WO2020215132A1 - Conversor fotônico de frequência para valores acima e abaixo do sinal de radiofrequência (rf) de entrada integrado ao oscilador optoeletrônico (oeo) - Google Patents

Conversor fotônico de frequência para valores acima e abaixo do sinal de radiofrequência (rf) de entrada integrado ao oscilador optoeletrônico (oeo) Download PDF

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WO2020215132A1
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signal
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signals
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Larissa AGUIAR DANTAS DE BRITTO
Jognes PANASIEWICZ JUNIOR
Gefeson MENDES PACHECO
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Instituto Tecnológico De Aeronáutica - Ita
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F2/02—Frequency-changing of light, e.g. by quantum counters
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    • H04B10/25752—Optical arrangements for wireless networks
    • H04B10/25758—Optical arrangements for wireless networks between a central unit and a single remote unit by means of an optical fibre
    • H04B10/25759—Details of the reception of RF signal or the optical conversion before the optical fibre

Definitions

  • the present invention relates to a new and compact photonic converter for radio frequency (RF) signals composed of an optoelectronic oscillator (OEO) and an RF signal injection circuit.
  • the optoelectronic oscillator (OEO) is the local oscillator (LO) of the frequency conversion operation and uses only a single electro-optical modulator Mach-Zehnder (MZ) and a single photodetector, which allows simultaneous frequency conversion for values above and below (down / up converter) of the incoming radio frequency signal.
  • MZ electro-optical modulator Mach-Zehnder
  • the field of invention in the field of Electronics, more specifically circuits, oscillating circuits, radio frequency circuits and optoelectronics.
  • the document US 2016 / 0254646A1 presents an optical frequency divider based on a frequency combiner with electro-optical modulator, whose circuit is much more complex because it uses two optical filters, two photodetectors and an optical amplifier.
  • the patent document TW201201503 describes a structure that uses an optical filter and an optical amplifier.
  • Patent document CA03002597 describes a structure for photonic generation of arbitrary microwave signals having linear frequency modulation, whose circuit has an optical filter, an isolator and an optical amplifier.
  • the opto-electronic oscillator can be used as a remote source of a reference signal for frequency conversion at remote sites interconnected by optical fibers (Britto, LAD Optoelectronic Oscillator for Microwave Generation and Remote Receiver Applications , 2013, Master's Dissertation). Such application does not correspond to the system described and yes in a conventional way with the use of radiofrequency mixers.
  • Patent document WO2017 / 072025AI describes a system for the generation of arbitrary microwave signals consisting of an optical isolator, optical amplifier, optical filter, acusto-optical frequency shifter and optical amplifier.
  • the inconveniences of the structures described above are avoided, presenting for this purpose a simple and compact photonic converter that allows to raise or lower the frequency of the signal applied at its input (down / up converter) based on an optoelectronic oscillator using only a single MZ electro-optical modulator and a single photodetector.
  • the RF signal whose frequency will be converted to a new value, it is applied to one of the inputs of the power combiner (10) which is connected to the power combiner (8), which is part of the feedback loop of the OEO.
  • the other input of the power combiner (8) receives the RF signal generated in the OEO itself.
  • the output of the power combiner (8) is then applied to the input of the RF signal of the MZ modulator (3) that is part of the OEO.
  • the frequency conversion occurs by intermodulation within the MZ modulator between the signal generated in the OEO and the RF signal applied at the input of the signal combiner that is part of the OEO feedback loop.
  • the frequency conversion process is based on the intermodulation between the RF signals applied at the input of the MZ modulator, there will be frequency components shifted to higher values (up converting) and to lower values (down converting) simultaneously. This fact has been neglected in the configurations presented in several works and patents.
  • a single electro-optical modulator Mach-Zehnder (MZ) (3) is used to form an OEO (1), which generates a reference signal that is part of the intermodulation process and is where the conversion of the RF signal to the desired frequency.
  • MZ Mach-Zehnder
  • a single photodetector (4) in the feedback loop is necessary to convert the signal in the optical domain to the electrical domain due to the existence of only one optical-electrical conversion point (O / E);
  • the RF signal can be injected from three different signal sources: a) an RF signal with fi frequency from a generator or an antenna amplifier in a receiver system; an RF signal with frequency ⁇ 2 can be that coming from a generator or from a modulation system (baseband) in a transmitting system; and c) the RF signal with frequency fi and the signal with frequency coming from simultaneously the signal sources mentioned in items “a” and “b” above.
  • the frequency converter photonic circuit of the present patent application can use two RF signal inputs simultaneously (it also works with only one of the two inputs receiving signal). It should be noted that in all three cases, it is not necessary to use an additional local oscillator (LO), as the OEO provides the reference signal with frequency f 0 for frequency conversion.
  • LO local oscillator
  • the state-of-the-art frequency converter photonic circuits have a greater number of components and, often, a greater number of optical modulators of the MZ type; b) in photonic circuits frequency converters of the state of the art, optical-electrical conversion (O / E) is carried out at different points of the circuits and, as a consequence, as many photodetectors as necessary are the numbers of those points; c) the state-of-the-art frequency converter photonic circuits are limited to receiving a single RF signal injected generally to perform the frequency conversion to values below (down converter) and, therefore, have a single RF input; d) the photonic frequency converter circuits existing in the prior art convert the frequency only to a value below (only down converter) using much more complex circuits and with a greater number of components.
  • FIGURE 1 Block diagram of a simple down / up converting photonic converter integrated with the local oscillator (LO), based on an optoelectronic oscillator (OEO).
  • LO local oscillator
  • OEO optoelectronic oscillator
  • THE PHOTONIC FREQUENCY CONVERTER (CFF) FOR VALUES ABOVE AND BELOW THE INPUT RADIOFREQUENCY (RF) SIGNAL INTEGRATED TO THE OPTOELETRONIC OSCILLATOR (OEO) AND THEIR PROCESS for which the invention patent is required, comprises a compact converter frequency photonic (CFF) for radio frequency (RF) signals composed of an optoelectronic oscillator (OEO) and an injection circuit (Cl) of the radio frequency signal (RF).
  • CFF compact converter frequency photonic
  • the optoelectronic oscillator is the local oscillator (LO) of the frequency conversion operation and uses only a single electro-optical modulator Mach-Zehnder (MZ) (3) and a single photodetector (4), which allows the realization simultaneous frequency conversion to values above and below (down / up converter) of the incoming radio frequency (RF) signal.
  • the central dashed block (1) illustrates the optoelectronic oscillator (OEO) (1), of the frequency converter circuit.
  • the optoelectronic oscillator (OEO) (1) consists of a laser source of continuous light (2), an electro-optical modulator MZ (3), a photodetector (4), a power divider (5), an RF pass filter -band (6), amplifier (7) and a power combiner (8) which is responsible for feeding the RF input of the electro-optical modulator MZ (3). It is essential to note that the power divider (5) cannot be connected anywhere in the OEO (1).
  • the OEO (1) comprises an optical link and a feedback loop in the RF domain.
  • the optical link consists of the laser source of continuous light
  • the feedback loop in the RF domain consists of the power divider (5), the RF bandpass filter with frequency response band centered on f 0 (6), the amplifier (7) and by the power combiner (8).
  • the power divider (5) must be connected after the single photodetector (4) and connected before the RF bandpass filter (6), so that the intermodulation signal is available for processing. This is due to the fact that only in this arrangement / configuration the RF bandpass filter (6) is able to only allow the passage of signals comprised in its frequency response band, that is, it will inhibit the other several frequency components generated by intermodulation within MZ modulator
  • the source of the radio frequency signal (RF) that will have its frequency shifted up or down is indicated by a block of input signals
  • the injection circuit (Cl) (9) consists of a block representing the source of the RF signal with frequency fi (9A) and a block representing the source of the RF signal with frequency ⁇ 2 (9B). Note that in the injection circuit (Cl) (9) the possibility of more than one signal applied simultaneously for frequency conversion is considered.
  • Each RF signal source, (9A) and (9B) will inject a signal at a certain frequency. The outputs of these two signal sources will be combined in a power combiner
  • the optoelectronic oscillator (OEO) (1) generates a f 0 frequency signal.
  • the two RF signals applied have frequencies fi and ⁇ 2 respectively.
  • the RF signals of frequencies fi e te applied from the RF frequency signal blocks (9A) and (9B), will undergo intermodulation with the frequency signal f 0 generated in the optoelectronic oscillator (OEO).
  • the intermodulation signal with frequencies above and below the frequencies of the injected external signals (f 0 -fi, fo-f2, fo + fi, fi- ⁇ 2, etc ...) is selected by the filters (12A) and (13A ) after the power divider (5) and amplifier (1 1) that are connected after the single photodetector (4) of the optoelectronic oscillator (OEO).
  • the filters (12A) and (13A) for selecting the frequencies above and below the fi and f2 frequencies of the applied external signals.
  • the signals after the filters following the power divider (5) represent the output signals from the photonic frequency converter (CFF).
  • CFF photonic frequency converter
  • the signals with frequencies above and below the frequencies of the applied external signals can be used in transmission (T) (12) and reception (R) (13) steps.
  • Signals with 0 frequency value converted down (down converted), 500 MFIz (fo- ⁇ 2) and / or 700 MFIz (fo-fi), can be directed to signal processing steps thus completing the reception of the signal injected into the converter.
  • Signals with the frequency value converted upwards (up converted), 3.3 GFIz (fo + fi) and / or 3.5 GFIz (fo + f 2), can be directed to signal processing steps thus completing the transmission of the signal injected into the converter.

Abstract

A presente invenção refere-se a um compacto conversor fotônico para sinais de radiofrequência (RF) que apresenta um menor número de componentes que o estado da técnica. O campo da invenção é da área da Eletrônica, circuitos osciladores, circuitos de radiofrequência e optoeletrônica. O conversor é composto por um oscilador optoeletrônico (OEO) (1), que é o oscilador local (LO) da operação de conversão de frequência e um circuito de injeção do sinal de RF (9). O OEO (1) utiliza um único modulador eletro-óptico Mach-Zehnder (MZ) (3) e um único fotodetector (4) possibilitando a conversão simultânea de frequência para valores acima e abaixo (down/up converter) do sinal de radiofrequência da entrada do conversor. A conversão de frequência é baseada na intermodulação que ocorre dentro do modulador MZ.

Description

CONVERSOR FOTÔNICO DE FREQUÊNCIA PARA VALORES ACIMA E ABAIXO DO SINAL DE RADIO FREQ U ÊNCIA (RF) DE ENTRADA INTEGRADO AO OSCILADOR OPTOELETRÔNICO
(OEO)
INTRODUÇÃO A INVENÇÃO
[0001 ] A presente invenção refere-se a um novo e compacto conversor fotônico para sinais de radiofrequência (RF) composto por um oscilador optoeletrônico (OEO) e um circuito de injeção do sinal de RF. O oscilador optoeletrônico (OEO) é o oscilador local (LO) da operação de conversão de frequência e utiliza apenas um único modulador eletro-óptico Mach-Zehnder (MZ) e um único fotodetector, o qual permite a realização simultânea da conversão de frequência para valores acima e abaixo ( down/up converter) do sinal de radiofrequência de entrada. O campo da invenção da área de Eletrónica, mais especificamente circuitos, circuitos osciladores, circuitos de rádio frequência e optoeletrônica.
ESTADO DA TÉCNICA
[0002] O amplo interesse em conversores fotônicos down converters de radiofrequência (RF) é devido às vantagens de suas grandes larguras de banda de processamento, baixas perdas se comparadas aos misturadores (ou mixers) e imunidade a interferências eletromagnéticas [Tang Z., Zhang F., Pan S.: “Photonic microwave downconverter based on optoelectronic oscilator using a single dual-drive Mach-Zehnder modulator”, Optics Express, 2014, 22 (1 ), pp.305 - 310.; Zhu D., Pan S., Cai S., Ben D.:“High-Performance Photonic Microwave Downconverter Based on a Frequency-Doubling Optoelectronic Oscilator”, Journal of Lightwave Technology, 2012, 30 (18), pp. 3036-3042.; Gopalakrishnan G., Moeller R., Howerton M., Burns W., Williams K., Esman R.: “A low-loss downconverting analog fiber-optic link”, IEEE Transactions Microwave Theory Techniques, 1995, 43(9), pp. 2318-2323.;]. Tais características são muito atrativas em sistemas fotônicos de micro-ondas, transmissão de sinais de micro- ondas em fibras ópticas ( radio-over-fiber ), processamento de sinais de redes de antenas ( phased-array ), comunicação sem fio e sistemas de guerra eletrónica [Zhang T, Pan W., Zou X., Luo B., Yan L, Liu X., Lu B.:“High-spectral-efficiency photonic frequency down-conversion using optical frequency comb and SSB modulation”, IEEE Photonics Journal, 2013, 5(2), 7200307.; Zhu D., Pan S., Cai S., Ben D.:“High-Performance Photonic Microwave Downconverter Based on a Frequency-Doubling Optoelectronic Oscillator”, Journal of Lightwave Technology, 2012, 30 (18), pp. 3036-3042] O sistema down converter é usado para converter um sinal de RF de alta frequência em banda base ou em uma frequência intermediária (IF) para processamento posterior em um sistema de recepção.
[0003] Por exemplo, o documento US 2016/0254646A1 apresenta um divisor de frequência óptica baseada em um combinador de frequências com modulador eletro-óptico, cujo circuito é muito mais complexo por utilizar dois filtros ópticos, dois fotodetectores e um amplificador óptico.
[0004] O documento de patente US 2001/0014106A1 apresenta um gerador de ondas eletromagnéticas ópticas, cujo circuito emprega dois lasers sintonizáveis, um circuito de delay.
[0005] Já o documento de patente TW201201503 descreve uma estrutura que utiliza filtro óptico e amplificador óptico.
[0006] O documento de patente CA03002597, descreve uma estrutura para geração fotônica de sinais de micro-ondas arbitrários tendo uma modulação de frequência linear, cujo circuito possui um filtro óptico, um isolador e um amplificador óptico.
[0007] O oscilador opto-eletrônico, OEO, pode ser usado como fonte remota de um sinal de referência para conversão de frequência em sítios remotos interligados por fibras ópticas (Britto, L. A. D. Oscilador Optoeletrônico para Geração de Micro-ondas e Aplicações em Receptores Remotos, 2013, Dissertação de Mestrado). Tal aplicação não corresponde ao sistema descrito e sim de maneira convencional com o uso de misturadores ( mixers ) de radiofrequência.
[0008] O documento de patente US2018248518A1 descreve um sistema com geração de sinal por meio de um oscilador optoeletrônico cuja a conversão do sinal de frequência é feita por meio de um bloco externo chamado downconverter, bloco este composto por diversos componentes, já a filtragem da frequência convertida é feita por um sistema de filtragem externo que utiliza um filtro sintonizável. Este sistema faz a geração e filtragem de componentes espectrais com um número elevado de sistemas individuais e um número excessivo de componentes.
[0009] Já o documento de patente WO2017/072025AI descreve um sistema para geração de sinais de micro-ondas arbitrária composto por isolador óptico, amplificador óptico, filtro óptico, deslocador de frequência acusto-otico e amplificador ótico.
[0010] O artigo“High-Performance Photonic Microwave Downconverter Based on a Frequency-Doubling Optoelectronic Oscillator” de Zhu D., Pan S., Cai S., Ben D, publicado em 2012 pelo Journal of Lightwave Technology, 30 (18), pp. 3036-3042 descreve uma estrutura para a conversão do sinal de frequência, este sistema é composto por um elevado número de componentes, tais como: fonte externa de microondas, controlador de polarização, modulador de polarização, amplificador óptico e dois fotodetectores.
[001 1 ] O artigo“High-Spectral-Efficiency Photonic Frequency Down-Conversion Using Optical Frequency Comb and SSB Modulation” de Zhang T, Pan W., Zou X., Luo B., Yan L, Liu X., Lu B, publicado em 2013 pelo IEEE Photonics Journal, 5(2), 7200307 descreve um sistema de conversão de frequência com alta eficiência espectral utilizando um combinador de frequência óptica e modulação SSB. A configuração proposta neste artigo é composta por controlador de polarização, modulador de polarização, polarizador, um misturador (mixer), um deslocador de fase e um filtro sintonizável. [0012] O artigo“Phase-Modulated Radio-over-Fiber Systems” de Pagán V. R., Murphy T. E., publicado no Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference, em 2013, descreve um sistema de conversão de frequência utilizando dois sistemas distintos, o transmissor e o receptor. Cada um destes sistemas é composto por dois moduladores e amplificador ótico.
[0013] O artigo“All-optical frequency downconversion technique utilizing a four- wave mixing effect in a single semiconductor optical amplifer for wavelength division multiplexing radio-over-fiber application, de Kim H. J., Song J. I, publicado em 2012 pela Optics Express, 20(7), pp. 8047-8054 faz a conversão de frequência utilizando um sistema com três fontes laser, amplificadores óticos, modulador eletroabsorção, modulador eletro-óptico MZ, atenuadores óticos, filtros óticos, misturador (mixer) e um oscilador local.
[0014] O artigo“All-optical frequency down-conversion for full-duplex WDM RoF Systems utilizing an SOA-MZI” de Song H. J., Park M., Kim H. J., Lee J. S, Song J. I, publicado no IEEE internai Topical Meeting on Microwave Photonics, em 2005, pp. 321 -324 descreve um sistema de conversão de frequência utilizando um sistema com um amplificador ótico.
[0015] O artigo“Performances of a photonic microwave mixer based on cross- gain modulation in a semiconductor optical amplifer” de Bohemond C., Rampone T., Sharaiha A., publicado pelo Journal Lightwave Technology, em 201 1 , 29(16), pp. 2402-2409, descreve um sistema baseado em um misturador de frequência, composto por uma fonte de sinal óptica, um oscilador local, controladores de polarização, isoladores ópticos, atenuadores ópticos e amplificador óptico.
[0016] O artigo “A low-loss Downconverting Analog Fiber-optic Link” de Gopalakrishman G., Moeller R., Flowerton M., Burns W., Williams K., Esman R., publicado no IEEE Transactions Microwave Theory Techniques, em 1995, 43(9), pp. 2318-2323, faz a conversão do sinal por meio de dois moduladores e dois fotodetectores. [0017] O artigo“Wideband tunable opto-electronic oscillator based on frequency translation” de Tamir Z., Meltzer A., Horowitz M., publicado na Optics Letters, em 2017, 45(15), pp. 2671 -2674, utiliza um dois misturadores de frequência (mixers), um oscilador local externo como fonte de geração de sinal de RF além do próprio oscilador optoeletrônico utilizado na malha do circuito.
[0018] O artigo“Photonic microwave downconverter based on na optoelectronic oscillator using a single dual-drive Mach-Zehnder modulator” de Tang Z., Zhang F., Pan S., publicado na Optics Express, em 2014, 22 (1 ), pp.305 - 310, faz a conversão de frequência através de um sistema composto por: controlador de polarização, um modulador MZ com duas entradas de RF, dois fotodetectores, um filtro passa-faixa e um filtro passa-baixa.
[0019] O artigo “Tunable Frequency-Quadrupling Dual-Loop Optoelectronic Oscillator” de Zhu D., Pan S., e Ben D., publicado no IEEE Photonics Technology Letters, em 2012, 24 (3), faz a sintonia de frequência através de um sistema composto por controlador de polarização, modulador de polarização e filtro sintonizável.
[0020] O artigo“Optical Downconversion from Millimeter-Wave to IF-Band Over 50-Km-Long Optical Fiber Link Using an Electroabsorption Modulator” de Kitayama K. I. E Griffi R. A., publicado no IEEE Photonics Technology Letters, em 1999, 1 1 (2), pp. 287 - 289, converte o sinal de frequência utilizando um sistema com dois lasers, dois fotodetectores, dois misturadores (mixers), um oscilador local e um modulador de eletroabsorção.
[0021 ] O artigo“A Down-Conversion Optical Link with RF Gain” de Helkey R., Jon C. Twichell J. C. e Cox C, publicado no Journal of Lightwave Technology, em 1997, 15(6), pp. 956 - 961 , descreve um sistema de downconverter utilizando duas fontes lasers e dois moduladores em série.
[0022] O artigo“Efficient Microwave Frequency Conversion Using Photonic Link Signal Mixing” de Sun C. K., Orazi R. J. E Papper S. A., publicado no IEEE Photonics Technology Letters, em 1996, 8(1 ), utiliza um sistema com dois moduladores ópticos em cascata.
[0023] O artigo“Optically Amplified Downconverting Link with Shot-Noise Limited Performance” de Williams K. J. e Esman R. D., publicado no IEEE Photonics Technology Letters, em 1996, 8(1 ), pp. 148-150 utiliza dois moduladores MZ e quatro fotodetectores.
PROBLEMAS TÉCNICOS INERENTES AO ESTADO DA TÉCNICA
[0024] Uma deficiência comum nas soluções apresentadas nos documentos do estado da técnica consiste no uso de múltiplos filtros, fotodetectores e moduladores nos respectivos circuitos. Atualmente, foram propostos muitos conversores de frequência fotônicos de sinais de micro-ondas para sinais com valores de frequências mais baixas [Tang Z., Zhang F., Pan S.: “Photonic microwave downconverter based on na optoelectronic oscillator using a single dual-drive Mach-Zehnder modulator”, Optics Express, 2014, 22 (1_, pp. 305 - 3010.; Zhu D., Pan S., Cai S., Ben D.:“High- Performance Photonic Microwave Downconverter Based on a Frequency-Doubling Optoelectronic Oscillator”, Journal of Lightwave Technology, 2012, 30 (18), pp. 3036-3042.; Tamir Z., Meltzer A., Horowitz M: ,“Wideband tunable opto-electronic oscillator based on frequency translation”, Optics letters, 2017, 42(15), pp. 2671 -2674.; Zhang T, Pan W., Zou X., Luo B., Yan L., Liu X., Lu B.:“High-spectral-efficiency photonic frequency down-convertion using optical frequency comb and SSB modulation, “IEEE Photonics Journal, 2013, 5(2), 7200307.; Gopalakrishnan G., Moeller R., Howerton M., Burns W., Williams K., Esman R.: “A low-loss downconverting analog fiber-optic link,” IEEE Transactions Microwave Theory Techniques, 1995, 43(9), pp. 2318-2323.; Pagán V. R., Murphy T. E.:“Phase-modulated radio-over- fiber systems,” in Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference 2013, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2013), paper OW1 D.5.; Bohemond C., Rampone T., Sharaiha A., “Performances of a photonic microwave mixer based on cross-gain modulation in a semiconductor optical amplifier,” Journal Lightwave Technology, 201 1 , 29(16), pp. 2402-2409.; Song H. J., Park M., Kim H. J., Lee J. S, Song J. I.,“All- optical frequency down-conversion for full-duplex WDM RoF systems utilizing an SOA-MZI,” in IEEE Internai Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP, 2005), pp. 321 -324.; Kim H. J., Song J. I.,“All-optical frequency downconversion technique utilizing a four-wave mixing effect in a single semiconductor optical amplifier for wavelength division multiplexing radio-over-fiber applications,” Optics Express, 2012, 20(7), pp. 8047-8054], a maioria destes sistemas são compostos por moduladores eletro-ópticos em cascata, modulador de polarização seguido por modulador Mach-Zehnder e moduladores de fase em cascata. Uma das características inerentes às configurações baseadas em moduladores em cascata são o alto isolamento entre o sinal de RF e o oscilador local (LO) e a grande largura de banda de operação fornecida pelos moduladores eletro-ópticos. No entanto, o uso de múltiplos moduladores leva a uma grande perda de inserção e tem um alto custo, o que acaba se tornando uma desvantagem.
[0025] Existe a necessidade de uma solução mais simples para converter a frequência de sinal de RF, em uma outra frequência de interesse, utilizando apenas um único circuito no qual o sinal de frequência de RF é aplicado no único modulador eletro-óptico e depois ocorra a operação de conversão de frequência para um valor acima e ou abaixo.
A SOLUÇÃO SEGUNDO A INVENÇÃO PARA O PROCESSO E CIRCUITO FOTÔNICO
[0026] Na presente invenção são evitados os inconvenientes das estruturas descritas anteriormente, apresentando para isso um simples e compacto conversor fotônico que permite elevar ou abaixar a frequência do sinal aplicado na sua entrada ( down/up converter) baseado em um oscilador optoeletrônico utilizando apenas um único modulador eletro-óptico MZ e um único fotodetector. Na configuração proposta nesta solicitação de patente, o sinal de RF, cuja frequência será convertida para um novo valor, é aplicado em uma das entradas do combinador de potência (10) que está conectada ao combinador de potência (8), o qual faz parte da malha de realimentação do OEO. A outra entrada do combinador de potência (8) recebe o sinal de RF gerado no próprio OEO. A saída do combinador de potência (8) é então aplicada à entrada do sinal de RF do modulador MZ (3) que faz parte do OEO. A conversão de frequência ocorre por intermodulação dentro do modulador MZ entre o sinal gerado no OEO e o sinal de RF aplicado na entrada do combinador de sinais que faz parte da malha de realimentação do OEO. Como o processo de conversão de frequência é baseado na intermodulação entre os sinais de RF aplicados na entrada do modulador MZ existirá então componentes de frequência deslocadas para valores maiores ( up converter) e para valores menores ( down converter) simultaneamente. Este fato tem sido negligenciado nas configurações apresentadas em diversos trabalhos e patentes.
VANTAGENS E CARACTERÍSTICAS ESSENCIAIS DA INVENÇÃO
[0027] São destacadas as seguintes vantagens e características essenciais da invenção:
- Um único modulador eletro-óptico Mach-Zehnder (MZ) (3) é utilizado para formar um OEO (1 ), que gera um sinal de referência que faz parte do processo de intermodulação e é onde ocorre a conversão do sinal de RF para a frequência desejada. Desta forma, esta configuração é compacta, com um pequeno tamanho, reduzido número de componentes e tem baixo custo;
- Um único fotodetector (4) na malha de realimentação é necessário para converter o sinal no domínio óptico para o domínio elétrico pelo fato da existência de somente um ponto de conversão óptico-elétrico (O/E);
- O sinal de RF pode ser injetado de três diferentes fontes de sinais: a) um sinal de RF com frequência fi proveniente de um gerador ou de um amplificador de antena em um sistema receptor; um sinal de RF com frequência Í2 pode ser aquele proveniente de um gerador ou de um sistema de modulação (banda base) em um sistema transmissor; e c) o sinal de RF com frequência fi e o sinal com frequência te provenientes simultaneamente das fontes de sinais apontadas nos itens“a” e“b” acima. Desta forma, o circuito fotônico conversor de frequência do presente pedido de patente pode utilizar duas entradas de sinais RF simultaneamente (funciona também com apenas uma das duas entradas recebendo sinal). Cabe observar que nos três casos, não é necessário o uso de um oscilador local (LO) adicional, pois o OEO fornece o sinal de referência com frequência f0 para conversão de frequência. Cabe observar que as características apontadas nos itens“a)” e“b)” podem ocorrer simultaneamente “c)” e permitem combinar a função de converter a frequência de um sinal aplicado no conversor para um valor acima ( up converter) e ou abaixo ( down converter) em um único sistema que apresenta características próprias para um sistema integrado receptor e transmissor juntos em um único circuito.
[0028] Ao contrário das características da presente invenção, cabe observar que: a) os circuitos fotônicos conversores de frequência do estado da técnica possuem maior número de componentes e, frequentemente, um maior número de moduladores ópticos do tipo MZ; b) nos circuitos fotônicos conversores de frequência do estado da técnica, conversão óptico-elétrica (O/E) é realizada em pontos distintos dos circuitos e, como consequência, serão necessários tantos fotodetectores quantos forem os números desses pontos; c) os circuitos fotônicos conversores de frequência do estado da técnica se limitam a receber um único sinal de RF injetado geralmente para realizar a conversão de frequência para valores abaixo ( down converter) e, portanto, possuem uma única entrada de RF; d) os circuitos conversores fotônicos de frequência existentes no estado da técnica convertem a frequência somente para um valor abaixo (somente down converter) usando circuitos muito mais complexos e com maior número de componentes.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0029] A invenção será explicada em uma forma de realização, particularmente voltada a um circuito fotônico no qual o processo de conversão simultânea da frequência de sinais de RF para valores maiores e menores do que as frequências dos sinais aplicados no conversor, estando a solução melhor ilustrada na figura anexa, na qual está representado:
FIGURA 1 : Diagrama em blocos de um simples conversor fotônico down/up converter integrado ao oscilador local (LO), baseado em um oscilador optoeletrônico (OEO).
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO E EXEMPLO DE REALIZAÇÃO
[0030] O CONVERSOR FOTÔNICO DE FREQUÊNCIA (CFF) PARA VALORES ACIMA E ABAIXO DO SINAL DE RADIOFREQUÊNCIA (RF) DE ENTRADA INTEGRADO AO OSCILADOR OPTOELETRÔNICO (OEO) E RESPECTIVO PROCESSO, para o qual se requer a patente de invenção, compreende um compacto conversor fotônico de frequência (CFF) para sinais de radiofrequência (RF) composto por um oscilador optoeletrônico (OEO) e um circuito de injeção (Cl) do sinal de radiofrequência (RF). O oscilador optoeletrônico (OEO) é o oscilador local (LO) da operação de conversão de frequência e utiliza apenas um único modulador eletro-óptico Mach-Zehnder (MZ) (3) e um único fotodetector (4), o qual permite a realização simultânea da conversão de frequência para valores acima e abaixo ( down/up converter) do sinal de radiofrequência (RF) de entrada.
[0031 ] Conforme mostrado na Figura 1 , o bloco central tracejado (1 ) ilustra o oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ), do circuito conversor de frequência. O oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ) é composto por fonte laser de luz contínua (2), um modulador eletro-óptico MZ (3), um fotodetector (4), um divisor de potência (5), um filtro de RF passa-faixa (6), amplificador (7) e um combinador de potência (8) o qual é responsável por realimentar a entrada de RF do modulador eletro-óptico MZ (3). É imprescindível destacar que o divisor de potência (5) não pode ser conectado em um ponto qualquer do OEO (1 ). [0033] O OEO (1 ) compreende um enlace óptico e uma malha de realimentação no domínio de RF. O enlace óptico é constituído pela fonte laser de luz contínua
(2), pelo modulador eletro-óptico MZ (3) e pelo fotodetector (4). A malha de realimentação no domínio de RF, por sua vez, é constituída pelo divisor de potência (5), pelo filtro de RF passa-faixa com banda de resposta em frequência centrada em f0 (6), pelo amplificador (7) e pelo combinador de potência (8). O divisor de potência (5) deve estar obrigatoriamente conectado após o único fotodetector (4) e conectado antes do filtro de RF passa-faixa (6), para que o sinal de intermodulação seja disponibilizado para o seu processamento. Isso se deve ao fato que somente nesta disposição/configuração o filtro de RF passa- faixa (6) é capaz de permitir unicamente a passagem de sinais compreendidos na sua banda de resposta em frequência, ou seja, inibirá as outras diversas componentes de frequência geradas por intermodulação dentro modulador MZ
(3), evitando, dessa forma, que o funcionamento do OEO (1 ), como oscilador local, seja perturbado.
[0034] A fonte de sinal de radiofrequência (RF) que terá a sua frequência deslocada para cima ou para baixo é indicada por um bloco de sinais de entrada
(9), sendo que circuito de injeção (Cl) (9) é constituído por um bloco representando a fonte de sinal de RF com frequência fi (9A) e um bloco representando a fonte de sinal de RF com frequência Í2 (9B). Observe que no circuito de injeção (Cl) (9) considera-se a possibilidade de mais de um sinal aplicado simultaneamente para conversão da frequência. Cada fonte de sinal de RF, (9A) e (9B), injetará um sinal com uma determinada frequência. As saídas destas duas fontes de sinais serão combinadas em um combinador de potência
(10) para então ser injetadas no oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ). Deve-se considerar, para efeito de entendimento do funcionamento do conversor fotônico de frequência (CFF) aqui proposto, que o oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ) gere um sinal de frequência f0. Os dois sinais de RF aplicados têm frequências fi e Í2 respectivamente. [0035] No bloco do oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ) onde é gerado o sinal de referência f0, cujo é valor definido pela banda de resposta em frequência do filtro RF passa-faixa (6), os sinais de RF de frequências fi e te aplicados provenientes dos blocos sinal de RF de frequência (9A) e (9B), sofrerão intermodulação com o sinal de frequência f0 gerado no oscilador optoeletrônico (OEO). O sinal de intermodulação, com frequências acima e abaixo das frequências dos sinais externos injetados (f0-fi , fo-f2, fo+fi, fi-Í2, etc....) é selecionado pelos filtros (12A) e (13A) após o divisor de potência (5) e amplificador (1 1 ) que estão conectados após o único fotodetector (4) do oscilador optoeletrônico (OEO). Após o divisor de potência (5) existem os filtros (12A) e (13A) de seleção das frequências acima e abaixo das frequências fi e f2 dos sinais externos aplicados. Os sinais após os filtros que seguem o divisor de potência (5) representam os sinais de saída do conversor fotônico de frequência (CFF). Após amplificação (1 1 ), os sinais com frequências acima e abaixo das frequências dos sinais externos aplicados podem ser utilizados em etapas de transmissão (T) (12) e de recepção (R) (13).
[0036] Para exemplificar com valores numéricos, consideramos f0=2 GFIz, fi=1 ,3 GFIz e Í2=1 ,5 GFIz. Para estes valores como exemplo, podemos considerar o espectro de saída de recepção e de transmissão com frequências desde 200 MFIz (f2-fi) até 3,5 GFIz (f o+f 2) , com diferença (fo-fi)=700 MFIz e fo-Í2=500 MFIz; e a soma f0+fi=3,3 GFIz e fo+Í2=3,5 GFIz. Os sinais com 0 valor de frequência convertido para baixo ( down converted), 500 MFIz (fo-Í2) e/ou 700 MFIz (fo-fi), podem ser direcionados para etapas de processamento de sinais completando assim a recepção do sinal injetado no conversor. Os sinais com 0 valor de frequência convertido para cima ( up converted), 3,3 GFIz (fo+fi) e/ou 3,5 GFIz (fo+f 2) , podem ser direcionados para etapas de processamento de sinais completando assim a transmissão do sinal injetado no conversor. Vale dizer que aplicando apenas um sinal na entrada do conversor fotônico de frequência (CFF), 0 espectro de potência na saída, seja 0 de recepção (R) ou 0 de transmissão (T), terá um número menor de componentes espectrais sem mudar 0 seu princípio de funcionamento pois apenas as operações com f0 e f do único sinal aplicado serão contabilizadas na definição das frequências presentes nas saídas.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1) CONVERSOR FOTÔNICO DE FREQUÊNCIA PARA VALORES ACIMA E ABAIXO DO SINAL DE RADIOFREQUÊNCIA (RF) DE ENTRADA INTEGRADO AO OSCILADOR OPTOELETRÔNICO (OEO) compreende um conversor fotônico de frequência (CFF) para sinais de radiofrequência (RF) caracterizado por ser compacto e composto por um oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ) e um circuito de injeção (Cl) (9) do sinal de radiofrequência (RF), sendo que o oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ) é o oscilador local (LO) da operação de conversão de frequência, utilizando apenas um único modulador eletro-óptico Mach-Zehnder (MZ) (3) e um único fotodetector (4), o qual permite realizar simultaneamente a conversão de frequência para valores acima e abaixo ( down/up converter) do sinal de radiofrequência (RF) de entrada; sendo que o divisor de potência (5) deve estar obrigatoriamente conectado após o único fotodetector (4) e conectado antes do filtro de RF passa-faixa (6).
2) CONVERSOR FOTÔNICO DE FREQUÊNCIA PARA VALORES ACIMA E ABAIXO DO SINAL DE RADIOFREQUÊNCIA (RF) DE ENTRADA INTEGRADO AO OSCILADOR OPTOELETRÔNICO (OEO) de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado por o oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ) ser composto por uma fonte laser de luz contínua (2), um modulador eletro-óptico MZ (3), um fotodetector (4), um divisor de potência (5), um filtro de RF passa- faixa (6), amplificador (7) e um combinador de potência (8), responsável por realimentar a entrada de RF do modulador eletro-óptico MZ (3).
3) CONVERSOR FOTÔNICO DE FREQUÊNCIA PARA VALORES ACIMA E ABAIXO DO SINAL DE RADIOFREQUÊNCIA (RF) DE ENTRADA INTEGRADO AO OSCILADOR OPTOELETRÔNICO (OEO) de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pela possibilidade de mais de um sinal aplicado simultaneamente para conversão da frequência, onde cada fonte de sinal de radiofrequência (RF) (9A) e/ou (9B) injetará um sinal com uma determinada frequência, e as saídas destas duas fontes de sinais são combinadas em um combinador de potência (10) para então ser injetadas no oscilador optoeletrônico (OEO) através de um segundo combinador de potência (8), devendo considerar, para efeito de entendimento do funcionamento do conversor fotônico de frequência (CFF) aqui proposto, que o oscilador optoeletrônico (OEO) gere um sinal de frequência fo, definido pela banda de resposta em frequência do filtro (RF) passa-faixa (6), e os dois sinais aplicados têm frequências fi e f2 respectivamente.
4) CONVERSOR FOTÔNICO DE FREQUÊNCIA PARA VALORES ACIMA E ABAIXO DO SINAL DE RADIOFREQUÊNCIA (RF) DE ENTRADA INTEGRADO AO OSCILADOR OPTOELETRÔNICO (OEO) de acordo com a reivindicação 1 , 2 e 3, caracterizado pelo bloco do oscilador optoeletrônico (OEO) onde é gerado o sinal de referência f0, os sinais de RF com frequências fi e Í2 aplicados provenientes do bloco fonte de sinais (9A e 9B), sofrer intermodulação no modulador eletro-óptico MZ (3) com o sinal de frequência fo gerado no oscilador optoeletrônico (OEO) (1 ), sendo o sinal de intermodulação, com frequências acima e abaixo das frequências dos sinais externos injetados (f0-fi, fo-f2, f0+fi, fi-Í2, etc...) ser selecionado pelo filtro de seleção (12A ou 13A ) após o divisor de potência (5) e amplificador (1 1 ) conectados após a saída do fotodetector (4) do oscilador optoeletrônico (OEO), e após o amplificador (1 1 ) existir os filtros (12A) e (13A) de seleção das frequências acima e abaixo das frequências fi e f2 dos sinais externos aplicados, e os sinais após os filtros que seguem o amplificador (1 1 ) representarem os sinais de saída do conversor fotônico de frequência (CFF) e após amplificação os sinais com frequências acima e abaixo das frequências dos sinais externos aplicados podem ser utilizados em etapas de transmissão (T) e de recepção (R).
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