Aparato y método de medida OFDR mediante detección balanceada y técnica de reducción de ruido.

El objeto de la presente invención es un aparato de medida y un método de medida que emplea la técnica OFDR para la caracterización completa de dispositivos ópticos pasivos trabajando en régimen lineal.

Las modificaciones desarrolladas mejoran las prestaciones de aparato y método de medida convencional en cuanto a las limitaciones que los componentes del instrumento introducen en la longitud máxima del dispositivo a caracterizar, su rango dinámico de operación y el efecto del ruido en la medida. La invención se encuadra dentro del sector de instrumentación, test y medida específica para las tecnologías de la información y las comunicaciones, estando orientada principalmente a la caracterización de componentes en los sistemas de comunicaciones ópticas y redes de comunicaciones de siguiente generación.

Objeto de la invención La presente invención se encuadra en el sector de la electrónica y de la teoría de la señal y las comunicaciones. Su objeto se centra en los aparatos y métodos de medida OFDR (aplica! Frequency-Domain Reflectometr y ) empleados para realizar la caracterización completa de componentes y dispositivos ópticos pasivos trabajando en régimen lineal. Es objeto de la invención un método y un aparato que posibiliten la implementación física de analizadores vectoriales de redes ópticas, OVA (Optica! Vector Analyzer) tanto en tecnología de fibra óptica, como en espacio libre. En ambos casos el resultado es la medida de la respuesta impulsiva o caracterización temporal del dispositivo bajo pruebas, así como de su función de transferencia o caracterización espectral, en módulo y fase, dando lugar a la caracterización completa del mismo.

Antecedentes de la invención La evolución de los sistemas de comunicaciones hacia las redes de nueva generación, NGN (New Generation Networks) discurre principalmente por dos vertientes bien diferenciadas: (i) el usuario demanda de la red la mayor movilidad posible, y (ii) los nuevos servicios requieren el almacenamiento, transmisión, tratamiento y procesado de grandes volúmenes de información a altas velocidades.

En lo referente a la segunda vertiente, los sistemas de comunicaciones ópticas constituyen la alternativa óptima, gracias al gran ancho de banda que ofrece la fibra óptica. Este hecho requiere la necesidad de creación e incorporación a la red óptica de nuevos componentes y dispositivos fotónicos, capaces de realizar cada vez más tareas de procesado de señal en el dominio óptico, extendiendo así el concepto de transparencia óptica, la cual hace posible la realización de las labores de conmutación y encaminamiento de la señal de información en el dominio óptico sin la necesidad de realizar un paso al dominio electrónico, el cual supone un cuello de botella para los actuales sistemas de comunicaciones ópticas.

La eficiencia de las NGN ópticas está firmemente ligada al correcto funcionamiento de estos componentes y/o dispositivos ópticos y fotónicos. Es imprescindible, por tanto, contar con técnicas de test y medida que permitan obtener la caracterización completa de éstos. Todo dispositivo óptico pasivo que trabaje en régimen lineal queda completamente caracterizado en el dominio del tiempo por su respuesta impulsiva, y en el dominio de la frecuencia por su función de transferencia compleja, compuesta de respuesta de magnitud y fase.

La metrología óptica aporta técnicas de medida que permiten realizar dicha caracterización, siendo la técnica OFDR la más usual y eficiente a la hora de obtener la caracterización completa de un componente o dispositivo óptico trabajando en régimen lineal, combinando un aparato de medida de interferometría espectral con un método de medida basado en el análisis de Fourier [1 J. SU principio de funcionamiento se basa en la medida de la señal óptica resultante de inyectar la salida de una fuente de luz láser sintonizable, TLS (Tunable Laser Source) en un montaje interferométrico para conseguir la mezcla entre dos señales ópticas, una primera de referencia y una segunda, que es la señal afectada por las características del dispositivo a medir, DUT (Device Under Test) denominada señal de prueba. La medida del DUT en el ancho de banda de interés se realiza mediante un barrido en el rango espectral de sintonía del TLS. La potencia óptica de la señal resultante de la interferencia es medida por medio de un fotodetector. De este resultado es posible extraer la respuesta impulsiva y la función de transferencia del OUT mediante un procesado de señal basado en análisis de Fourier.

La gran ventaja de esta técnica es que consigue la caracterización completa del OUT únicamente a partir de medidas de potencia, ya que las medidas de fase óptica son complejas, lentas y costosas. La técnica OFOR propuesta en [1] fue posteriormente mejorada, como se muestra en US6376830, US7042573 Q[2] para desarrollar el producto conocido como analizador óptico vectorial (OVA) y que se ha comercializado por medio de la empresa Luna Technologies (http://www.lunatechnologies.com) . Oe la misma forma, las grandes empresas del sector de instrumentación, test y medida han desarrollado otras técnicas basadas en OFOR, como por ejemplo se muestra en los documentos US7268342 o US6788396. Otras realizaciones basadas en técnicas similares para la caracterización de sistemas ópticos en tiempo real se describen en [3].

El aparato y técnica de medida OFOR, aun considerando su eficiencia y rendimiento, presenta dos limitaciones o debilidades principales: (a) su sensibilidad al ruido óptico y electrónico, que obliga a la adquisición de múltiples medidas del mismo OUT para realizar una reducción del ruido mediante promediado de las mismas; y (b) la limitación en la longitud máxima del OUT que es capaz de medir. Con estas consideraciones, es un objetivo de la presente invención proponer dos mejoras a la técnica OFOR que superen las limitaciones descritas sin afectar a su correcto funcionamiento.

Referencias [11 U. Glombitza, and E. Brinkmeyer "Coherent Frequency-Domain Reflectometr y for Characterization of Single-mode Integrated-optical Waveguides" IEEE Journal of Lightwave Technology, Vol. 11 N° 8, pp. 1377 -1384, August 1993.

[21 Brian J. Soller, Dawn K. Gifford, Mattew S. Wolfe, and Mark E. Froggatt. "High resolution optical frequency domain reflectometr y for characterization of components and assemblies" Optics Express, Vol. 13 N° 2, pp. 666 -674, Januar y 2005.

[31 Y. Park, A. Malacarne and J. Azaña "Real-time ultrawide-band group delay profiJe monitoring through low-noise incoherent temporal interferometr y " Optics Express, Vol. 19, No. 5, pp. 3937 -3944, Februar y 2011.

Descripción de la invención La presente invención propone una mejora del aparato y del método de medida OFOR para la caracterización completa de dispositivos ópticos.

Como ha sido comentado anteriormente, la técnica OFOR permite obtener la caracterización completa de un dispositivo óptico pasivo trabajando en régimen lineal, tanto en el dominio espectral mediante su función de transferencia compleja (compuesta de sus respuestas de amplitud y fase) , como en el dominio temporal mediante su respuesta impulsiva. Este método, aun considerando su eficiencia, presenta dos limitaciones:

a) Su sensibilidad al ruido óptico y electrónico que obliga a la adquisición de múltiples medidas del mismo OUT para realizar una reducción del ruido mediante promediado de las mismas.

b) La limitación en la longitud máxima del OUT que es capaz de medir.

El impacto de estos problemas queda muy reducido mediante el empleo en el aparato de detección balanceada para romper la relación existente entre la máxima longitud del DUT que es posible medir y la longitud del brazo de referencia del interferómetro implementado en el montaje óptico. De esta forma, dicha longitud máxima queda determinada únicamente por la resolución espectral del TLS. Además, esta mejora consigue un incremento de 3 dB en la relación señal -ruido (SNR) de la medida mejorando así el rango dinámico de operación. Más concretamente, al aparato de medida interferométrica OFDR se le añade, bien un segundo fotodetector cuya corriente de salida se resta de la corriente de salida del primer fotodetector de los aparatos convencionales por medio de un procesado numérico, una vez han sido digitalizadas las señales, o bien un receptor óptico balanceado que realiza la diferencia electrónicamente.

Por otro lado, el método de medida objeto de la presente invención parte del hecho de que los términos de información del interferograma temporal obtenido por el aparato de medida son complejos conjugados. Mediante el uso de una técnica de reconstrucción específica que utiliza este hecho, es posible reducir el número de iteraciones de promediado, lo cual redunda en una reducción del número de adquisiciones necesarias para conseguir mejorar la SNR de la medida y, por tanto, para un mismo orden de magnitud de la SNR de la medida, reducir el tiempo de operación del aparato.

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que sean limitativos de la presente invención. Además, la presente invención cubre todas... [Seguir leyendo]

1. Aparato de medida OFOR (300, 500) mediante detección balanceada y técnica de reducción de ruido que comprende una fuente de luz láser sintonizable TLS (301, 501) que proporciona a su salida una señal óptica de alta coherencia cuya frecuencia de emisión es controlada por un procesador digital de señales (307, 508) mediante una función rampa a través de una línea electrónica de sintonía (331, 521) dando lugar a un barrido de frecuencia que cubre el rango espectral del OUT (303, 503) que se desea caracterizar; y donde dicho aparato comprende además un acoplador direccional de entrada (302, 502) con una primera salida conectada con el OUT (303, 503) Y este, a su vez, con una primera entrada de un acoplador direccional de salida (305, 505) idéntico al acoplador direccional de entrada (302, 502) a través del camino óptico (331, 531) , mientras que la segunda salida del acoplador direccional de entrada (302, 502) se conecta con una línea óptica de retardo de fibra óptica (304, 504) y con la segunda entrada del acoplador direccional de salida (305, 505) a través del camino óptico (332, 532) ; estando además caracterizado porque comprende medios de detección balanceada de las señales ópticas recibidas de las dos salidas del acoplador direccional de salida (305, 505) a través de conexiones ópticas (316, 317, 516, 517) , de tal forma que se generen dos señales ópticas diferentes diferenciables entre sí.

2. Aparato de medida OFOR (300) de acuerdo con la reivindicación 1 en donde los medios de detección balanceada de las señales ópticas recibidas consisten en un receptor óptico balanceado (306) que genera una corriente eléctrica proporcional a la diferencia de las corrientes fotodetectadas por sus puertos ópticos de entrada a través de las conexiones ópticas (316, 317) .

3. Aparato de medida OFOR (500) de acuerdo con la reivindicación 1 en donde los medios de detección balanceada de las señales ópticas recibidas a través de las conexiones ópticas (516, 517) consisten en dos fotodetectores (506, 507) de tal forma que se detectan por separado dos interferogramas frecuenciales que dan lugar a dos corrientes eléctricas fotogeneradas, calculándose la diferencia entre estas corrientes en el OSP (508) , al cual llegan a través de las conexiones eléctricas (522, 521) .

4. Método de medida OFDR mediante detección balanceada y técnica de reducción de ruido, implementado en el aparato de medida de las reivindicaciones 1 a 3 y que comprende:

(i) una primera etapa de medida del interferograma espectral a lo largo de todo el rango espectral de interés, I¡n¡ (f) , que es dependiente de la densidad espectral de emisión de potencia de la fuente de luz láser sintonizable TLS (301, 501) a lo largo de todo el rango de sintonía, dependiente de la respuesta espectral en potencia del OUT (303, 503) , así como dependiente de las respuestas en amplitud y fase de la función de transferencia del OUT (303, 503) ;

(ii) una segunda etapa de cálculo de la transformada rápida de Fourier inversa del interferograma espectral para obtener una secuencia compleja denominada interferograma temporal, i¡n¡ (t) , Y que depende de la característica temporal de emisión del TLS (301, 501) , de la auto-correlación de la respuesta impulsiva del OUT (303, 503) , Y de dos réplicas complejas conjugadas de la respuesta impulsiva del OUT, houT (t-rreU Y h*OUT (-t-rreU, (simétricas respecto al origen) estando éstas desplazadas del origen en función del retardo de la senal de referencia en sentidos opuestos;

(iii) Y una tercera etapa que se caracteriza porque comprende un proceso de enventanado específico (mediante w (t) que permite recuperar y promediar, al mismo tiempo, las dos réplicas complejas conjugadas de la respuesta impulsiva del OUT, hount-Tref) y h*oun-t-Tre&, a partir del interferograma temporal, iin¡ (t) , estando este proceso descrito por:

~ (i¡nt (t) +i¡:t (-t) ) w (t) =hour (t-Tre{ )

donde A es la amplitud de la señal de salida del TLS (301, 501) a la frecuencia de sintonía; ~ es la responsividad del fotodetector, y donde 'tref Y 'tDUT son los retardos de la señal de referencia y del OUT, respectivamente.

5. Método de medida OFOR mediante detección balanceada y técnica de reducción de ruido que comprende una etapa de toma de medida y acondicionamiento de señal realizada mediante el aparato de medida de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 y una etapa de procesado de señal de acuerdo con el método de medida de la reivindicación 4, y que 20 además se caracteriza porque para minimizar el efecto de ruido sobre los resultados de la traza de salida, realiza un promediado sobre una batería de medidas realizadas sobre el mismo OUT (303, 503) , repitiendo el proceso Np veces de forma que en la iteración p se tiene almacenada en la memoria del OSP (307, 508) la suma acumulada de todas las respuestas impulsivas y funciones de transferencia recuperadas; y donde al final del proceso se dividen estos resultados acumulados por Np, quedando así promediada la medida tanto de la respuesta impulsiva del OUT, hount) , como de la función de transferencia del OUT, Hounf) .

100 /

FIG.1

INICIO)

DATOS DE MEDIDA

'¡nI (f)

- -------------------------------., .

CALCULO DE LA TRANSFORMADA INVERSA DE FOURIER DEL INTERFEROGRAMA

i¡nl (t) =3-¡ {'¡nl ( f) }

!

DATOS DE DISE~O

Lour neff A m .~

DATOS DE DISE~O

Lre ( nelf .~

ENVENTANADO y ESCALADO EN AMPLITUD DE LA RESPUESTA IMPULSNA hOUT (t -r re () =i¡nl (t) W (t)

COMPENSACiÓN DEL RETARDO DE PROPAGACiÓN POR EL BRAZO DE REFERENCIA hOUT (t) =hOUT (t -rre () *8 (t+ rre ()

!

CÁLCULO DE LA TRANSFORMADA DE FOURIER DE LA RESPUESTA IMPULSIVA

HOUT (f) =3 { hOUT (t) }

( FIN

FIG.2

RESPUESTA IMPULSIVA

hOUT (t)

~---