissão 106 ou manuseada por um telescópio óptico equivalente.
[0033] A figura 4 ilustra um exemplo de um sistema de comunicação óptico 400 consistente com uma configuração do objeto corrente que inclui a plataforma de comunicação óptica 300 da figura 3. Na figura 4 também é mostrado um segundo telescópio de recepção complementar 204, o qual, conforme observado acima com relação à figura 2, pode ser um telescópio de recepção localizado à distância remota do elemento de transmissão 106.
[0034] A figura 5 ilustra um exemplo de uma arquitetura de comunicação óptica 500 consistente com uma configuração do objeto corrente. A arquitetura 500 da figura 5 inclui os elementos da figura 4 e ainda inclui uma primeira rede de comunicação 502 conectada a uma primeira plataforma de comunicação 300. O elemento de recepção 204 faz parte de uma segunda plataforma de comunicação óptica 504, que pode incluir opcionalmente componentes análogos aos da primeira plataforma de comunicação óptica 300. Uma segunda rede de comunicação 506 pode ser conectada à segunda plataforma de comunicação óptica 504, de modo que os dados transmitidos opticamente entre o elemento de transmissão 106 e o elemento de recepção 204 ou são passados entre a primeira e a segunda redes de comunicação 502, 506, sendo que cada uma pode incluir uma ou mais características ópticas e elétricas da rede.
[0035] A figura 6 ilustra um exemplo de um sistema de comunicação óptico 600 consistente com uma configuração do objeto corrente. Como parte de uma plataforma de comunicação 602, uma fonte USP 102 é fibra acoplada a um modulador 302 externo, por exemplo, por meio de uma fibra óptica 202 ou outro meio de transmissão. A luz da fonte USP 102 é propagada por um elemento de transmissão 106 de modo similar conforme discutido acima. Um elemento amplificador óptico 604, que pode ser opcionalmente um elemento amplificador de fibra óptica, pode ser utilizado para aumentar a potência de lançamento da transmissão óptica, e pode ser opcionalmente disposto entre um modulador externo 302 e o elemento de transmissão 106 e conectado a um ou ambos por um meio de transmissão adicional 306, que pode ser opcionalmente um meio de fibra, uma conexão pelo espaço livre etc. Na figura 6 também é mostrado um segundo elemento de recepção 206 complementar localizado à distância remota da plataforma de comunicação óptica 602. Ele entenderá rapidamente que uma segunda plataforma de comunicação óptica 504, que inclui o elemento de recepção 204, também pode incluir um elemento amplificador óptico 604. A primeira e a segunda redes de comunicação 502, 506 podem ser conectadas, respectivamente, às duas plataformas de comunicação óptica 602, 504.
[0036] A figura 7 ilustra um exemplo de um sistema de comunicação óptico 700 consistente com uma configuração do objeto corrente. A plataforma de comunicação óptica 602 mostrada na figura 6 pode estar em comunicação com uma segunda plataforma de comunicação 702, que pode incluir em tal implementação um elemento de recepção 204 e um pré-amplificador óptico 704. Outros componentes similares a estes, e mostrados na plataforma de comunicação óptica 602, também podem estar incluídos na segunda plataforma de comunicação óptica 702, embora não sejam mostrados na figura 7. Será compreendido que uma plataforma de comunicação óptica bidirecional pode incluir um pré-amplificador óptico 704 para amplificar um sinal óptico recebido, e um elemento amplificador óptico 604 para disparar um sinal óptico transmitido. Consistente com a configuração exibida na figura 7 e outras configurações do objeto corrente, a amplificação óptica (por exemplo, para um ou ambos os elementos amplificadores ópticos 604 ou um pré-amplificador 704) pode ser incluída para aperfeiçoar o budget óptico para o link de dados entre o elemento de transmissão 106 e o elemento de recepção 204 (e vice-versa), por exemplo, utilizando um ou mais amplificadores de fibra dopada com érbio (EFDA), um amplificador de alta potência de fibra dopada com érbio-itérbio (Er/Yb-DFA), ou equivalentes, que pode incluir, sem limitações, amplificadores ópticos semicondutores (SOA).
[0037] A figura 8 ilustra um exemplo de um sistema de comunicação óptico 800 consistente com uma implementação do objeto corrente. A plataforma de comunicação óptica 602 mostrada na figura 6 pode estar em comunicação com uma segunda plataforma de comunicação 802, que pode incluir em tal implementação um elemento de recepção 204 e um pré-amplificador óptico 704 similares aos apresentados na figura 7. Conforme exibido na figura 8, a segunda plataforma de comunicação 802 pode incluir ainda um circuito de recepção óptico 804, o qual pode receber dados amplificados e recuperados eletricamente recebidos no elemento receptor 204 e amplificados pelo pré-amplificador óptico. Conforme desejado, uma pluralidade de fontes de pulso de disparo 806 pode interferir para multiplicar conexões de rede multiponto remotas com uma pluralidade de redes de comunicação 810. De modo similar, um conjunto complementar de fontes de pulso de disparo e múltiplas redes de comunicação podem ser operados em conjunto com a plataforma de comunicação 602 (por exemplo, no lugar de uma rede de comunicação individual 502 apresentada na figura 8).
[0038] A figura 9 ilustra um exemplo de um sistema de comunicação óptico 900 consistente com uma implementação do objeto corrente. Uma plataforma de comunicação óptica 902, a qual pode apresentar elementos similares aos da plataforma de comunicação óptica 602, discutida em primeira instância neste documento em referência à figura 6, também pode incluir uma fonte de USPL 904 adicional atuando como uma fonte de sinalizador de rastreio e alinhamento (indicação). Uma segunda plataforma de comunicação óptica 906 também pode incluir uma fonte de USPL 910 adicional, atuando como uma fonte de sinalizador de rastreio e alinhamento (indicação). As fontes de sinalizador de rastreio e alinhamento (indicação) 904, 910 podem se originar opcionalmente das fontes de comunicação disponíveis utilizadas no transporte e transmissão de dados, ou podem ser providas por fontes USP separadas e dedicadas. Adicionalmente, cada fonte de sinalizador USPL 904, 910 pode incluir uma fonte na banda ou fora da banda, permitindo assim a vantagem das fontes de amplificação óptica disponíveis, ou de recursos de amplificação óptica dedicada.
[0039] A figura 10 ilustra o exemplo de um sistema de comunicação FSO 1000 o qual inclui uma plataforma de link de dados óptica USPL-FSO de polarização dupla 1001, na qual as fontes de USPL passam por multiplexação de polarização em um sinal óptico transmitido, para prover, por meio do exposto, a funcionalidade de multiplexação de polarização USP-FSO (PM-SUP-FSO). Duas fontes 102 e 1002 são acopladas por fibra, respectivamente, aos componentes 1004, 1006 de modulação direta ou modulação modulada externamente. Cada sinal modulado respectivo é amplificado opticamente por um componente amplificador óptico 1010, 1012, seguido pelo ajuste de estados de polarização ópticos utilizando os componentes de polarização 1014, 1016. Os sinais de estado de polarização são acoplados por fibra a um componente multiplexador dependente de polarização (PDM) 1022, o qual pode ser similar ao elemento de transmissão 106 discutido acima. O PDM 1020 faz a multiplexação da luz de diferentes estados de polarização a um trem de pulsos individual para a transmissão via o componente da plataforma de lançamento óptica
1022. Um sinalizador óptico 904 USPL pode ser incluído para prover capacidades similares às discutidas acima em referência à figura 9, por exemplo, para operar ao longo ou em conjunto com um segundo sinalizador óptico USPL 906 na plataforma de recepção 1024, que pode incluir um elemento receptor 204 similar aos descritos acima. Conforme observado anteriormente, o elemento de recepção 204, bem como outros recursos e componentes da plataforma de recepção 1024 podem em geral ser capazes de suportar as funções de transmissão de modo que é estabelecido um link bidirecional. Um sinal recebido e recuperado pelo elemento de recepção 204 pode prover um sinal óptico que sofre a interface de um multiplexador 1026 dependente de polarização adequada capaz de prover dois sinais para amplificação óptica adicional utilizando os elementos de amplificação 1030, 1032. Cada sinal óptico amplificado como provido pelos elementos de amplificação 1030, 1032, pode sofrer a interface de uma rede óptica apropriada 1034, 1036 para a utilização da rede.
[0040] A figura 11A exibe o exemplo de um sistema 1100 no qual os transceptores USPL-FSO podem ser utilizados nas aplicações da comunicação óptica em linha de visão (por exemplo, “lasercom”), e a figura 1B exibe o exemplo de um sistema 1150 no qual os transceptores USPL-FSO podem ser utilizados nas aplicações lasercom sem linha de visão. Uma vantagem para algumas configurações do objeto corrente pode ser realizada devido ao espalhamento do sinal óptico enviado de um elemento de transmissão à medida que a luz transmitida passar através da atmosfera. Tal espalhamento pode permitir a utilização da comunicação sem linha de visão. Adicionalmente, os rádios utilizados em tais sistemas de comunicação podem operar na porção sem sol da banda UV-C, onde a luz emite um comprimento de onda de 200 a 280 nm. Nesta banda, quando a radiação solar se propaga através deste ambiente, ela é fortemente atenuada pela atmosfera terrestre. Isto significa que, à medida que se aproxima do solo, a radiação de ruído de fundo cai dramaticamente, e a operação de links de comunicação de baixa potência se torna possível. Na outra banda, os elementos ambientais tais como oxigênio, ozônio e água podem enfraquecer ou interromper a difusão das comunicações, limitando a utilização de aplicativos de faixa curta.
[0041] Quando as ondas UV se propagam através da atmosfera, elas são,
tipicamente, espalhadas fortemente para uma variedade de rotas de sinal. O espalhamento de sinais é essencial para os sistemas UV que operam em condições sem linha de visão, e o desempenho das comunicações pode ser altamente dependente da indicação do feixe de transmissão e do campo de visão do receptor. Um dispositivo de linha de visão 1100 conforme exibido na figura 11A pode diferir no tamanho da largura de banda de um dispositivo sem linha de visão 1150 conforme mostrado na figura 11B. A comunicação ultravioleta pode confiar mais fortemente na posição de um feixe de transmissor e no campo de visão de um receptor. Como consequência, o esmerar do ângulo do ápice de indicação, por exemplo, ao fazer experimentos com equipamento suplementar para aperfeiçoar o sinal UV-C, pode ser vantajoso.
[0042] A figura 12 ilustra o exemplo de um sistema de sensoriamento remoto 1200, no qual uma fonte de USPL 102 é acoplada por fibra via um componente de fibra óptica 202 a um elemento de lançamento óptico 1020 capaz de transmitir e receber sinais ópticos. Certa quantidade da luz propagada para frente, incluindo a luz do sinal de dados, por meio do elemento de lançamento 1020 passa por reflexão óptica reversa pela interação com partículas trazidas pelo ar que são objeto de investigação. O sinal de reflexão óptica reversa é detectado por meio do elemento de lançamento óptico 1020 ou de abertura de recepção similar, e é conduzido para a detecção e análise espectrográfica por meio do circuito de detecção 1204 ou similar da IFG. 12. A assinatura das partículas dentro da região atmosférica alvo 1206, dentro da qual é elaborada uma investigação, pode ser calibrada por meio de abordagens convencionais, por exemplo, utilizando medições de calibragem espectrográficas pré- determinadas com base em um ou mais processos da espectroscopia ultravioleta, espectroscopia infravermelha, espectroscopia de Raman etc. Consistente com esta configuração, um sistema óptico pode ser operado como um instrumento LiDAR provendo resolução otimizada e desempenho de sensibilidade de detecção, utilizando fontes de laser USP operando em uma faixa espectral de interesse. A capacidade de ajuste da faixa espectral pode auxiliar na avaliação e análise dos componentes químicos na atmosfera.
[0043] Os transceptores USPL-FSO podem ser utilizados para o sensoriamento remoto e a detecção de assinaturas de elementos carregados pelo ar utilizando técnicas de detecção iônica ou não iônica, utilizando terminais de transporte óptico fabricados por meio das Técnicas de Fabricação do Espelho Hiperbólico ou de projetos Newtonianos convencionais que foquem um sinal recebido em um ponto ideal. Certas adaptações que também podem ser relacionadas aos testes de ionização de regiões remotas incluem a ionização controlada que comprovou ocorrer nestas frequências, e um processo de ionização que pode ser focado à distância para ajustar a profundidade da penetração atmosférica, especialmente em temporais e nuvens.
[0044] A figura 13 ilustra um exemplo da utilização de fontes de USPL, bem como técnicas de recepção óptica para aperfeiçoar a sensibilidade da detecção. Os pesquisadores no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), EUA, construíram um sistema de limite de laser que pode identificar com precisão múltiplos objetos com uma precisão nanométrica por distâncias de até 100 km. O sistema LIDAR (detecção e limitação da luz) pode ter aplicações da fabricação de precisão na Terra às redes de manutenção de satélites em formação perfeita (Fotônica da Natureza DOI: 10.1038/NPHOTON.2009.94). O dispositivo NIST utiliza dois pentes de frequência de fibra-laser de banda larga coerentes. Os pentes de frequência liberam uma série de pulsos estáveis curtos que também contêm um transportador altamente coerente por meio do trem de pulsos. Isto significa que o pente de frequência pode ser empregado para elaborar simultaneamente uma medição interferométrica, bem como uma medição do tempo de voo, aperfeiçoando assim as capacidades analíticas para a aplicação em situações específicas.
[0045] Na disposição mostrada na figura 13, dois pentes de frequência 1301 e 1302 são utilizados em uma configuração de amostragem óptica linear coerente, também conhecida como heteródina múltipla, significando que um pente de frequência mede ambos os atalhos de distância, enquanto que o outro pente de frequência prove de distância codificada à luz do primeiro pente. Os pulsos do pente de frequência 1301 podem ser lançados para fora da fibra e direcionados em direção a duas placas de vidro, uma referência 1303 e um alvo 1304. As placas 1303 e 1304 podem refletir certa fração (por exemplo, aproximadamente 4%) do pulso de volta para baixo da fibra e criando efetivamente dois novos pulsos. A separação tempestiva entre ambos os pulsos 1301 pode fornecer a distância entre a placa alvo móvel e as placas de referência. Um segundo pente de frequência 1302 possui um bloqueio de fase intenso ao primeiro, mas possui uma taxa de repetição levemente diversa. Devido à demora diversa entre os pulsos consecutivos quando as fontes interferem, o segundo pente de frequência pode fazer a amostragem de uma parte levemente diferente da luz do campo elétrico do primeiro pente.
[0046] Utilizando a técnica descrita como referência à A figura 13, é possível fazer a substituição de duas fontes de fibra-laser de banda larga coerentes com duas fontes de USPL apropriadas utilizadas dentro do escopo da configuração apresentada dispondo cada USPL fibra de fonte acoplada aos projetos dedicados de telescópio óptico de espaço livre. Ao agir conforme descrito, a eficácia geral, o limite óptico e a precisão podem ser substancialmente aperfeiçoados.
[0047] Trens de pulsos ópticos de USPL disponíveis atualmente operam nas taxas de repetição de pulso nativas da fonte de laser USPL, e são tipicamente limitados a 50 MHz ou menos e, por meio do exposto, mapeando as taxas de dados máximas pertinente à transmissão óptica. Em função do exposto, o sistema óptico utilizando as fontes de laser se encontra restrito às aplicações de taxa de dados baixas de 50 Mbps ou menos. Se os meios tiverem que aumentar as taxas operacionais USPL, é necessário prover soluções para o transporte de dados acima de 50 Mbps.
[0048] A figura 14 ilustra um exemplo de um sistema de sensoriamento remoto 1400, no qual a fonte de USPL 102 é acoplada por fibra via um componente de fibra óptica 202 a um elemento de lançamento óptico 1202 capaz de transmitir e receber sinais ópticos. A luz propagada para frente por um elemento de lançamento 1202, incluindo a luz do sinal de dados, passa por reflexão óptica reversa por interação com alvos conhecidos e não conhecidos que são o objeto da investigação dentro da região atmosférica 1206. O sinal óptico que sofre reflexão reversa, incluindo a luz do sinal de dados, é detectado por meio do elemento de lançamento óptico 1202 ou de uma abertura de recepção similar e é passado adiante para a análise de detecção por meio de um circuito de detecção e componente de análise espectrográfica 1402 da figura
14. A assinatura das partículas dentro da região 1206 em investigação pode ser calibrada, por exemplo, onde a análise de localização de faixa pode ser elaborada. Um sistema 1400 como na figura 14 pode incluir um transceptor USPL-FSO utilizado e operado pelas faixas de comprimento de onda de 1,3 até 1,6 mícron como um instrumento de localização e percepção de faixa para os objetivos da identificação de alvos e aplicações de interrogação.
[0049] A figura 15 ilustra um módulo de multiplicação de pulsos ópticos 1500 que pode aumentar a taxa de repetição da saída de uma fonte de USPL 102. Uma USPL típica com uma largura de pulso de 10-100 fentossegundos possui uma taxa de repetição, por exemplo, de 50 MHz. A saída de uma USPL 102 pode ser alimentada como uma entrada 1502 para dentro do módulo multiplicador de pulso de chip fotônico USPL 1504. Neste exemplo, o chip fotônico pode conter um elemento divisor 20.000:1 1506 o qual divide a entrada em elementos de luz discretos. Cada elemento de luz no lado oposto do elemento divisor 1506 contém o trem de pulsos de 50 MHz. Cada elemento de luz passa então por um controlador de retardo (um loop de fibra ou arranjo de lentes) 1510, que retarda o trem de pulsos para tal elemento em tempo, por exemplo, ao longo de um número de picossegundos. Os elementos de luz sucessivos são retardados por meio do exposto por picossegundos com incremento. Todos estes trens de pulsos com os seus retardos de tempo únicos são combinados em um trem de pulsos individual de um modo similar a multiplexação de divisão do tempo, utilizando um elemento combinador óptico 20.000:1 1512. Os quocientes exigidos de divisores e combinadores podem ser controlados para prover os projetos ópticos necessários ao aplicativo desejado. A saída final 1514 é um trem de pulsos de 10-100 pulsos de fentossegundos com uma taxa de repleção de 1 THz. Este trem de pulsos pode então ser modulado por um sinal de 10 ou 100 GigE, tal qual mostrado na figura 28, resultando em pulsos de 100 fentosegundos por bit para o sistema de 10 GigE, e pulsos de 10 fentossegundos por bit para sistemas de 100 GigE. A aplicação citada não está limitada a taxas de dados específicas de 10 e 100 Gbps, mas pode operar conforme exigido pela aplicação sob considerações. Estes números são apenas para objetivos de ilustração. As configurações do objeto corrente podem utilizar qualquer fator de multiplicação para aumentar a taxa de repetição da USPL por meio o módulo multiplicador de pulso de chip fotônico 1504 a qualquer taxa de repetição arbitrária. Outros exemplos utilizados na geração de taxas de repetição USPL aperfeiçoadas são ilustrados dentro da presente submissão.
[0050] A figura 16 ilustra um sistema 1600 para a geração, transmissão e recepção de fluxos ópticos USPL de taxas de pulso altas. Um módulo de multiplexação de chip óptico 1610, que pode, por exemplo, ser similar ao discutido na referência à figura 15, pode ser utilizado nesta aplicação. Nesta abordagem, para alcançar a multiplicação de pulsos USPL, uma série de conexões de roteadores de 10 GogE (10 GigE não possui a intenção de ser uma característica limitadora) descrita pelos sinais 1601, 1602, 1603, 1604 (quatro sinais são exibidos na IFG. 16, mas ficará subentendido que qualquer número se encontra dentro do escopo do objeto corrente) passam por interface ao módulo de multiplexação de chip óptico 1610. Em operação, o módulo de multiplexação de chip óptico 1610 pode suportar duplex total (Tx e Rx) para se conectar com os roteadores 1601, 1602, 1603, 1604 de 10 GigE. O módulo de multiplexação de chip óptico 1610 pode prover modulação eficiente via uma saída 1685 de sinal USPL de uma fonte de USPL 1690 para o ingresso dos sinais ópticos 1601, 1602, 1603, 1604. O módulo de multiplexação de chip óptico 1610 pode prover capacidades para modular e fazer a multiplexação destes sinais ópticos de entrada.
[0051] Em um local de recepção remoto onde um dispositivo de recepção se encontra posicionado, todos os sinais enviados por meio do elemento de transmissão 1660 no dispositivo de transmissão podem ser recuperados por meio da utilização de um elemento receptor apropriado 1665. Um conjunto complementar do módulo de multiplexação do chip óptico 1675 pode prover as capacidades necessárias para a demultiplexação do fluxo de dados recebidos conforme mostrado pelos elementos para o envio a uma série de roteadores 1601', 1602', 1603', 1604' (novamente, a exibição de quatro de tais roteadores não possui a intenção de ser limitadora). A conectividade da rede de ponta-a-ponta pode ser demonstrada por meio dos elementos de ponto final da rede.
[0052] A figura 17 exibe um exemplo do sistema 1700 no qual um chip óptico está interconectado a um sistema de multiplexação de divisão de comprimento de onda (WDM), cujas versões atualmente existentes podem ser bem caras. Os sistemas WDM possuem a vantagem de não exigir temporização ou sincronização como exigido com um roteador 1701 de 10 GigE (ou outra velocidade), uma vez que cada sinal de 10 GigE corre independente de tais outros sinais em seu próprio comprimento de onda. A temporização ou a sincronização do chip óptico TDM com roteadores de 10 GigE podem ser importantes em um chip óptico TDM. Um disjuntor GbE 1701 pode prover o sinal RF elétrico 1705 necessário do interruptor 1701 para modular uma fonte de USPL 1702, quer diretamente ou através da utilização de USPL, um módulo multiplicador de pulsos previamente detalhado dentro do presente documento. Uma saída RZ típica 1710 pode ser acoplada a um modulador externo 1720, o qual pode ser modulado utilizando uma fonte de pulso de disparo NRZ para o disjuntor 1701, resultando assim em um espectro modulado RZ 1730. O processo de conversão utilizando um equipamento prontamente disponível pode prover as capacidades para a introdução das fontes de USPL e seus benefícios para dentro de um espectro de rede backhaul terrestre.
[0053] Para que o sistema de chip óptico possa fazer a ponte com sucesso entre dois disjuntores de 10 GigE remotos, ele deverá agir tipicamente como um simples pedaço de fibra. Assim, a temporização do chip TDM pode ser orientada pelo disjuntor de 10 GigE 1701. As duas USPLs de modo bloqueado ativo (ou seja, 40 GHz, largura de pulso de 1 picossegundo) e as duas USPLs de modo bloqueado passivo (ou seja, 50 MHz, largura de pulso de 100 fentossegundos) podem ser conduzidos por um sinal de temporização RF.
[0054] A figura 18 ilustra um dispositivo 1800 que pode suportar outra abordagem para a progressão a uma operação de taxa de dados de repetição de pulso alto, tal como para a operação de taxas de dados extremamente alta na qual o projeto do chip óptico pode ser elaborado utilizando a óptica de fibra ou do espaço livre. Uma fonte de USPL de 50 MHz sofre a interface de uma série de elementos de controle de retardo óptico 1802, a qual pode ser projetada através da utilização de loops de fibra ou lentes de deslocamento, para resultar na produção exata de um fluxo de saída de 10,313 Gbps RZ que é a taxa da linha de 10 GigE (maior do que 10 Gbps em função da codificação 64B/66B). Um elemento divisor 1803 provê a funcionalidade da divisão do trem 1801 de sinal óptico de entrada em (neste exemplo) 206 atalhos, ao longo com as linhas de retardo óptico variável 1804. Após retardo suficiente ter sido introduzido através do projeto, todos os sinais passam por multiplexação simultânea por meio de um elemento de combinação 1805. Ao agir assim, uma série de sinais ópticos idênticos e igualmente separados entre os pulsos adjacentes formam uma série contínua de pulsos para modulação. Antes de penetrarem em um elemento modulador E-O 1806, todos os sinais ópticos de ingresso podem ser condicionados por técnicas pré-ênfase, por exemplo, utilizando típicas técnicas de amplificação óptica, para originar um espectro de potência uniforme para cada sinal de egresso do elemento de combinação 1805. Os sinais de egresso condicionados são então acoplados ao elemento modulador E-O 1806 e modulados com um sinal NRZ disponível do elemento de fonte de sinal de 10 GigE 1807. A saída modulada de 10 GigE 1809 pode sofrer a interface de um AFDE e em seguida entrar no TX de um sistema FSO (ou sistema de fibra óptica). O lado RX (após o detector) pode ser alimentado diretamente a um disjuntor de 10 GigE e a uma saída modulada e amplificada 1810.
[0055] A figura 19 ilustra outro exemplo de um dispositivo 1900 que pode ser utilizado para a multiplicação de pulsos de USPL de modo consistente com as configurações do objeto corrente. Consistente com esta abordagem, um sistema de
10 x TDM é configurado para fornecer uma saída de 100 Gbps. Um chip de demultiplexação TDM pode se encontrar no lado da recepção de um link de comunicação para quebrar os sinais de 10 GigE, e pode incluir uma abordagem recíproca ao projeto mostrado na figura 19.
[0056] Como na figura 18, uma fonte de USPL de 50 MHz 1801 sofre a interface de uma série de elementos de controle de retardo óptico 1802, os quais podem ser projetados utilizando loops de fibra ou lentes de deslocamento, para produzir exatamente um fluxo de saída RZ de 10,313 Gbps, o qual é a taxa da linha de 10 GigE (maior do que 10 Gbps devido à codificação 64B/66B. Um elemento divisor 1803 provê a funcionalidade da divisão do trem de sinais ópticos recebidos 1801 em (neste exemplo) 206 atalhos, ao longo com as linhas de retardo óptico variáveis 1804. Após um retardo suficiente ter sido introduzido por meio do projeto, todos os sinais passam juntos por multiplexação por um elemento de combinação 1805. Ao invés de um elemento modulador individual 1806 conforme mostrado na figura 18, contudo, a saída RZ de 10,313 GHz 1901 do elemento de combinação 1805 é alimentada a um segundo elemento divisor 1910, o qual, neste caso, pode ser um divisor 10x, o qual divide o sinal óptico em dez atalhos paralelos. Outras configurações deste projeto podem suportar diversas taxas de divisão conforme exigidos pelo projeto. Os atalhos ópticos que saem do segundo elemento divisor 1910 são conectados individualmente a linhas de retardo óptico específicas 1920. Cada atalho retardado individual é conectado a um modulador óptico dedicado de um conjunto de moduladores ópticos 1930 modulados com um sinal NRZ disponível do elemento de fonte de sinais 10 x 10 GigE 1931, resultando em uma série de sinais ópticos modulados 1935. Um combinador óptico identificado 1940 provê um trem individual de pulsos ópticos 1950. A série de pulsos ópticos no trem individual de pulsos ópticos 1950 pode sofrer a interface de um amplificador óptico apropriado para o condicionamento óptico desejado para a utilização na rede.
[0057] A figura 20 ilustra um outro exemplo de um dispositivo 2000 que pode ser utilizado para a multiplicação de pulsos USPL consistente com as configurações do objeto corrente.
Um dispositivo 2000, conforme exibido, pode prover a habilidade de se obter altas taxas de repetição de dados de pulso de USPL para aplicações de rede pela modulação dos pulsos intracanal de taxa de repetição baixa.
Ao aplicar a modulação direta de cada canal sobre o controlador de retardo, a criação de um esquema de modulação, o qual não é restringido pelas limitações de velocidade correntes da tecnologia eletrônica, pode ser concluído de modo benéfico.
As configurações do objeto corrente podem prover um mecanismo para otimizar a capacidade da transmissão de dados de um sistema, por meio da modulação separada de canais individuais à velocidade da modulação eletrônica padrão corrente (no exemplo da figura 20 a entrada de sinal 2001 à taxa de 100 x 10 GigE). Nesta abordagem, o padrão corrente, o qual é limitado pela velocidade dos moduladores eletro-ópticos (40 Gbps), pode ser otimizado por aproximadamente N ordens de magnitude, onde N é o número de canais do multiplexador de tempo.
Por exemplo, uma TDM de 100 canais com a amplitude de cada canal modulada à taxa de dados padrão corrente, pode estar apta a oferecer taxas de dados a velocidades acima de 4 Tbs.
N pode ser limitado pela largura do próprio pulso óptico.
No limite de que a informação é carregada a 1 bit/pulso, o intervalo de tempo ocupado por 1 bit é a largura do próprio pulso (neste sentido o sistema RZ convergirá para um NRZ). No esquema, por exemplo, um laser de largura de pulso de 40 fs com uma taxa de repetição de 40 GHz, se encontra apto a carregar informações a uma taxa máxima de 25 Tbps.
Tal abordagem pode ser utilizada em um esquema de modulação de canais de 40 Gbps (ou seja, 1 bit a cada 25 ps) e pode corresponder a uma capacidade de N-625 canais em uma transmissão individual, o que pode ser o número dos intervalos de tempo 40 fs que cabem em um intervalo de tempo de 25 ps.
Uma vantagem significativa desta abordagem é a habilidade de “aperfeiçoar opticamente” um esquema de modulação de capacidade de dados limitado, ao fazer ao mesmo tempo a interface com os moduladores limitados de taxa de dados existentes.
Por exemplo, um modulador de amplitude com base em um interferômetro Mach-Zehnder pode ser facilmente integrado a um pacote TDM IC, o que exige a habilidade de ramificar o canal em dois atalhos distintos, adicionar um pequeno modulador de fases (cristal não linear) em um dos atalhos, e combinar os atalhos para interferência.
[0058] A figura 20 inclui uma fonte de USPL 2010 acoplada a um elemento divisor óptico de múltiplas portas 2020. O número de portas ópticas identificado não necessita ser limitado ao descrito ou mostrado no presente documento. Uma série de linhas de retardo óptico 2030 fornece os retardos ópticos exigidos entre cada atalho paralelo do elemento divisor óptico de múltiplas portas 2020, e pode ser feito sob medida para aplicativos específicos. Os caminhos de retardo óptico das linhas de retardo óptico 2030 são somados usando um elemento combinador óptico 2035. O fluxo de dados ópticos combinado resultante que aparece por meio do elemento 2040 representa uma otimização multiplicativa na taxa de repetição de pulsos da fonte de USPL original identificada pelo elemento 2010. Uma otimização adicional na taxa de repetição de pulsos é obtida por meio do uso do elemento 2041, descrito por um divisor óptico no qual o sinal 2040 que chega é dividido em uma série de caminhos não limitados àqueles identificados pelo elemento 2041. Por meio de um segundo controlador de retardo 2045, poderão ser introduzidos retardos ópticos a cada caminho dentro do dispositivo conforme identificado pelo segundo conjunto de caminhos de retardo óptico 2042. Cada caminho paralelo 2042, por sua vez, é modulado por meio de um elemento modulador 2044 com um elemento de fonte de sinal RF disponível identificado pela entrada de sinal 2001. Um elemento combinador óptico 2050 integra todos os sinais que entram em um único fluxo de dados 2060.
[0059] As técnicas de pré-ênfase e de-ênfase óptica podem ser introduzidas em cada segmento dos elementos descritos para adequar o espectro óptico a uma distribuição de potência óptica uniforme ou assimétrica. As pré-ênfase e de-ênfase podem ser obtidas usando amplificadores ópticos comumente utilizados, tais como amplificadores de fibra dopada com érbio (AFDE).
[0060] A figura 21 exibe o exemplo de um sistema 2100 que inclui uma fonte de USPL de travamento de modos 2101, que pode ser utilizado para gerar os fluxos de dados e relógio apropriados exigidos para o aplicativo. Os lasers de travamento de modos poderão representar uma escolha de alta performance, uma fonte de alta precisão para relógios em sistemas de comunicação digital. Sob este aspecto, os lasers de fibra em trava de modo – quer na configuração linear ou anelar – poderão ser um candidato atrativo da escolha, pois podem alcançar larguras de pulso na região da fonte de USPL e uma taxa de repetição tão alta quanto GHz. Em adição ao exposto, as fibras oferecem compacidade, baixo custo, baixa sensibilidade a ruídos térmicos, baixo tremor, nenhum problema associado à difração ou poluição de pó no ar, apenas para citar alguns. Em um cenário de comunicações, a largura do pulso poderá determinar a largura de banda disponível do sistema, e a taxa de repetição limita a taxa de dados. A largura do pulso poderá ser determinada pelas características intrínsecas da cavidade do laser – ou seja, o balanço da dispersão da velocidade de grupo (DVG) geral, e a escolha do absorvedor saturável (no caso de um sistema passivo) – ou a largura de banda de um elemento ativo (no caso de um sistema de travamento de modos ativo). A taxa de repetição do trem de pulso é limitada pelo comprimento da fibra. Por exemplo, em um laser linear, o modo fundamental vosc do laser pode ser expresso como:
[0061] onde c é a velocidade da luz no vácuo, ng é o índice médio do grupo, e L é o comprimento da cavidade. Por conseguinte, um elemento de cavidade de laser com comprimento de fibra de 10 cm 2110 com um índice de grupo médio de 1,47 teria uma taxa de repetição de 1 GHz. Em sistemas estritamente passivos, o travamento de modos poderá ser alcançado por meio do uso de um absorvedor saturável. Em um laser ativo, um elemento modulador de amplitude 2150 poderá ser inserido na cavidade para aumentar a taxa de repetição do laser (travamento harmônico de modo). Para alcançar relógios de alta taxa de repetição usando uma fonte de USPL de travamento de modos, é possível usar um ou mais de (i) um modulador Mach- Zehnder de amplitude de intracavidade (MMZ) 2150 conforme exibido na figura 21 e (ii) um absorvedor saturável de limiar baixo. Tais técnicas conhecidas como
“travamento harmônico de modo”, poderão ser utilizadas dentro de um sistema de distribuição de instalação com base em fibra, ou dentro de um sistema FSO, para sistema terrestre, submarino ou FSO em aplicativos no ar, espaço ou submarino.
[0062] Detalhado dentro da figura 21 se encontra o elemento de bomba de 980 nm 2102 acoplado a um dispositivo WDM óptico 2105. Um amplificador de fibra dopada com érbio 2110 ou equivalente poderá ser utilizado para criar um ambiente não linear a fim de obter uma emissão de trem de pulso de modo bloqueado dentro de uma cavidade fechada estabelecida entre dois refletores Faraday 2101 e 2160 em cada extremidade da cavidade USPL óptica. A operação do dispositivo é capaz de estabelecer uma série de autocontenção de pulso óptico acima de 100 Gbps, e altamente sincronizada em sua natureza na porta de saída 2170 do módulo. Para alcançar um alto ganho de meio não-linear, o AFDE 2100 pode ser especialmente projetado. Um loop de bloqueio de fase 2130 poderá prover estabilidade vantajosa na operação pela manutenção de uma fonte de relógio sincronizada por meio da modulação do sinal através dos componentes 2120, 2130, 2150 do gerador de pulso de taxa de alta repetição de autocontenção.
[0063] Para obter altas taxas de repetição em um laser que se encontra limitado por suas dimensões (comprimento no caso de um laser linear e perímetro no caso de um laser de anel), poderá ser necessário estimular a geração intracavidade dos múltiplos do modo fundamental. No caso ativo, um modulador de amplitude inserido na cavidade modula a perda do sistema operando como um dispositivo de “intercepção de limiar”. Para que tal abordagem seja bem-sucedida, poderá ser necessário que o sinal de controle ao modulador seja referenciado à oscilação do próprio laser para evitar que o sinal de direção “force” uma frequência externa de oscilação sobre o laser. Isto poderá ser realizado pela introdução de um elemento de loop de bloqueio de fase 2130, ou um circuito oscilador síncrono para rastrear e bloquear a taxa de repetição do laser e regenerar o sinal. No caso de um PLL, a saída RF poderá ser ajustada a um múltiplo do sinal de entrada (tal dispositivo é muito utilizado na tecnologia de telefones celulares), e a taxa de repetição do laser aumentada. O sinal poderá então ser utilizado para disparar um gerador de pulsos, ou em conjunto com um filtro de passagem baixa, Um modulador de amplitude MZ 2150 fora da cavidade do laser poderá ser utilizado para criar uma modulação de On-Off Keying (OOK) no trem de pulsos que sai do laser de modo bloqueado.
[0064] A figura 22 exibe uma imagem gráfica 2200 ilustrando os efeitos de uma modulação de perda introduzida ao trem de pulsos de entrada 2201 devido à presença do modulador de amplitude 2205 com um sinal de controle NRZ 2210 elaborado com uma sequência de bits conforme ilustrado. O sinal resultante na saída do dispositivo 2220 representa um dispositivo conversor de NRZ a RZ para o uso em telecomunicações e aplicativos científicos, onde o aplicativo poderá se beneficiar de fluxos de dados RZ. Um sinal de relógio 2201 (entrada óptica) a uma certa taxa de repetição de pulsos passará pelo modulador 2201. Ao mesmo tempo, um sinal de controle consistindo em uma sequência de 1’s e 0’s poderá ser aplicado à porta RF do elemento modulador 2215. Quando o elemento modulador 2215 estiver polarizado à transmissão mínima, na ausência de um sinal de controle, a perda vivenciada pelo sinal óptico poderá estar em seu máximo. Na presença do sinal RF (1’s), a perda cairá a um mínimo (PORTÃO ABERTO), e deste modo estará atuando como um dispositivo de modulação On-Off Keying. A largura do pulso do sinal óptico de saída é bem inferior ao intervalo de tempo ocupado por um bit individual de informação (até mesmo inferior ao período de meio relógio de um esquema NRZ) tornando tal sistema genuinamente RZ conforme identificado pelo elemento 2220.
[0065] A figura 23 ilustra um sistema de exemplo 2300 para a geração de altos fluxos de pulso USPL harmônicos ópticos dispondo de alta taxa de repetição de pulso utilizando um dispositivo absorvedor saturável (SA) 2330. Em alguns exemplos, o dispositivo SA 2330 poderá incluir nano-tubos de carbono. Lasers de fibra de modo bloqueado passivos utilizando nano-tubos de carbono SA (CNT-SA) fornecem outra opção atraente para fontes de taxas de alta repetição devido a sua habilidade em gerar alta harmonia da taxa de reprodução fundamental. Na abordagem descrita, se estabelece uma cavidade óptica autocontida e fechada, na qual dois refletores
Faraday 2301 e 2350 formam uma cavidade óptica. Embora um amplificador de fibra dopada com érbio (AFDE) 2310 de alta potência seja exibido na figura 23, poderá ser utilizado qualquer meio de inversão que forme uma cavidade óptica não linear. Um laser inicial 2315, tal qual, por exemplo, um laser de bombeamento 980 nm conforme mostrado na figura 23 poderá ser utilizado na geração de um trem óptico com alta taxa de repetição. Em particular, qualquer laser de bombeamento poderá ser considerado em termos de comprimento de onda e taxa de repetição exigida. O elemento SA 2330 poderá ser disposto entre a cavidade para estabelecer as características de pulso óptico 2350 exigidas, conforme exigido por meio de requerimentos do projeto.
[0066] A figura 23 exibe a esquemática de um exemplo de laser que poderá ser utilizado em uma ou mais implementações do objeto corrente. Diferente do laser ativo exibido na figura 22, aqui o modulador MZ poderá ser substituído pelo elemento SA
2330. Uma técnica similar às descritas no presente documento poderá ser utilizada dentro de um sistema de distribuição de instalação baseada em fibra ou dentro de um sistema FSO, para sistemas terrestres, submarinos ou FSO quer em aplicações aéreas, espaciais ou submarinas.
[0067] A figura 24 ilustra uma abordagem para prover multiplexação por divisão de tempo (TDM) onde a TDM faz a multiplexação de um trem de pulsos utilizando canais de retardo de tempo paralelos. Em alguns momentos, poderá se tornar importante manipular os canais de retardo de modo que sejam “consistentes” na relação entre si. A frequência do trem de pulso multiplexado de output poderá, de modo ideal, ser insensível o tanto quanto possível às mudanças ambientais. Para tal, um sistema de controle de loop de feedback é projetado para corrigir as unidades de retardo quanto a quaisquer flutuações que comprometerem a estabilidade da taxa de repetição de saída.
[0068] A figura 24 exibe o diagrama de um exemplo de sistema de controle de retardo 2400. O loop de controle poderá ser otimizado de um ou vários modos consistentes com o objeto corrente. A figura 24 descreve uma possibilidade para fins ilustrativos. O trem de pulso de entrada entra na TDM e faz a multiplexação em N caminhos, cada qual com a sua própria linha de retardo.
Se os caminhos forem compostos por guias de ondas de fibra de baixa “perda de flexão”, então cada caminho poderá ser enrolado em torno do atuador piezelétrico (PZ) cilíndrico de raio R.
Os atuadores em geral se expandem se expandem em direção radial em função de uma voltagem de controle (Vc). Este ΔR de expansão, que é linearmente proporcional à Vc, provoca uma alteração no comprimento da fibra ΔL = 2 πNΔR, onde N é o número de voltas de vibra em torno do PZ.
Para a multiplexação de Terahertz, o retardo entre os pulsos (e assim de PZ1) deverá ser de 1 picossegundo.
Isto poderá exigir uma mudança no comprimento igual a 200 mícrons o que corresponde, para um atuador PZ de uma volta, a ΔR = 32,5 mícrons.
Os atuadores piezelétricos mais disponíveis comercialmente são os altamente lineares que operam bem dentro desta faixa.
Assim, o mecanismo de controle poderá se basear em diversos atuadores PZ, cada qual com um número de voltas correspondendo aos múltiplos do primeiro retardo, ou seja, (32, 64, 96 mícrons etc.), e controlados por um VC de voltagem único.
A voltagem de controle é determinada pelo sistema de feedback que compara a frequência do sinal de saída utilizando um divisor 1/N, com a frequência do sinal de entrada, utilizando um comparador de fases (PC). A frequência do sinal óptico de entrada “lento” (representado pela forma de onda com RT na figura 24) é convertido a um sinal RF utilizando o fotodetector PDin.
Para reduzir os efeitos da instabilidade eletrônica, um “diferenciador” (ou filtro de passagem alta) poderá ser aplicado ao sinal RF, de modo a aumentar o declive as extremidades de direção dos pulsos.
Um loop de fase bloqueada é utilizado para rastrear e bloquear o sinal, e para restaurá-lo a uma forma de onda de ciclo de tarefa de 50%. Do mesmo modo, no lado de saída, o sinal óptico é captado por um fotodetector PDout, filtrado em filtro de passagem alta e regenerado através do uso da porta de saída do relógio do sistema de recuperação de relógio e data.
O relógio do sinal de saída que possui uma frequência N vezes a frequência do sinal de entrada é enviada a um divisor de frequência de N vezes antes de ir para o comparador de fases.
Do comparador de fases, um nível de voltagem DC representando um desacordo entre os sinais de entrada e de saída (bem similar ao que é utilizado na arquitetura de circuitos PLL) indica a direção da correção pertinente aos atuadores. Um filtro de baixa passagem adiciona uma constante de tempo ao sistema para otimizar a sua insensibilidade a falsos ruídos.
[0069] Um CDR poderá ser vantajosamente utilizado na saída, de modo oposto a um PLL, de modo que o sinal de saída possa ou não ser modulado. Este sistema poderá ser projetado para trabalhar em esquemas não modulados e “modulados intra- TDM” (ou seja, um modulador a cada caminho de retardo). Contudo, aqui se trata de uma abordagem totalmente determinística para compensar as variações no comprimento das linhas de retardo. De modo ideal, e dentro de um ponto de vista prático, todos os caminhos de retardo deverão ser referenciados ao mesmo “nível térmico”, ou seja, ser sensitivos simultaneamente às mesmas alterações térmicas. Caso cada linha sentir uma variação distinta, este sistema não estaria apto a fazer tal correção em tempo real.
[0070] Na alternativa, uma abordagem totalmente estatística poderá incluir a soma dos circuitos de amperagem de operação (S1...SN) para fornecer a voltagem de controle aos atuadores. Utilizando tal abordagem, as voltagens de entrada (V1 a VN) poderão ser usadas para compensar discrepâncias no comprimento entre as linhas, em um sentido totalmente estático, e de outro modo elas poderão ser usadas para ajustes finos iniciais do sistema. De modo típico, tal abordagem também deverá compensar, ou pelo menos levar em consideração, quaisquer exigências de perda de flexão das fibras utilizadas. Algumas fibras novas que estão apenas sendo lançadas no mercado poderão dispor de um raio crítico de apenas alguns poucos milímetros.
[0071] Para o caso de que cada linha de retardo de caminho sinta uma variação diferente na temperatura, ou vivencie alterações de comprimento não correlacionadas devido à detecção de falso ruído, a abordagem previamente descrita, como tal, poderá sofrer das dificuldades na elaboração de uma correção em tempo real. Uma abordagem mais robusta operando de modo totalmente estatístico poderá ser usada de modo consistente junto com algumas implementações do objeto corrente. Em tal abordagem os circuitos de amperagem de operação (S1...SN) poderão ser utilizados para enviar as voltagens de controle aos atuadores. Neste caso, as voltagens de entrada (V1 a VN) poderão ser usadas para compensar discrepâncias no comprimento entre as linhas de retardo em um sentido totalmente estatístico, e de outro modo elas só poderão ser úteis para ajustes finos iniciais do sistema (calibragem).
[0072] Referindo-se novamente à figura 24, uma fonte de USPL de entrada identificada como elemento 2401 é acoplada a um elemento acoplador óptico 2403, de modo que uma perna do acoplador se conecte a um fotodiodo óptico selecionado para a operação à taxa de dados operacionais de 2401. Utilizando as técnicas de filtragem eletrônica descritas pelos elementos 2404, 2405 e 2406, uma representação de uma onda quadrada elétrica do sinal USPL de entrada é extraída e identificada pelo elemento 2407. A segunda perna óptica do acoplador 2403 passa por interface para dentro de um elemento divisor óptico apropriado identificado por 2410, onde o sinal que entra no 2410 é dividido em 206 caminhos ópticos paralelos. Também se encontram ilustradas linhas de retardo óptico de taxas variáveis estabelecidas em paralelo para cada um dos ramais paralelos do elemento divisor 2410. Os elementos elétricos piezelétricos paralelos são identificados por elementos 242N e são controlados eletricamente por circuitos de feedback contidos no diagrama. Uma voltagem de controle identificada por Vc é gerada através de um fotodiodo 2485 ao longo com os elementos do circuito eletrônico 2480 e 2475. O elemento de recuperação de relógio e data (CDR) 2475 produz uma fonte de relógio que é usada no controle de cada um dos elementos PZ. Os caminhos ópticos identificados como 244N são combinados após um retardo apropriado ter sido introduzido em cada perna do elemento 2410. O sinal USPL multiplicado de pulso 2490 é gerado por meio disto.
[0073] A figura 25A exibe uma esquemática de um atuador PZ de fibra 2500, e a figura 25B exibe um gráfico 2590 do raio vs. a voltagem para tal atuador. Juntos tais desenhos ilustram a operação de um atuador PZ para o aumento da taxa de repetição de pulso de um trem de pulso USPL de entrada através do retardo óptico induzido. Embora mostrado para o uso como um elemento para otimizar a geração da taxa de repetição de pulso para sinais USPL, a mesma técnica poderá ser usada para outros dispositivos ópticos que exijam ou se beneficiem do retardo óptico. A estrutura básica para o dispositivo é um atuador PZ baseado de fibra 2501. Quando uma voltagem 2550 for aplicada aos eletrodos 2520, ocorre um stress induzido pela voltagem dentro da fibra, causando um retardo de tempo do sinal óptico que viaja através da fibra. Ao se variar a voltagem aplicada, se obtém uma curva de performance do retardo óptico vs. a voltagem aplicada conforme exibido no gráfico 2590 da figura 25B.
[0074] A figura 26 exibe um diagrama ilustrando as características do exemplo de um corretor estatístico 2600. O controlador de correção de baixa resolução 2640 exibido na figura 26 corresponde ao sistema descrito na seção anterior, que pode corrigir variações de comprimento capturadas simultaneamente por todas as linhas de retardo. Conforme mencionado, se espera que tais variações ocorram em uma escala de tempo muito mais lenta do que as variações falsas da “linha de intra-demora”. Tal efeito posterior poderá se manifestar como uma instabilidade de período a período introduzida no sistema. Este tipo de instabilidade poderá ser monitorado através do uso de um Analisador de Espectro RF (RFA), acarretando que a linha da taxa de rep. do sistema exiba “linhas laterais” (ou bandas laterais), que são o resultado da união das frequências ruidosas através do analisador, oriundas de intervalos de tempo desiguais entre pulsos consecutivos. Um padrão deste tipo poderá ser processado através de um conversor analógico para digital e salvo como uma matriz de valores, o qual poderá então ser alimentado a uma máquina de rede neural (NN). Sabe-se que as máquinas de rede neural possuem características de adaptabilidade excelentes que permitem que conheçam essencialmente padrões de fora dos eventos ao se adaptar a um novo conjunto de entradas e saídas. Um conjunto de entradas neste caso poderá ser gerado a partir de um conjunto de “observações imperfeitas”, ou seja, saídas “ruidosas” do sistema TDM conforme detectado pelo RFA e convertido para matrizes digitais pelo ADC ({f1, f2,...,fN}), onde f1 é um componente da frequência captado pelo RFA). Um conjunto de saídas poderá ser gerado a partir das correções ({V1,V2,...,VN}, onde Vi é uma voltagem de entrada de compensação à amperagem de operação somada) necessária para liberar o conjunto de frequência de saída do ruído de frequência em excesso, o qual ocorre em função de perturbações externas ao sistema. Com um número suficientemente maior de pares {f,V}, onde f, V são as matrizes de frequência e voltagem, é possível elaborar um conjunto estatístico para treinar a máquina NN a aprender os padrões essenciais associados à presença do ruído intracanal. Tais máquinas poderão ser encontradas comercialmente em um formado IC em diversos fabricantes, ou ser implementadas como software e usadas em conjunto com um mecanismo de controle de feedback de computador. Uma rede neural do tipo Perceptron de camada única ou ADELINE (Neurônio Linear Adaptativo, ou na sequência Elemento Linear Adaptativo), deverá ser suficiente para cumprir a tarefa.
[0075] Similar à descrição provida acima em relação à figura 24, um elemento corretor estatístico 2670 poderá incluir um circuito eletrônico que seja similar a, ou que forneça uma funcionalidade similar a dos elementos de circuito 2480 e 2475, bem como so fotodiodo 2485 da figura 24. Para a abordagem ilustrada na figura 26, são utilizados um analisador de espectros RF 2695 junto com uma Rede Neural 2670 e um elemento Controlador de Correção de Baixa Resolução 2640 para elaborar a exigência do retardo óptico introduzido em uma série paralela de elementos PZ 262N.
[0076] A figura 27 ilustra conceitos e capacidades de abordagens consistentes com as implementações do objeto corrente em que a performance, precisão e resolução poderão ser otimizados através da substituição dos módulos do disco piezelétrico (PZ) identificados pelos elementos 2795 e 272N, onde colimadores compactos baseados em microfibra (MFC) 2795 envolvidos por discos de cerâmica são utilizados para obter linhas de retardo óptico. Embora ilustre uma técnica para o aumento da taxa de repetição de pulsos nativos para o trem de pulso USPL, o design ilustrado não está limitado para tais aplicativos, mas pode ser aplicado ou estendido a outras necessidades dentro do setor óptico onde quer que um retardo óptico seja exigido. Ao agir assim, um valor mais controlado de retardo tempestivo poderá ser introduzido em cada elemento MFS do circuito. O aperfeiçoamento obtido através do uso de elementos MFC poderá otimizar a resposta, a resolução e a façanha da reprodução de modo rápido das respostas de voltagem exigidas em meios de produção de massa. O conceito identificado na figura 27 poderá ser incorporado em elementos precisamente produzidos que podem servir como unidades pareadas complementares para o uso na redução da instabilidade pulso a pulso USPL, bem como para os objetivos das necessidades da criptografia de dados.
[0077] Com referência adicional à figura 27, uma fonte de USPL 2701 que disponha de uma certa taxa de repetição de pulso é dividida em um número pré- selecionado de caminhos ópticos 271N (que podem totalizar um valor diferente de 206) conforme identificado pelo elemento divisor 2705. Um retardo controlado apropriadamente 273N é introduzido em cada perna paralela dos caminhos ópticos divididos 271N utilizando os elementos descritos por 2795 e 272N. Os caminhos retardados 274N resultantes são somados através de um elemento combinador óptico
2760. Resulta o sinal USPL multiplicado de pulso 2780.
[0078] Uma desvantagem em potencial de alguns projetos TDM previamente disponíveis, nos quais as fibras estão “envolvidas em torno” dos atuadores piezelétricos, é que o mecanismo deverá satisfazer as exigências de perda de flexão das fibras usadas. Algumas novas fibras que estão sendo lançadas no mercado possuem um raio crítico de apenas alguns poucos milímetros. Para corrigir tal questão, as implementações do objeto corrente poderão usar suportes em U de entrada de ar microprocessados ao invés de piezelétricos cilíndricos envolvidos em fibra. A figura 27 ilustra tal princípio. Nesta abordagem os atuadores piezelétricos (PZ1, ... PZN) poderão ser substituídos por estruturas de suportes em U construídas através do uso de colimadores (MFCs), e micro-anéis feitos de um material piezelétrico. Neste caso, contudo, o atuador piezelétrico se expande longitudinalmente, aumentando (ou reduzindo) a distância da entrada de ar entre os colimadores, em resposta às voltagens de controle (V1, V2, ... VN). Como no caso do piezelétrico cilíndrico, uma voltagem Vc individual poderá ser usada para conduzir todos os dispositivos piezelétricos, desde que os ganhos de cada canal (G1, G2, ... GN) sejam ajustados de acordo para prover a expansão correta de cada linha. De modo ideal, exceto para tendências inerentes ao sistema (ou seja, diferenças intrínsecas entre amperagens de operação), os ganhos de ajustes deverão ser como G1, 2G1, 3G1, e assim por diante, de modo a prover expansões que são múltiplos de XRT/N. Outro modo de implementar tal abordagem pode ser o uso de anéis piezelétricos múltiplos nos canais. Deste modo, é possível dispor de canais com 1, 2, 3, N anéis piezelétricos dirigidos pela mesma voltagem com todos os amplificadores apresentando o mesmo ganho.
[0079] A figura 28 provê uma apresentação conceitual de um sistema de chips óptico 2800 para fazer a ponte de modo bem-sucedido entre dois disjuntores remotos de 10 GigE. De modo ideal, tal conexão poderá apresentar a similaridade de uma simples peça de fibra. O timing do chip TDM poderá ser direcionado pelo disjuntor 10 GigE.
[0080] Com referência à figura 28, uma fonte de USPL 2805 dispondo de uma taxa de repetição de pulso nativa pré-determinada, identificada por 2806, se conecta a um chip multiplicador de pulso óptico 2807. O elemento 2807 se encontra designado a converter o sinal da taxa de repetição de pulso de entrada 2806 a um nível apropriado para a operação com disjuntores de Ethernet de rede de alta velocidade conforme identificado por 2801. O disjuntor 2801 provê um sinal de referência 2802 utilizado para modular o sinal 2809 através de um modulador eletro-óptico padrão 2820 à taxa de dados de interesse. É gerado um sinal óptico RZ resultante conforme mostrado no elemento 2840.
[0081] Uma alternativa para dispor da corrida do timing a partir do disjuntor de 10 GigE é de montar a USPL a um Terabit/segundo (ou mais rápido), com um chip fotônico multiplicador, e em seguida modular tal sinal de Terabit/segundo diretamente do disjuntor de 10 GigE. Cada bit disporá de 100 pulsos ou similar. Uma vantagem desta abordagem poderá ser a eliminação da necessidade de sinais de timing distintos que corram do disjuntor à USPL. A USPL via chip multiplicador só tem de bombear os pulsos de Terabit/segundo para fora. Outra vantagem é que o output do Chip Multiplicador não tem de ser exatamente 10,313 ou 103,12 Gbps. Só tem de se situar a uma taxa em torno de 1 Terabit/segundo. Nos casos em que cada 10 GigE possuir
110, 101 ou 99 pulsos, tal limitação não apresenta um problema. Outra vantagem é que cada bit disporá de muitos 10 USPL, de modo que o sinal de 10 GigE terá a vantagem da propagação atmosférica (nevoeiro e cintilação). Outra vantagem poderá ser realizada na extremidade receptora. Um detector terá mais facilidade em detectar um bit se tal bit possuir 100 pulsos USPL ou similar dentro de tal bit individual. Isto poderia resultar em uma sensibilidade aperfeiçoada do detector e, assim, permitir uma faixa aperfeiçoada para o sistema FSO. Uma vantagem adicional poderá ser realizada em tal atualização para 100 GigE, o que poderá ser tão simples quanto substituir o disjuntor de 10 GigE pelo disjuntor de 100 GigE. Neste caso, cada bit terá em torno de 10 pulsos.
[0082] A partir de uma perspectiva do processamento puro do sinal, tal abordagem demonstra um caminho eficiente para enviar os dados e o relógio combinados em um único fluxo de transmissão. Muito similar a uma “amostragem” dos bits utilizando um fluxo de pulsos ópticos, tal abordagem possui a vantagem de que o “tamanho” do bit é determinado pelo número máximo de pulsos que ele carrega, estabelecendo, deste modo, uma base para a contagem de bits à medida que eles chegam na extremidade de recepção. Em outras palavras, se a unidade de bits dispor de um slot de tempo que puder ajustar N pulsos, o relógio do sistema poderá ser estabelecido como “um novo bit de informação” após cada 5º.
[0083] Uma técnica similar a aquelas aqui descritas poderá ser utilizada dentro de um sistema de distribuição de instalação baseada em fibra, ou dentro de um sistema FSO, para um sistema terrestre, submarino ou FSO quer em aplicativos no ar, no espaço ou submarinos, e ilustra pela primeira vez pela primeira vez como se obtém a interconexão de fontes de USPL a elementos de rede óptica para aplicações de rede.
[0084] A figura 29 exibe um sistema 2900 que ilustra uma extensão de rede conceitual para o conceito do design refletido na figura 28. Como fontes múltiplas 2901, 2902, 2903 (deverá ser observado que enquanto três são mostradas, qualquer número se encontra no escopo do objeto corrente), cada qual modulada via disjuntores ópticos dedicados e USPL, são configurados circuitos de Chips
Multiplicadores de laser em um arranjo WDM. Conforme descrito em referência à figura 28, os sinais elétricos de cada disjuntor de Ethernet poderão ser utilizados para modular os moduladores ópticos dedicados 2911, 2922, 2928 para cada caminho óptico. Para fins de amplificação, poderá ser provida potência óptica para cada segmento do sistema através de elementos de amplificação óptica 2931, 2932, 2933. Cada caminho USPL amplificado poderá então sofrer a interface de um combinador óptico 2940 apropriado para o transporte a uma rede 2950, e, conforme exigido, poderá se basear em espaço livre ou fibra. A saída do módulo WDM poderá então ser configurada a um elemento transmissor 102 para o transporte FSO ou para dentro do equipamento da instalação de fibras.
[0085] A técnica descrita no presente documento poderá ser utilizada dentro de um sistema de distribuição de instalação baseada em fibras, ou dentro de um sistema FSO, para um sistema terrestre, submarino ou FSO, quer em aplicações no ar, no espaço ou submarinas, e ilustra, pela primeira vez, como se realiza a interconexão de fontes de USPL a elementos de rede óptica para aplicações em rede.
[0086] A figura 30 mostra a esquemática de um setup experimental para que implementações do objeto corrente incluam a construção de um sistema assistido por computador para controlar a largura do pulso de um laser de modo bloqueado todo de fibra utilizando ajustes de polarização linear recursivos com a estabilização simultânea da taxa de repetição da cavidade utilizando um mecanismo autorregenerativo síncrono. O design também poderá oferecer a habilidade da sintonia da taxa de repetição e largura do pulso.
[0087] O laser do anel de fibras está representado pelo loop azul interno, onde todos os ramais de intracavidade de fibra se encontram codificados em azul, exceto quanto à fibra de alta dispersão positiva do lado externo do loop, a qual faz parte do compressor de grade de fibra (codificada em marrom escuro). Os loops externos representam os sistemas ativos de feedback.
[0088] A figura 30 exibe um diagrama do sistema 3000 ilustrando as características de um módulo USPL provendo controle de largura de pulsos e controle da taxa de repetição de pulsos através de espelhos (M1, M2), grades (G1, G2), comprimentos (L1, L2), segundo gerador harmônico (SHG), tubo fotomultiplicador (PMT), amplificador lock-in (LIA), sistema de aquisição de dados (DAC), detector (DET), mecanismo de extração de relógio (CLK), controlador de frequência à voltagem (FVC), driver de alta voltagem (HVD), sinal de referência (REF), gerador de pulsos (PGEN), modulador de amplitude (AM), isolador (ISO), atuador piezelétrico (PZT), acoplador óptico (OC), polarizador (POL), e controlador de polarização (PC), sendo que todos servem para prover o controle da taxa de repetição e controle da largura do pulso.
[0089] O mecanismo de bloqueio de modo passivo poderá se basear em uma rotação de polarização não linear (NPR), que poderá ser utilizado em lasers de fibra de modo bloqueado. Neste mecanismo fibras individuais de modo suavemente birrefringente (SMF) poderão ser usadas para criar luz elipticamente polarizada em um pulso de propagação. À medida que o pulso viaja ao longo da fibra, ele vivencia um efeito não linear, onde ocorre uma intensidade dependente da rotação de polarização. No momento em que o pulso alcança o controlador de polarização (PC) 3001, o estado de polarização da porção de alta intensidade do pulso vivencia mais rotação do que o de baixa intensidade. O controlador pode elaborar a função de girar o componente de polarização de alta intensidade do pulso, conduzindo a sua orientação o mais alinhado possível ao eixo do polarizador (POL). Consequentemente, à medida que o pulso passa através do polarizador, os seus componentes de intensidade mais baixa vivenciam mais atenuação do que os componentes de alta intensidade. Portanto, o pulso que sai do polarizador é restringido, e o processo completo trabalha como um Absorvedor de Saturação Rápida (FSA). Tal efeito não linear trabalha em conjunto com a Dispersão de Velocidade de Grupo (GVD) do loop, e, após um número de viagens em círculo, ocorre a situação da estabilidade, e se alcança o bloqueio de modo passivo. O GVD geral do loop óptico poderá ser adequado para produzir, dentro de uma margem de erro, uma largura de pulso específica desejada, através do uso de diferentes tipos de fibras (tais como de modo individual, deslocada por dispersão, de manutenção de polarização etc. ...), e adicionando as suas contribuições à GVD média do laser.
[0090] Um controle ativo da rotação de polarização linear de PC poderá aperfeiçoar muito a performance do laser. Isto poderá ser alcançado através do uso de um sistema de feedback que reduz a evolução da largura do pulso. Este sistema, representado pelo loop externo na figura 1, poderá ser utilizado para maximizar a compressão e, consequentemente, a potência média do pulso. Espera-se que um pulso saindo do laser de anel de fibra através de um OC disponha de uma largura da ordem de poucos picossegundos. Um esquema de compressão de pulso externo, o qual usa um compressor de grade de fibra, é utilizado para estreitar o pulso a uma subfaixa de 100 fseg. Esta técnica tem sido extensamente usada em muitos experimentos relatados, os quais conduzem à energia alta, potência alta, pulsos USPL. Aqui, o pulso estreitado é focado em um cristal de Segundo Gerador Harmônico (SHG) e detectado utilizando um Tubo Fotomultiplicador (PMT). O amplificador lock- in (LIA) provê um sinal DC de saída ao sistema de aquisição de dados (DAC). Este sinal permite variações da largura do pulso ao rastrear aumentos ou reduções na potência de pico do pulso. Uma técnica similar foi usada com êxito no passado, exceto que, neste caso, foi utilizado um Modulador de Luz Espacial (SLM). Aqui, um servomecanismo controla diretamente a rotação da polarização linear utilizando atuadores no PC. Com os dados de sinal DC providos pelo DAC, um software de tomada de decisão (como, mas não limitado a, LABVIEW ou MATLAB SIMULINK) poderá ser desenvolvido para controlar o servomecanismo, o que por sua vez ajusta o ângulo de rotação do pulso de entrada relativo ao eixo do polarizador. Tais ajustes elaborados pelos atuadores são alcançados utilizando uma birrefringência induzida por stress. Por exemplo, se a largura do pulso reduzir, o mecanismo solicitará o atuador a seguir certa direção da rotação angular linear para fazer a devida compensação e, se a largura do pulso aumentar, agirá na direção oposta, ambos mirados na maximização da potência média de saída.
[0091] Um sistema de feedback autorregenerativo sincronizado à taxa de repetição da oscilação óptica, e utilizado como um sinal de direção a um modulador de amplitude (AM), pode regular o tempo da viagem circular do laser. No sistema ativo, o modulador de amplitude age como um dispositivo de limiar de porta via modulação da perda, de modo síncrono com o tempo da viagem circular. Em recentes relatórios, esta técnica conseguiu estabilizar lasers de modo bloqueado com êxito. Um sinal capturado de um acoplador óptico (OC) por um fotodetector (DET) poderá ser bloqueado eletronicamente e regenerado por um mecanismo de extração de relógio (CLK), tal como um Loop de Fase Bloqueada ou um Oscilador Síncrono. O sinal regenerado dispara um Gerador de Pulsos (PGen), o qual é então utilizado para direcionar o modulador. Em um cenário perfeitamente sincronizado, o AM se “abrirá” a cada vez que o pulso passar por ele, a cada tempo de viagem circular (TRT). Como o CLK segue variações em TRT, o sinal de direção do AM variará de acordo.
[0092] Um sinal de referência externo (REF) poderá ser utilizado para ajustar a taxa de repetição da cavidade. Ele poderá ser comparado ao sinal recuperado do CLK utilizando um misturador, e o output utilizado para dirigir um sistema piezelétrico (PZT), que pode regular o comprimento da cavidade. Tal uso do sistema PZT para regular o comprimento da cavidade é um conceito bem conhecido, e experimentalmente projetos similares já foram demonstrados com êxito. Aqui um Conversor linear de Frequência à Voltagem (FVC) poderá ser calibrado para prover um sinal de entrada ao Driver de Alta Voltagem do PZT (HVD). O PZT ajustará o comprimento da cavidade para igualar a taxa de repetição do sinal REF. Se, por exemplo, o sinal REF aumentar sua frequência, a saída do FVC reduzirá, e assim irá o nível do drive HV ao cilindro piezelétrico, forçando-o a se contrair e, consequentemente, aumentando a taxa de repetição do laser. O oposto ocorre quando a taxa de repetição de referência se reduzir.
[0093] É possível sintonizar a largura do pulso a um valor “transformado-limitado” utilizando um par negativo de grades de dispersão. Tal técnica de compressão de pulso trinado é bem estabelecida, e existem relatórios de compressão de pulsos tão estreitos quanto 6 fs. A ideia é ter o compressor de pulso de par de grade montado em um estágio de movimento que traduza ao longo de uma linha a qual determina a separação entre as grades. À medida que a distância se altera, assim o faz o fator de compressão.
[0094] Em um exemplo de um esquema de modulação de dados consistente com as implementações do objeto corrente, um laser de modo passivamente bloqueado poderá ser utilizado como uma fonte de pulsos ultrarrápidos, que limita a nossa flexibilidade para alterar a taxa de modulação de dados. Para aumentar a escala da taxa de dados de nosso sistema, nós necessitamos aumentar a taxa de repetição básica de nossa fonte de pulsos. Tradicionalmente, a taxa de repetição de um laser de modo passivamente bloqueado foi aumentada quer por meio do encurtamento do comprimento da cavidade de laser quer via o bloqueio harmônico do modo do laser. Ambas as técnicas fazem com que a potência do pico de pulso de intracavidade se reduza, resultando em larguras de pulso mais longas e bloqueio de modo mais instável.
[0095] Uma abordagem para solucionar este problema envolve a utilização de um esquema de intercalação de pulso modificado por uma técnica que denominamos de multiplicação de pulsos. A figura 31 ilustra tal conceito. O trem de pulso de taxa de repetição mais baixa de um laser 3101 bem caracterizado e de bom bloqueio de modo é acoplado a um acoplador 3180 direcional e opticamente integrado, onde uma fração bem determinada do pulso é desconectada e “recirculada” em um loop óptico com um retardo óptico 3150 igual ao espaçamento interpulso desejado no trem de pulso de saída, e reacoplado à saída do acoplador direcional. Por exemplo, para gerar um trem de pulso de 1 GHz de um trem de pulso de 10 MHz, é necessário um retardo óptico de 1 ns para habilitar o 100º pulso no trem a coincidir com o pulso de entrada da fonte de 10 MHz, sendo que o retardo óptico poderá ter que ser precisamente controlado. O loop de retardo óptico inclui o ganho óptico 3120 para compensar a atenuação de sinal, a compensação de dispersão 3160 para restaurar a largura do pulso e o controle de retardo óptico 3150. Assim que a multiplicação de pulso tenha ocorrido, o trem de pulso de saída é modulado com OOK 3175 com um fluxo de dados 3182 para gerar o sinal RZ 3190, e amplificado em um amplificador de fibra dopada com érbio 3185 para elevar a energia de pulso ao mesmo nível do trem de energia de entrada (ou para cima ao nível de energia de pulso de saída desejado).
[0096] Uma ou mais das características aqui descritas, quer utilizadas individualmente ou em combinação, poderão ser incluídas em vários aspectos ou implementações do objeto corrente. Por exemplo, em alguns aspectos, um sistema óptico de comunicação sem fio poderá incluir pelo menos uma fonte laser USPL, que poderá incluir opcionalmente um ou mais tipos de fontes de laser de picossegundos, nano segundos, fentossegundos e attossegundos. Um sistema de comunicação óptico sem fio poderá incluir fontes de USPL que podem ser acopladas por fibra ou por espaço livre a um sistema de transporte óptico, podem ser moduladas utilizando uma ou mais técnicas de modulação para arquiteturas de sistemas de comunicação ponto a multiponto, e/ou utilizar terminais ou telescópios de transporte óptico fabricados por meio de uma ou mais técnicas de fabricação de espelho hiperbólico, técnicas de fabricação de espelho Newtoniano convencionais, ou outras técnicas que são funcionalmente equivalentes ou similares. Também poderão ser utilizados, mesmo alternativamente, os designs ópticos asféricos para minimizar, reduzir etc., o obscurecimento de um sinal óptico recebido.
[0097] Sistemas de transporte óptico pelo espaço livre consistentes com configurações do objeto corrente podem utilizar projetos de laser de USPL que focam um sinal recebido em um ponto ideal. Em algumas configurações, um telescópio ou outro elemento óptico para focar e entregar luz pode ser considerado como um elemento de transmissão e um segundo telescópio ou outro elemento óptico para focar e receber posicionado de forma remota ao primeiro telescópio ou outro elemento óptico pode funcionar como um elemento de recepção para criar um link de dados óptico. Ambas as plataformas de comunicação óptica podem incluir, de forma opcional, componentes necessários para fornecer ambas as funções de transmissão e recepção, e podem ser denominadas transceptores ópticos de USPL. Qualquer um ou ambos os telescópios ou outros elementos ópticos para focar e entregar luz podem ser acoplados a uma fonte de transmissão de USPL por meio tanto de fibra óptica quando de um acoplamento por espaço livre ao elemento de transmissão. Cada um ou ambos os telescópios ou outros elementos ópticos para focar e receber luz podem ser acoplados a um ponto de recepção por meio tanto de fibra óptica quanto de um acoplamento por espaço livre ao receptor óptico. Um sistema de comunicação sem fio óptico por espaço livre (FSO) incluindo uma ou mais fontes de USPL pode ser utilizado: dentro do framework de uma rede de comunicações óptica, em conjunto com a rede de backhaul de fibra óptica (e pode ser utilizado de forma transparente dentro de redes de comunicações ópticas dentro de uma rede de comunicações óptica, e pode ser modulado utilizando botões de Liga-Desliga (OOK), técnicas de modulação Sem Retorno ao Zero (NRZ), e Retorno ao Zero (RZ), dentro da banda de comunicações ópticas de 1550nm), dentro de uma rede de comunicações óptica (e pode ser modulado utilizando técnicas de modulação de Botões de Alteração de Fase Diferencial (DPSK - Differential-Phase-Shift Keying)), dentro de uma rede de comunicações ópticas (e pode ser modulado utilizando técnicas de modulação comumente utilizadas para arquiteturas de sistema de comunicações ponto-a-ponto utilizando terminais de transceptores ópticos por espaço livre comumente utilizados), dentro de uma rede de comunicações óptica utilizando tecnologias de detecção D- TEK, dentro de uma rede de comunicações para utilização em conjunto com Amplificadores de Fibra Dopada com Érbio (AFDE) assim como Amplificadores de Fibra Dopada com Érbio-Itérbio de alta potência (Er/Yb-DFA), dentro de uma rede de comunicações óptica (e pode ser modulado utilizando técnicas de modulação comumente utilizadas para arquiteturas de sistema de comunicações de ponto-a- multiponto) etc.
[0098] A tecnologia USPL pode, em alguns aspectos, ser utilizada como uma fonte de sinalizador para fornecer rastreamento óptico e direcionamento do feixe para utilização em funções de autorrastreamento e para manutenção do coalinhamento do terminal durante a operação. O relógio recuperado e os dados extraídos no terminal de recepção podem ser utilizados para extensões multi-hop para utilização na expansão do alcance da rede. A rede óptica pode ser fornecida com benefícios similares nas configurações WDM, aumentando assim a magnitude da largura de banda óptica efetiva do link transportador de dados. Fontes de laser de USP podem também ou de forma alternativa ser multiplexadas por polarização no sinal óptico transmitido para fornecer a funcionalidade de multiplexação de polarização USP-FSO (PM-USP-FSO). O pulso de disparo recuperado e os dados extraídos no terminal de recepção podem ser utilizados para extensões multi-hop para utilização na expansão do alcance da rede, e podem incluir uma gama de operações de banda larga grande e genérica para fornecer operação sem variações de taxa de dados. Um pré- amplificador óptico ou um amplificador de semicondutor óptico (SOA) pode ser utilizado antes do elemento de recepção óptico e, de forma alternativa ou em combinação com o pulso de disparo recuperado e os dados extraídos no terminal de recepção, pode ser utilizado para extensões multi-hop para utilização na expansão do alcance da rede, tendo uma faixa de largura de banda grande e genérica de operação para fornecer operação sem variação de taxa de dados. O coalinhamento do terminal pode ser mantidu durante a operação, de forma que uma melhora significativa no desempenho e coalinhamento do terminal pode ser atingida por meio da utilização de tecnologia de USPL, por meio da utilização de fonte de dados de USPL assim como o fornecimento de uma abordagem melhorada de manutenção de alinhamento de transceptor por meio da utilização de sinalizadores a laser de USPL.
[0099] Transceptores USPL-FSO podem ser utilizados em alguns aspectos para realizar sensoriamento remoto e detecção de assinaturas de elementos transportados pelo ar utilizando técnicas de detecção de ionização ou não ionização, utilizando terminais de transporte ópticos fabricados por meio tanto das Técnicas de Fabricação do Espelho Hiperbólico quanto por projetos Newtonianos convencionais que focam um sinal recebido em um ponto ideal. Transceptores USPL-FSO consistentes com configurações do objeto corrente podem ser utilizados em aplicações de lasercom fora da linha de visão. Transceptores USPL-FSO consistentes com configurações do objeto corrente podem permitir o ajuste da distância na qual o efeito de espalhamento
(permitindo a técnica de NLOS) ocorre, técnicas de recepção para melhorar a sensibilidade de detecção utilizando esquemas de detecção DTech, e largura de banda melhorada por meio de detectores de banda larga incluindo pentes de frequência. Transceptores USPL-FSO consistentes com configurações do objeto corrente podem ser utilizados em conjunto com Técnicas de Óptica Adaptativa (AO - Adaptive Optic) para a realização de correção de frente de onda óptica de entrada (AO-USPL-FSO). Transceptores USPL-FSO consistentes com configurações do objeto corrente podem ser utilizados e operados em toda a faixa de comprimentos de onda infravermelho. Transceptores USPL-FSO consistentes com configurações do objeto corrente podem ser utilizados em conjunto com técnicas de multiplexação add- drop e óptica, tanto na configuração de fibras de modo único quanto na configuração de fibras de modo múltiplo. Um transceptor USPL-FSO consistente com configurações do objeto correte pode ser utilizado e operado por toda a faixa de comprimentos de onda infravermelho como um instrumento localizador de faixa e observador para fins de aplicações de identificação de alvo e interrogação.
[00100] Em outros aspectos do objeto corrente, uma série de conexões de rede comutadas, tais como, por exemplo, conexões 10 GigE, 100 GigE, ou similares, podem ser conectadas de um ponto a outro, seja por fibra ou espaço livre ópticos, por exemplo, por meio de Multiplexação por Divisão de Tempo (TDM).
[00101] Uma fonte de USPL de modo travado consistente com configurações do objeto corrente pode ser utilizada para gerar tanto pulsos de disparo e fluxos de dados. Lasers de modo travado podem representar uma escolha de uma fonte de alto desempenho e alta precisão para pulsos de disparo em sistemas de comunicação digital. A esse respeito, lasers de fibra de modo travado – tanto em configuração linear quanto em anel – podem ser candidatos atraentes de escolha, uma vez que podem obter larguras de pulso da região de fontes de USPL e taxas de repetição de até GHz.
[00102] Geração harmônica elevada pode ser obtida utilizando absorvedores saturáveis de nanotubos de carbono. Lasers de fibra passivos de modo travado utilizando absorvedores saturáveis de nanotubos de carbono (CNT-SA) são uma opção para fontes de altas taxas de repetição devido a sua habilidade de gerar prontamente harmônicas elevadas da taxa de repetição fundamental.
[00103] FSO pode ser utilizado em aplicações terrestres, espaciais e submarinas.
[00104] O controle de comprimentos de trajeto condicional da divisão à abertura pode ser um parâmetro importante. Multiplexações TDM podem ser empregadas de forma consistente com configurações do objeto corrente para controlar o tempo de retardo temporal relativo entre os trajetos de abertura a fonte. Cada trem de pulsos pode ser controlado utilizando canais de retardo de tempo paralelos. Essa técnica pode ser utilizada para controlar sistemas de abertura FSO de múltipla transmissão convencionais empregando WDM, assim como sistemas TDM. Um espaçamento pulso a pulso de laser USPL pode ser mantido e controlado segundo exigências temporais precisas tanto para sistemas TDM quanto WDM. As técnicas descritas podem ser utilizadas em sistemas com base em fibras TDM e WDM. A utilização de multiplexadores TDM, conforme descrita aqui, pode ser utilizada para implementar meios de encriptação exclusivos no sinal óptico transmitido. Um multiplexador TDM complementar pode ser utilizado para inverter o sinal recebido de entrada, e dessa forma recuperar a assinatura exclusiva dos sinais de pulso. Um multiplexador TDM descrito aqui pode ser utilizado para controlar o caráter do pulso WDM para fins de encriptação WDM. Um multiplexador TDM pode ser utilizado em sistemas FSO convencionais nos quais múltiplas aberturas conectadas a um sinal fonte comum são capazes de ter seu retardo temporal entre pulsos controlado para manter comprimentos de trajeto constantes. Um multiplexador TDM pode ser utilizado para sistemas com base de fibra TDM e sistemas com base FSO. Um multiplexador TDM pode ser uma tecnologia que permite controlar o relacionamento de trens de pulsos ópticos para fontes de USPL. Um multiplexador TDM pode ser utilizado como uma utilidade de caracterização de link atmosférico por um link óptico por meio de medição de fator de correção neural para obter o mesmo relacionamento de pulso.
[00105] Qualquer combinação de discos PZ pode ser utilizada em um transmissor e pode ter um número infinito de combinações de encriptação para sistemas com base em USPL, tanto de fibra quanto com base em FSO. A temporização pode rodar a partir de comutadores de 10 GigE ou equivalente e acumular o USPL até uma taxa de um Terabit/segundo (ou mais rápido) com um chip Multiplicador Fotônico, e esse sinal de Terabit/segundo pode ser modulado diretamente a partir do comutador 10 GigE. Ao operar em uma configuração WDM, uma interface tanto para um sistema com base em fibra ou para um elemento de rede FSO pode ser incluída.
[00106] Um sistema pode aceitar um trem de pulsos ópticos super-rápido e pode gerar um trem de pulsos ópticos com largura de pulso, conteúdo espectral, e características de chirp idênticas àquelas do pulso óptico de entrada, e com uma taxa de repetição de pulsos sendo um número inteiro múltiplo daquele do pulso de entrada. Isso pode ser obtido drenando uma fração da potência do pulso de entrada em um acoplador óptico 2x2 com um coeficiente óptico ativamente controlável, recirculando esse pulso drenado durante uma viagem completa em uma linha de retardo óptica provida de amplificação óptica, isolamento óptico, controle de retardo óptico (comprimento do trajeto), modulação de fase e amplitude óptica, e compensação de evolução temporal e espectral sofrida pelo pulso óptico na linha de retardo óptico para fins de minimizar a largura do pulso temporal na saída do dispositivo, e recombinar essa potência com o acoplador óptico 2x2.
[00107] Pode ser utilizado um controle de retardo óptico passivo ou ativo, assim como ganho óptico, utilizando fibra óptica dopada com terra rara e/ou dispositivo óptico integrado dopado com terra rara e/ou amplificação óptica por semicondutor bombeado elétrica ou opticamente. A compensação de dispersão pode ser fornecida utilizando redes de Bragg em fibra e/ou redes de Bragg de volume. A modulação de dados de multiplexação de divisão de comprimento de onda do pulso que atravessa a linha de retardo pode ser utilizada, assim como a modulação de dados de código do pulso do pulso que atravessa a linha de retardo.
[00108] A adaptação de fontes convencionais de USPL por meio da síntese de pulsos de onda quadrada de USPL pode ser obtida utilizando tecnologias de amplitude microlitográfica e máscara de fase, para aplicações FSO. A habilidade de ajustar larguras de pulso utilizando tecnologia e abordagens similares para controlar e controlar ativamente o pulso com essa tecnologia pode melhorar a eficiência de propagação por meio de links de transmissão FSO, melhorando assim a disponibilidade e os níveis de potência óptica recebida do sistema.
[00109] Modeladores de pulso ativos programáveis podem ser utilizados para controlar ativamente a largura de pulso de USPL e podem incluir igualar as condições atmosféricas em tempo real para maximizar a propagação através de ambientes mutáveis. Uma ou mais das técnicas a seguir podem ser utilizadas em aplicações FSO para adaptar o espectro temporal óptico utilizando técnicas: modelagem de Pulso por Transformada de Fourier, Arranjos Modulares de Cristal Líquido (LCM - Liquid Crystal Modular), Tecnologia de Cristal Líquido em Silicone (LCOS - Liquid Crystal on Silicon), Modelagem de Pulso Programável utilizando moduladores Acusto Ópticos (AOM - Acousto-optic modulators), Filtro Dispersivo Programável Acusto Óptico (AOPDF - Acousto-optic Programmable Dispersive Filter), e Modelagem de Pulso de Polarização.
[00110] A figura 32 apresenta um fluxograma de processo 3200 ilustrando características de um método, uma ou mais das quais podem aparecer em configurações do objeto corrente. Em 3202, um feixe de pulsos de luz, cada um tendo uma duração de aproximadamente 1 nanossegundo ou menos, é gerado. Em 3204, um sinal de modulação é aplicado ao feixe para gerar um sinal óptico modulado. O sinal de modulação transporta dados para transmissão para um instrumento de recepção remoto. O sinal óptico modulado é recebido em um transceptor óptico dentro de uma plataforma de comunicação óptica em 3206, e, em 3210, o sinal óptico modulado é transmitido utilizando o transceptor óptico para recepção pelo segundo instrumento de comunicação óptica.
[00111] A figura 33 apresenta outro fluxograma de processo 3300 ilustrando características de um método, uma ou mais das quais podem aparecer em configurações do objeto corrente. Em 3302, um feixe de pulsos de luz, cada um tendo uma duração de aproximadamente 1 nanossegundo ou menos, é gerado, por exemplo, utilizando uma fonte de USPL. O feixe de pulsos de luz é transmitido em 3304 em direção a uma região atmosférica alvo por meio de um transceptor óptico. Em 3306, as informações ópticas recebidas no transceptor óptico como resultado da reflexão óptica reversa do feixe de pulsos de luz de um ou mais objetos na região atmosférica alvo são analisadas.
[00112] A figura 34 apresenta outro fluxograma de processo 3400 ilustrando características de um método, uma ou mais das quais podem aparecer em configurações do objeto corrente. Em 3402, o primeiro e o segundo feixes compreendendo pulsos de luz são gerados, por exemplo, por uma fonte de USPL. Em 3404, um primeiro sinal de modulação é aplicado ao primeiro feixe para gerar um primeiro sinal óptico modulado e um segundo sinal de modulação é aplicado ao segundo feixe para gerar um segundo sinal óptico modulado. Um primeiro estado de polarização do primeiro sinal óptico modulado é ajustado em 3406. De forma opcional, um segundo estado de polarização do segundo sinal óptico modulado também pode ser ajustado. Em 3410, o primeiro sinal óptico modulado tendo o primeiro estado de polarização ajustado é multiplexado com o segundo sinal modulado. Em 3412, o primeiro sinal óptico modulado multiplexado tendo o primeiro estado de polarização ajustado com o segundo sinal modulado é transmitido por um transceptor óptico para recepção por um segundo instrumento de comunicação óptica.
[00113] Um ou mais aspectos ou características do objeto descrito aqui podem ser realizados em circuitos eletrônicos digitais, circuitos integrados, circuitos integrados de aplicação específica especialmente projetados (ASICs), arranjos de portas programável em campo (FPGAs), hardware, firmware, software de computador, e/ou combinações destes. Esses vários aspectos ou características podem incluir implementação em um ou mais programas de computador que são executáveis e/ou interpretáveis em um sistema programável incluindo pelo menos um processador programável, que pode ser de finalidade geral ou especial, acoplado para receber dados e instruções de, e para transmitir dados e instruções para, pelo menos um sistema de armazenamento, pelo menos um dispositivo de entrada, e pelo menos um dispositivo de saída.
[00114] Esses programas de computador, que também podem ser denominados programas, software, aplicações de software, aplicações, componentes, ou código, incluem instruções de máquina para um processador programável, e podem ser implementados em uma linguagem de programação altamente procedural e/ou orientada para objetos, e/ou em linguagem de montagem/máquina. Conforme utilizado aqui, o termo “meio legível por máquina” se refere a qualquer produto de programa de computador, instrumento e/ou dispositivo, tal como, por exemplo, discos magnéticos, discos ópticos, memória, e Dispositivos Lógicos Programáveis (PLDs - Programmable Logic Devices), utilizados para fornecer instruções de máquina e/ou dados a um processador programável, incluindo um meio legível por máquina que recebe as instruções de máquina como um sinal legível por máquina. O termo "sinal legível por máquina" se refere a qualquer sinal utilizado para fornecer instruções de máquina e/ou dados a um processador programável. O meio legível por máquina pode armazenar as mencionadas instruções de máquina de forma não transitória, tal como, por exemplo, faria uma memória de estado sólido não transiente ou um disco rígido magnético ou qualquer meio de armazenamento equivalente. O meio legível por máquina pode alternativamente ou adicionalmente armazenar as mencionadas ditas instruções de máquina de maneira transiente, tal como, por exemplo, faria um CPU cachê ou outra memória de acesso aleatório associada com um ou mais núcleos físicos de processador.
[00115] Para proporcionar interação com um usuário, um ou mais aspectos ou características do objeto descrito aqui podem ser implementados em um computador possuindo um dispositivo de exibição, tal como, por exemplo, um monitor de tubo de raios catódicos (CRT) ou de display de cristal líquido (LCD) ou de diodo emissor de luz (LED) para exibir informações para o usuário e um teclado e dispositivo de ponteiro, tal como, por exemplo, um mouse ou um trackball, pelos quais o usuário pode fornecer entradas ao computador. Outros tipos de dispositivos também podem ser utilizados para proporcionar interação com o usuário. Por exemplo, o feedback fornecido ao usuário pode ser qualquer forma de feedback sensorial, tal como, por exemplo, feedback visual, feedback sonoro, ou feedback tátil; e a entrada do usuário pode ser recebida de qualquer forma, incluindo, sem limitações, entradas sonoras, orais ou táteis. Outros dispositivos de entrada possíveis incluem, sem limitação, telas sensíveis a toque ou outros dispositivos sensíveis a toque tais como touchpads capacitivos ou resistivos de ponto único ou múltiplos pontos, hardware e software de reconhecimento de voz, ponteiros ópticos, dispositivos de captura de imagem digital e software de interpretação associado, e similares. Um computador remoto de um analisador pode ser ligado ao analisador por meio de uma rede com ou sem fio para permitir a troca de dados entre o analisador e o computador remoto (por exemplo, recepção de dados no computador remoto a partir do analisador e transmissão de informações tais como dados de calibração, parâmetros de operação, atualizações ou melhorias de software, e similares) assim como controle remoto, diagnóstico etc. do analisador.
[00116] O objeto descrito aqui pode ser realizado em sistemas, instrumentos, métodos, e/ou artigos dependendo da configuração desejada. As configurações apresentadas na descrição anterior não representam todas as configurações consistentes com o objeto descrito aqui. Ao contrário, elas são apenas alguns exemplos consistentes com aspectos relacionados ao objeto descrito. Apesar de algumas variações terem sido descritas em detalhes acima, outras modificações ou adições são possíveis. Em particular, características e/ou variações adicionais podem ser fornecidas em adição àquelas apresentadas aqui. Por exemplo, as configurações descritas acima podem ser direcionadas para várias combinações e subcombinações das características apresentadas e/ou combinações e subcombinações de diversas características adicionais apresentadas acima. Adicionalmente, os fluxos lógicos apresentados nas figuras anexas e/ou descritos aqui não exigem necessariamente a ordem particular apresentada, ou ordem sequencial, para atingir resultados desejáveis. Outras configurações podem estar dentro do escopo das reivindicações a seguir.
Claims (19)
1. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, caracterizado por compreender: uma fonte de laser de pulso ultracurto (USPL) que gera um feixe compreendendo pulsos de luz, cada um tendo uma duração de aproximadamente 1 nanossegundo ou menos e uma energia de saída de pico de 1 quilowatt ou mais; um elemento de modulação que aplica um sinal de modulação ao dito feixe gerado pela fonte de USPL para gerar um sinal óptico modulado, o sinal de modulação transportando dados para transmissão para um segundo instrumento de comunicação óptica ou de sensor; um dito segundo instrumento de comunicação óptica ou de sensor que recebe o sinal óptico modulado e o converte em um sinal eletrônico modulado a ser usado localmente ou retransmitido para um outro local tanto opticamente quanto por alguns outros meios.
2. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o dito elemento de modulação compreender pelo menos um dentre um elemento de modulação direta, um elemento de modulação indireta, e um elemento de modulação externa, o elemento de modulação externa sendo externo à fonte de USPL.
3. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a duração de pulso ser menor do que aproximadamente um picossegundo.
4. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a duração de pulso ser menor do que aproximadamente 100 fentossegundos.
5. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a duração ser menor do que aproximadamente um fentossegundo.
6. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a energia de pulso óptico de pico ser igual ou maior que 5 kWatts.
7. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a energia de pulso óptico de pico ser igual ou maior que 10 kWatts.
8. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a largura de pulso óptico ser igual ou menor que 100 fentossegundos e a energia de pulso óptico de pico ser maior que 10 kWatts.
9. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente um multiplexador óptico que faz a multiplexação de mais que um canal de dados para o feixe.
10. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente um amplificador óptico posicionado entre a fonte de USPL e um transceptor óptico, o amplificador óptico aumentando a energia de saída do sinal óptico modulado transmitido pelo transceptor óptico.
11. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por o amplificador óptico compreender pelo menos um dentre um pré-amplificador óptico, um amplificador óptico semicondutor, um amplificador de fibra dopada com érbio, e um amplificador de fibra dopada com érbio- itérbio.
12. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente uma segunda fonte de USPL fornecendo um segundo feixe de pulsos de luz para o transceptor óptico, a segunda fonte de USPL servindo como um sinalizador de rastreamento e alinhamento para determinar ou verificar um ponto alvo para o sinal óptico modulado transmitido no instrumento de recebimento remoto.
13. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um sinal sinalizador de rastreamento e alinhamento ser gerado dentro do sinal óptico modulado, o sinal sinalizador de rastreamento e alinhamento sendo utilizado para determinar ou verificar um ponto alvo para o sinal óptico modulado transmitido no instrumento de recebimento remoto.
14. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um componente multiplexador dependente de polarização que efetua a multiplexação de sinais ópticos de polarizações diversas antes da transmissão do sinal óptico modulado para o segundo instrumento de comunicação óptica ou de sensor.
15. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender um componente de demultiplexador dependente de polarização que efetua a demultiplexação de sinais ópticos de polarizações diversas recebidas como um segundo sinal óptico modulado a partir do segundo instrumento de comunicação óptica ou de sensor.
16. Instrumento de comunicação óptica ou de sensor, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por os sinais ópticos demultiplexados serem interfaceados a uma rede óptica diferente para utilização de rede.
17. Método, caracterizado por compreender: uma fonte de laser de pulso ultracurto (USPL) que gera um feixe compreendendo pulsos de luz, cada um tendo uma duração de aproximadamente 1 nanossegundo ou menos e uma energia de saída de pico de 1 quilowatt ou mais; aplicação de um sinal de modulação ao feixe para gerar um sinal óptico modulado, o sinal de modulação transportando dados para transmissão para um instrumento de recebimento remoto; recepção do sinal óptico modulado em um transceptor óptico; e transmissão, utilizando o transceptor óptico, do sinal óptico modulado para recepção pelo segundo instrumento de comunicação óptica ou de sensor.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado por a aplicação de um sinal de modulação ao feixe óptico ser realizada por um elemento de modulação, o elemento de modulação compreendendo pelo menos um dentre um elemento de modulação direta, um elemento de modulação indireta, e um elemento de modulação externa, o elemento de modulação externa sendo externo à fonte de USPL.
19. Instrumento de comunicação óptica ou sensoriamento, caracterizado por compreender: uma primeira fonte de USPL que gera um primeiro feixe compreendendo pulsos de luz, cada um tendo uma duração de aproximadamente 1 nanossegundo ou menos e uma altura de pulso igual ou maior que 1 kWatt; uma segunda fonte de USPL que gera um segundo feixe compreendendo pulsos de luz, cada um tendo uma duração de aproximadamente 1 nanossegundo ou menos e uma altura de pulso igual ou maior que 1 kWatt; um primeiro elemento de modulação que aplica um primeiro sinal de modulação ao primeiro feixe para gerar um primeiro sinal óptico modulado, o primeiro sinal de modulação transportando primeiros dados para transmissão para um instrumento remoto de comunicação óptica; um segundo elemento de modulação que aplica um segundo sinal de modulação ao segundo feixe para gerar um segundo sinal óptico modulado, o segundo sinal de modulação transportando segundos dados para transmissão para o instrumento remoto de comunicação óptica; um primeiro componente de polarização que ajusta um primeiro estado de polarização do primeiro sinal óptico modulado; um componente multiplexador dependente de polarização que efetua a multiplexação do primeiro sinal óptico modulado tendo o primeiro estado de polarização ajustado com o segundo sinal modulado; e um transceptor óptico que recebe o sinal óptico multiplexado primeiro sinal óptico modulado com o primeiro estado de polarização ajustado com o segundo sinal modulado e transmite o primeiro sinal óptico modulado multiplexado tendo o primeiro estado de polarização ajustado com o segundo sinal modulado para recepção pelo segundo instrumento de comunicação óptica.
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