O presente pedido de patente de invenção refere-se a um método de apagamento de onda portadora óptica modulada em amplitude e a um dispositivo apagador e fotônico remodulador. Ainda, a presente invenção refere-se aos usos desse dispositivo para apagamento e remodulação de ondas.

A invenção pode ser aplicada em redes ópticas com fontes de luz centralizada na implementação da estrutura FTTH - "fiber-to-the-home" - conexão de fibra-até-a-casa, de forma que o canal de descida pode ser remodulado com nova informação, operando como canal de subida, levando dados de retorno sem necessidade de uso de comprimento de onda adicional. O reuso do canal dobra a capacidade de um sistema com número fixo de canais, dispensando a existência de fonte luminosa no ponto do usuário final/remoto.

Fundamentos da invenção

Redes ópticas com fontes de luz centralizada são uma das soluções para implementação da estrutura FTTH. A tecnologia FTTH pode prover aumento para a capacidade das redes de acesso, atendendo a demanda de integração e evolução dos serviços de telecomunicações, envolvendo tráfego de voz/imagem, e-banking (banco eletrônico), logística e outros serviços avançados de mídia interativa. No entanto, o número finito de canais disponíveis em tais sistemas, majoritariamente construídos com dispositivos passivos, pode limitar a capacidade total do sistema. É interessante, nesse sentido, fazer-se reuso da portadora óptica, gerada na unidade central, como forma de fornecer a energia para o canal de retorno do usuário final. Nos esquemas de reuso de portadora óptica, apaga-se a modulação original de um canal de descida e este canal pode então ser remodulado com nova informação, operando agora como canal de subida, levando os dados de retorno sem necessidade de uso de comprimento de onda adicional. A princípio, a reutilização de canal dobra a capacidade de um sistema com número fixo de canais, além de dispensar a existência de fonte luminosa no ponto do usuário final/remoto.

O apagamento da onda consiste na redução do raio de extinção (ER) após operação do UL-SOA. O ER é definido por: £i? = 101og[ ^ ^{P,op ~ Pdark} ^ ]

Onde Pt _op e P _bas e são os níveis de potência dos sinais alto e baixo, respectivamente, da amplitude de modulação; enquanto Pdark é o nível de ruído escuro.

O ganho óptico saturado em amplificadores ópticos semicondutores (SOA) para prover o apagamento de dados ópticos foi proposto inicialmente em 1993 (S. Ho. E. Conforti, and S. M. Kang, "Monolithic optical equalizer array for wavelength-reusable and topology-reconfigurable WDM local area network", IEEE CLEO (1993), 416-417.) utilizando-se SOAs em cascata. Os métodos utilizando SOAs em cascata não possibilitam apagamento total da portadora, ou seja, o sinal óptico ao final do processo mantém algum nível de modulação residual não desprezível, além de grandes gorjeios em amplitude {overshoots) inerentes à amplificação com dispositivos convencionais (cavidade < 1 mm).

Em 2006 pôde-se implementar o processo de apagamento e remodulação com um SOA reflexivo (R-SOA) operando em taxas de até 1 Gbps (TY Kim e SK Han, "Reflective SOA-based bidirectional WDM-PON sharing optical source for up/downlink data and broadcasting transmission", IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 2350-2352 (2006)). Este sistema foi implementado comercialmente na Coréia, com capacidade de até 512 usuários finais numa única fibra óptica. Contudo, o sistema opera com penalidades de até 16 dB no processo de remodulação devido ao considerável gorjeio em amplitude presente sobre a portadora que, devido às limitações inerentes a esse sistema com R-SOA, só é apagada parcialmente.

Outras técnicas foram propostas como o uso de dois moduladores (K. C. Reichmann, N. J. Frigo, e P. P. lannone, "Wavelength registration in WDM ring networks by reconstitution of dropped optical carriers", ECOC, 136- 137, (1999)); de amplificador óptico semicondutor (SOA) com técnica de realimentação-á-frente para controle dinâmico de ganho em conjunto com modulador óptico (E. Conforti, C. M. Gallep, S. Ho, A. C. Bordonalli, e S. M. Kang, "Carrier reuse with gain compression and feed-forward semiconductor optical amplifier," IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 50, 77-81 (2002)), de único SOA como apagador e re-modulador (H. Takesue and T. Sugie, "Wavelength channel data rewrite using saturated SOA modulator for WDM metro/acess networks with centralized light sources", IEEE J. Lightw. Technol. 21 , 2546-2556 (2003)), de R-SOA (J. H. Yu, N. Kim, and B. W. Kim, "Remodulation schemes with reflective SOA for colorless DWDM PON" J. Opt. Netw. 6, 1041 -1054 (2007)) e de filtro interferométrico e R-SOA (Z. Xu, Y. J. Wen, W. D. Zhong, M. Attygall, X. Cheng, Y. Wan, T. Hiang Cheng, and C. Lu, "WDM-PON architectures with a single shared interferometric filter for carrier- reuse upstream transmission", IEEE J. Lightw. Technol. 25, 3669-3677 (2007)), principalmente.

A patente US1997/5610744 propõe o apagamento da informação na portadora óptica utilizando uma série (arranjo) de três ou mais amplificadores ópticos em saturação. Porém, ao passar de um amplificador para o outro, o sinal sofre atenuação, dificultando o apagamento e encarecendo o sistema devido ao uso dos múltiplos amplificadores ópticos a semicondutor.

A patente US2007/0183788 utiliza R-SOA com auxílio de re- alimentação de corrente para controle dinâmico de ganho. Porém, o sistema apaga portadoras ópticas moduladas em amplitude em taxas limitada a poucos (inferior a 2) Gbps, e com operação satisfatória apenas para sinais modulados com pequena razão de extinção (ER< 4 dB). Tais limites deixam o sistema pouco robusto à variação da qualidade do sinal de entrada, que necessariamente precisaria ter baixa excursão em potência óptica, e impossibilitam a expansão para canais com maior velocidade de modulação (até 10 Gbps, atualmente comerciais).

Os métodos utilizando SOAs em cascata não possibilitam apagamento total da portadora, ou seja, o sinal óptico ao final do processo mantém algum nível de modulação residual não desprezível, além de grandes gorjeios (maiores que 10% da excursão total) em amplitude inerentes à amplificação com dispositivos convencionais (cavidade < 1 mm). Isso acontece já que, em pequenas cavidades, mesmo com altos sinais de entrada o SOA não é profundamente saturado em grande parte de sua região ativa, e então transições de nível (principalmente de "0" para "1") acabam apresentando os gorjeios mencionados. Apenas por intermédio de cavidades ultra longas (superiores a 4 mm), como na invenção proposta, o dispositivo pode ser utilizado para apagamento de forma eficiente, sem gorjeios e resíduos de modulação.

Para que o apagamento seja satisfatório, o dispositivo UL-SOA deve operar na sua região de saturação (ganho óptico decresce com o aumento de potência óptica). Como a potência no nível "0" pode ser significantemente menor do que a potência no nível "1", a diferença entre os ganhos dos níveis "0" e "1" resulta na redução do valor de ER desejado para o sinal de saída.

A capacidade de apagamento apresentada pelas técnicas citadas não é substancial em muitos dos casos demandados em redes reais, explicitamente quando são considerados sinais para o canal de descida com sequências pseudo-aleatórias (PRBS, pseudo-random bit stream) e modulados em amplitude (AM) com profundidade de modulação, i.e. ER superiores à 8 dB; e/ou a sinais com altas taxas de transmissão de bits, superiores a 2,5 Gbps.

Diante do exposto, seria útil se a técnica dispusesse de um dispositivo e método de apagamento que pudesse operar em sequências PRBS, θ modulados em amplitude com ER superior a 8dB e com taxas superiores a 2,5 Gbps,que são casos demandados por redes reais.

A presente invenção propõe um dispositivo para apagamento que se mostrou eficiente para uma onda portadora óptica com razão de extinção de 10 dB e com taxas de 28 Gbps. O dispositivo foi testado através do método proposto a uma taxa de até 56 Gbps, sendo que acima de 28 Gbps o fenómeno do apagamento ainda permanece, porém a recuperação da portadora se torna inviável devido ao alargamento espectral, à diminuição da amplitude relativa da portadora óptica e ao aumento do ruído de fase. A limitação observada na redução à prática ocorre devido ao tempo de vida finito dos portadores do UL- SOA o qual é da ordem de 20 picosegundos para o dispositivo utilizado. O emprego de um UL-SOA com menor tempo de vida dos portadores (tipo quantum-dot UL-SOA) poderia aumentar ainda mais a taxa máxima de utilização da presente invenção.

Breve descrição da invenção

A presente invenção foi desenvolvida com o objetivo de promover o apagamento em modulação de amplitude em portadoras ópticas. Para isso propõe-se um dispositivo de apagamento e um método de apagamento que apresentam a vantagem de apagar portadoras ópticas moduladas em amplitudes, inclusive com razão de extinção superior a 8 dB e com taxas superiores a 2 Gbps.

O dispositivo de apagamento consiste em um amplificador óptico a semicondutor com cavidade ativa ultra-longa de 8 mm, dividida eletricamente em quatro seções de 1-3-3-1 mm respectivamente, que irão receber injeção de correntes de forma independente.

O método de apagamento proposto consiste em se inserir um sinal óptico modulado em amplitude em um SOA linear de onda caminhante, em seguida inserir o sinal em um controlador variável de polarização, e finalmente inserir o sinal em um dispositivo UL-SOA caracterizado por conter cavidade ativa superior a 4 mm de extensão. Além disso, propõe-se um dispositivo fotônico integrado de remodulação que tem por função proporcionar o reuso de portadora óptica modulada em amplitude de forma a apagar a modulação original e remodular a portadora com nova informação de amplitude. A grande vantagem deste dispositivo está centrada no fato de compor um único guia óptico, o que evita perdas do sinal na passagem guia fibra óptica e fibra óptica guia. Outra vantagem é que o guia óptico único dispensa o uso de isoladores e de controladores variáveis de polarização, o que proporciona redução no tamanho do sistema e diminuição de custos do equipamento.

O dispositivo fotônico integrado de remodulação é baseado em amplificadores ópticos a semicondutor, preferencialmente projetado para ganho em comprimentos de onda contidos na faixa espectral de telecomunicações. Este dispositivo contém um guia de onda óptico contínuo em toda a sua extensão na qual a portadora óptica modulada irá adentrar e sair modulada com outra informação. O dispositivo compreende três seções: seção inicial responsável por pré-amplificar a onda portadora modulada em amplitude, seção intermediária responsável por apagar a informação da modulação em amplitude contida na onda portadora e seção final responsável por remodular a onda portadora óptica em amplitude.

A presente invenção também contempla o uso de qualquer amplificador óptico a semicondutor com cavidade ativa maior que 4 mm de extensão para promover apagamento em ondas portadoras ópticas.

Breve descrição das figuras e anexos

O invento passará a ser descrito a seguir com referência aos desenhos apensos, nos quais:

A figura 1 apresenta um modelo do dispositivo de apagamento, sendo composto por uma seção de entrada (1 ), duas seções intermediárias (2 e 3) e uma seção final (4). Cada seção possui uma porta de entrada (5, 6, 7 e 8) para injeção de corrente.

A figura 2 apresenta um modelo do dispositivo fotônico integrado de remodulação, sendo composto por guia de onda óptico contínuo (9), uma seção de entrada (10), uma seção intermediária (11 ), uma seção final (12), cinco eletrodos (13, 14, 15, 16 e 17) e dois canais de isolamento elétrico (18 e 19).

A figura 3 apresenta um diagrama que representa o método de apagamento de portadora óptica modulada em amplitude e, alternativamente, posterior remodulação da mesma. Nela, um sinal óptico modulado digitalmente em amplitude (20) é inserido em amplificador óptico a semicondutor linear (21 ), em seguida a um controlador variável de polarização (22), e finalmente em um UL-SOA (23) operando em regime de profunda saturação de ganho, de tal forma que seu sinal de saída (24) não apresenta níveis digitais diferenciados mas mantém sinal de potência contínuo considerável. O sinal apagado (24) pode ser inserido em dispositivo dedicado à remodulação (25), de forma a obter-se na saída canal com nova codificação (26), em qualidade suficiente para operação livre de erro.

O anexo 1 demonstra três diagramas sendo que as ondas da esquerda representam ondas portadoras ópticas moduladas em amplitude antes de sofrer apagamento e as da direita demonstram as ondas que sofreram apagamento pelo método proposto, isto é com raio de extinção reduzido. Para todos os casos o comprimento de onda da onda portadora foi de 1556 nm. No primeiro diagrama um sinal óptico modulado digitalmente em amplitude em taxa de 7 Gbps (27), com potência média de cerca de 200 μνν, é apagado poucos gorjeios e potência de 1000 μνν (28); no segundo diagrama um sinal óptico modulado digitalmente em amplitude em taxa de 7 Gbps e inserção de ruído de amplitude para distorção de níveis alto/baixo (29), com potência média de cerca de 300 μνν, é apagado e fornece sinal completamente livre de gorjeios e potência de 1300 μ\Λ/ (30); no terceiro diagrama um sinal óptico modulado digitalmente em amplitude em taxa de 12 Gbps (31), com potência média de cerca de 200 μ\Ν, é apagado e fornece sinal com algum gorjeio em amplitude e potência de cerca de 3000 μ\Ν (32).

Descrição detalhada da invenção Refere-se o presente pedido de patente de invenção a um dispositivo de apagamento de onda portadora modulada em amplitude e de um dispositivo fotônico integrado de remodução, bem como o uso dos mesmos para apagamento e remodução respectivamente. São outros objetos do presente pedido de patente, um método de apagamento e o uso do dispositivo UL-SOA para apagamento.

É um objeto de proteção desta invenção um dispositivo de apagamento consistindo de um amplificador óptico a semicondutor caracterizado por ter cavidade ativa de 8 mm dividida em quatro seções. O dispositivo compreende uma seção de entrada (1 ) da cavidade ativa com 1 mm (L1 ) de extensão, duas seções intermediárias (2 e 3) da cavidade ativa de 3 mm (L2) de extensão cada e uma seção de saída (4) da cavidade ativa de 1 mm (L1 ) de extensão. Cada seção é caracterizada por ser alimentada com correntes independentes através das portas.

O funcionamento ótimo do dispositivo ocorre quando as seções de entrada e saída operam no limiar de transparência (ganho de aproximadamente 1 ), de maneira a minimizar o nível de ruído espectral inerente à amplificação com SOAs.

Quando as seções centrais operaram em regime de ganho saturado o apagamento é completamente eficiente. Os primeiros dois milímetros do dispositivo atuam como pré-amplificador quase-linear e o restante da cavidade como um amplificador completamente saturado. Este dispositivo apagador pode ser implementado em sub-sistemas de processamento totalmente óptico, propiciando miniaturização e economia energética global.

A injeção de corrente no dispositivo deve ser tal que seja respeitado o limite total de 2,7 Ampére. As seções (1) e (4), das regiões (A), podem ser alimentadas com baixa corrente, de forma a prover ganho unitário e o dispositivo de apagamento operar como um absorvedor saturável, ajudando assim a suprimir o ruído de emissão espontânea (ASE). As seções (2) e (3) da região B são alimentadas com alta corrente, de modo a prover ganho óptico não-linear profundamente saturado e, consequentemente, apagamento de modulação em amplitude da portadora.

Preferencialmente, as porcentagens de corrente de injeção nas quatro seções devem ser de forma proporcional a 12,5% - 37,5% - 37,5% - 12,5%, respectivamente, de forma a manter uma densidade de corrente na cavidade ativa aproximadamente constante.

As seções (1) e (4) podem ser também usadas como monitores do sinal óptico de entrada e de saída, propiciando análise da qualidade do sinal sem necessidade de outros dispositivos.

Há a possibilidade de se realizar isolamento entre as seções através da construção de um canal isolante-elétrico, por processo de bombardeamento de forma a criar uma parede isolante ou qualquer outro processo de microeletrônica para produzir isolações entre terminais. É importante salientar que o guia óptico não pode ser afetado por estes processos, já que a onda deve propagar em um guia contínuo do início ao fim do dispositivo.

A presente invenção também se trata de um dispositivo fotônico integrado de remodulação baseado em amplificadores ópticos a semicondutor, preferencialmente projetado para a faixa de telecomunicações em 1500 nm ou comprimento de onda similar, apresentado na figura 2.

Este dispositivo tem por função proporcionar o reuso de portadora óptica modulada em amplitude (apagamento e remodulação da amplitude), podendo ser usado também com receptor do sinal modulado. O dispositivo é composto por várias camadas semicondutoras utilizando as tecnologias de amplificadores ópticos a semicondutor, mas destacando-se um guia de onda óptico contínuo em toda a sua extensão (9). Este guia forma a região ativa pela qual a portadora óptica modulada irá adentrar (10) e sair modulada com outra informação. Este guia de onda deve ser projetado para formar a região ativa através da injeção de corrente elétrica conveniente (chamada de corrente de polarização).

O dispositivo é formado pelas seguintes seções: a) Seção inicial chamada pré-amplificador (10) compreendendo a faixa entre 0,05 a 2,0 mm de extensão, que tem por função pré-amplificar a onda portadora modulada em amplitude de forma a induzir ganho óptico e facilitar a saturação das seções seguintes. Alternativamente, através da mudança por chaveamento eletrônico adequado da corrente de polarização, esta seção pode funcionar como fotoreceptor do sinal modulado, permitindo que o dispositivo também receba a informação. Entretanto, ora o dispositivo irá atuar como fotorreceptor, ora como apagador/remodulador. A atividade simultânea de foto-recepção e apagamento/remodulação irá necessitar de um sinal forte na entrada, assim como pelo projeto de seção (11) com comprimento muito pequeno, de tal forma que a foto-detecção atenue pouco o sinal, possibilitando injetar uma portadora óptica conveniente na seção seguinte (12);

b) Seção intermediária chamada UL-SOA (11), compreendendo uma faixa entre 2 mm a 10 mm de extensão, a qual tem por função apagar a informação da modulação em amplitude contida na onda portadora, assim como amplificar a potência desta portadora, de forma a possibilitar o reuso desta portadora óptica;

c) Seção final chamada modulador (12) compreendendo de 0,1 mm a 1 mm de extensão, a qual tem por função remodular a onda em amplitude. Alternativamente, esta seção poderá ser formada por um dispositivo em guia interferométrico conhecido como modulador tipo Mach-Zehnder, ou outro dispositivo integrado que possa modular a onda portadora que está sendo reutilizada.

O dispositivo fotônico contém eletrodos do pré- amplificador/fotodetector (13, 14, 15, 16 e 17) que podem polarizar o diodo formado pelas camadas imediatamente inferiores a este eletrodo tanto diretamente (função amplificação óptica) como com polarização reversa (função foto-detecção).

Os eletrodos do UL-SOA (14, 15 e 16) têm a função de polarizar diretamente o UL-SOA, e as correntes de polarização podem ser diferentes para cada eletrodo. Por exemplo, uma corrente maior no eletrodo inicial (14) pode saturar mais rapidamente o UL-SOA, melhorando a função apagamento. Na figura 2 mostram-se três eletrodos sobre o UL-SOA, porém, vários podem ser utilizados de forma que o número máximo de eletrodos seria vinte.

O eletrodo do modulador (17) é polarizado convenientemente, de maneira a obter-se maior profundidade de modulação e, além da corrente contínua de polarização, aplica-se uma corrente pulsada para inserir a nova modulação que contém informação a ser inserida no canal de saída com a portadora reutilizada. Caso seja usado um modulador tipo Mach-Zehnder, vários eletrodos seriam usados convenientemente neste modulador, usando o procedimento habitual para estes moduladores.

Como o pré-amplificador, o UL-SOA e o modulador usam polarizações diferentes, há necessidade de isolamento elétrico entre os eletrodos das seções inicial, intermediária e final (10, 11 e 12). Normalmente esta isolação elétrica é realizada através de inserção de um canal isolante (18) para isolar eletricamente a seção (10) da seção (11 ). Analogamente o canal isolante (19) tem por função isolar eletricamente o UL-SOA (11) do modulador (12).

De forma ideal, o guia óptico da cavidade ativa (9) deve ser insensível à direção da polarização da onda portadora incidente (vertical ou horizontal).

Caso não se consiga obter este guia, um controlador de polarização ajustável deve ser usado antes da entrada do guia, além de um isolador antes e depois do UL-SOA. No dispositivo fotônico da figura 2 um isolador (integrado ou discreto) pode ser usado após a saída do sinal óptico.

O dispositivo fotônico integrado de remodulação apresenta a vantagem de ser um único guia óptico, o que evita perdas do sinal na passagem guia fibra óptica e fibra óptica guia. Além disso, o guia óptico único dispensa o uso de um isolador e um controlador de polarização entre o amplificador e o UL-SOA. O controlador variável de polarização somente seria necessário caso o guia de onda fosse sensível à polarização da luz. É um objeto adicional desta invenção um método de apagamento que compreende as seguintes etapas:

a) inserir, através de fibra óptica, uma onda portadora consistindo de um sinal óptico modulado em amplitude (20), tal que seu comprimento de onda esteja dentro da região de ganho do UL-SOA, em um SOA linear de onda caminhante (21), que irá atuar como um pré-amplificador linear, de forma a intensificar o sinal que será posteriormente aplicado no UL-SOA;

b) inserir o sinal em um controlador variável de polarização (22); de forma a obter um sinal com direção de polarização que maximize o ganho do UL-SOA.

c) inserir o sinal em um dispositivo UL-SOA (23), que é responsável pelo apagamento da onda portadora. O UL-SOA precisa estar polarizado com uma corrente suficientemente alta para ocasionar a saturação do ganho óptico deste dispositivo.

A fim de se diminuir o ruído de emissão espontânea (ASE), pode ser utilizado um filtro óptico passa-banda antes e depois do UL-SOA.

Como o sinal de saída após o apagamento (24) não apresenta níveis digitais diferenciados e mantém sinal de potência contínuo \considerável, este pode ser inserido em dispositivo dedicado à remodulação (25), de forma a obter-se na saída do canal um sinal com nova codificação (26), em boa qualidade.

O método proposto por essa invenção diferencia-se por não limitar a expansão de velocidade do enlace implementado e garantir operação para grande diversidade de diferentes tipos de canais, modulados em amplitude, que podem ser apagados eficientemente e serem novamente utilizados.

Adicionalmente, a presente invenção trata do uso de um dispositivo amplificador óptico a semicondutor caracterizado por ter cavidade ativa superior a 4 mm para promover apagamento em portadoras ópticas moduladas em amplitude. A presente invenção também trata do uso do dispositivo de apagamento descrito anteriormente para promover apagamento em portadoras ópticas moduladas em amplitude.

A presente invenção também trata do uso do dispositivo integrado de remodulação descrito anteriormente para promover remodulação em amplitude em portadoras ópticas.

Apresentam-se no anexo 1 três diagramas que mostram o apagamento de ondas portadoras ópticas utilizando o método e o dispositivo de apagamento anteriormente proposto. Nos diagramas, as ondas da esquerda representam ondas portadoras ópticas moduladas em amplitude antes de sofrer apagamento e as da direita demonstram as ondas que sofreram apagamento pelo método proposto, isto é com raio de extinção reduzido. A inserção da onda portadora óptica foi feita de acordo com o método proposto anteriormente. Para todos os casos o comprimento de onda da onda portadora foi de 1556 nm.

Resultado 1 :

Um sinal óptico modulado digitalmente em amplitude em taxa de 7Gbps (27), com potência média de cerca de 200 μ\Ν, é apagado por meio do método de pagamento da presente invenção e fornece sinal com poucos gorjeios e potência de 1000 uW (28);

Resultado 2:

Um sinal óptico modulado digitalmente em amplitude em taxa de 7Gbps e inserção de ruído de amplitude para distorção de níveis alto/baixo (29), com potência média de cerca de 300 μ\Λ , é apagado no sistema proposto e fornece sinal completamente livre de gorjeios e potência de 1300 μ\ / (30);

Resultado 3:

Um sinal óptico modulado digitalmente em amplitude em taxa de 12 Gbps (31 ), com potência média de cerca de 200 uW, é apagado no sistema proposto e fornece sinal com algum gorjeio em amplitude e potência de cerca de 3000 μνν (32).