ES2693195T3 - Dispositivo fotónico de mezcla y conversión de frecuencias de señales de radiofrecuencia y carga útil de telecomunicaciones a bordo de un vehículo espacial que comprende tal dispositivo - Google Patents

Abstract

Dispositivo fotónico de mezcla y conversión de frecuencias de señales de radiofrecuencia que comprende: * una pluralidad de entradas (PE1 - PE12) para señales de radiofrecuencia (RFin; RFin1 - RFin12) respectivas; * una pluralidad de convertidores electrónicos/ópticos (CEO1 - CEO12), estando cada uno de dichos convertidores asociado a una de dichas entradas y estando configurado para generar una señal óptica transfiriendo una de dichas señales de radiofrecuencia a una portadora óptica a una longitud de onda (λ1 - λ12) respectiva; * al menos un primer conjunto de combinadores ópticos (MUXO1 - MUXO3), estando cada combinador óptico de dicho primer conjunto configurado para agrupar en un mismo camino óptico (CTO1 - CTO3) una pluralidad de dichas señales ópticas; * una pluralidad de moduladores electroópticos (MEO1 - MEO3) asociados con caminos ópticos respectivos, estando cada uno de dichos moduladores electroópticos configurado para mezclar el conjunto de las señales ópticas que se propagan por el camino óptico que corresponde a una portadora de radiofrecuencia respectiva; * una pluralidad de separadores ópticos (DMXO1 - DMXO3) configurados para separar las señales ópticas, mezcladas por dichos moduladores electroópticos con su respectiva portadora de radiofrecuencia, que se propagan por cada uno de dichos caminos ópticos; * un segundo conjunto de combinadores ópticos (CBO1 - CBO4; MUXOS1 - MUXOS4), estando cada combinador óptico de dicho segundo conjunto configurado para agrupar una pluralidad de señales ópticas procedentes de diferentes caminos ópticos; y * una pluralidad de convertidores electrónicos/ópticos (COE1 - COE4), estando cada uno de dichos convertidores asociado a un combinador óptico de dicho segundo conjunto y estando configurado para convertir la señal óptica compuesta procedente del combinador óptico respectivo en una señal de radiofrecuencia de salida (RFout; RFout1 - RFout4); estando dichos convertidores electronicoópticos y combinadores ópticos de dicho segundo conjunto configurados de tal manera que todas las señales ópticas que se propagan según un mismo camino óptico y todas las señales ópticas agrupadas por el mismo combinador óptico del segundo conjunto, presentan portadoras ópticas de diferentes longitudes de onda.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

DESCRIPCION

Dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia y carga util de telecomunicaciones a bordo de un veldculo espacial que comprende tal dispositivo

La invencion se refiere a un dispositivo de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia, asf como a una carga util de telecomunicaciones, en particular, a bordo de un vedculo espacial, que comprende dicho dispositivo.

En el ambito de las telecomunicaciones, a veces es necesario combinar entre sf senales de radiofrecuencia de diferentes fuentes, por ejemplo, para retransmitirlas hacia un mismo destinatario, o simplemente por medio de una misma antena. Puede suceder que los espectros de estas senales se superpongan, parcial o totalmente; en este caso, las conversiones de frecuencia son necesarias para evitar que estas senales interfieran entre sr Ademas, las conversiones de frecuencia pueden ser necesarias, por ejemplo, para retransmitir senales recibidas a traves de un enlace ascendente en un enlace descendente. Cada operacion de conversion de frecuencia requiere el uso de un mezclador de radiofrecuencia distinta, impulsado por un oscilador local. Cuando el numero de senales a procesar es importante, esto puede conducir a la realizacion de dispositivos de mezcla y conversion de frecuencias muy complejos y, por lo tanto, costosos, pesados, voluminosos y consumidores de energfa (siendo estos ultimos tres parametros particularmente perjudiciales en aplicaciones espaciales).

La figura 1 ilustra esquematicamente la estructura y el funcionamiento de un dispositivo de mezcla y conversion de frecuencias segun el DEIC de la tecnica anterior. El dispositivo tiene doce entradas PE1 - PE12 (el numero 12 se proporciona solo a modo de ejemplo) para las respectivas senales de radiofrecuencias RFinl - RFin12, denominadas colectivamente como la referencia RFin. Estas senales, que se supone que presentan todos una misma frecuencia fs, o, en cualquier caso, se cubren unos espectros al menos parcialmente, se proporcionan en la entrada los mezcladores de radiofrecuencia respectivos, MRFl - MRF12, quien tambien reciben, en otra entrada, senales de radiofrecuencia generadas por los osciladores locales OL1 - OL3, que operan a diferentes frecuencias (de radio), fOL1, fOL2, fOL3. Mas espedficamente, los mezcladores MRF1, mRf2, MRF3 y MRF4 reciben en una primera entrada las senales RFinl, RFin2, RFin3, RFin4, respectivamente, y en una segunda entrada la misma senal generada por el oscilador local OL1; los mezcladores MRF5, MRF6, MRF7 y MRF8 reciben en una primera entrada las senales RFin5, RFin6, RFin7, RFin8, respectivamente, y en una segunda entrada la misma senal generada por el oscilador local OL2; y los mezcladores MRF9, MRF10, MRF11 y MRF12 reciben en una primera entrada las senales RFin9, RFin10, RFin11, RFin12, respectivamente, y en una segunda entrada la misma senal generada por el oscilador local OL3.

De una manera conocida per se, las senales a la salida de los mezcladores MRF1 - MRF4 presentan un componente a una frecuencia fs+fOL1 y otro componente a una frecuencia fs-fOL1; asimismo, las senales a la salida de los mezcladores MRF5 - MRF8 presentan componentes en las frecuencias fs±fOL2 y los que estan a la salida de los mezcladores MRF9 - MRF12 en las frecuencias fs±fOL3.

Cuatro multiplexores MUX1, MUX2 MUX3, a continuacion, se proporcionan para combinar tres senales procedentes de cada uno de los tres grupos de mezcladores: (MRF1 - MRF4), (MRF5 - MRF8), (MRF9 - MRF12). Estos multiplexores tambien estan equipados con filtros que permiten rechazar los componentes espectrales a la frecuencia de diferencia (fs-fOLi, i=1,2 o 3) y conservar unicamente aquellos a la frecuencia de suma (fs+fOLi, i=1,2 o 3), o viceversa.

En los puertos de salida PO1, PO2, PO3, PO4 de los multiplexores (y del dispositivo DEIC) hay cuatro senales de radiofrecuencia "compuestas" RFout1, RFout2, RFout3, RFout4, cada uno constituida por la yuxtaposicion de tres senales "elementales" obtenidas por desplazamiento de frecuencia de tres senales de entrada respectivas. De este modo, la senal de salida RFout1 agrupa (con desplazamiento de frecuencia) las senales RFin1, RFin5 y RFin9; la senal de salida RFout2 agrupa RFin2, RFin6, RFin10; la senal de salida RFout3 agrupa RFin3, RFin7, RFin11; y la senal de salida RFout4 agrupa RFin4, RFin8, RFin12. Los signos de referencia 1 a 12 permiten asociar las senales de entrada a las senales compuestas de salida correspondientes.

La principal desventaja del dispositivo DEIC es que, para procesar N senales de radiofrecuencia, se requieren N mezcladores, lo que puede conducir rapidamente a una complejidad inaceptable.

La invencion tiene como objetivo remediar esta desventaja.

De acuerdo con invencion, este objeto se logra mediante un procesamiento fotonico de las senales. Concretamente, en un dispositivo segun la invencion, las senales de radiofrecuencia en la entrada se transfieren a portadoras opticas a diferentes longitudes de onda. Luego, las senales que deben sufrir un mismo desplazamiento de frecuencia se pueden agrupar y modular juntas, por el mismo mezclador optico, a la vez que mantienen su individualidad gracias a la diversidad de longitudes de onda de sus portadoras opticas. A continuacion, las operaciones de separacion y luego recombinacion se efectuan por medios opticos, y solo se efectua una transferencia en el ambito de las radiofrecuencias a la salida del dispositivo.

Ya se han propuesto dispositivos fotonicos que permiten el procesamiento senales de radiofrecuencia. No obstante,

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

estos dispositivos conocidos a partir de la tecnica anterior no permiten implementar las funcionalidades del dispositivo DEIC de la figura 1 y/o reducir su complejidad. Por ejemplo:

- El artfculo de T. Kuri y col. "Dense Wavelength-Division Multiplexing Millimeter-Wave-Band Radio-on-Fibre Signal Transmission With Photonic Downconversion", Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, N.° 6, junio de 2003, describe un sistema de "fibra optica de radio" en el que multiples senales de radio se transfieren a portadoras opticas a diferentes longitudes de onda, transportadas por fibras opticas respectivas a un multiplexor, luego se multiplexan en la misma fibra optica y se transportan a una estacion central remota donde se convierten en frecuencia mediante un unico mezclador electrooptico, antes de demultiplexarse. En este artfculo no se trata de un dispositivo para mezclar y recombinar senales que impliquen el uso de diferentes conversiones de frecuencia, sino de un simple enlace sobre un area geografica extendida. De este modo, no se trata de reorganizar en el espacio y los dominios espacial y de frecuencia, de multiples senales individuales de entrada en senales de salida compuestas, como en el caso de DEIC y de la invencion.

- El artfculo de P-T Shih y col "WDM up-conversion employing frequency quadrupling in optical modulator", Optics Express, Vol. 17, N.° 3, 2 de febrero de 2009, tambien describe un sistema de "radio en fibra optica" en el que varias senales multiplexadas en longitud de onda comparten un unico mezclador electrooptico.

- El artfculo del Sr. E. Manka "Microwave Photonics for Electronic Warfare Applications" describe sistemas de guerra electronica aerotransportados en los que las senales de radiofrecuencia procedentes de diferentes antenas se transfieren a portadoras opticas a diferentes longitudes de onda, transportadas por fibra optica a un multiplexor, multiplexadas, convertidas en frecuencia por medio de un unico mezclador electrooptico, antes de multiplexarse para ser tratadas despues individualmente. A este respecto, no se trata de reorganizar las senales de entrada individuales y agruparlas en senales de salida compuestas, como en el caso de DEIC y de la invencion.

- El documento US 5.661.582 describe un dispositivo fotonico de interconexion de senales de radiofrecuencia destinado para su uso en una carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehfculo espacial. El dispositivo no proporciona, en sus salidas, senales compuestas obtenidas por conversion de frecuencia y agrupacion de las senales presentes en sus entradas. De este modo, realiza funciones bastante diferentes de las del dispositivo DEIC y de la invencion.

- El documento FR 2 864 385 describe un dispositivo fotonico de mezcla de espacio-frecuencia de senales de radiofrecuencia, destinado a su uso en una carga util de telecomunicaciones a bordo de vehuculos espaciales. El dispositivo usa mezcladores electroopticos para efectuar conversiones de frecuencia y una red de interconexion optica. A diferencia del caso del dispositivo DEIC de la figura 1, cada mezclador optico se usa para mezclar una sola senal de entrada de radiofrecuencia con varias senales de osciladores locales simultaneamente. De este modo, el dispositivo descrito en este documento no satisface la misma necesidad y realiza un procesamiento diferente del dispositivo DEIC.

De este modo, ninguno de estos documentos hace posible implementar las funcionalidades del dispositivo DEIC de la figura 1 con menor complejidad.

Un objeto de la invencion, que permite resolver este problema, es un dispositivo fotonico de mezcla y de conversion de frecuencia de senales de radiofrecuencia que comprende:

• una pluralidad de entradas para senales de radiofrecuencia respectivas;

• una pluralidad de convertidores electronicos/opticos, estando cada uno de dichos convertidores asociado a dicha entrada y estando configurado para generar una senal optica transfiriendo dicha senal de radiofrecuencia a una portadora optica a una longitud de onda respectiva;

• al menos un primer conjunto de combinadores opticos, estando cada combinador optico de dicho primer conjunto configurado para agrupar en un mismo camino optico una pluralidad de dichas senales opticas;

• una pluralidad de moduladores electroopticos asociados con caminos opticos respectivos, estando cada uno de dichos moduladores electroopticos configurado para mezclar el conjunto de las senales opticas que se propagan en el camino optico que corresponde a una portadora de radiofrecuencia respectiva;

• una pluralidad de separadores opticos configurados para separar las senales opticas, mezcladas por dichos moduladores electroopticos con su respectiva portadora de radiofrecuencia, que se propagan por cada uno de dichos caminos opticos;

• un segundo conjunto de combinadores opticos, estando cada combinador optico de dicho segundo conjunto configurado para agrupar una pluralidad de senales opticas procedentes de diferentes caminos opticos; y

• una pluralidad de convertidores electronicos/opticos, estando cada uno de dichos convertidores asociado a un combinador optico de dicho segundo conjunto y estando configurado para convertir la senal optica compuesta procedente del combinador optico respectivo en una senal de radiofrecuencia de salida;

estando dichos convertidores electronicoopticos y combinadores opticos de dicho segundo conjunto configurados de tal manera que todas las senales opticas que se propagan segun un mismo camino optico y todas las senales opticas agrupadas por el mismo combinador optico del segundo conjunto, presentan portadoras opticas de diferentes longitudes de onda.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Segun unos modos de realizacion particulares de dicho dispositivo:

- Cada uno de dichos convertidores electronicos/opticos puede configurarse para generar una senal optica transfiriendo dicha senal de radiofrecuencia en una portadora optica a dicha longitud de onda diferente de la de los otros convertidores.

- El dispositivo tambien puede comprender una pluralidad de osciladores locales que funcionan a diferentes radiofrecuencias y configurados para impulsar respectivos mezcladores opticos.

- Al menos ciertos de dichos convertidores electronicos/opticos pueden estar conectados por conmutadores opticos respectivos a entradas respectivas de una pluralidad de combinadores opticos de dicho primer conjunto, y al menos ciertas salidas de al menos ciertos separadores opticos estan conectadas por conmutadores opticos respectivos a entradas respectivas de varios combinadores opticos de dicho segundo conjunto. Mas particularmente, todos dichos convertidores electronicos/opticos pueden estar conectados por conmutadores opticos respectivos a entradas respectivas de todos los combinadores opticos de dicho primer conjunto, y todas las salidas de todos los separadores opticos pueden estar conectadas por conmutadores opticos respectivos a entradas respectivas de todos los combinadores opticos de dicho segundo conjunto.

- Dicha pluralidad de separadores opticos y dicho segundo conjunto de combinadores opticos pueden estar realizados por medio de un multiplexor optico NxN.

- Dichos convertidores electronicoopticos pueden comprender laseres con semiconductores configurados para ser modulados directamente por las senales de radiofrecuencia presentes en las entradas respectivas del dispositivo.

- Como variante, dichos convertidores electronicoopticos pueden comprender laseres con semiconductores con modulador electrooptico integrado.

Otro objeto de la invencion es una carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehfculo espacial que comprende tal dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia.

Segun unos modos de realizacion particulares:

- Tal carga util puede comprender una pluralidad de canales de recepcion para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de radiofrecuencia, estando dichos canales de recepcion conectados a las entradas respectivas de dicho dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia; y una pluralidad de canales de transmision para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de frecuencias diferentes, estando dichos canales de transmision conectados a respectivos convertidores opticos/electronicos de dicho dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia.

- Tal carga util puede comprender un procesador digital de senales de radiofrecuencia que presentan salidas para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de la misma frecuencia, estando dichas salidas conectadas a las entradas respectivas de dicho dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia; y una pluralidad de canales de transmision para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de frecuencias diferentes, estando dichos canales de transmision conectados a respectivos convertidores opticos/electronicos de dicho dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia.

- Tal carga util puede comprender una antena activa adecuada para funcionar en recepcion, que presenta salidas para senales de radiofrecuencia en una misma banda, estando dichas salidas conectadas a las entradas respectivas de dicho dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia; y un procesador de banda de base que presenta entradas conectadas a respectivos convertidores optico/electronico de dicho dispositivo fotonico de mezcla y de conversion de frecuencia de senales de radiofrecuencia.

El termino "radiofrecuencia" designa las frecuencias comprendidas entre aproximadamente 1 MHz y 100 GHz, incluidas, por lo tanto, las frecuencias de microondas (1 GHz y superiores).

El termino "fotonico" designa tecnicas y dispositivos que permiten la generacion, transmision, manipulacion y deteccion de "luz", es decir, radiacion electromagnetica de longitud de onda comprendida entre aproximadamente 200 nm y 3 pm.

Otras caractensticas, detalles y ventajas de la invencion apareceran tras leer la descripcion hecha con referencia a los dibujos adjuntos dados a modo de ejemplo y que representan, respectivamente:

- la figura 1, ya descrita, el diagrama funcional de un dispositivo de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia conocido a partir de la tecnica anterior, usando solo medios electronicos;

- la figura 2, el diagrama funcional de un dispositivo de fotonico de mezcla y de conversion de frecuencia de senales de radiofrecuencia segun un primer modo de realizacion de la invencion;

- la figura 3, el diagrama funcional de un dispositivo de fotonico de mezcla y de conversion de frecuencia de senales de radiofrecuencia segun un segundo modo de realizacion de la invencion;

- la figura 4, el diagrama funcional de una carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehfculo espacial segun un tercer modo de realizacion de la invencion;

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

- la figura 5, el diagrama funcional de una carga util de telecomunicaciones a bordo de un vetuculo espacial segun un cuarto modo de realizacion de la invencion;

- la figura 6a, el diagrama funcional de una carga util de telecomunicaciones a bordo de un vetuculo espacial segun un quinto modo de realizacion de la invencion y, la figura 6b, el diagrama funcional de una carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehfculo espacial segun la tecnica anterior, usando solo medios electronicos.

La figura 2 ilustra la estructura y el funcionamiento de un dispositivo fotonico de mezcla y la conversion de frecuencias DPIC segun un primer modo de realizacion de la invencion.

Como en el caso del dispositivo DEIC, se considera el caso de un dispositivo que recibe senales de radiofrecuencia que tienen la misma frecuencia central fs en sus entradas; sin embargo, esto no es esencial.

Las senales de radiofrecuencia RFinl - Rfin12 presentes en las entradas PE1 - PE12 del dispositivo se transfieren a las respectivas portadoras opticas a longitudes de onda A1 - A12 mediante convertidores electricoopticos CEO1 - CEO12. Esto significa que las portadoras opticas a longitudes de onda Ai - A12 estan moduladas, por ejemplo, en amplitud, cada uno por una senal de radiofrecuencia respectiva; en otras palabras, la envolvente de cada senal optica corresponde a una de las senales de radiofrecuencia de entrada. Tfpicamente, las longitudes de onda Ai - A12 pueden situarse en el infrarrojo cercano (1200-1600 nm). Los convertidores electricoopticos son generalmente laseres con semiconductores, y la modulacion de las senales opticas puede obtenerse directamente, es decir, modulando la corriente de alimentacion de estos laseres. Tambien es posible usar laseres con semiconductores con un modulador electrooptico integrado).

Los convertidores electricoopticos estan conectados a un conjunto de multiplexores opticos (tambien llamados "dispositivos WDM", donde el acronimo WDM significa "multiplexacion por distribucion de longitud de onda", del ingles "Wavelength Division Multiplexing") por fibras opticas respectivas. Mas espedficamente, los convertidores electricoopticos (CEO1 - CEO4) que forman un primer grupo estan conectados a un primer multiplexor MUXO1; los convertidores electricoopticos (CEO5 - CEO8) que forman un segundo grupo estan conectados a un segundo multiplexor MUXO2; y los convertidores electricoopticos (CEO9 - CEO12) que forman un tercer grupo estan conectados a un tercer multiplexor MUXO3. Cada uno de estos multiplexores tiene una unica salida, conectada a una fibra optica. De este modo, las senales opticas a longitudes de onda A1, A2, A3 y A4 se propagan a lo largo de la fibra optica CTO1 conectada a la salida del multiplexor MUXO1, las senales opticas a longitudes de onda A5, Aa, A7 y A8 se propagan a lo largo de la fibra optica CTO2 conectada a la salida del multiplexor MUXO2, las senales opticas a longitudes de onda Ag, A10, A11 y A12 se propagan a lo largo de la fibra optica CTO3 conectada a la salida del multiplexor MUXO3. Las senales que se propagan a lo largo de una misma fibra optica mantienen su individualidad gracias al hecho de que tienen diferentes longitudes de onda.

Cada fibra optica CTO1, CTO2, CTO3 lleva las senales opticas procedentes de un multiplexor a una entrada optica de un mezclador electrooptico respectivo, MEO1, MEO2, MEO3, recibiendo tambien cada uno, en otra entrada de RF, una senal de radiofrecuencia generada por un oscilador local respectivo OL1, OL2, OL3. En general, las senales generadas por estos osciladores locales presentan diferentes frecuencias. Antes del mezclador, cada senal optica presenta una envolvente correspondiente a una senal RFin de frecuencia central fs; despues del mezclador, la envolvente presenta componentes en las frecuencias centrales fs ± n * fOLi, con fOLi=fOL1, fOL2, fOL3 - frecuencia del oscilador local asociado al mezclador considerado, tomando el parametro "n" valores enteros. Segun el tipo de mezclador, el ajuste de su punto de funcionamiento y el filtrado en la salida del dispositivo, uno de estos componentes sera privilegiado.

En una configuracion preferente, los mezcladores estan polarizados a un mrnimo de transmision optica, lo que tiene el efecto de modular las portadoras opticas al doble de la frecuencia del oscilador local fOLi y, por lo tanto, de favorecer los componentes fs ± 2 * fOLi. Un filtrado optico o de RF segun el caso permite seleccionar despues el componente deseado, por ejemplo, fs + 2 * fOLi, y rechazar el que no se desea en fs - 2 * fOLi (o viceversa).

Por lo tanto, se lleva a cabo una conversion de frecuencia (y mas precisamente una traslacion o desplazamiento de frecuencia) de todas las senales. A diferencia del caso del dispositivo electronico DEIC, no obstante, la conversion se realiza usando solo tres mezcladores, uno por oscilador local. Gracias a la multiplexacion de longitud de onda, todas las senales agrupadas para someterse al mismo cambio de frecuencia pueden compartir un mismo mezclador.

Las fibras opticas (siempre designadas por las referencias CTO1, CTO2, CTO3) en la salida de los mezcladores dirigen las senales opticas moduladas hacia los respectivos demultiplexores opticos DMXO1, DMXO2, DMXO3 que separa las senales de diferentes longitudes de onda. De este modo, a la salida de este conjunto de demultiplexores se encuentran 12 senales opticas independientes que difieren de las generadas por los convertidores de entrada electricoopticos CEO1 - CEO12 solo por el hecho de que sus envolventes han sufrido desplazamientos de frecuencia (ya que cada mezclador genera componentes desplazados en frecuencia hacia arriba - fs + n * fOLi - y componentes desplazados hacia abajo - fs-n * fOLi).

A continuacion, estas senales se agrupan de tal manera que cada grupo contiene solo senales opticas procedentes de diferentes mezcladores y, por lo tanto, han sufrido diferentes desplazamientos de frecuencia. En el ejemplo de la figura, hay cuatro grupos de tres senales cada uno, conteniendo cada grupo exactamente una senal procedente del

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

mezclador MEO1, una senal procedente del mezclador MEO2 y una senal procedente del mezclador MEO3. En este ejemplo, ademas, la agrupacion se obtiene gracias a un conjunto de combinadores opticos CBO1, CBO2, CBO3.

Los terminos "combinador" y "separador" se usan generalmente para designar cualquier dispositivo adaptado para combinar/separar senales opticas; los multiplexores y demultiplexores se consideran como casos particulares de combinadores y separadores, respectivamente.

La recombinacion de las senales puede, por lo tanto, hacerse de diferentes maneras, usando, en particular, pero sin limitarse a los siguientes dispositivos:

• acopladores de fibra obtenidos por fusion/estiraje; estos componentes son mucho mas simples que los multiplexores, pero presentan mayores perdidas y no aseguran una funcion de filtrado;

• multiplexores de longitud de onda que optimizan el rendimiento en terminos de perdidas y de filtrado;

• detectores con multiples entradas opticas que constan de un elemento que permite concentrar en el dominio optico varios haces e iluminar un solo fotodiodo, tales componentes se describen, por ejemplo, en el artfculo de N. Mothe y P. Di Bin, "Multichannel Microwave Photonics Signals Summation Device", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, N.° 3, 1 de febrero, 2011;

• redes de detectores de ondas de RF progresivos, tales como se describen en el artfculo de M. Chtioui y col., "Optical Summation of RF Signais ", IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. 55, N.° 2, de febrero de 2007, que se basan en la distribucion de varios fotodiodos a lo largo de una lmea de transmision de RF de alta impedancia y la construccion gradual de una sola senal de salida de RF.

Cabe senalar que los demultiplexores DMXO1 - DMXO3 podnan reemplazarse por simples separadores de fibra optica (de nuevo, la ganancia en simplicidad se obtiene a costa de mayores perdidas y la renuncia a una funcion de filtrado). Sin embargo, es preferente que cada senal optica pase a traves de al menos un multiplexor o demultiplexor, para asegurar la pureza espectral; de lo contrario, se deberan proporcionar filtros opticos a un nivel en el dispositivo entre los mezcladores y la conversion opticoelectrica.

Tambien se observara que la funcionalidad de separacion y recombinacion de las senales, respectivamente, por demultiplexores y multiplexores puede, en ciertas condiciones, llevarse a cabo ventajosamente por un mismo dispositivo integrado y pasivo conocido como el multiplexor NxN o enrutador de longitud de onda, como se describe en los artfculos de C. Dragone, "An N x N Optical Multiplexer Using a Planar Arrangement of Two Star Couplers", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 3, N.° 9, septiembre de 1991, y de H. Takahashi y col., "Transmission Characteristics of Arrayed Waveguide N x N Wavelength Multiplexer", Journal Of Lightwave Technology, Vol. 13, N.° 3, marzo de 1995. En la figura 2, la referencia MNN designa el subconjunto de demultiplexores DMXO1, DMXO2, DMXO3 y combinadores CBO1, CBO2, CBO3 y CBO4, que podna desplazarse por un dispositivo de tipo multiplexor NxN (con N=4, de los cuales solo se usanan tres de sus cuatro entradas), bajo ciertas condiciones de asignacion de longitudes de onda. Mas particularmente, es posible usar, para las portadoras opticas, N longitudes de onda que se repiten con una permutacion circular. En el caso de la figura 2, por lo tanto, es posible usar un dispositivo multiplexor 4x4 con una asignacion de longitud de onda de este tipo: A-i^^Aa^; A5=A4; A6=A- Az=A2; A8=A3; Ag=A3; Aio=A4; An=Ai; A-|2=A2.

Finalmente, se observara que es posible asociar varios de estos medios para realizar la funcion de recombinacion. Por ejemplo, para recombinar nxm senales opticas (n, m numeros enteros) es posible usar "m" acopladores de fibra a "n" entradas y una salida, cuyas "m" salidas estan acopladas a las entradas respectivas de un detector de entradas opticas multiples.

Las senales opticas "compuestas" obtenidas a la salida de los combinadores se convierten en el ambito de las radiofrecuencias por medio de convertidores opticoelectricos COE1, COE2, COE3 (tfpicamente fotodiodos). Como en el caso del dispositivo DEIC, en los puertos de salida del dispositivo fotonico DPIC, hay cuatro senales de radiofrecuencia "compuestas" RFoutl, RFout2, RFout3, RFout4, cada uno constituido por la superposicion de tres senales "elementales". Mas espedficamente, la senal de salida RFoutl agrupa (con desplazamiento de frecuencia) las senales RFinl, RFin5 y RFin9; la senal de salida RFout2 agrupa RFin2, RFin6, RFinlO; la senal de salida RFout3 agrupa RFin3, RFin7, RFin11; y la senal de salida RFout4 agrupa RFin4, RFin8, RFin12. A diferencia del caso de DEIC, no obstante, estas senales compuestas contienen tanto componentes desplazados en frecuencia hacia arriba como componentes desplazados en frecuencia hacia abajo. El filtrado (que en DEIC se aseguro por los multiplexores de salida) se realiza aguas abajo de los puertos de salida DPIC.

La figura 3 ilustra la estructura y el funcionamiento de un dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias DPIC segun un segundo modo de realizacion de la invencion. El dispositivo DPIC' difiere del de la figura 2 esencialmente por el hecho de que

- cada convertidor opticoelectrico esta conectado a todos los multiplexores MUXO1 - MUXO2 mediante un conmutador optico con una entrada y tres salidas (la referencia XOE generalmente designa estos 12 conmutadores; la referencia XOE1 designa mas espedficamente el conmutador conectado al primer convertidor electricooptico; los otros conmutadores no estan designados por sus propias referencias para no sobrecargar la figura); y que

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

- cada salida de cada demultiplexor optico esta conectada a una entrada de cada uno de los combinadores de salida optica (aqu realizados por multiplexores MUXOS1, MUXOS2, MUXOS3, MUXOS4) por conmutadores opticos respectivos en una entrada y cuatro salidas (referencia general XOS; solo el conmutador XOS1 se identifica con un signo de referencia adecuado).

El uso de los dos conjuntos de conmutadores opticos XOE, XOS permite el enrutamiento de senales de forma independiente y muy flexible: se podra encontrar en cada uno de los puertos de salida cualquier combinacion de tres senales de entrada, desplazadas en frecuencia. En el ejemplo de la figura 3, por ejemplo, las senales 1 y 7 han intercambiado sus posiciones con respecto a la configuracion fija de la figura 2.

El hecho que, en el dispositivo de la figura 3, la operacion de agrupar las senales opticas se lleva a cabo mediante multiplexores en lugar de simples combinadores de tipo que no estan relacionados con el uso de conmutadores opticos XOE, XOS.

Tambien es posible realizar un dispositivo que presenta capacidades de enrutamiento mas limitadas, en cuyo caso solo algunos de los conmutadores XOE, XOS podnan estar presentes y/o podnan tener menos salidas que combinadores aguas abajo.

La figura 4 ilustra una carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehuculo espacial usando un dispositivo DPIC descrito anteriormente con referencia a la figura 2 (tambien habna sido posible usar el dispositivo DPlC' de la figura 3). Se trata de una carga util de haces multiples que implementa un enlace de retorno. En esta aplicacion, 12 haces de usuario FU, que posiblemente puedan estar en la misma frecuencia, pero, separados espacialmente, son recogidos por las respectivas antenas AR1 - AR12 que funcionan en recepcion; las senales adquiridas de este modo se amplifican y filtran (cada antena con un amplificador de bajo ruido y un filtro forma un canal de recepcion; solo el primer y el ultimo canal se identifican con los signos de referencia - CR1 y CR12 - con el fin de no sobrecargar la figura). Entonces, estas senales se proporcionan en la entrada al dispositivo DPIC. En los puertos de salida de este dispositivo se recuperan cuatro senales compuestas, agrupando cada una de las tres senales de entrada desplazadas en frecuencia. Estas senales se proporcionan en la entrada a los canales de transmision respectivos (filtros de paso de banda FPBS1 - FPBS4; amplificadores de potencia RFAP; antenas que funcionan en transmision AE1 - AE4) que aseguran su transmision a las respectivas pasarelas GW1 - GW4 ubicadas en el suelo. En esta aplicacion, el desplazamiento de frecuencia tiene una doble funcion: por un lado, permite la agrupacion de senales, por otro lado, es necesario porque se asignan diferentes bandas espectrales a los enlaces ascendentes y a los enlaces descendentes.

La figura 5 ilustra otra carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehuculo espacial usando un dispositivo DPIC descrito anteriormente con referencia a la figura 2 (tambien, habna sido totalmente posible usar el dispositivo DPIC' de la figura 3). Esta aplicacion es similar a la de la figura 4, excepto que las senales de entrada no provienen de los canales de adquisicion, sino que se generan, a una frecuencia intermedia, por un procesador de senales digitales PSN.

La figura 6a ilustra aun otra carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehuculo espacial usando un dispositivo DPIC descrito anteriormente con referencia a la figura 2 (tambien, habna sido totalmente posible usar el dispositivo DPIC' de la figura 3). La aplicacion considerada en este modo de realizacion se refiere a una antena activa Aa, que opera en recepcion y que presenta 96 puertos de salida. De cada uno de estos puertos se extrae una senal con un ancho de banda de 50 MHz y una frecuencia central comprendida entre 1 y 2 GHz. Estas senales se deben convertir a banda de base para ser procesadas por un procesador digital de banda de base PBB. Un procesador de 96 entradas sena extremadamente complejo y costoso de realizar; por otra parte, tal procesador generalmente presenta una banda mas ancha que 50 MHz (por ejemplo, 200 MHz). Por lo tanto, es ventajoso agrupar las senales de tres en tres despues de haberlas transferido en la banda 0 - 200 MHz. Estas operaciones de conversion de frecuencia y agrupacion se efectuan mediante un dispositivo DPIC similar al de la figura 2, pero usando tres mezcladores electroopticos, cada uno operando en 32 senales opticas. La referencia CBOS designa el conjunto de los combinadores opticos.

Para la comparacion, la figura 6b ilustra un dispositivo DEIC que realiza la misma funcionalidad de forma puramente electronica. Utiliza 96 mezcladores de radiofrecuencia. Por lo tanto, vemos la ventaja tecnica y economica proporcionada por la invencion.

En todos los ejemplos (excepto en el ultimo) se ha considerado el caso de 12 senales de entrada, 3 osciladores locales y 4 senales de salida compuestas, comprendiendo cada uno 3 senales elementales. Es facil comprender que se trata de un ejemplo no limitante, y que la invencion se aplica a cualquier numero de senales de entrada y salida, y osciladores locales. Ademas, no es necesario que todas las senales de salida compuestas comprendan el mismo numero de senales elementales.

Por otra parte, en particular si no se necesita una flexibilidad de enrutamiento de las senales, no es esencial que todas las portadoras opticas presenten diferentes longitudes de onda: solo es necesario que las senales opticas agrupadas por los combinadores del primer y segundo conjunto tengan portadoras a diferentes longitudes de onda. En el diagrama de la figura 2 esto se puede obtener, entre otras, con solo cuatro longitudes de onda diferentes,

5

10

15

20

25

30

realizando una permutacion circular en cada grupo de cuatro senales de entrada. Por ejemplo, una longitud de onda A1 se puede asignar a las senales RFinl, RFin6, RFin11; otras senales de longitud de onda A2 a senales RFin2, RFin7, RFin12; una tercera longitud de onda A3 a las senales RFin3, RFin8, RFin9; y una cuarta longitud de onda A4 a las senales RFin4, RFin5, RFin10.

La invencion se ha descrito con referencia a ciertos modos de realizacion, pero las variantes son posibles, en particular, con respecto a las tecnologfas implementadas por los diferentes componentes.

Los mezcladores electroopticos MEO1 - MEO3 pueden ser, por ejemplo, moduladores de intensidad de tipo Mach- Zehnder y estar realizados de niobato de litio, o de sustratos semiconductors, como el fosfuro de indio (InP), arseniuro de galio (AsGa) o silicio. Otras realizaciones son contemplables. Ni siquiera es necesario que los mezcladores esten basados en un efecto electrooptico (efecto Pockels): alternativamente, uno podna, por ejemplo, usar moduladores de electroabsorcion o moduladores de anillo mediante inyeccion de portadores. Moduladores de fase y moduladores de polarizacion tambien podnan ser usados siempre que los elementos opticos se coloquen en la salida, respectivamente filtros opticos y polarizadores, que convierten modulaciones de fase y polarizacion en modulacion de intensidad. Todos estos tipos de mezcladores pueden calificarse como "electroopticos", cualquiera que sea su principio de funcionamiento, ya que permiten mezclar una senal optica y una senal de naturaleza electrica.

Como en el documento FR 2 864 385, tambien es posible usar mezcladores electroopticos para mezclar cada senal optica con varias senales de oscilador local a diferentes frecuencias. En particular, se pueden usar mezcladores de doble control de RF (llamado doble unidad) para mezclar las senales opticas con al menos dos senales de oscilador local diferentes.

La posibilidad de usar combinadores/separadores mas simples que los multiplexores/demultiplexores ya se ha tratado. Se observara que la recombinacion de las senales opticas en la salida del dispositivo se puede obtener de una manera aun mas simple, acoplando directamente varias fibras opticas a cada convertidor opticoelectrico.

Los conmutadores opticos XOE, XOS puede ser de diferentes tipos: electromecanico, microoptoelectromecanicos (MOEMS), electroopticos, acousticoopticos, termoopticos, de cristales lfquidos, etc.

Solamente se han considerado los modos de realizacion que usan fibras opticas para la transmision de senales opticas. No obstante, algunas de estas fibras, incluso, al menos en principio, todas ellas - pueden ser reemplazadas por grnas de onda planas como parte de una realizacion parcial o totalmente integrada. Tambien es posible contemplar la explotacion de trayectorias de propagacion libre. De hecho, cualquier medio que permita definir caminos opticos entre los diferentes componentes del dispositivo puede ser adecuado para la implementacion de la invencion.

Para terminar, un dispositivo segun la invencion se presta a aplicaciones distintas a las previstas anteriormente, con referencia a las figuras 4 - 6a. En particular, el uso del dispositivo no esta limitado a aplicaciones espaciales.

Claims (12)

1. 5

   10

   15

   20

   25

   30

   35

   40

   45

   50

   55

   REIVINDICACIONES

   1. Dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia que comprende:

   • una pluralidad de entradas (PE1 - PE12) para senales de radiofrecuencia (RFin; RFin1 - RFin12) respectivas;

   • una pluralidad de convertidores electronicos/opticos (CEO1 - CEO12), estando cada uno de dichos convertidores asociado a una de dichas entradas y estando configurado para generar una senal optica transfiriendo una de dichas senales de radiofrecuencia a una portadora optica a una longitud de onda (A1 - A12) respectiva;

   • al menos un primer conjunto de combinadores opticos (MUXO1 - MUXO3), estando cada combinador optico de dicho primer conjunto configurado para agrupar en un mismo camino optico (CTO1 - CTO3) una pluralidad de dichas senales opticas;

   • una pluralidad de moduladores electroopticos (MEO1 - MEO3) asociados con caminos opticos respectivos, estando cada uno de dichos moduladores electroopticos configurado para mezclar el conjunto de las senales opticas que se propagan por el camino optico que corresponde a una portadora de radiofrecuencia respectiva;

   • una pluralidad de separadores opticos (DMXO1 - DMXO3) configurados para separar las senales opticas, mezcladas por dichos moduladores electroopticos con su respectiva portadora de radiofrecuencia, que se propagan por cada uno de dichos caminos opticos;

   • un segundo conjunto de combinadores opticos (CBO1 - CBO4; MUXOS1 - MUXOS4), estando cada combinador optico de dicho segundo conjunto configurado para agrupar una pluralidad de senales opticas procedentes de diferentes caminos opticos; y

   • una pluralidad de convertidores electronicos/opticos (COE1 - COE4), estando cada uno de dichos convertidores asociado a un combinador optico de dicho segundo conjunto y estando configurado para convertir la senal optica compuesta procedente del combinador optico respectivo en una senal de radiofrecuencia de salida (RFout; RFout1 - RFout4);

   estando dichos convertidores electronicoopticos y combinadores opticos de dicho segundo conjunto configurados de tal manera que todas las senales opticas que se propagan segun un mismo camino optico y todas las senales opticas agrupadas por el mismo combinador optico del segundo conjunto, presentan portadoras opticas de diferentes longitudes de onda.
2. 2. Dispositivo segun la reivindicacion 1 en el que cada uno de dichos convertidores electronicos/opticos esta configurado para generar una de dichas senales opticas transfiriendo dicha senal de radiofrecuencia en una portadora optica a una de dichas longitudes de onda diferente de la de los otros convertidores.
3. 3. Dispositivo segun una de las reivindicaciones precedentes que tambien comprende una pluralidad de osciladores locales (OL1 - OL3) que funcionan a diferentes radiofrecuencias y configurados para controlar respectivos moduladores electroopticos.
4. 4. Dispositivo segun una de las reivindicaciones precedentes en el que al menos algunos de dichos convertidores electronicos/opticos estan conectados por conmutadores opticos respectivos (XOE; XOE1...) a entradas respectivas de varios combinadores opticos de dicho primer conjunto, y al menos ciertas salidas de al menos ciertos separadores opticos estan conectadas por conmutadores opticos respectivos (XOS; XOS1...) a entradas respectivas de varios combinadores opticos de dicho segundo conjunto.
5. 5. Dispositivo segun la reivindicacion 4 en el que todos dichos convertidores electronicos/opticos estan conectados por conmutadores opticos respectivos a entradas respectivas de todos los combinadores opticos de dicho primer conjunto, y todas las salidas de todos los separadores opticos estan conectadas por conmutadores opticos respectivos a entradas respectivas de todos los combinadores opticos de dicho segundo conjunto.
6. 6. Dispositivo segun una de las reivindicaciones precedentes en el que dicha pluralidad de separadores opticos y dicho segundo conjunto de combinadores opticos estan realizados por medio de un multiplexor optico NxN.
7. 7. Dispositivo segun una de las reivindicaciones precedentes en el que dichos convertidores electronicoopticos comprenden laseres con semiconductores configurados para ser modulados directamente por las senales de radiofrecuencia presentes en las entradas respectivas del dispositivo.
8. 8. Dispositivo segun una de las reivindicaciones 1 a 6 en el que dichos convertidores electronicoopticos comprenden laseres con semiconductor con modulador electrooptico integrado.
9. 9. Carga util de telecomunicaciones a bordo de un vehuculo espacial que comprende un dispositivo fotonico (DPIC, DPIC') de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia segun una de las reivindicaciones precedentes.
10. 10. Carga util segun la reivindicacion 9 que comprende:

    - una pluralidad de canales de recepcion (CR1 - CR12) para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de radiofrecuencia, estando dichos canales de recepcion conectados a las entradas respectivas de

    10

    15

    20

    dicho dispositivo fotonico (DPIC) de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia; y

    - una pluralidad de canales de transmision (FPBS1 - FPBS4; RFAP; AE1 - AE4) para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de frecuencias diferentes, estando dichos canales de transmision conectados a respectivos convertidores opticos/electronicos de dicho dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia.
11. 11. Carga util segun la reivindicacion 9 que comprende:

    - un procesador digital de senales de radiofrecuencia (PSN) que presentan salidas para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de la misma frecuencia, estando dichas salidas conectadas a entradas respectivas de dicho dispositivo fotonico (DPIC) de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia; y

    - una pluralidad de canales de transmision (FPBS; RFAP; AE1 - AE4) para senales de radiofrecuencia que presentan portadoras de frecuencias diferentes, estando dichos canales de transmision conectados a respectivos convertidores opticos/electronicos de dicho dispositivo fotonico de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia.
12. 12. Carga util segun la reivindicacion 9 que comprende:

    - una antena activa (AA) adecuada para funcionar en recepcion, que presenta salidas para senales de radiofrecuencia en una misma banda, estando dichas salidas conectadas a entradas respectivas de dicho dispositivo fotonico (DPIC) de mezcla y conversion de frecuencias de senales de radiofrecuencia; y

    - un procesador de banda de base (PBB) que presenta entradas conectadas a respectivos convertidores optico/electronicos de dicho dispositivo fotonico de mezcla y de conversion de frecuencia de senales de radiofrecuencia.