MODULO DESPLAZADOR DE LONGITUD DE ONDA PARA COMUNICACIONES DE ACCESO POR FIBRA OPTICA Y OTRAS APLICACIONES.

Módulo desplazador de longitud de onda para comunicaciones de acceso por fibra óptica y otras aplicaciones.

Modulo electro-óptico de abonado de red de acceso por fibra óptica bidireccional que realiza un desplazamiento de la longitud de onda recibida, la refleja, la remodula con la información de retorno y la reemite hacia la oficina central por la misma fibra.El modulo de abonado comprende un dispositivo modulador electro-óptico excitado con un tono de radio-frecuencia que produce una modulación de amplitud y/o fase, de tal forma que la frecuencia óptica de salida es la de entrada trasladada en un valor igual a la frecuencia del tono de radio-frecuencia. Se reduce así, la interferencia entre las señales en sentidos de transmisión opuestos por la fibra en la red de acceso con generación centralizada de señales ópticas y equipo de abonado reflexivo.La versión básica del módulo desplazador de longitud de onda permite solucionar otros problemas técnicos, como por ejemplo, permitiruna sintonía ultra fina para láseres sintonizables

Módulo desplazador de longitud de onda para comunicaciones de acceso por fibra óptica y otras aplicaciones.

Sector de la técnica

La invención se encuadra en el sector técnico de las telecomunicaciones por fibra óptica, más concretamente en el relativo a las redes de acceso de banda ancha con multiplexación en longitud de onda, las denominadas redes de fibra-hasta-el-hogar (FTTH) de nueva generación.

Estado de la técnica

Actualmente, la instalación de redes de acceso por fibra óptica a los abonados ha adquirido una gran relevancia entre los operadores de telecomunicación. En algunos países, como Japón, Estados Unidos, Corea del Sur, Italia y los países nórdicos, la instalación de accesos por fibra óptica está creciendo a un nivel comparable, o incluso superior, al de otros medios de acceso más convencionales como ADSL, cable o radio.

La primera generación de redes acceso usaban dos fibras para cada abonado, instaladas desde la oficina central. Una generación más avanzada, la denominada red óptica pasiva (PON), reduce la infraestructura de fibra óptica mediante la compartición de la mayor parte de la longitud de fibra entre varios usuarios, instalando un acopiador o divisor óptico pasivo en un nodo remoto simple cercano a los abonados, el cual divide la señal óptica de la fibra de alimentación a las distintas fibras individuales, en el sentido de bajada. En el sentido de retorno, el funcionamiento es simétrico. Esta compartición de la mayor parte de la longitud de la fibra es posible gracias al enorme ancho de banda de la misma, que puede operar a elevadas velocidades de transmisión de datos y repartirlos entre los distintos usuarios multiplexados en el dominio del tiempo. Un avance suplementario consiste en usar la misma fibra para el sentido de bajada y el de retorno o subida. Ello se realiza usando fuentes de luz en distintas bandas de longitudes de onda, y filtros ópticos para separarlas.

En un futuro próximo, se espera desarrollar una nueva generación con mayor capacidad y aún mayor nivel de compartición, usando la multiplexación en longitud de onda WDM de alta densidad en la fibra óptica. Con ella se pueden transmitir numerosas señales ópticas de información a distintas longitudes de onda por una única fibra, desde la oficina central hasta el nodo remoto pasivo en las inmediaciones de los usuarios, separar aquí las distintas longitudes de onda con un multiplexor y destinar cada una a cada usuario, o grupo de usuarios. En un futuro se espera combinar tos dos dominios de multiplexación, el del tiempo y el de la longitud de onda; con ello, potencialmente se puede llegar a dar servicio a más de un millar de usuarios desde una única fibra de alimentación que cubra la mayor parte de la distancia, por ejemplo de 20 Km. o más.

Una configuración ventajosa de red de acceso WDM usa una única fibra para la señal de bajada y de retorno de cada usuario, y además centraliza la generación de longitudes de onda en la oficina central, evitando el uso de un láser específico en cada módulo de abonado; éste, también conocido como equipo de usuario o como unidad de red óptica, o como conversor electro-óptico, la recibe, la remodula con los datos de retorno y la reenvía hacia ta oficina central; de esta forma se simplifica su diseño ya que no requiere láser generador de la longitud de onda y se asegura que las dos señales, la de bajada y la de subida atraviesen adecuadamente el multiplexor óptico WDM del nodo remoto por el canal asignado. Este tipo de módulo de abonado se denomina comúnmente como reflexivo, o agnóstico a la longitud de onda o color, porque refleja cualquier longitud de onda que le llegue. Así, todos los equipos de usuario pueden ser idénticos entre ellos, a diferencia de los que usan láser, que deben suministrarse distintamente a cada usuario para que no se interfieran, to que supone un problema de suministro y distribución.

Sin embargo, los sistemas que operan por una única fibra con la misma longitud en tos dos sentidos deben afrontar el problema de las interferencias entre ambas señales en sentidos opuestos, debidas al fenómeno de retrodifusión de Rayleigh y a las posibles reflexiones en conectores ópticos intermedios u otros. Esta interferencia es máxima cuando los espectros ópticos de bajada y subida son coincidentes [IEEE Journal of Lightwave Technology, vol 8, no. 12, pp. 1792-1798, Dec. 1990, "Spectral properties of Rayleigh backscattered light from single-mode fibers caused by a modulated probe signal", P. Gysel et al.].

En relación a esta nueva tecnología de red de acceso WDM y equipo de usuario reflexivo, se han publicado recientemente diversos artículos científicos que prueban sus posibilidades y mejoran sus prestaciones, tratando de solventar las limitaciones.

La patente EP0551409B1 ("Bidirectional transmission system, especially by optical fibre, using a single carrier for both transmission directions", 1998, cesada en 2005) recoge la remodulación de la portadora óptica de bajada en el equipo de usuario para el retorno de subida simultáneo. Al ser a la misma longitud de onda la auto-interferencia puede ser relevante.

En [IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17, no. 3, Marzo 2005, "Full-duplex Single Fiber Transmission using FSK Downstream and IM Remote Upstream Modulations for Fiber-to-the-Home", J. Prat et al.] se usa una modulación óptica en frecuencia para el sentido de bajada con un láser sintonizable, y una modulación de intensidad en el módulo de abonado para el retorno. La modulación de frecuencia óptica es de potencia constante y compatible así con la modulación simultánea de potencia en el retorno; al mismo tiempo, produce un ensanchamiento espectral que reduce las interferencias.

En [European Conference on Optical Communications, ECOC'05, artículo We3.5.5, "Gigabit optical access using...", F. Payoux et al.] se usa "spectral slicing", o luz de espectro ensanchado, que el multiplexor del nodo remoto subdivide, enviando a cada usuario una de las porciones de espectro, el cual, gracias a un amplificador semiconductor reflexivo (RSOA), amplifica y remodula con la información de retorno o subida.

En [Journal of Lightwave Technolgy, vol. 24, no. 2, Febr. 2006, pp. 786-796, "A new sinfle-fiber 10-Gb/optical loopback method using phase modulation for WDM optical access networks", T. Yoshida et al.] se envían dos longitudes de onda desde la oficina central, una modulada con los datos de bajada y la otra sin modular en bajada que es modulada en el módulo de abonado con los datos de retorno, con un índice de modulación de fase suficientemente elevado como para que la componente portadora original se cancele. Su problemática es que el espectro óptico se ensancha enormemente sufriendo problemas de alcance en distancia por la propia dispersión de la fibra y de interferencias.

En la invención presente se propone realizar una conversión de la longitud de onda, a otra ligeramente desplazada, de tal forma que tos espectros de subida y retorno no se solapen, y así el efecto de la interferencia sea menor.

La conversión de longitud de onda de señales ópticas se ha utilizado en las últimas dos décadas para redes troncales y metropolitanas avanzadas con encaminamiento totalmente óptico. Se ha demostrado utilizando diversas técnicas; una de ellas usa el fenómeno de mezcla de cuatro ondas de la propia fibra óptica con láser de bombeo de alta potencia (por ejemplo véase [IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, no. 1, Enero 1992, pp. 69-72, "Wavelength conversion experiment using fiber four-wave mixing", K. Inoue et al] y la patente [US2005207757], o en amplificador óptico semiconductor [Journal of Lightwave Technology, vol. 14, no. 6, pp. 955-966, Junio 1996, "Wavelength conversion technologies for WDM network applications" S. J. B. Yoo]); otra técnica genera un peine de longitudes de onda a partir de la modulación de la fase óptica con un modulador electro-óptico en bucle y un generador de microondas de alta potencia (por ejemplo véase [IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 11, no. 5, Mayo 1999, pp. 551-553, "1.8-THz bandwidth, zero-frequency error, tunable optical comb generator for DWDM applications", S. Bennett et al.]. Sin embargo con estas técnicas no se produce una única longitud de onda óptica sino que se generan una serie de portadoras ópticas con distintas potencias, separadas en un...

1. Módulo electro-óptico de red de acceso por fibra óptica bidireccional con multiplexación en longitud de onda caracterizado por: realizar la traslación de la longitud de onda recibida a partir de uno o más moduladores electro-ópticos excitados con un generador de radio-frecuencia con la potencia y desfases adecuados para cancelar suficientemente la portadora incidente y otros armónicos no deseados; remodular la banda lateral resultante con la información de datos de retorno; y remitirla hacia la oficina central a través de la misma fibra óptica.

2. Módulo electro-óptico desplazador la reivindicación anterior caracterizado porque la señal eléctrica utilizada incluye, no sólo un señal sinusoidal sino además señales eléctricas con información, produciéndose así, no sólo el desplazamiento de la longitud de onda, si no además una modulación o remodulación de la señal óptica incidente.

3. Módulo según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque intercala un amplificador óptico bidireccional (8) a la entrada.

4. Módulo según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque el circulador óptico (9) se sustituye por un acoplador óptico más uno o más aisladores ópticos.

5. Módulo según la reivindicación 3 caracterizado porque los aisladores ópticos se sustituyen por unos conmutadores ópticos situados al principio y final del bucle de luz, que controlan el paso de luz en única dirección.

6. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque intercala un acoplador óptico (6) que separa una porción de la señal que se utiliza para detectar la información de datos de bajada con un foto-receptor (7).

7. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque intercala un dispositivo electro-óptico semiconductor que actúa como foto-receptor de la señal de datos de bajada.

8. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque utiliza un filtro óptico para mejorar la pureza del espectro de retorno.

9. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque utiliza acopiadores y amplificadores ópticos en distintos puntos del equipo de usuario.

10. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el modulador electro-óptico que realiza la traslación en longitud de onda y/o el de modulación de la señal de datos de retorno se realizan en guía-ondas de material cristal electro-óptico pasivo como el LiNbO3, alineada en eje cristalográfico correspondiente a "Z-cut" o "X-cut".

11. Módulo electro-óptico de red de acceso por fibra óptica bidireccional con multiplexación en longitud de onda según la reivindicación 2 caracterizado porque comprende el desplazador de longitud de onda se implementa mediante un modulador electro-óptico doble de tipo Mach-Zehnder de dos ramas (13) y (14), o más, que se excitan separadamente a partir de un oscilador de radio-frecuencia (3) y un desfasador eléctrico de unos 90 grados (17).

12. Módulo electro-óptico según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque realiza un desplazamiento de la longitud de onda recibida mediante la generación de una banda lateral única y supresión de la portadora, a partir de: la división del haz incidente en 3 o más haces; la modulación de dos de los haces mediante moduladores electro-ópticos con señales eléctricas desfasadas; y el adecuado ajuste de las potencias de los haces y sus desfases.

13. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según la reivindicación 11, caracterizado porque comprende: a) moduladores de amplitud, preferentemente ideales (que producen solamente modulación de amplitud de la luz incidente) o bien moduladores no ideales (que producen además una moderada modulación de la fase del haz incidente), b) desfases ópticos adecuados de los diversos haces e intensidades de los diversos haces, produciendo un desplazamiento de la longitud de onda y maximizando la transmisión de la potencia de la señal óptica incidente.

14. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 11 y 12, caracterizado porque las intensidades relativas en las que se divide el haz incidente no son óptimos en el uso de la potencia del haz incidente, pero generan un efecto similar al indicado en la reivindicación 2 y son más fáciles de implementar.

15. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según la reivindicación 11, caracterizado porque: la división del haz incidente en tres se realiza en dos etapas, haciendo uso de divisores de potencia con relación de división de 50%; y el ajuste de las potencias relativas para conseguir la generación de la longitud de onda desplazada, se realiza mediante un atenuador óptico.

16. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque: se hace uso de una atenuador variable controlado por una fuente de tensión -bias (21).

17. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según la reivindicación 11, caracterizado porque: se divide el haz incidente en 4 haces de intensidades iguales las fases que sufren cada uno de los haces divididos son, respectivamente, de: 0, 90, 180 y 270 grados o combinaciones resultantes de sumar o restar un número entero de 360 grados tanto a los desfase ópticos como eléctricos o de variar la disposición de los desfases relativos entre las ramas.

18. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 11 y 16, caracterizado porque: la división del haz y la generación de los desfases ópticos se produce mediante el uso de acopiadores por interferencia múltiple entre modos (MMI).

19. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 11, 16 y 17, caracterizado porque: se hace uso de dos acopladores MMI iguales.

20. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 11, 16 y 17, caracterizado porque: se hace uso de un acoplador MMI de entrada, que produce las fases requeridas, mientras que el segundo acoplador puede ser por ejemplo de tipo estrella y no generar desfases entre las distintas ramas.

21. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según la reivindicación 1, caracterizado porque: la división del haz incidente en tres se realiza en dos etapas, haciendo uso de divisores de potencia con relación de división de 50%; y el ajuste de las potencias relativas para conseguir la generación de la longitud de onda desplazada, se realiza mediante un atenuador óptico.

22. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 1, 2 y 21, caracterizado porque: se hace uso de una atenuador variable controlado por una fuente de tensión -bias (21); y que las fases pueden ser combinaciones resultantes de sumar o restar un número entero de 360 grados tanto a los desfase ópticos como eléctricos o de variar la disposición de los desfases relativos entre las ramas, análogamente a la reivindicación 17.

23. Módulo electro-óptico según la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque realiza un desplazamiento de la longitud de onda recibida, por generación de una banda lateral única y supresión de la portadora, mediante: la división del haz incidente en 2 o más haces; la modulación de los haces mediante moduladores electro-ópticos, de características distintas, con señales eléctricas desfasadas; el adecuado ajuste de las potencias de los haces, los desfases ópticos entre ellos; y los índices de modulación de la amplitud y la fase producidos por los dos moduladores, de forma que el índice de modulación de la amplitud de uno de ellos iguale al índice de modulación de la fase del otro.

24. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según la reivindicación 23, caracterizado porque: el desfase óptico entre los dos haces modulados es de 180 grados, y la generación de la señal óptica desplazada se realiza mediante un modulador de amplitud, que puede considerarse ideal, y que por tanto la modulación de fase residual que produce es despreciable, y otro modulador de amplitud no ideal o modulador de fase, que es capaz de producir una modulación de la fase importante con una modulación de la amplitud reducida y por tanto también despreciable; los moduladores reciben una misma señal eléctrica de modulación con un desfase de un cuarto del periodo de ta señal; y los índices de modulación de los moduladores se ajustan de forma que el índice de modulación en amplitud del modulador de amplitud iguala al índice de modulación de la fase del modulador de fase, consiguiéndose así la cancelación de la banda lateral y generando el desplazamiento de la longitud de onda deseada.

25. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque: hace uso de moduladores de fase no ideales, que producen una modulación de la fase del haz incidente además de una modulación de amplitud de la misma; desfases ópticos adecuados de los diversos haces; e intensidades de los haces que minimizan las señales en longitudes de onda distintas de la longitud de onda desplazada y maximizan el uso del la potencia de la señal óptica incidente.

26. Módulo electro-óptico de red de acceso por fibra óptica bidireccional con multiplexación en longitud de onda según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque comprende un interferómetro formado por una estructura de tres ramas que desplaza la longitud de onda incidente, formado por dos moduladores electro-ópticos en paralelo (13) y (14) entre el acoplador óptico (15) que separa/suma la luz en partes iguales, y un espejo reflectante de luz (11) en la salida de todas las guías ópticas, con un retardador o desfasador óptico de 45 grados (18) en una de las ramas y 112.5 grados en la otra (19); los dos moduladores se excitan separadamente a partir de un oscilador de radio-frecuencia (3), cuya señal generada se separa en dos ramas, una de ellas se desfasa en 90 grados (17), y cada una excita a un modulador electro-óptico (13 y 14).

27. Módulo según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende un interferómetro desplazador de longitud de onda con cuatro ramas en estructura en árbol de tres divisores del 50%, colocando un modulador de fase electro-óptico en cada rama, (13a), (13b), (14a), (14b), que reciben la luz de la guía principal subdividida dos veces por los acopladores ópticos (15a), (15b) y (15c), y la traspasan al espejo (11) que la refleja de vuelta; a los moduladores (13a), (13b), (14a) y (14b), les incide las señales eléctricas provenientes del generador de radio-frecuencia (3) y de los desfasadores (17b), (17a) y (17c) respectivamente; una vez desplazada la longitud de onda, a la vez que reflejada, otro modulador electro-óptico (4) le imprime la información de datos de retorno (5), variando la potencia de luz de salida al ritmo de los datos.

28. Módulo según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque introduce la modulación electro-óptica de datos dentro del interferómetro, en el que se modulan los datos a la vez que se traslada la longitud de onda, mediante un Modulador electro-óptico de datos superior (13) y un Modulador electro-óptico de datos inferior (14), excitados mediante un amplificador de datos superior (27a) y un Amplificador de datos inferior (27b), respectivamente, que pueden también hacer funciones de adaptación y ecualización.

29. Módulo según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque integra los moduladores de radio-frecuencia con los de datos, situando un Sumador (28a) en una rama y un restador/sumador (28b) en la otra rama, según el cristal sea "Z-cut"/"X-cut".

30. Módulo según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque acopla la señal de datos con el tono de radio-frecuencia mediante un mezclador o multiplicador (29).

31. Módulo según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque realiza el acoplamiento entre la señal de radio-frecuencia y la de datos, así como la generación de las señales que excitan los moduladores, mediante un Dispositivo procesador (PROCESSOR) (30) que realiza las funciones de los elementos, (28a), (28b) de la reivindicación 29 o (29) de la reivindicación 30, o una combinación de ellos y de otros elementos básicos, como amplificadores, retardadores, ecualizadores o adaptadores.

32. Módulo según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque integra los moduladores de señal de radio-frecuencia y de datos, uniéndolas mediante un sumador (+) (28).

33. Módulo (1h) según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque combina la señal de radio-frecuencia y la señal de datos mediante un mezclador o multiplicador (x) (29).

34. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el valor de desfase de Los desfasadores eléctricos (8), (8a), (8b), (8c) y ópticos (5), (5b) se ajustan respecto al valor nominal indicado para corregir desviaciones de fabricación y lograr ta mejor pureza espectral.

35. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se añade un elemento electrónico de compensación en un lazo de realimentación electrónico desde el foto-receptor hasta el modulador electro-óptico, para corregir distorsiones de la transmisión bidireccional por la misma fibra.

36. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se aplica en redes de área local, metropolitanas o troncales con multiplexación en longitud de onda, generación centralizada de las longitudes de onda de la red y transmisión bidireccional por una misma fibra.

37. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y, caracterizado porque las intensidades relativas en las que se divide el haz incidente no son óptimos en el uso de la potencia del haz incidente, pero generan un efecto similar al indicado en la reivindicación 1 y son más fáciles de implementar.

38. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones, 38 y 39, caracterizado porque las intensidades relativas en las que se divide el haz incidente son cambiados por otros valores que, no siendo óptimos en el uso de la potencia del haz incidente, pueden ser más fáciles de implementar.

39. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones 1 y 12, caracterizado porque se usa un atenuador variable, para permitir el ajuste de las intensidades relativas de tos haces ópticos y la adecuada cancelación de las señales ópticas a longitudes de onda distintas de la longitud de onda desplazada.

40. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según una o varias de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque: se usa una misma fibra óptica de entrada y de salida, la mitad derecha del módulo descrito en las reivindicaciones 11 a 24 es sustituido por un espejo que refleja las señales; y las fases ópticas implementadas son la mitad, ya que las señales ópticas, en su paso bidireccional a través del módulo, sufre el doble del desfase descrito.

41. Modulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los moduladores electro-ópticos (13) y (14) están formados por moduladores de fase, de amplitud o de amplitud y fase basados en materiales semiconductores.

42. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los moduladores electro-ópticos (13) y (14) están formados por moduladores de fase, de amplitud o de amplitud y fase basados en cristales fotónicos.

43. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque entre las entradas eléctricas de los moduladores (13) y (14) y la salida del generador eléctrico (3) se intercalan unos amplificadores, filtros y/o ecualizadores eléctricos para ajustar el nivel y forma de la señal eléctrica.

44. Módulo electro-óptico desplazador de la longitud de onda según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los desfases de las señales ópticas y eléctricas o los desfases relativos entre las ramas son múltiplos triviales de los mostrados o cualquier valor resultante de sumar o restar un número entero de 360 grados.

45. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el canal de transmisión no es la fibra óptica sino el aire o el vacío.

46. Módulo según cualquiera de las reivindicaciones 1 y 14-25 caracterizado porque intercala un amplificador óptico unidireccional (13b) a la entrada.