MÉTODO Y APARATO DE MEDIDA PARA LA CARACTERIZACIÓN DE DISPOSITIVOS ÓPTICOS Y FOTÓNICOS.

Método y aparato de medida (100, 400, 500) para la caracterización de dispositivos ópticos y fotónicos,

basado en interferometría espectral y algoritmos de reconstrucción de fase mínima, que comprende una fuente de luz (101, 401, 501), un montaje intererométrico (100, 400, 500) y un sistema de detección óptica (106, 406, 506), y donde partiendo de la densidad espectral de potencia de una función interferométrica de fase mínima, compuesta por una señal óptica de referencia y una señal óptica que contiene la característica del dispositivo objeto de estudio DUT (103, 503), acaba obteniendo la función de transferencia del DUT (103, 503), H(ω) y su correspondiente respuesta impulsiva h(t).

MÉTODO Y APARATO DE MEDIDA PARA LA CARACTERIZACIÓN DE DISPOSITIVOS ÓPTICOS Y FOTÓNICOS

5 1 O La presente invención describe un método y un aparato de medida para la caracterización completa de dispositivos ópticos que se encuadran en el sector de las tecnologías de la información y las comunicaciones, y en particular en las áreas de tecnología electrónica y teoría de la señal. El aparato y método de medida propuesto para la caracterización completa de sistemas y dispositivos ópticos y/o fotónicos está orientado a la instrumentación de test y medida específica de todos los componentes pasivos que integran los actuales sistemas de comunicaciones ópticas por fibra y las quot;redes de comunicaciones de siguiente generaciónquot;.

15 En particular, el aparato y método de medida se aplica en la caracterización espectral (esto es, determinar la función de transferencia) y temporal (es decir, hallar la respuesta impulsiva) de todo tipo de dispositivos ópticos lineales, como las propias fibras ópticas, los filtros ópticos de diferentes tecnologías, acopladores ópticos, multiplexores y demultiplexores ópticos, y conmutadores ópticos, entre otros.

20 ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

25 Los sistemas de comunicaciones ópticas están sufriendo una continua evolución en dos direcciones: i. El aumento progresivo de la velocidad de transmisión de la información, que implica tiempos de bits más pequeños; y

3 O ii. La incorporación de nuevos componentes y dispositivos ópticos que proporcionan funcionalidades adicionales como el filtrado y la selección de componentes espectrales, la distribución y concentración de la señal óptica, la multiplexación y demultiplexación de canales, la conmutación y encaminamiento de la señal óptica, así como cualquier otra operación de procesado óptico de señal en general de aplicación en este ámbito.

El comportamiento de estos componentes y dispositivos ópticos y/o fotónicos es

crítico para las prestaciones del sistema de comunicaciones completo, sobre todo si

se considera la tendencia a incluir en cada fibra óptica una mayor densidad de

canales multiplexados en longitud de onda y trabajando a un mayor régimen binario.

5

En este sentido, se hace primordial e imprescindible la caracterización completa de

todos los componentes y dispositivos que integran las redes de comunicaciones

ópticas y fotónicas. De forma general, un sistema, dispositivo y/o componente óptico

pasivo, trabajando en régimen lineal, está totalmente caracterizado en el dominio

10 espectral por su función de transferencia compleja (que comprende la respuesta de

amplitud y respuesta de fase) y en el dominio temporal por su respuesta impulsiva.

La función de transferencia y respuesta impulsiva de cualquier dispositivo lineal

están relacionadas biunívocamente por la Transformada de Fourier.

15 En la actualidad, una de las técnicas más utilizadas en la caracterización de estos

dispositivos ópticos es el OFDR (Optical Frequency-Domain Reflectometr y o bien,

Coherent Frequency-Domain Reflectometr y ) , es decir, la técnica de reflectometría

óptica coherente en el dominio de la frecuencia.

2 O Esta técnica o método de medida, propuesto por Glombitza et al. [U. Glombitza y E.

Brinkmeyer quot;Coherent Frequency-Domain Reflectometr y for Characterization of

Single-Mode integrated optical waveguidesquot;, IEEE Journal of Lightwave Technology,

Vol. 11 N°8, pp. 1377 -1284, August 1993] combina la interferometría espectral y el

análisis de Fourier para conseguir las mejores prestaciones de resolución y rango

2 5 dinámico existentes.

Su principio de funcionamiento está basado en inyectar la salida de una fuente de luz

láser sintonizable (TLS -Tunab/e Laser Source) en un sistema interferométrico para

conseguir la mezcla o interferencia entre dos señales ópticas: una, denominada

3 O señal óptica de referencia; y dos, la señal óptica afectada o modulada por la

característica del dispositivo a medir (OUT -Device under Test) . Realizando un

barrido de la frecuencia de emisión del TLS en un intervalo espectral, la señal de

interferencia en potencia se mide a la salida del montaje interferométrico mediante

un fotodetector. Aplicando el análisis de Fourier es posible obtener una señal en el

3 5

obtener la función de transferencia del OUT compuesta de sus respuestas de

amplitud y fase.

La gran ventaja de esta técnica es que consigue la caracterización completa del OUT

5 únicamente a partir de medidas de potencia, ya que las medidas de fase óptica son

complejas, lentas y costosas. La técnica OFDR propuesta por Glombitza fue

mejorada por Froggat [US 6, 376, 830 y US 7, 042, 573] para desarrollar el producto

conocido como analizador vectorial óptico (OVA-Optical Vector Analyzer) y que se

ha convertido en un producto exitoso de la compañía Luna Technologies

1 O (http://www.lunatechnologies.com) . De la misma forma, las grandes empresas del

sector de la instrumentación, test y medida han patentado sus propios desarrollos

basados en la misma técnica OFDR, como la empresa Agilent Techonologies

(http://www.agilent.com) a través de las patentes de Stolte [US 6, 788, 396] y Ziegler

[US 7, 268, 342].

15

Otro método que se ha explorado para la caracterización completa de dispositivos

ópticos, y más particularmente aplicado a redes de difracción de Bragg en fibra, pero

que se puede generalizar a cualquier sistema, dispositivo y/o componente óptico, ha

consistido en calcular la respuesta de fase de la función de transferencia del OUT a

2 O partir de la medida de su respuesta en amplitud. Se mantiene así la premisa de

basar la caracterización completa del OUT únicamente a partir de medidas de

potencia, por la dificultad intrínseca de las medidas de fases ópticas ya comentada.

Este método basa su principio de funcionamiento en que el OUT es un dispositivo

real, causal y estable y que, por tanto, su función de transferencia verifica la

2 5 Transformada de Hilbert y/o relaciones de Kramers -Kronig, en su forma integral.

En [Garba/lar et al. quot;Phase reconstruction from Reflectivity in Fiber Bragg Gratingsquot;

IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol.15, N°8, pp. 1314-1322, August 1997]

se demostró la viabilidad del método para el caso particular en el que la función de

3O transferencia del OUT cumpliese ser una función de fase mínima (MPF -Minimum

Phase Function) . Posteriormente, Poladian [Poladian, quot;Group-Delay reconstruction

for fiber Bragg gratings in reflection and transmission': Optics Letters, Vol.22 N°20,

pp. 1571 -1573, October 1997] extendió la idea y la generalizó de forma teórica,

Otros autores han utilizado esta idea junto con la interferometría espectral para

conseguir la caracterización completa de dispositivos ópticos. Un primer intento

[Skaar, quot;Measuring the group de/ay of fiber Bragg gratings by use of end-reffection

interferencequot;, Optics Letters, Vol. 24 N°15, pp. 1020-1022, August 1999] utiliza la

5 interferencia Fabr y -Perot entre el dispositivo a caracterizar OUT y la reflexión final

del extremo de la fibra óptica pero no logra resultados satisfactorios, reconduciendo

esta solución hacia la técnica de medida ya conocida como OFOR.

En una segunda aproximación [Ozcan et al., quot;Characterization of Fiber Bragg

1 O Gratings Using Spectrallnterferometr y Based on Minimum-Phase Functionsquot;, Joumal

of Lightwave Technology Vol. 24 N°4, pp. 1739-1757, 2006], se han desarrollado

montajes interferométricos que, operando en el dominio del tiempo, construyen

secuencias de pulsos temporales que, por definición se aproximan o son cercanas a

MPF y que, por tanto, son susceptibles de ser tratadas mediante algoritmos de

15 reconstrucción de fase basados en la transformada de Hilbert. La verificación de

MPF por parte de la secuencia temporal interferométrica es aproximada y, en

consecuencia, la obtención de la característica completa del OUT requiere

algoritmos iterativos para converger hacia la solución correcta, haciendo mucho más

lento y tedioso el proceso de medida [US 7, 385, 683 y US 7, 746, 480].

20

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

En aras de solucionar los problemas mencionados en el actual estado de la técnica,

2 5 el objetivo de la presente invención es desarrollar un aparato y método de medida

para la caracterización completa de sistemas, dispositivos...

1. Método de medida para la caracterización de dispositivos ópticos y

5 fotónicos, que partiendo de la densidad espectral de potencia de una función

interferométrica, compuesta por la mezcla de una señal óptica de referencia y una

señal óptica que contiene la característica del dispositivo objeto de estudio OUT

(1 03, 503) , verifica ser una MPF. Este método se caracteriza porque partiendo

como dato de entrada de la medida en potencia que realiza el detector óptico

1 O (1 06, 406, 506) de la señal óptica o función interferométrica que le llega a su entrada,

es decir, IF;nt{w) f, comprende las etapas de:

(i) Obtención de la respuesta en amplitud de la función interferométrica

normalizada IF;nt.norm (w) l. en donde conocida la densidad espectral de

energía de emisión de una fuente de luz (1 01, 401, 501) que no es más

15 que el módulo al cuadrado de la amplitud compleja de campo óptico de

emisión de dicha fuente de luz (101, 401, 501) IA (w) f, y conocido el

coeficiente de acoplo K de los acopladores ópticos (102, 105, 502, 505)

que implementan el sistema interferométrico, es inmediato obtener

2O (ii) Cálculo de la respuesta de fase de la función interferométrica normalizada,

arg[F;nt.norm (w) }, a partir de la función obtenida en la etapa (i) , utilizando

transformada de Hilbert, relaciones de Kramers -Kronig o cualquier otro

algoritmo de reconstrucción de fase. Así, se calcula la respuesta de fase

de la función interferométrica normalizada a partir de su respuesta en

25 amplitud por verificar ser una MPF;

(iii) Construcción de la función interferométrica normalizada compleja, F;nt.norm (w) ,

en donde a partir de los resultados de los pasos anteriores, se construye

la función interferométrica normalizada compleja a partir de su respuesta

en amplitud, obtenida en la etapa (i) y respuesta de fase, obtenida en la

30 etapa (ii)

F ( ) -IF ( ) j·e'··arg[F;., =~ (w) ]mt, nonn m -int, nonn (J)

(iv) Obtención de la función de transferencia del OUT (1 03, 503) , H (w) . Una vez

obtenida la función interferométrica normalizada F;nt.norm (w) y conocida la

relación existente entre ésta y la función de transferencia compleja del

OUT (1 03, 503) se calcula la característica espectral completa, compuesta

de respuesta de amplitud y fase, del dispositivo óptico a medir OUT

(103, 503) H (w) :

1-K ( ) H ( (!) ) = K J+ F:nt, nonn ( (!) )

5 (v) Obtención de la respuesta impulsiva del OUT (1 03, 503) , h (t) , en donde a

partir de la característica espectral completa del OUT 1 03 obtenida en el

paso (iv) se calcula la característica del dispositivo óptico a medir en el

dominio temporal o respuesta impulsiva h (t) mediante transformada de

Fourier inversa.

10

2. Aparato de medida (1 00, 400, 500) para la caracterización de dispositivos

ópticos y fotónicos, basado en interferometría espectral, y que comprende una fuente

de luz (1 01, 401, 501) que proporciona a su salida una señal óptica, que se lleva a

un primer acoplador óptico direccional (102, 502) a través de una guía-onda óptica

15 (111) y donde la salida de la fuente de luz (1 01, 401, 501) está caracterizada por su

amplitud compleja de campo óptico de emisión A (w) , mientras que el acoplador

óptico direccional (1 02, 502) está caracterizado por su constante de acople K,

distribuyendo la señal óptica de su entrada entre sus dos salidas: una primera salida

proporcional a K y una segunda salida proporcional a 1 -K; y que comprende,

2O además, medios para ejecutar el método de la reivindicación 1 ; estando además

caracterizado porque

la señal óptica de una de las salidas del acoplador óptico (102, 502) está

conectada con el dispositivo OUT (1 03, 503) a través de una guía-onda óptica (112) ,

estando a su vez conectado con un segundo acoplador óptico direccional (105, 505)

2 5 a través de una segunda guía-onda óptica (114) ; y en donde el primer y segundo

acoplador óptico (1 02, 1 05, 502, 505) son de características similares, estando ambos

caracterizados por la constante de acoplo K;

y donde la señal óptica en la segunda salida del primer acoplador óptico

(1 02, 502) está conectada con un elemento de ajuste (1 04, 504) a través de una guía-

3 O onda óptica (113) , estando dicho elemento de ajuste (1 04, 504) a su vez conectado

con la segunda entrada del segundo acoplador óptico (1 05, 505) a través de una

guía-onda óptica (115) ;

y en donde el segundo acoplador óptico (1 05, 505) combina las dos señales

3 5 salida hacia un detector óptico (1 06, 406, 506) a través de una guía-onda óptica (116) .

3. Aparato de medida (1 00, 400, 500) de acuerdo con la reivindicación 2 en donde el elemento de ajuste (1 04, 504) consiste en una línea de retardo variable, bien conocida en el estado de la técnica.

.

4. Aparato de medida (1 00, 400, 500) de acuerdo con las reivindicaciones 2 y 3 en donde la fuente de luz es una fuente de luz láser sintonizable o TLS (1 01, 501 ) .

5. Aparato de medida (1 00, 400, 500) de acuerdo con las reivindicaciones 2 y 10 3 en donde la fuente de luz es una fuente de luz blanca (401) .

6. Aparato de medida (100, 400, 500) de acuerdo con las reivindicaciones 2, 3 y 4 en donde el detector óptico (106, 506) es un fotodetector.

7. Aparato de medida (100, 400, 500) de acuerdo con las reivindicaciones 2, 3 y 5 en donde el detector óptico es un analizador de espectros ópticos OSA (406) .