(96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 1670 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) T3 (1) Int. Cl. G02F7/00 (06.01) H03M1/66 (06.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 06/14 EP 1670 B1 (4) Tytuł wynalazku: Optyczna konwersja analogowo-cyfrowa (30) Pierwszeństwo: US (43) Zgłoszenie ogłoszono:.08.0 Europejski Biuletyn Patentowy 0/32 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 8/06 (73) Uprawniony z patentu: LUCENT TECHNOLOGIES INC., Murray Hill, US PL/EP 1670 T3 (72) Twórca (y) wynalazku: Leven Andreas, Gillette, US Tu Kun-Yi, Summit, US Chen Young-Kai, Berkley Heights, US (74) Pełnomocnik: Polservice Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. rzecz. pat. Leokadia Płotczyk Warszawa skr. poczt. 33 Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 1 Optyczna konwersja cyfrowo-analogowa Przedmiot wynalazku Przedmiotem wynalazku jest optyczny system generacji przebiegu, a zwłaszcza konwersja sygnałów cyfrowych na optyczne sygnały analogowe. Podstawa wynalazku Przetworniki cyfrowo-analogowe (C/A) są elementami kluczowymi w przetwarzaniu sygnałów zarówno elektronicznych, jak i fotonicznych oraz transmisji danych. W wielu optycznych systemach transmisyjnych, dane cyfrowe wymagają konwersji na postać analogową dla obróbki i/lub transmisji. Wykorzystywanie techniki optycznej do realizacji na przykład przetworników C/A, taktowania i próbkowania sygnałów przy dużej szybkości, dużej szerokości pasma, małym ciężarze części składowych itp. ma wiele istotnych zalet. Ponadto, zastosowanie dowolnego przetwornika C/A bardzo dużej szybkości umożliwia implementację analogowego generatora przebiegów dowolnych o dużej szybkości. Taki optyczny przetwornik C/A opisano w artykule pod tytułem "Digital-to-Analog Conversion Using Electrooptic Modulators" (Konwersja cyfrowo-analogowa z wykorzystaniem modulatorów elektrooptycznych) aut. A. Yacoubian i in. IEEE Photonics Technology Letters, wol. 1, nr 1, styczeń 03, strony Jednakże, przedstawiona realizacja jest ograniczona do tak zwanego dwubitowego fotonicznego przetwornika C/A. Istota wynalazku Te i inne problemy i ograniczenia znanych optycznych układów modulacyjnych zostają przezwyciężone

3 za pomocą sposobu optycznej konwersji sygnału cyfrowego na sygnał analogowy według zastrz. 1. W oryginalnym wynalazku Zgłaszającego wykorzystywany jest ciągły lub impulsowy optyczny sygnał lasera, który jest rozszczepiany na pewien zbiór wzajemnie koherentnych wiązek optycznych. Każda ze zbioru wiązek optycznych jest modulowana z przesuwem fazy bitami (sygnałami sterującymi) sekwencji danych, z generowaniem odpowiedniego zbioru modulowanych z przesuwem fazy, wzajemnie koherentnych sygnałów optycznych. Modulowane sygnały optyczne są ponownie łączone, z utworzeniem pożądanego sygnału optycznego będącego wynikiem konwersji cyfrowo-analogowej, do wykorzystania według uznania. W jednej konkretnej odmianie wykonania wynalazku, modulacja fazy odbywa się przez rozszczepienie sygnału optycznego stanowiącego ciągły sygnał lasera optycznego na zbiór podobnych wzajemnie koherentnych sygnałów optycznych, modulowanie z przesuwem fazy ciągłego koherentnego sygnału optycznego każdego z podobnych ciągłych sygnałów lasera optycznego bitami danych cyfrowych (sygnałami sterującymi). Następnie ciągłe, modulowane z przesuwem fazy, sygnały zbioru są ponownie łączone, z otrzymaniem sygnału wynikowego konwersji cyfrowo-analogowej. W innej odmianie wykonania wynalazku, przed podaniem bitów danych sekwencji do modulowania zbioru wzajemnie koherentnych wersji podawanego ciągłego sygnału lasera optycznego, podawana sekwencja danych cyfrowych jest przetwarzana wstępnie za pomocą procesora.

4 3 1 2 W jeszcze innej odmianie wykonania wynalazku, jako sygnał wejściowy przetwornika cyfrowo-analogowego jest podawany impulsowy sygnał lasera. Impulsowy sygnał lasera jest rozszczepiany z utworzeniem pewnego zbioru wzajemnie koherentnych wiązek optycznych, które są modulowane z przesuwem fazy sekwencjami danych przechowywanymi w pamięci, z generowaniem, po ponownym połączeniu wiązek modulowanych z przesuwem fazy, analogowego sygnału optycznego w zasadzie pozbawionego drżenia fazy. Impulsowy sygnał lasera jest sterowany tak, aby miał tę samą częstotliwość powtarzania, co sekwencja danych z jednostki pamięci. Przy właściwym ustawieniu zgodności sekwencji danych z impulsami impulsowego optycznego sygnału lasera, następuje eliminacja zjawiska drżenia fazy taktowania. W jeszcze innej odmianie wykonania wynalazku, zamiast gromadzenia wielu modulatorów z przesuwem fazy w jednostopniowym przetworniku cyfrowo-analogowym, stosowany jest pewien zbiór kaskadowo włączonych stopni konwersji cyfrowo-analogowej zawierających po mniej modulatorów z przesuwem fazy, z utworzeniem w całości przetwornika cyfrowo-analogowego, według wynalazku. Ta odmiana wykonania wynalazku jest korzystna przy realizacji pożądanego rozkładu dyskretnych poziomów wyjściowych. Krótki opis rysunków Fig. 1 przedstawia, w postaci uproszczonego schematu blokowego, pierwszą odmianę wykonania wynalazku;

5 Fig. 2 przedstawia, również w postaci uproszczonego schematu blokowego, drugą odmianę wykonania wynalazku; Fig. 3 przedstawia, w postaci uproszczonego schematu blokowego, trzecią odmianę wykonania wynalazku; a Fig. 4 przedstawia, w postaci uproszczonego schematu blokowego, szczegóły czwartej odmiany wykonania wynalazku. Opis szczegółowy odmian wykonania wynalazku Fig. 1 przedstawia w postaci uproszczonego schematu blokowego, pierwszą odmianę wykonania wynalazku. Konkretnie, przedstawiono optyczne źródło światła 1, typowo zawierające laser fali ciągłej lub impulsowy do generowania sygnału optycznego na pożądanej długości fali. Przykładowe sygnały optyczne przeznaczone do przetwarzania mają częstotliwości optyczne od około 2,3x 14 herców do około 1,8x 14 herców, to znaczy długości fali od około 1,3 µm do około 1,7 µm. W jednym z przykładów, ciągły sygnał optyczny o długości fali w przybliżeniu 1, µm, to znaczy o częstotliwości 1,93x 14 herców, jest generowany przez źródło światła 1 i dostarczany drogą 2 do optycznego przetwornika cyfrowo-analogowego 0. W optycznym przetworniku cyfrowo-analogowym 0 ciągły sygnał optyczny jest podawany za pośrednictwem drogi optycznej 3 do rozgałęźnika 4, który generuje pewien zbiór N wzajemnie koherentnych wiązek optycznych -1 do -N. Liczba N wzajemnie koherentnych wiązek musi wynosić co najmniej dwa (2), lecz typowo stosuje się cztery (4) do ośmiu (8) wiązek optycznych.

6 Znaczenie w niniejszym zgłoszeniu zbioru N wzajemnie koherentnych wiązek optycznych opisano poniżej. W tym przykładzie rozgałęźnik 4 jest wielomodowym sprzęgaczem interferencyjnym. Wzajemnie koherentne wiązki optyczne zbioru N są podawane pojedynczo do optycznych przesuwników fazowych, odpowiednio 6-1 do 6-N. Również drogami do 112-N do przesuwników fazowych 6-1 do 6-N doprowadzane są bity, to znaczy sygnały sterujące, sekwencji danych, w celu spowodowania wykonania przez przesuwniki fazowe 6-1 do 6-N pożądanej konwersji cyfrowo-analogowej. Zatem, w tym przykładzie konwersja cyfrowo-analogowa jest realizowana przy zastosowaniu elektro-optycznej metody modulacji z przesuwem fazy przez albo bezpośrednią modulację z przesuwem fazy ciągłych wiązek optycznych z lasera 1, albo przez zewnętrzną modulację z przesuwem fazy, z użyciem, na przykład, pracującego z przesuwem fazy modulatora Macha-Zehndera. Częstotliwość sygnału modulacyjnego mieści się w zakresie mikrofal/fal milimetrowych. Zmodulowane z przesuwem fazy przebiegi wyjściowe z przesuwników fazowych 6-1 do 6-N są podawane drogami optycznymi, odpowiednio 7-1 do 7- N, do sumatora 8, gdzie są ponownie łączone, z utworzeniem pożądanego sygnału optycznego. W tym przykładzie, sumator 8 jest wielomodowym sprzęgaczem interferencyjnym (MMI). Ten analogowy sygnał optyczny jest podawany drogami optycznymi 9 i 1 do liniowej fotodiody 111, która daje sygnał elektryczny do wykorzystania zależnie od potrzeby. Ponownie połączony, zmodulowany w fazie, sygnał optyczny detekowany przez fotodiodę 111 wytwarza w

7 6 fotodiodzie 111 prąd i PD, który oblicza się następująco: i PD = RP in i exp jπ V i V π gdzie R jest czułością fotodiody 111, P in dostarczaną mocą optyczną, V i napięciem sterującym dla i-tego optycznego modulatora z przesuwem fazy, a V π napięciem przełączania dla modulatora z przesuwem fazy. Jeżeli napięcia sterujące są skonfigurowane tak, że każde z nich ma dwa różne poziomy, mianowicie V i,low i V i,hi, to możliwych do zrealizowania jest 2 i poziomów prądu wyjściowego i PD. Jeżeli odbywa się przełączanie między dwoma różnymi poziomami napięcia sterującego z wysoką szybkością przełączania, to na wyjściu fotodiody 111 wytwarzany jest pewien przebieg dowolny. Tak zwana wysoka szybkość przełączania wynosi typowo -40 Gb/s, lecz może wynosić nawet 160 Gb/s. Modulator 6 z przesuwem fazy każdej gałęzi może być wykonany na przykład z materiału z liniowym efektem elektrooptycznym, jak na przykład InP, GaAs lub LiNbO 3. Wypadkowy współczynnik załamania falowodu optycznego zmienia się proporcjonalnie do pola elektrycznego przyłożonego prostopadle do tego falowodu. Rozproszony falowód elektryczny wielkiej częstotliwości jest skonstruowany tak, aby zapewnić propagację współbieżną z falą optyczną o dopasowanej prędkości propagacji przy podawaniu pola elektrycznego z dużą szerokością pasma modulacji. Różne gałęzie będą opóźniać sygnał optyczny o różne odcinki czasu. Powoduje to występowanie różnych faz na wyjściach przesuwników fazowych 6. W sumatorze 8, te sygnały wyjściowe o różnych fazach, które się

8 aktywnie nakładają, mają różne fazy sygnału optycznego, wskutek różnych opóźnień czasowych, którym te sygnały podlegają. Wypadkowy sygnał optyczny za sprzęgaczem MMI, to znaczy za sumatorem 8, jest sumą wszystkich przesuwanych fazowo sygnałów optycznych, które interferują zgodnie. Fig. 2 przedstawia, również w postaci uproszczonego schematu blokowego, drugą odmianę wykonania wynalazku. Odmiana wykonania z fig. 2 jest podobna do odmiany z fig. 1 i zawiera podobne elementy, które są w zasadzie identyczne z zarówno z fizycznego, jak i funkcjonalnego punktu widzenia. Te podobne elementy otrzymały takie same numery, jak na fig. 1, i nie będą ponownie omawiane szczegółowo. Jedyna istotna różnica między odmianami wykonania z fig. 1 i fig. 2 polega na zastosowaniu procesora 1. Jak widać, do procesora 1, za pośrednictwem połączenia 2, podawany jest jeden lub wiele sygnałów. W procesorze 1 sygnały danych są wykorzystywane do kodowania i generowania sygnałów napięcia sterującego do pobudzania modulatorów z przesuwem fazy 6-1 do 6-N. Te sterujące sygnały napięciowe są podawane za pośrednictwem połączeń wyjściowych do 7-N do przesuwników fazowych, odpowiednio 6-1 do 6-N. Fig. 3 przedstawia, w postaci uproszczonego schematu blokowego, trzecią odmianę wykonania wynalazku. Odmiana wykonania z fig. 3 jest również podobna do odmiany z fig. 1 i zawiera podobne elementy, które są w zasadzie identyczne z zarówno z fizycznego, jak i funkcjonalnego punktu widzenia. Te podobne elementy otrzymały takie same numery, jak na fig. 1, i

9 nie będą ponownie omawiane szczegółowo. Jedyna istotna różnica między odmianami wykonania z fig. 1 i fig. 3 polega na tym, że impulsowy sygnał laserowy jest podawany jako sygnał wejściowy z lasera impulsowego 301 do optycznego przetwornika cyfrowo-analogowego 0, i że impulsowy sygnał optyczny 2 lasera jest sterowany tak, że ma taką samą częstotliwość powtarzania, jak sekwencja danych z jednostki pamięci 302. Impulsowy sygnał optyczny lasera jest rozszczepiany za pomocą rozgałęźnika 4 na zbiór wzajemnie koherentnych wiązek optycznych -1 do -N, które przez przesuwniki fazowe 6-1 do 6-N są modulowane z przesuwem fazy sekwencjami danych przechowywanymi w pamięci, zapewniając generowanie, po ponownym połączeniu wiązek modulowanych z przesuwem fazy, analogowego sygnału optycznego w zasadzie pozbawionego drżenia fazy. Impulsowy sygnał 2 lasera jest sterowany przez zegar 303 tak, aby miał tę samą częstotliwość powtarzania, co sekwencja danych z jednostki pamięci 302. Przy właściwym ustawieniu zgodności sekwencji danych z impulsami impulsowego optycznego sygnału lasera, następuje eliminacja zjawiska drżenia fazy taktowania. Fig. 4 przedstawia, w postaci uproszczonego schematu blokowego, szczegóły innego przetwornika cyfrowo-analogowego 0 według wynalazku. W tej odmianie wykonania stosowany jest pewien zbiór kaskadowo włączonych stopni, 0-1 do 0-J, konwersji cyfrowo-analogowej, w celu realizacji potrzebnej do otrzymania całkowitej konwersji cyfrowoanalogowej liczby wiązek optycznych modulowanych z przesuwem fazy. Jak wspomniano powyżej, w każdym

10 9 1 stopniu w każdym stopniu wymagane są przynajmniej dwie (2) gałęzie, przy ogólnej liczbie stopni wynoszącej dwa (2) do czterech (4), to znaczy od czterech (4) do ośmiu (8) gałęzi wiązek optycznych przeznaczonych do modulowania ich bitami danych sekwencji, to znaczy sterującymi sygnałami napięciowymi. Optyczny sygnał analogowy jest podawany za pośrednictwem dróg optycznych 9 do 1 do liniowej fotodiody 111, która na wyjściu daje sygnał elektryczny do wykorzystania według uznania. Ta odmiana wykonania wynalazku jest korzystna przy realizacji pożądanego rozkładu dyskretnych poziomów wyjściowych. Połączony ponownie, zmodulowany w fazie, sygnał optyczny detekowany przez fotodiodę 111 wytwarza w fotodiodzie 111 prąd i PD, który oblicza się następująco: i i PD = RP in Πj exp jπ V i,j V π 2 gdzie j jest bieżącym indeksem stopnia j-tego. Opisane powyżej odmiany wykonania jedynie ilustrują, oczywiście, zasady wynalazku. Oczywiście, specjalista, bez wychodzenia poza zakres wynalazku, jest w stanie opracować liczne inne sposoby lub urządzenia.

11 1 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób optycznej konwersji sygnału cyfrowego na sygnał analogowy, przy zastosowaniu modułu przetwarzającego, obejmujący następujące etapy: odbiór określonego sygnału optycznego; rozszczepianie odbieranego sygnału optycznego na zbiór wzajemnie koherentnych wiązek optycznych(); podawanie zbioru wzajemnie koherentnych wiązek optycznych pojedynczo do odpowiedniego zbioru optycznych przesuwników fazowych (6); podawanie bitów sekwencji danych cyfrowych reprezentujących sygnał cyfrowy do zbioru optycznych przesuwników fazowych, w celu sterowania przesuwem fazy wiązek optycznych podawanych do poszczególnych przesuwników fazowych zbioru, z otrzymaniem wiązek optycznych z przesuwem fazy; podawanie wiązek optycznych z przesuwem fazy do sumatora (8) dla koherentnego ponownego łączenia wzajemnie koherentnych wiązek optycznych z przesuwem fazy, w celu otrzymania ponownie połączonego sygnału optycznego reprezentującego sygnał analogowy, który stanowi sygnał optyczny poddany optycznej konwersji cyfrowo-analogowej. 2. Sposób według zastrz. 1, obejmujący dodatkowo etap generowania ciągłego optycznego sygnału lasera, reprezentującego określony wstępnie sygnał optyczny.

12 2 3. Sposób według zastrz. 1, obejmujący dodatkowo etap generowania impulsowego optycznego sygnału lasera, reprezentującego określony wstępnie sygnał optyczny, i sterowania impulsowym sygnałem lasera tak, aby miał tę samą częstotliwość powtarzania, co bity sekwencji danych cyfrowych podawanych z jednostki pamięci do sterowania przesuwem fazy każdego z optycznych przesuwników fazowych. 4. Sposób według zastrz. 2 lub 3, obejmujący dodatkowo fotodiodę (111) do detekcji ponownie połączonego sygnału optycznego.. Sposób według zastrz. 4, w którym w odpowiedzi na ponownie połączony sygnał optyczny fotodioda wytwarza prąd i PD, określony jak poniżej: i PD = RP in i exp jπ V i V π 2 gdzie i PD jest prądem fotodiody, R jest czułością fotodiody, P in jest dostarczaną mocą optyczną, V i jest napięciem sterującym dla i-tego optycznego modulatora z przesuwem fazy, wytwarzanym w odpowiedzi na bity sekwencji danych cyfrowych a V π jest napięciem przełączania dla optycznych przesuwników fazowych. 6. Sposób według zastrz., obejmujący dodatkowo etap konfigurowania każdego z napięć sterujących V i tak, że każde z nich ma dwa poziomy napięciowe, V i,low i V i,hi, z wygenerowaniem tym samym 2 i poziomów prądu wyjściowego i PD.

13 3 7. Sposób według zastrz. 4, obejmujący dodatkowo etap kaskadowego włączania modułów konwersji, z których każdy zawiera określoną z góry liczbę optycznych przesuwników fazowych, do generowania sygnału optycznego otrzymywanego z optycznej konwersji cyfrowo-analogowej. 8. Sposób według zastrz. 7, w którym w odpowiedzi na ponownie połączony sygnał optyczny fotodioda wytwarza prąd i PD, określony jak poniżej: i i PD = RP in Πj exp jπ V i,j V π 2 gdzie j jest bieżącym indeksem stopnia j-tego, i PD jest prądem fotodiody, R jest czułością fotodiody, P in jest dostarczaną mocą optyczną, V ij jest napięciem sterującym dla i-tego optycznego modulatora z przesuwem fazy w j-tym stopniu, wytwarzanym w odpowiedzi na bity sekwencji danych cyfrowych a V π jest napięciem przełączania dla optycznych przesuwników fazowych. 9. Sposób według zastrz. 8, obejmujący dodatkowo etap konfigurowania każdego z napięć sterujących V ij tak, że każde z nich ma dwa poziomy napięciowe, V ij,low i V ij,hi, z wygenerowaniem tym samym 2 ij poziomów prądu wyjściowego i PD.. Sposób według zastrz. 6 albo 9, obejmujący dodatkowo etap przełączania poziomów napięcia sterującego z określoną z góry częstotliwością, dla generowania dowolnego przebiegu na wyjściu fotodiody.

14

15

16

17