PT1559215E

PT1559215E - Receptor para sinais ópticos com modulação angular

Info

Publication number: PT1559215E
Application number: PT03776794T
Authority: PT
Inventors: Harald Rohde
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 2002-11-07
Filing date: 2003-10-13
Publication date: 2007-02-28
Also published as: DE50306137D1; ES2279189T3; EP1559215A1; EP1559215B1; DE10251889A1; CN1708926A; WO2004042968A1; CN100499409C; US20060013591A1

Description

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DESCRIÇÃO "RECEPTOR PARA SINAIS ÓPTICOS COM MODULAÇÃO ANGULAR" A presente invenção refere-se a um receptor para sinais ópticos com modulação angular de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.

Os sistemas de transmissão ópticos existentes modulam a informação a transmitir à intensidade da luz utilizada para a transmissão. Num sistema de recepção um fotodiodo transforma os sinais ópticos modulados em amplitude em sinais eléctricos. Em determinadas configurações ou parâmetros de um sistema de transmissão óptico pode ser conveniente modular a informação em fase ou em frequência da luz a transmitir. Neste caso um fotodiodo simples já não é suficiente para extrair a informação dos sinais modulados em fase ou em frequência.

Existem dois conceitos fundamentais para a detecção de fases de campos luminosos ópticos. Ambos os conceitos apresentam uma série de vantagens e desvantagens e são utilizados em algumas variantes. 0 primeiro conceito baseia-se na recepção homódina. 0 campo luminoso incidente do sinal óptico modulado em fase é sobreposto a um segundo campo luminoso com a mesma frequência e com uma fase definida (neste caso, por motivos evidentes, apenas é possível a modulação em fase). Este segundo campo, por um lado, pode ser produzido por um laser externo como "oscilador local", ou, por outro lado, ser uma parte temporalmente atrasada - por uma duração de Bit - da luz transmitida o que é conhecido sob a designação "auto- 2 recepção homódina". Ambos os campos ópticos interferem com um fotodíodo de acordo com a posição de fase construtiva ou destrutiva dos campos, sendo que o fotodíodo emite uma corrente proporcional ao quadrado do co-seno da posição de fase relativa dos campos. 0 segundo conceito baseia-se na recepção heteródina. 0 campo luminoso incidente do sinal óptico modulado em fase é sobreposto a um segundo campo luminoso com uma frequência diferente. Ambos os campos ópticos interferem um fotodíodo. 0 fotodíodo fornece uma corrente alternada, cuja frequência corresponde à frequência diferencial de ambos os campos ópticos e cuja fase é dada pela fase do campo óptico transmitido. Um detector de fases produz uma corrente modulada em amplitude a partir do sinal de corrente alternada.

Em ambos os casos é utilizado um segundo campo luminoso quer seja um laser externo ou uma parte temporalmente atrasada (por uma duração de Bit) do campo luminoso transmitido.

Um laser externo, por um lado, apresenta vantagens relativamente à sensibilidade de um receptor, por outro lado, ou as exigências de estabilidade laser são consideráveis ("detecção homódina") ou tem de ser introduzido um nível eléctrico intermédio adicional ("detecção heteródina"). A sobreposição do campo luminoso recebido com uma parte temporalmente atrasada do mesmo campo ("auto-recepção homódina") tecnologicamente é mais fácil de realizar. No entanto, a sensibilidade de recepção é 4 vezes mais 3 reduzida do que na detecção com a ajuda de uma fonte de luz externa. A presente invenção tem por objectivo apresentar um receptor simples e sensível para a determinação da informação de fase da luz transmitida de um sinal óptico modulado em ângulo e para transformar esta informação de fase num sinal eléctrico modulado em amplitude.

Uma solução desta tarefa relativamente ao aspecto do dispositivo sucede através de um receptor de acordo com as características da reivindicação 1. 0 receptor de acordo com a invenção apresenta um ressoador óptico para o armazenamento do campo óptico do sinal óptico com modulação angular. Como ressoador óptico pode ser utilizado um ressoador Fabry-Perot conhecido do “Laserspektroskopie, Grundlagen und Technicken, W. Demtrõder, Springer, 2000". O ressoador óptico está dimensionado de modo a que o tempo de armazenamento do campo óptico é de aproximadamente meia duração Bit. A frequência de transmissão do ressoador óptico está sintonizada com a frequência da luz. Em determinados parâmetros a largura de valor médio da transmissão está na área de poucos GHz, de modo a que a sintonização da frequência do ressoador não é demasiado crítica.

Num ressoador Fabry-Perot óptico sem perdas, no qual é acoplada luz com a frequência de ressonância, surge um campo luminoso muito elevado. Este campo luminoso escapa-se para fora do ressoador através do espelho parcialmente permeável. No lado do ressoador, no qual a luz é acoplada a partir do sinal óptico com modulação angular, o campo de 4 saída apresenta a fase inversa do campo de entrada, de modo a que interfere destrutivamente com o campo de entrada e não é re-reflectida nenhuma luz para o canal de entrada. A luz emergente do lado de saída do ressoador não experiência qualquer interferência por um campo luminoso externo adicional. 0 ressoador, em caso de um campo luminoso constante, apresenta uma frequência de ressonância transparente.

Caso se altere a fase do campo luminoso incidente por π, a interferência destrutiva na entrada do ressoador transforma-se em interferência construtiva, re-reflectindo luz. 0 "Optical decay from Fabry-Perot cavity faster than the decay time, H. Rohde, J. Eschner, F. Schmidt-Kaler, R. Blatt, J. Opt. Soc. Am. B 19, 1425-1429, 2002" alerta para este facto. O receptor é igualmente adequado para um sinal modulado em frequência ou em fase. Por isso, em termos gerais, o receptor pode ser utilizado como receptor para um sinal com modulação angular, ou seja, com a fase ou com a frequência. De seguida, por motivos de clareza, alerta-se para um receptor para um sinal modulado em fase. A luz re-reflectida é separada pela luz de entrada através de um dispositivo de desacoplamento óptico como um circulador ou uma combinação de um separador de feixe de polarização e de uma chapa ondulada e detectada através de um transdutor óptico-eléctrico como um fotodíodo. A corrente do fotodíodo estabelece uma medida para a determinação da variação de fase, ou seja, da mudança da luz incidente. 5 A principal vantagem do receptor de acordo com a invenção é que a sensibilidade relativamente à auto-recepção homódina é aumentada até 2 vezes e que, mesmo assim, é menos complexo e significativamente mais simples de realizar do que as soluções com um laser adicional.

Os demais desenvolvimentos vantajosos da invenção estão enunciados nas reivindicações dependentes.

Uma forma de realização da invenção é mais detalhadamente explicada através das figuras.

Em que a:

Fig.l: apresenta o factor de melhoramento da relação sinal/ruído entre uma recepção homódina e o receptor de acordo com a invenção; Fig.2: apresenta um primeiro receptor de acordo com a invenção; Fig.3: apresenta um segundo receptor de acordo com a invenção. A Fig.l apresenta o valor de um factor de melhoramento α das distâncias sinal/ruido entre um receptor homódino tradicional e um receptor de acordo com a invenção como função E* das distâncias sinal/ruido da luz de entrada SNR,„ » pi

Es designa o campo de sinal e EN o campo de ruido do sinal de entrada no ressoador óptico. Para o esclarecimento da invenção relativamente ao ressoador óptico de seguida explicam-se parâmetros importantes para o ressoador. 6

As propriedades de um ressoador Fabry-Perot óptico, constituído por dois espelhos com a reflectividade R a uma distância L são (de forma simples) determinadas pelos seguintes parâmetros: 1. Uma região espectral FSR dá a distância de frequência dos modos do ressoador. FSft = —

2L

Em que c designa a velocidade da luz. 2. Uma largura de valor médio Δν da ressonância é dada por Δν

_£_ * 1 " R £1: IS-s/R 3. Daí resulta a finura F como quociente de uma região espectral FSR e da largura de valor médio Δν para:

F FSR Δν

1 ~ R

4. Um tempo de armazenamento τ de um ressoador Fabry-Perot óptico como tempo, após o qual depois da desconexão do campo de entrada a intensidade do campo armazenado no ressoador ter caído 1 vez, é de:

F * L I - -. β c

Com um comprimento de ressonância de L = 1 mm e um tempo de armazenamento de τ = 50 ps (meia duração Bit) a 10 Gbit/s) resulta uma finura de F « 50 e desta uma ref lectividade 7 espelhada R de aprox. 0,94%. A região espectral livre FSR é de 150 GHz e a largura de valor médio Δν = 3GHz.

De seguida é apresentada a sensibilidade de recepção melhorada do receptor de acordo com a invenção relativamente a uma auto-recepção homódina. O campo óptico de entrada é apresentado como a soma do campo de sinal E§ e do campo de rurdo Ε^ρ EPn — Es + E^*

Numa auto-recepção homódina o separador de feixe separa o campo em dois campos parciais Ei e E2:

Depois da retardação temporal de um campo por uma duração de Bit ambos os campos voltam a ser adicionados a um outro separador de feixe e uma das saidas do separador de feixe é detectado com um fotodiodo. Parte-se do principio que a posição de fase não se alterou e, por conseguinte, a retardação temporal não tem de ser explicitamente transposta para a fórmula. O campo EPD no local do fotodiodo é:

Dai resulta uma capacidade óptica Ppd no local do fotodiodo:

As distâncias sinal/ruido homódina são as seguintes: SNRho mod in da auto-recepçao

No receptor de acordo com a invenção, no estado transitório no interior do ressoador a intensidade de campo do campo de

o campo de ruído entra no ressoador apenas reduzido pelo factor 1-R) , uma vez que a sobreelevação não ocorre de forma coerente. 0 campo ERes no interior do ressoador é portanto:

0 campo ERes no interior do ressoador trespassa um espelho ressoador parcialmente permeável com uma atenuação de factor (1-R) para o exterior. Caso ocorra uma alteração de fase do campo incidido, a luz incidente do ressoador já não interfere destrutivamente com o campo incidido e a luz abandona o ressoador no sentido inverso da luz incidente. 0 campo ERefiektiert que se estende no sentido inverso da luz incidente é constituído pela parte do campo luminoso de entrada ΕΪΝ reflectido no espelho ressoador e pela parte do campo luminoso ERes armazenado no ressoador que sai do espelho ressoador parcialmente permeável. B, R * E„ + & - m * B».

[E* + EJ + (1 - R) * (% E, i α ~ R.} * S»)

Com

e R = 1 e pelo que 1-R)*(1-R) = 0 resulta em: 9

A capacidade PPD no fotodíodo é de:

4 * ê! + £

:S 'K 4 * ESEW ,

As distâncias sinal/ruido SNRnew do receptor de acordo com a invenção são:

Deste modo o factor de melhoramento α das distâncias sinal/ruido entre o receptor homódino tradicional e o receptor de acordo com a invenção pode ser calculado:

0 valor para o factor de melhoramento α depende da relação sinal/ruido

apresenta o factor de melhoramento α em função do SNRIn. 0 valor para o factor de melhoramento α é válido para o momento da mudança de fase, após a qual o sinal diminui exponencialmente. Considerando que o fotodíodo e a electrónica de avaliação não são suficientemente rápidos, para detectar apenas o valor máximo, mas integram através de uma duração de Bits, no que respeita ao melhoramento a auto-recepção homódina tem de ser reduzida pelo factor 10

e Ο, 43 A Figura 2 apresenta um primeiro receptor de acordo com a invenção para um sinal óptico modulado em fase S. O sinal óptico modulado em fase S é injectado num ressoador óptico FPR. Num transdutor óptico-eléctrico OEW1 para a determinação de uma mudança de fase do sinal óptico modulado em fase S da luz reflectida RL no ressoador óptico FPR este apresenta um dispositivo de desacoplamento óptico OU conectado a montante do ressoador óptico FPR.

Opcionalmente pode ser conectado um segundo transdutor óptico-eléctrico OEW2, por exemplo um fotodiodo, a jusante do ressoador óptico FPR, para aumentar a sensibilidade no primeiro transdutor óptico-eléctrico OEW1 através de uma criação de diferença do sinal, ou seja, uma comunicação do ruido.

Para um sinal modulado em frequência com um desvio de frequência teoricamente podem distinguir-se os dois casos seguintes: num receptor com modulação em frequência, em que o desvio de frequência é mais pequeno do que a largura da banda do ressoador óptico FPR, a modulação em frequência pode ser observada à semelhança do que sucede na modulação em fase; num receptor modulado em frequência, em que o desvio de frequência é maior do que a largura da banda do ressoador óptico FPR, o ressoador óptico FPR funciona como espelho selector de frequência, isto é, uma frequência é admitida quando está em sintonia com a frequência de ressonância do ressoador óptico FPR e a outra é reflectida. Em ambos os fotodiodos 0EW1 e 0EW2 seriam recebidos dois sinais binários complementares para a detecção de um salto 11 de frequência no sinal modulado em frequência inicial. Em ambos os casos o receptor de acordo com a invenção é adequado. 0 ressoador óptico FPR é um ressoador Fabry-Perot. 0 dispositivo de desacoplamento OU apresenta um circulador ZIRK, conectado a montante do ressoador óptico FPR e cuja saída está ligada ao transdutor óptico-eléctrico 0EW1. A Figura 3 apresenta um segundo receptor de acordo com a invenção e em conformidade com a Figura 2, em que é utilizado um dispositivo de desacoplamento óptico OU de outra natureza. 0 dispositivo de acoplamento óptico OU apresenta um separador de feixe de polarização PST como um painel de polarização PP conectado a jusante, de modo a que o sinal óptico modulado em fase S e a luz reflectida RL apresentam polarizações diferentes separáveis pelo separador de feixe de polarização para a determinação de uma mudança de fase. São realizáveis outras variantes de dispositivos de desacoplamento óptico OU. Importante é a recuperação da luz reflectida RL na entrada do ressoador óptico FPR, que fornece a informação de uma mudança de fase do sinal modulado em fase S. Outras partes luminosas têm de ser oprimidas.

Lisboa, 19 de Janeiro de 2007

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um receptor para um sinal óptico com modulação angular (S) com uma frequência de luz, que é injectado num ressoador óptico (FPR), em que é conectado um dispositivo de desacoplamento óptico (OU) a montante do ressoador óptico (FPR) para uma luz reflectida (RL) pelo ressoador óptico (FPR) , e, em que é conectado um transdutor óptico-eléctrico (0EW1) para a detecção da luz reflectida (RL) pelo ressoador óptico a jusante do dispositivo de desacoplamento óptico (OU), caracterizado por apresentar um ressoador óptico (FPR) que para a determinação da fase do sinal óptico (S) apresenta uma frequência de ressonância, que está sintonizada com a frequência de luz.

2. Um receptor de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por apresentar um ressoador óptico (FPR) que é um ressoador Fabry-Perot.

3. Um receptor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por apresentar um dispositivo de desacoplamento óptico (OU) que apresenta um circulador (ZIRK) conectado a montante do ressoador óptico e cuja saida está ligada ao transdutor óptico-eléctrico (0EW1).

4. Um receptor de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado por apresentar um dispositivo de desacoplamento óptico (OU) que apresenta um separador de feixe de polarização (PST) com um painel de polarização (PP) conectado a jusante, de modo a que o sinal óptico com modulação angular (S) 2 e a luz reflectida (RL) apresentam diferentes polarizações separáveis através do separador de feixe de polarização.

5. Um receptor de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por apresentar um segundo transdutor óptico-eléctrico (0EW2) para o aumento da sensibilidade, conectado a jusante do ressoador óptico (FPR).

6. Um receptor de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por estar prevista uma codificação para a atribuição da alteração de fase através da luz reflectida e eventualmente transmitida pelo ressoador óptico (FPR). Lisboa, 19 de Janeiro de 2007