MéTODO Y DISPOSITIVO PARA ANáLISIS COMPLEJO DE ESPECTROS

óPTICOS

SECTOR DE LA TéCNICA La presente invención concierne a un dispositivo, y un procedimiento asociado, capaz de obtener la fase de espectros ópticos de una señal óptica o señal problema a analizar utilizando técnicas de heterodinaje entre dos componentes espectrales monocromáticas extraídas simultáneamente de la propia señal problema mediante difusión Brillouin estimulada.

ESTADO DE LA TéCNICA

La solicitud de patente EP-Al-1519171 también publicada como US2005/0068533 Al, describe un procedimiento de análisis complejo de un espectro óptico, y por tanto de su fase, mediante heterodinación o heterodinaje entre un oscilador óptico local y la componente seleccionada del espectro óptico analizado, e incluye una revisión del estado de la técnica en esa línea de análisis de espectros ópticos. La patente US-B1-5146359 describe un receptor con una etapa doble con diversidad de fases que divide una señal en una pluralidad de señales que son mezcladas a su vez con unas señales procedentes de osciladores locales y ulteriormente procesadas y nuevamente mezcladas, incluyendo una fase final de demodulación y un proceso de heterodinaje de las señales para compensar la distorsión por retardo producida en unos grupos de fibras ópticas conductoras de dichas señales .

La solicitud internacional WO 2004/044538 describe un dispositivo para el análisis de espectros ópticos por difusión Brillouin estimulada (SBS) y un procedimiento de medida asociado que utiliza la amplificación óptica de las señales por el propio efecto de difusión Brillouin y en particular la amplificación óptica selectiva de una determinada componente del espectro óptico de la señal a analizar o señal problema.

BREVE EXPLICACIóN DE LA INVENCIóN

La presente invención se caracteriza por obtener la fase del espectro óptico de una señal problema (SUT) mediante heterodinaje entre dos componentes distintas (DOS) de dicho espectro obtenidas simultáneamente mediante difusión Brillouin estimulada (SBS) .

El dispositivo objeto de esta patente consta en una versión básica de cinco elementos diferenciados que se ilustran en la Fig. 1 de los dibujos: a) una fuente óptica (SUR) capaz de suministrar una señal formada por dos líneas monocromáticas (DMS) que pueden desplazarse a lo largo del rango espectral que se pretende medir y en las que se controla la diferencia de sus longitudes de onda (DD) , b) un analizador espectral óptico de alta resolución basado en difusión Brillouin estimulada (SBS) capaz de permitir la interacción entre la señal óptica analizada (SUT) y la señal doble monocromática (DMS) generada por la fuente óptica (SUR) . c) un sistema de detección fotoeléctrico (HF) en el que se produce el efecto heterodino entre las dos componentes espectrales (DOS) y que suministra una señal eléctrica (DES) de frecuencia proporcional a la diferencia de longitudes de onda y fase proporcional a la diferencia de fases de las dos componentes espectrales obtenidas de señal problema (SUT) , d) un analizador de fase eléctrica (EPA) que permite extraer la información de la fase de la señal problema (SUT) contenida en la señal eléctrica detectada (DES) , y e) una unidad de proceso de datos (CPU) que procesa las señales y controla los distintos elementos del dispositivo; esta unidad puede además, manejar otros parámetros para proporcionar información más completa de la señal óptica analizada (SUT) . En particular, si se obtiene, p. ej . del elemento b) o de un dispositivo externo, la amplitud de la señal problema (SUT) , se

puede obtener información compleja y completa del espectro, lo que permite conocer la evolución temporal de la señal problema (SUT) y de todas las modulaciones de la misma, tanto en amplitud, fase y frecuencia como en cualquiera de sus posibles combinaciones .

El procedimiento conforme a la invención consiste en las siguientes etapas: generar mediante una fuente óptica (SUR) , a partir de al menos una fuente láser sintonizable (TLS) , una señal óptica sonda doble monocromática (DMS) en longitudes de onda A ₁ y λ ₂ , a una distancia espectral controlada δλ; introducir dicha señal óptica (DMS) y una señal óptica problema (SUT) en un analizador espectral óptico donde interaccionan por difusión Brillouin estimulada (SBS) , produciendo una señal óptica difundida (DOS) a la salida de dicho analizador espectral óptico, compuesta por dos componentes centradas en X ₁ + δλ _D y λ ₂ + δλ _D , siendo δλ _D el desplazamiento Doppler característico del efecto

Brillouin estimulado (SBS) ; conducir dicha señal óptica difundida doble (DOS) a un detector fotoeléctrico (HF) , el cual genera una señal eléctrica con una frecuencia principal (D ₁ ) proporcional a la diferencia de longitudes de onda

δλ de la señal doble monocromática (DMS) que actúa como sonda, y una fase φ proporcional a la diferencia de fases de las dos componentes de la señal óptica difundida (DOS) ; y - medir y registrar dicha fase, φ . por un analizador de fase eléctrica (EPA) .

BREVE EXPLICACIóN DE LOS DIBUJOS

La Fig. 1 es un esquema que muestra los componentes que constituyen el dispositivo en una realización preferida.

La Fig. 2 muestra un modulador electro-óptico externo utilizado como fuente de señales dobles monocromáticas (SUR) .

La Fig. 3 ilustra una primera solución alternativa para obtener dicha fuente de señales dobles monocromáticas (SUR) consistente en la utilización de un Interferómetro Mach-Zehnder Pasivo Asimétrico. La Fig. 4 muestra una segunda solución alternativa basada en sincronizar dos láseres sintonizables y controlar la diferencia de longitud de onda de sus emisiones.

Las Figs . 5 y 6 muestran unas implementaciones del analizador de fase eléctrica (elemento d) de los componentes del dispositivo. EXPLICACIóN DETALLADA DE LA INVENCIóN

La composición espectral de una señal óptica se puede conseguir midiendo el haz difundido resultante de la interacción

Brillouin estimulada (SBS) entre una señal óptica (SUT) que se pretende medir y una señal de referencia altamente monocromática (señal sonda) . Variando la longitud de onda de la señal sonda se obtiene un análisis espectral en amplitud de la señal problema con una resolución inferior al picómetro en la región del infrarrojo próximo. Este dispositivo, así como su técnica de medida asociada, se describen en la solicitud internacional WO 2004/044538 y corresponde al elemento b) de la Fig. 1.

Si, en lugar de utilizar una única señal sonda monocromática, se trabaja con una señal sonda compuesta por 2 líneas espectrales (DMS) se genera, tras la interacción Brillouin (SBS) con la señal problema (SUT) , una señal óptica difundida (DOS) formada por dos líneas espectrales que mantienen entre sí la misma diferencia en longitudes de onda que las 2 líneas espectrales de la señal sonda (DMS) .

Esta doble señal óptica difundida (DOS) genera por heterodinaje, en un fotodetector (HF) una señal eléctrica (DES)

de frecuencia proporcional a la diferencia de longitudes de onda y fase proporcional a la diferencia de fases de las dos componentes espectrales de la señal difundida (DOS) .

Es decir la presente invención se basa en la utilización del efecto de difusión Brillouin para la selección de dos componentes espectrales y la medida de la diferencia de fase óptica entre ellas mediante un efecto de heterodinaje de las mismas .

La ventaja que ofrece esta solución para la medida de la fase de espectros ópticos reside en el aprovechamiento de las buenas propiedades del efecto de difusión Brillouin para seleccionar dos componentes espectrales con alta resolución y nivel de señal .

Para obtener la fase de la señal eléctrica detectada (DES) se precisa disponer de un analizador de fase eléctrica (EPA) que extraiga la información correspondiente a la fase de la señal óptica difundida (DOS) y, por tanto de la señal problema (SUT) .

De este modo el dispositivo para la puesta en práctica de la invención comprende: a) una fuente óptica (SUR) que genera una señal óptica sonda o de referencia, formada por dos lineas monocromáticas

(DMS) de separación espectral controlada y con capacidad para desplazarse a lo largo del rango espectral a medir; b) un analizador espectral óptico de alta resolución basado en difusión Brillouin estimulada (SBS) , donde interaccionan entre sí una señal problema (SUT) a medir y las dos líneas monocromáticas de la señal sonda (DMS) , produciendo, por el efecto de difusión Brillouin estimulada (SBS) , una señal óptica difundida (DOS) formada por dos líneas espectrales; c) un sistema de detección fotoeléctrico (HF) en el que se produce un efecto heterodino entre dichas dos componentes espectrales (DOS) y que suministra en su salida una señal eléctrica detectada (DES) ;

d) un módulo que actúa como analizador de fase eléctrica (EPA) para la extracción de la información de fase de la citada señal problema (SUT) contenida en dicha señal eléctrica detectada (DES) ; y e) una unidad de proceso de datos (CPU) , para procesar las señales y controlar los distintos elementos del dispositivo .

Conforme a los principios de la invención, la citada fuente óptica está adaptada para controlar la diferencia (DD) entre las longitudes de onda de dichas dos líneas monocromáticas (DMS) generadas .

Para la generación de la señal sonda doble (DMS) y para la extracción de la información de fase en el analizador de fase eléctrica (EPA) se proponen las siguientes técnicas posibles: A.- Fuente de señales dobles monocromáticas (SUR) . (Elemento a) ) .

• Al: Utilizar un modulador electro-óptico externo dirigido por una señal eléctrica (GES) . En las adecuadas condiciones de operación se consiguen dos líneas espectrales destacadas y separadas por una frecuencia doble de la frecuencia de la señal eléctrica (GES) que dirige al modulador. Fig. 2.

• A2 : Inyectar en un Interferómetro Mach-Zehnder Pasivo Asimétrico una señal monocromática procedente de un láser sintonizable y ajustar la diferencia de tiempo de vuelo a lo largo de los dos brazos del interferómetro para conseguir dos líneas espectrales cuya separación en longitud de onda depende de la velocidad de barrido del láser sintonizable. Fig. 3.

• A3 : Sincronizar dos láseres sintonizables de forma que la diferencia de longitud de onda de sus emisiones se mantenga constante a lo largo del barrido. Fig. 4.

B.- Analizador de fases eléctricas (EPA),

• Bl: Técnicas de análisis que utilizan una señal eléctrica de referencia (RES) con la que comparar la señal eléctrica detectada (DES) .

o Bla: Utilizar la señal eléctrica (GES) que dirige al modulador como señal de referencia (RES) . Esta técnica solo se puede aplicar junto con Al.

Esta técnica de detección se caracteriza porque la frecuencia de la señal de referencia (RES) es de frecuencia mitad a la de la señal eléctrica detectada (DES) . Para poder comparar ambas señales, o bien se convierte la frecuencia de la señal eléctrica detectada (DES) a la frecuencia de la señal de referencia (RES) sin perder información de la fase (Fig. 5) o se duplica la frecuencia de la señal de referencia (RES) (Fig. 6) . o BIb: Obtener la señal de referencia (RES) a partir de la señal doble monocromática (DMS) desviando parte de su potencia a un fotodetector independiente (IP) .

En esta técnica de detección, la señal eléctrica detectada (DES) que contiene la información coincide en frecuencia con la señal de referencia (RES) y la información de la fase buscada se obtiene comparando señales con la misma frecuencia. Fig. 7.

• B2 : Técnicas de análisis basadas en conversión analógico- digital y procesado de señal, utilizando para ello dispositivos de lógica programable como FPGA, DSP o cualquier otro dispositivo que permita conversiones entre señales analógicas y digitales y su procesado numérico. En este caso, la fase podría obtenerse por procesado de la señal eléctrica detectada (DES) tras ser digitalizada . Los dispositivos obtenidos por la combinación de estas técnicas, con sus correspondientes elementos o equipos asociados, con un dispositivo que permita interacción Brillouin estimulada (SBS) (elemento b) ) y un elemento fotoeléctrico detector (HF) (elemento c) ) , capaz de proporcionar el heterodinaje entre dos componentes espectrales (DOS) , permiten la medida de la fase de espectros de señales ópticas (SUT) .

Complementariamente a lo aquí expuesto, si, además de la información de fase del espectro de la señal óptica problema (SUT) , se dispone de la información relativa a su amplitud, se

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puede conseguir una medida completa del espectro óptico, obteniéndose tanto la parte real como la parte imaginaria del mismo (espectro complejo) .

Este espectro complejo de la señal óptica (SUT) puede ser analizado por la unidad de proceso de datos (CPU) (elemento e) ) del dispositivo mediante técnicas numéricas de transformación, p. ej . IFFT, con el fin de obtener información de la evolución temporal de la señal problema y de todas las modulaciones de la misma, tanto en amplitud, fase y frecuencia como de cualquiera de sus posibles combinaciones.