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1
Caracterización experimental de un sistema de comunicación Red Óptica Pasiva y Fibra-
Antena, operando en el rango de 0.01-10Ghz
Por
Ing. Diego Felipe Pérez Montaña
Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de
MAESTRO EN CIENCIAS EN LA ESPECIALIDAD DE ELECTRÓNICA
en el
Instituto Nacional de Astrofísica,
Óptica y Electrónica (INAOE).
Abril de 2014 Santa María Tonantzintla, Puebla
Supervisada por:
Dr. Ignacio Enrique Zaldívar Huerta
© INAOE 2014 El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y
distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes mencionando la fuente.
3
RESUMEN
El presente trabajo plantea la aplicación de un filtro fotónico de microondas
(MPF, por sus siglas en inglés, Microwave Photonic Filter), como una alternativa
eficaz para ser utilizado en la red de acceso de un sistema de comunicación
óptico. Bajo este objetivo, se propone la implementación de una red óptica
pasiva (PON, por sus siglas en inglés, Pasive Optical Network), en conjunto con la
tecnología Fibra-Antena (FTTA, por sus siglas en inglés, Fiber-To-The-Antenna).
Este tipo de sistema de comunicación está siendo utilizado actualmente con gran
acogida debido a que resuelve algunas necesidades de transferencia de
información como son el internet, telefonía, TV, etc.
La respuesta en frecuencia del MPF usado en este trabajo está compuesta por
una serie de ventanas del tipo pasa banda periódicas situadas en el rango de las
microondas (0.01-10GHz), que potencialmente pueden ser utilizadas como
portadoras para el envío de información. La respuesta en frecuencia está
asociada a las características espectrales de la fuente óptica, del parámetro de
dispersión cromática así como de la longitud física de la fibra óptica utilizada.
En particular, se hicieron transmisiones considerando este sistema trabajando
con longitudes de fibra óptica de 25.249km y 28.25km. Además, fueron
utilizadas señales de pruebas tanto análogas como digitales para evaluar el
desempeño del sistema. Finalmente, fue realizado un análisis cualitativo y
cuantitativo de los datos recibidos para validar el sistema como una alternativa
real y eficaz para el envío de información en la red de acceso de un sistema de
comunicación.
5
ABSTRACT
This work discusses the application of a microwave photonic filter (MPF) as an
effective alternative tool to be used in the access network of an optical
communication system. Under this objective, the implementation of a passive
optical network (PON) is proposed in conjunction with the Fiber-To-The-
Antenna technology (FTTA). This type of communication system is currently
being used with great success because it solves some needs of information
transferring as the Internet, public phone, TV, etc.
The frequency response of the MPF used in this work is composed by a series of
periodic band pass type windows located in the microwave range (0.01-10GHz),
which potentially can be used as carriers for delivering information. The
frequency response is associated with the spectral characteristics of the optical
source, the chromatic dispersion parameter as well as the physical length of the
optical fiber used.
In particular, transmissions were made considering this system working with
fiber lengths of 25.249km and 28.25km. In addition, both analog and digital
probe signals were used to evaluate system performance. Finally, we carried out
a qualitative and quantitative analysis of the received data to validate the system
as a real and effective alternative communication system to deliver information
in the access network.
7
AGRADECIMIENTOS
A mi mamá Cecilia (Q.E.P.D), por su amor, ejemplo, apoyo y compañía mientras la vida le
permitió acompañarme en la consecución de esta meta.
A mi novia Lorena, por su amor e incondicionalidad en los momentos más determinantes
de mi vida.
A mi asesor, Dr. Ignacio Enrique Zaldívar Huerta por su amistad, comprensión, tolerancia
y guía durante el desarrollo del presente trabajo.
A Daniel Mauricio, Jacqueline, Luz Karine y Diego Mauricio por haberse convertido en mi
familia durante mi estancia en México; su infinita amistad, apoyo y cariño fueron
definitivos para concluir este proyecto en mi vida.
A los miembros del jurado de examen, Dr. Alejandro Díaz Sánchez, Dr. Rogerio Adrián
Enríquez Caldera, Dr. Alejandro García Juárez, Dr. José Luis Olvera Cervantes y Dr. Julio
César Ramírez San Juan por sus sugerencias para el mejoramiento de este trabajo.
A Gabriela, Alexander, Gisela, Freddy y Oscar Mauricio por su amistad y los gratos
momentos que compartieron junto a mí.
A Pablo Hernández Nava por su amistad, enseñanzas y valiosos consejos para el desarrollo
de este trabajo.
Al personal del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE) por
brindarme el espacio para desarrollar mis estudios en un ambiente muy cálido y amistoso.
A México, quién a través de CONACYT me concedió la beca No. 261715 para llevar a cabo
mi trabajo con tranquilidad y dedicación.
Al Proyecto de Ciencia Básica del CONACYT No. 154691.
A Dios por permitirme gozar de buena salud, tener fortaleza y voluntad para desarrollar
este proyecto.
9
DEDICATORIA
A la memoria de mi madre Cecilia, quién fue el
mejor regalo que me pudo haber dado la vida.
11
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN GENERAL .............................................................................................. 19
1.1 Introducción .................................................................................................................. 19
1.2 Sistemas de Comunicación Ópticos ............................................................................ 20
1.2.1 Sistemas FTTX ............................................................................................................ 22
1.2.2 Tecnología FTTA o Híbrida Fibra – Radio ...................................................... 23
1.3 Filtrado óptico de microondas ..................................................................................... 28
1.4 Propuesta de Tesis ........................................................................................................... 29
1.5 Organización de la Tesis ................................................................................................. 30
2. CONCEPTOS SOBRE DISPOSITIVOS ÓPTICOS .......................................................... 33
2.1 Introducción....................................................................................................................... 33
2.2 Espectro Electromagnético ........................................................................................... 33
2.3 Fibras Ópticas ..................................................................................................................... 35
2.3.1 Atenuación ................................................................................................................... 38
2.3.2 Dispersión .................................................................................................................... 41
2.4 Fuentes Ópticas ................................................................................................................. 44
2.5 Detectores Ópticos ........................................................................................................... 46
2.6 Modulador Electro–Óptico ............................................................................................ 47
2.6.1 Principio de Funcionamiento ............................................................................... 47
2.7 Sumario ................................................................................................................................. 52
3. FILTRO FOTÓNICO .............................................................................................................. 53
3.1 Introducción ........................................................................................................................ 53
12
3.2 Descripción general ......................................................................................................... 53
3.3 Descripción matemática ................................................................................................. 54
3.3.1 Respuesta del sistema ante una fuente óptica de tipo multimodo ........ 58
3.4 Respuesta en frecuencia del MPF ............................................................................... 61
3.5 Sumario ................................................................................................................................. 68
4. APLICACIONES DEL FILTRO FOTÓNICO EN SISTEMAS PON- FTTA ............... 69
4.1 Introducción....................................................................................................................... 69
4.2 Sistema de Distribución de Vídeo usando una red óptica pasiva (PON) ..... 70
4.2.1 Acondicionamiento de la señal de Información ............................................ 70
4.2.2 Sistema de comunicación ....................................................................................... 71
4.2.3 Recepción y distribución de la información al usuario .............................. 72
4.2.4 Resultados ................................................................................................................... 72
4.3 Envío de una señal digital usando una red óptica de comunicación............. 77
4.3.1 Acondicionamiento de la señal de Información ............................................ 77
4.3.2 Sistema de comunicación ....................................................................................... 79
4.3.3 Recepción y distribución de la información al usuario .............................. 79
4.3.4 Resultados ................................................................................................................... 80
4.4 Transmisión de Audio y Video vía FTTA.................................................................. 84
4.4.1 Acondicionamiento de la señal de Información ............................................ 84
4.4.2 Sistema de comunicación ....................................................................................... 85
4.4.3 Recepción y distribución de la información al usuario final .................... 86
4.4.4 Resultados ................................................................................................................... 86
4.5 Distribución de Vídeo haciendo uso de una PON y sistemas FTTA ............... 91
4.5.1 Resultados ................................................................................................................... 93
13
4.6 Resumen de resultados de los esquemas implementados ............................... 96
4.7 Sumario ................................................................................................................................. 97
5. CONCLUSIONES GENERALES .......................................................................................... 99
Bibliografía ....................................................................................................................................103
APÉNDICE A: PUBLICACIONES RESULTANTES DE ESTE TRABAJO .......................109
15
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Tipos de Redes de Comunicación. ....................................................................... 21
Figura 2. Red de acceso simplificada. ................................................................................... 22
Figura 3. Posición del receptor vs. Potencia recibida en dispositivo móvil. .......... 25
Figura 4. Sistema móvil convencional vs. sistema FTTA. .............................................. 26
Figura 5. Espectro electromagnético. ................................................................................... 34
Figura 6. Componentes de la fibra óptica. ........................................................................... 35
Figura 7. Características de fibra Monomodo. ................................................................... 36
Figura 8. Haz de luz en la frontera de dos materiales conductores de luz. ............ 37
Figura 9. Ángulo crítico para propagación de luz.. .......................................................... 38
Figura 10. Atenuación en la fibra óptica. ............................................................................. 40
Figura 11. Efecto de dispersión en la fibra óptica. ........................................................... 41
Figura 12. Efecto de dispersión intermodal. ...................................................................... 42
Figura 13. Variación del índice de refracción del silicio fundido en función de la
longitud de onda. .......................................................................................................................... 42
Figura 14. Efecto de dispersión intramodal o cromática. ............................................. 43
Figura 15. Curvas de dispersión cromática. ....................................................................... 44
Figura 16. Celda Pockels atravesada por un haz de luz. ................................................ 48
Figura 17. Estructura de un modulador Mach-Zehnder. ............................................... 49
Figura 18. Curva de transferencia de un modulador de intensidad. ........................ 50
Figura 19. Configuración básica de filtro fotónico. .......................................................... 54
Figura 20. Espectro óptico de fuente de luz multimodo. ............................................... 59
Figura 21. Espectro óptico del láser multimodo a utilizar. .......................................... 62
Figura 22. Interfaz gráfica de usuario de la herramienta de simulación. ............... 64
Figura 23. Respuesta teórica del filtro para L=25.249km. ........................................... 64
Figura 24. Respuesta teórica del filtro para L=28.25km. .............................................. 65
Figura 25. Configuración experimental del filtro fotónico. .......................................... 66
Figura 26. Respuesta práctica del filtro para L=25.249km. ......................................... 67
16
Figura 27. Respuesta práctica del filtro para L=28.25km. ............................................ 67
Figura 28. Diagrama de Bloques de la red óptica pasiva. .............................................. 70
Figura 29. Configuración experimental en etapa de acondicionamiento. .............. 71
Figura 30. Configuración experimental en etapa de recepción. ................................. 72
Figura 31. Esquema de comunicación bajo configuración PON. ................................ 73
Figura 32. Señal de información recuperada a . .................................. 74
Figura 33. Señal de información recuperada a . .................................. 74
Figura 34. Señal de información recuperada a . .................................. 74
Figura 35. Señal de información recuperada a . .................................. 75
Figura 36. Señales de vídeo enviada y recuperada en el tiempo. .............................. 76
Figura 37. Señal recibida en el receptor. ............................................................................. 76
Figura 38. Diagrama de Bloques de la red óptica pasiva. .............................................. 77
Figura 39. Configuración experimental en etapa de acondicionamiento. .............. 78
Figura 40. ATMEL AT86RF211, Transceptor Multibanda: 400-950MHz. .............. 78
Figura 41. Configuración experimental en etapa de recepción. ................................. 79
Figura 42. Esquema de comunicación bajo configuración PON. ................................ 80
Figura 43. Señal de información recuperada a . .................................. 81
Figura 44. Señal de información recuperada a . .................................. 81
Figura 45. Señal de información recuperada a . .................................. 82
Figura 46. Señal de información recuperada a . .................................. 82
Figura 47. Señal de información recuperada a . .................................. 83
Figura 48. Señal de información recuperada a . .................................. 83
Figura 49. Diagrama de bloques del sistema FTTA. ........................................................ 84
Figura 50. Configuración experimental en etapa de acondicionamiento. .............. 85
Figura 51. Configuración experimental en etapa de recepción. ................................. 86
Figura 52. Esquema de comunicación FTTA. ..................................................................... 87
Figura 53. Señal de información recuperada a . .................................. 88
Figura 54. Señal de información recuperada a . .................................. 88
Figura 55. Señal de información recuperada a . .................................. 89
17
Figura 56. Señal de información recuperada a . .................................. 89
Figura 57. Señales de vídeo enviada y recuperada en el tiempo. .............................. 90
Figura 58. Señal recibida en el receptor. ............................................................................. 90
Figura 59. Diagrama de bloques del sistema de comunicaciones PON-FTTA. ...... 91
Figura 60. Sistema de comunicaciones PON-FTTA. ......................................................... 92
Figura 61. Señal de información recuperada a ................................... 93
Figura 62. Señal de información recuperada a ................................... 93
Figura 63. Señal de información recuperada a . .................................. 94
Figura 64. Señal de información recuperada a . ................................. 94
Figura 65. Señales de vídeo enviada y recuperada en el tiempo. .............................. 95
Figura 66. Señal recibida en el receptor. ............................................................................. 95
Figura 67. Envío de canales HDTV a través del filtro fotónico. .................................101
Figura 68. Sistema de Comunicación Celular a través del filtro fotónico. ............102
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Comparación de fuentes ópticas LED y LASER. ............................................... 45
Tabla 2. Fibra óptica a utilizar. ................................................................................................ 62
Tabla 3. Resultados teóricos vs experimentales. .............................................................. 68
Tabla 4. SNR de las señales recuperadas bajo los esquemas implementados. ..... 96
19
Capítulo 1
1. INTRODUCCIÓN GENERAL
1.1 Introducción
Actualmente se está viviendo un gran fenómeno en lo que concierne a los
sistemas de comunicaciones. La gran demanda de información está
incrementándose a pasos agigantados debido a la masificación de los
dispositivos móviles, los cuales están brindando servicios de internet en
conjunto con el de telefonía móvil. Los proveedores de estos servicios se han
visto en la necesidad de actualizar su infraestructura con el fin de poder brindar
mayor ancho de banda y cobertura a los usuarios. Ante este panorama, la fibra
óptica está siendo considerada seriamente como una alternativa para el envío de
información a cortas y medianas distancias. En esta sección, se hace una
clasificación de los tipos de redes de comunicación, así como una descripción de
los motivos que ocasionaron la incursión de la fibra óptica en las redes de acceso
a través de la tecnología FTTA, y por último, se realiza una breve revisión a los
esquemas propuestos de filtros fotónicos de microondas que son una alternativa
para la transmisión de información vía fibra óptica.
20
1.2 Sistemas de Comunicación Ópticos
Hoy en día existen diversos medios de transmisión con el fin de distribuir
diferentes señales de información como: audio, video, internet, telefonía, etc.
Entre las líneas de transmisión más utilizadas destacan el par trenzado, cable
coaxial, radio, satélites y fibras ópticas. En particular, la fibra óptica se presenta
como un medio de transmisión bastante atractivo debido a que presenta
ventajas como: baja atenuación, gran ancho de banda, inmunidad
electromagnética, alta seguridad, tamaño pequeño y bajo peso. Además, a
medida que su uso se ha vuelto masivo, los costos inherentes a esta tecnología
han disminuido progresivamente, motivo por el cual se pronostica un
crecimiento sostenido en el uso y desarrollo de los sistemas de comunicación
ópticos [1].
Las redes de comunicación que se usan actualmente se clasifican en
primer lugar por el área geográfica que cubren, de esta manera se identifican las
Redes de área amplia (WAN, por sus siglas en inglés, Wide Area Network), Redes
de área metropolitana (MAN, por sus siglas en inglés, Metropolitan Area
Network), las Redes de Área Local (LAN, por sus siglas en inglés, Local Area
Network) y las Redes de Acceso (NA, por sus siglas en inglés, Network Access)
[2].
La WAN es un tipo de red que se utiliza para enlazar puntos de cientos a
miles de kilómetros, distancias que involucran redes que cubren países o
conectan ciudades. Por otro lado, la MAN tiene como objetivo interconectar
construcciones a lo largo de algunas decenas de kilómetros dentro de las
ciudades o incluso para cubrir totalmente un área metropolitana específica. Las
LAN interconectan usuarios localizados en una zona como puede ser una
habitación, un departamento, un edificio, una oficina, una fábrica o un campus.
Finalmente, las Redes de Acceso abarcan conexiones desde la Oficina Central
(CO, por sus siglas en inglés, Central Office) hasta usuarios finales como
21
negocios, organizaciones y casas; su función consiste en reunir y concentrar la
información proveniente de los clientes y enviar éste tráfico integrado a la
central de información. Además, la red de acceso es la que permite proveer voz,
datos y video a los suscriptores desde las redes de transporte de la información.
La Figura 1, resume en síntesis los tipos de redes de comunicaciones descritos
anteriormente [2].
Figura 1. Tipos de Redes de Comunicación.
La red de acceso es de especial interés en las PON. Una PON es una red
óptica punto a multipunto con elementos no activos en el traslado de la señal
desde la CO hasta la unidad de interfaz de red (NIU, por sus siglas en inglés,
Network Interface Unit), donde es distribuida la información en las instalaciones
de los usuarios. En su interior, la PON usa elementos ópticos pasivos como la
fibra óptica, acopladores y divisores de potencia [3].
La Figura 2 muestra un esquema de una red de acceso simplificada,
donde la CO corresponde a las instalaciones en una red pública que se conectan
a un anillo metropolitano o a un enlace de una red metropolitana central.
Generalmente, la CO contiene un conjunto de conmutadores que establecen
22
conexiones temporales de acuerdo a la necesidad de servicio de determinado
cliente y es diseñada para dar servicio a miles de clientes. Enseguida está la red
de acceso, una PON que es dirigida hasta la NIU, la cual permite conectar la red
con el usuario final a través de cables de cobre, fibra óptica y/o cable coaxial
para enlazarlo con el Proveedor de Servicios de Internet (ISP, por sus siglas en
inglés, Internet Service Provider), Red Pública Telefónica Conmutada (PSTN, por
sus siglas en inglés, Public Switched Telephone Network) y video por demanda
[2].
Figura 2. Red de acceso simplificada.
1.2.1 Sistemas FTTX
Para dar conectividad de alta velocidad a los usuarios finales desde la red de
acceso, el uso de redes ópticas pasivas da pie a diferentes configuraciones para
esta red que son denotadas por las siglas FTT-X, donde X específica qué tan cerca
está el extremo final de la fibra al usuario. Algunas de las configuraciones más
conocidas son [2]:
FTT-B (Fiber To The Building): hace referencia al tendido de fibra desde
la oficina central de conmutación directamente a un edificio.
23
FTT-H (Fiber To The Home): se refiere al tendido de la fibra desde la
oficina central de conmutación directamente a la casa. La diferencia con
FTTB radica en que las compañías hacen uso de mayores anchos de
banda por día en comparación al requerido en hogares. Por tal razón, los
proveedores de servicios de red prefieren esta última configuración para
recuperar los costos rápidamente.
FTT-C (Fiber To The Curb): Describe la instalación de fibra óptica desde
una oficina central de equipamiento hasta un conmutador localizado a
una distancia aproximada de 300m de un edificio o casa. La distribución
de la información en este caso se realiza a través de cable coaxial o par
trenzado hasta los usuarios finales localizados en alguna construcción.
FTT-N (Fiber To The Neighborhood): En comparación al anterior
esquema, el conmutador es localizado a una distancia aproximada de
1km de las casas o edificios donde se encuentran los usuarios finales.
FTT-A (Fiber To The Antenna): En esta configuración, también conocida
como fibra-radio, en el extremo final de la fibra es detectada la señal
óptica y tratada eléctricamente con el objetivo de radiarla a un área de
cobertura donde los usuarios reciben la información de forma móvil.
1.2.2 Tecnología FTTA o Híbrida Fibra – Radio
Hoy en día es notorio el gran incremento en las comunicaciones y datos que se
intercambian a diario en todo el mundo, desde niños hasta empresarios tienen
fácil acceso a las redes móviles. Esta masificación ha sido posible en gran parte a
la aparición de los teléfonos inteligentes (Smartphones) y otros dispositivos que
24
poseen la capacidad de conexión a Wifi. Sin embargo, para llevar a cabo esta
tarea de una manera eficiente, se debe considerar el alto ancho de banda y la
potencia que estas tareas requieren [4]. Por dar un ejemplo, el sistema operativo
móvil IOS de Apple con su aplicación basada en video llamada FaceTime
incrementa el requerimiento de ancho de banda por suscriptor a los cerca de
2Mbps, incluso los usuarios de su competidor Android de Google descargan en
promedio 400 MB por mes. Considerando esta problemática, la gran inquietud
de los proveedores de servicios de telecomunicaciones es que las redes
existentes pronto serán saturadas y se han sido obligados a desarrollar nuevas
tecnologías como 4G o LTE [5], por tal razón, los operadores móviles se están
convirtiendo en grandes protagonistas del mercado junto a los operadores de
red por cable convencionales. Como resultado, las suscripciones para servicios
de telefonía celular se incrementarán dramáticamente en busca de datos y
llamadas ilimitadas que se están convirtiendo en servicios accesibles por gran
parte del mercado. Para hacer esto posible, la nueva generación de
comunicaciones móviles hace uso de enlaces de fibra óptica junto a antenas de
células (FTTA) como parte fundamental del proceso [6].
Debido a los nuevos requerimientos de ancho de banda, los operadores
han considerado el uso de antenas de celdas más pequeñas para contrarrestar la
eficiencia del espectro de radio, debido a que el incremento de la frecuencia de
transmisión (para 3G y 4G es 2.1GHz y 2.5GHz, respectivamente) disminuye el
alcance de las mismas como se muestra en la Figura 3 [5]. Sin embargo, esto
significa incrementar el número de antenas para cubrir la misma área de
cobertura, factor importante a considerar en el diseño de un esquema de
comunicaciones, especialmente por sus costos.
25
Figura 3. Posición del receptor vs. Potencia recibida en dispositivo móvil.
Para evidenciar esta dificultad, se considera que la infraestructura actual
fue construida con torres de macro celdas para obtener máximos área de RF
cubierta y ancho de banda posibles para la demanda de hace algunas décadas.
Una red típica en Estados Unidos promedia los 1000 usuarios por celda, o 333
por sector. Por otro lado, si una red LTE usa canales de radio de 10MHz enviará
15Mbps de rendimiento en el sector. La especificación 3GPP define 5km como el
tamaño de sector óptimo en LTE con 200 usuarios aproximadamente, esto
quiere decir que con la tecnología existente, menos de 20 usuarios de la
aplicación FaceTime de Apple saturarán las celdas hoy en día [5].
Un punto frágil en las redes celulares convencionales se observa en el uso
de cables de cobre entre las estaciones base y las antenas, debido a que la
distancia de transmisión usando cables coaxiales es limitada a menos de 50
metros, considerando que estos terminales son propensos a las pérdidas,
teniendo un alto impacto negativo en la potencia de transmisión y la cobertura
de las celdas de radio. Aunque existen cables coaxiales con bajas pérdidas en
26
caso de requerirlos en largas distancias, su costo y dificultad de instalación por
su gran tamaño, no los hace rentables.
Con los sistemas de comunicación móvil FTTA, la potencia y modulación a
alta frecuencia son aplicadas desde la oficina central, enlazadas por fibra óptica y
finalmente localizadas en la unidad de radio remota (RRU, por sus siglas en
inglés, Remote Radio Unit) cercana a la antena como se muestra en la Figura 4.
La señal en la RRU sufre una conversión electro-óptica y una pequeña
amplificación antes de ser aplicada a la antena a través de un corto cable coaxial
para ser radiada. Considerando esta arquitectura, el uso de los sistemas FTTA
permite localizar las antenas a distancias mucho más lejanas de la CO, dando
como resultado considerables beneficios en cuanto a costo en términos de
instalación y operación.
Figura 4. Sistema móvil convencional vs. sistema FTTA.
27
1.2.2.1 Ventajas de los Sistemas FTTA
Como resultado de diferentes aspectos mencionados anteriormente, muchos
proveedores de comunicaciones móviles han decidido hacer inversiones en fibra
óptica como medio de transmisión para llevar la información hacia las antenas,
esto con el fin de implementar una infraestructura que soporte la actual y futura
demanda de usuarios haciendo uso de las siguientes ventajas inherentes a la
tecnología FTTA [7]:
Mejor integridad de Señal: De acuerdo a estimaciones en la industria,
cuando el cable coaxial es usado para llevar señales desde las oficinas
centrales CO hasta las antenas, el 50% de la energía se pierde. Esto hace
que la relación señal a ruido (SNR, por sus siglas en inglés, Signal-Noise
Ratio) se vea incrementada, degradando la señal recibida. Con el uso de la
fibra hasta posiciones muy cercanas a las antenas, la señal eléctrica se
genera en la cima de la antena en las RRU, haciendo uso de cables
coaxiales muy cortos que implican pérdidas muy bajas.
Incremento en la eficiencia de la energía: Los sistemas FTTA pueden
reducir significativamente el consumo de energía en las torres de
antenas. En el sistema actual, al hacer uso del cable coaxial y sus
considerables pérdidas, es necesario inyectar una cantidad muy grande
de potencia considerando la disminución que ésta sufrirá en ese medio.
Esta tarea se lleva a cabo a través de amplificadores de potencia en la CO,
siendo éstos elementos de los menos eficientes en el sistema, debido a
que necesitan además sistemas de refrigeración para mantener el equipo
operando a las temperaturas adecuadas. En cambio, en FTTA es posible
localizar los pequeños amplificadores de potencia requeridos en la RRU,
siendo estas refrigeradas por el flujo de aire del ambiente, reduciendo o
eliminando totalmente el uso de sistemas de refrigeración en la oficina
central, traduciéndose en grandes ahorros de energía.
28
Incremento en la capacidad y cobertura: Además de los detalles ya
expuestos frente a este aspecto con el uso de FTTA, frecuentemente las
RRU´s soportan técnicas de antena avanzadas tales como múltiple
entrada- múltiple salida (MIMO, por sus siglas en inglés, Multiple-In
Multiple-Out) e inclinación eléctrica remota (RET, por sus siglas en inglés,
Remote Electrical Tilt), las cuales permiten coberturas más flexibles y
densas con menores tasas de error en el servicio y mayor capacidad.
Área física más pequeña y menor peso: Los sistemas FTTA hacen uso
de menor espacio debido a que la fibra óptica es más delgada y liviana
que el cable coaxial. Esto hace que la complejidad en las torres sea menor
y presente un menor impacto visual. Además, las centrales CO requieren
un menor espacio, debido a la eliminación de los amplificadores de RF y
por consiguiente, de sus sistemas de refrigeración [8].
1.3 Filtrado óptico de microondas
Teniendo en cuenta que los sistemas de comunicación actuales están
encaminados hacia el uso de la tecnología FTTA, el uso de sistemas ópticos para
el procesamiento y transmisión de señales de microondas cobra gran
importancia. De hecho, desde años recientes han sido reportados en la literatura
diversas configuraciones de filtros fotónicos de microondas cuyas
configuraciones sirven como punto de partida del presente trabajo. A
continuación se describen las publicaciones más representativas.
En 2003, B. Vidal et al. [9], presentaron un MPF reconfigurable y
sintonizable basado en una matriz de dispersión conmutada. En 2005, J.
Capmany et al. [10], desarrollaron un filtrado de microondas para realizar
ecualización de dispersión intermodal utilizando un filtro Fabry-Perot.
Posteriormente, en 2009 se presentaron tres trabajos de interés, M. Bolea et al.
29
[11], hicieron uso de una línea de retardo variable y una fuente óptica de banda
ancha para obtener el filtrado; R.K. Jeyachitra et al. [12], utilizaron dos filtros
Fabry-Perot y un retardo de fibra externo para el mismo fin; y B.P. Parhusip [13],
usaron una rejilla de Bragg en fibra óptica y un circulador para filtrar las señales.
En 2011, M. Bolea et al. [14], propusieron una nueva configuración del
filtro basado en su trabajo anterior de 2009. En ese mismo año, X. Xue et al. [15],
propusieron un MPF basado en modulación de fase haciendo uso de rejilla de
Bragg, circulador y un amplificador de fibra dopado por erbio (EDFA, por sus
siglas en inglés, Erbium Doped Fibre Amplifier) como elementos a destacar. En
2012, J. Abreu-Alfonso et al. [16], filtraron señales de microondas usando en su
esquema un filtro Fabry-Perot, un espejo rotador de Fadaray y fibra dopada por
erbio (EDF, por sus siglas en inglés, Erbium Doped Fibre). En ese mismo año, B.
Vidal et al. [17], obtuvieron el filtrado a través de fibra altamente no lineal, un
amplificador óptico EDFA y un modulador de fase. En 2013, M. Chen et al. [18],
realizaron el filtrado a través de un modulador de fase, un modulador de
intensidad y una fuente óptica de banda ancha. El mismo año, I. Zaldívar-Huerta
et al. [19], haciendo uso de su propuesta de filtro fotónico llevaron a cabo una
transmisión de una señal de TV análoga con una señal portadora filtrada
ópticamente a 2.8GHz.
1.4 Propuesta de Tesis
De acuerdo a la temática desarrollada previamente, el uso de la tecnología FTTA
está en auge y tiene un futuro prominente debido a la necesidad de cumplir con
la demanda de información interpuesta por los diferentes desarrollos
tecnológicos.
Con el objetivo de utilizar un filtro fotónico de microondas para trasmitir
información, y haciendo una comparación de los diferentes esquemas
30
reportados anteriormente, se pretende continuar con la línea de investigación de
I. Zaldívar et al. [19], debido a que su esquema propuesto posee simplicidad y
gran utilidad en la aplicación para la cual se quiere utilizar.
De esta manera, el presente trabajo tiene como objetivo hacer uso de
un filtro fotónico de microondas (MPF) con el fin de implementar un
sistema conjunto PON-FTTA, para la transmisión confiable de servicios
como televisión, internet y telefonía en la red de acceso de un sistema de
comunicación.
Posteriormente, se pretende realizar una evaluación cuantitativa y
cualitativa al sistema para confirmar que el uso del filtro fotónico es una
alternativa eficiente para el envío de información, en comparación con la
configuración convencional utilizada en las redes de acceso para llevar a cabo
esta tarea.
1.5 Organización de la Tesis
El trabajo desarrollado en el presente manuscrito se organiza en 5 capítulos de
la siguiente manera:
En el capítulo 1 se ha presentado una introducción a los sistemas de
comunicación ópticos, describiendo las redes ópticas pasivas y sus
diferentes configuraciones dadas por los sistemas FTTX. En concreto, se
describió el sistema FTTA, exponiendo su necesidad de uso y la
relevancia que tiene en las comunicaciones móviles actuales. Además, se
realizó una breve recapitulación de los trabajos publicados sobre el
filtrado óptico de microondas y se finalizó con la propuesta de tesis.
En el capítulo 2 se definen los conceptos generales sobre los dispositivos
que se van a utilizar en el presente trabajo, entre los que se destacan las
31
fibras ópticas, fuentes de luz, detectores ópticos y finalmente, el
modulador electro-óptico de intensidad.
En el capítulo 3 se describe la configuración de filtro fotónico utilizada
como base para la transmisión de información. Se llevan a cabo
simulaciones teóricas de su respuesta en frecuencia y finalmente, se
realiza su implementación en el laboratorio con el fin de validar la
respuesta esperada y posteriormente, proceder a utilizar el filtro como
alternativa eficiente de transmisión.
En el capítulo 4 se plantean y desarrollan cuatro tipos de experimentos
que involucran redes ópticas pasivas junto a sistemas FTTA para el envío
de diferentes tipos de señales de interés. Posteriormente, es llevado a
cabo un análisis cualitativo y cuantitativo de los resultados.
Finalmente, en el capítulo 5 se presentan las conclusiones generales del
trabajo y las perspectivas que generó para trabajos futuros.
33
Capítulo 2
2. CONCEPTOS SOBRE
DISPOSITIVOS ÓPTICOS
2.1 Introducción
En esta sección se describen los elementos ópticos necesarios para llevar a cabo
el trabajo propuesto en esta tesis, desde la fuente óptica, la fibra óptica como
medio de transmisión de información, el detector óptico para recuperar los
datos y finalmente, el modulador de intensidad, el cual permitirá la adecuación
de la información eléctrica a una señal de tipo óptico para ser enviada a través
del sistema.
2.2 Espectro Electromagnético
Define la región en la cual son distribuidas energéticamente las ondas
electromagnéticas. En comunicaciones ópticas, se consideran dos rangos de
trabajo: la frecuencia de modulación de la información y la frecuencia óptica de
transmisión. En el primer caso, la región de espectro es referida a las frecuencias
de microondas que comprenden el rango de 300MHz–300GHz [20]. Por otro
34
lado, debido a que las fibras ópticas trabajan en frecuencias cercanas al
infrarrojo, las cuales son considerablemente grandes, se referirá a ellas por su
longitud de onda, cuyo rango de interés están entre 800-1600nm [21]. En la
Figura 5 se muestra la distribución del espectro electromagnético.
Figura 5. Espectro electromagnético.
35
2.3 Fibras Ópticas
La fibra óptica es el conductor de luz y medio de transmisión en comunicaciones
ópticas. Generalmente, su estructura está hecha de plástico o vidrio y está
compuesta por tres partes esenciales: núcleo, revestimiento y cubierta
protectora, las cuales son ilustradas en la Figura 6.
Figura 6. Componentes de la fibra óptica.
La propagación de la luz en la fibra se realiza a través del núcleo y puede
ser analizada desde dos puntos de vista, por teoría electromagnética y por teoría
de rayos.
En teoría electromagnética, conociendo que la luz es una onda
electromagnética la cual satisface la ecuación de onda así como las ecuaciones de
Maxwell, se analiza la fibra como una guía de onda cilíndrica en ausencia de
corrientes y cargas libres. Resolviendo dichas ecuaciones a través de las
funciones de Bessel para las componentes transversales de las ondas
electromagnéticas como es mostrado en [22], se define el parámetro V, el cual
indica el número de modos que una fibra de índice escalonado es capaz de
propagar, dicho parámetro está definido por:
36
√
(1)
donde, y son los índices de refracción del núcleo y la cubierta,
respectivamente; es el radio del núcleo y es la longitud de onda del haz de luz
a propagarse.
Para que en la fibra se transmita un único modo de propagación, se
considera como referencia la solución de las funciones de Bessel igual a cero, la
cual arroja una raíz con valor de V=2.405, es decir, siempre que el valor de V sea
menor a dicha raíz, se propagará el modo [23]. La fibra en la que solo se
propaga un modo es conocida como fibra monomodo y es mostrada en la Figura
7.
Figura 7. Características de fibra Monomodo.
Por otro lado, la teoría de rayos es aplicable al análisis de la fibra óptica
debido a que la dimensión del núcleo de la fibra ( ) es mucho mayor
que la longitud de onda de la luz que se va a propagar ( y
), permitiendo despreciar los efectos de la difracción, fenómeno
correspondiente al análisis de la naturaleza ondulatoria de la luz. En este caso, el
principio de funcionamiento de la fibra se debe al fenómeno conocido como
37
reflexión total interna, concepto derivado del análisis geométrico de un haz de
luz que atraviesa la frontera de dos materiales.
Cuando un haz de luz viaja en un material con un índice de refracción
hacia un segundo material con índice , en la frontera de estos dos elementos la
luz cambiará de dirección según el siguiente análisis. En la Figura 8 se muestra
una región en la cual y el rayo de luz es dividido en dos: rayos reflejado
y refractado. De acuerdo a la ley de reflexión los ángulos de incidencia y
reflexión son iguales, sin embargo, el ángulo de refracción toma su valor de
acuerdo a la ley de Snell, la cual establece que:
(2)
Figura 8. Haz de luz en la frontera de dos materiales conductores de luz.
Considerando que el objetivo de la fibra óptica es mantener la luz
viajando a través de su núcleo, se espera que el ángulo refractado tenga un
valor mínimo de 90° como se muestra en la Figura 9.
38
Figura 9. Ángulo crítico para propagación de luz..
Si de acuerdo a la Ec. (2) se tiene:
Con ,
(
)
Bajo esta consideración, es ahora conocido como el ángulo crítico, el
cual se define como el ángulo mínimo requerido para que un haz de luz incidente
permanezca confinado en el núcleo de la fibra óptica con pérdidas mínimas;
condición conocida como reflexión total interna que se produce solamente
cuando la luz viaja de un material de índice de refracción mayor a uno de menor
[24].
2.3.1 Atenuación
Al transmitir señales de luz a través de la fibra óptica se debe considerar la
pérdida de potencia de éstas conforme aumenta la distancia. Dicha característica
39
es conocida como la atenuación y el conocimiento de su valor permite calcular la
potencia en cualquier punto de la fibra con la siguiente relación [21]:
( ) (3)
donde, es la distancia sobre la fibra, es la potencia óptica, es la potencia de
entrada ( ) y es el factor de atenuación.
Por otro lado, si se quiere obtener la potencia óptica en decibeles, la
Ec.(3) puede ser descrita como:
( ) (4)
Con , de la Ec.(4) se tiene:
( ) ( ) (5)
Si el coeficiente de atenuación es expresado en unidades de y se
define como , la expresión final para el cálculo de la potencia en
cualquier punto de la fibra es [21]:
( ) ( ) (6)
Analizando en detalle el factor de atenuación , éste se puede describir
con base en los mecanismos que ocasionan dicha pérdida. Existen dos tipos de
mecanismos que se deben analizar: mecanismos intrínsecos y extrínsecos. Los
primeros se refieren exclusivamente a las propiedades del material con el cual
fue fabricada la fibra, entre los que se encuentran la absorción ultravioleta
( ), la absorción infrarroja ( ) y el esparcimiento Rayleigh ( ). Por otro
lado, los mecanismos extrínsecos se refieren a factores externos al material de la
fibra pero que tienen influencia sobre el desempeño de la misma, siendo los más
40
relevantes la absorción por presencia de impurezas ( ) y las pérdidas por
curvaturas ( ) . Considerando los mecanismos mencionados el factor de
atenuación total es [25]:
(7)
La gráfica de atenuación total en la fibra óptica (Figura 10) muestra la
presencia de tres regiones o ventanas caracterizadas por poseer un valor de
atenuación pequeño. La primera de ellas se sitúa alrededor de los 850nm, siendo
la primera ventana de transmisión utilizada, posteriormente se tiene la ventana
centrada a 1300nm donde la dispersión es menor y por último está la ventana a
1550nm donde la atenuación es la menor (0.2 dB/km) en comparación a las
anteriores, aunque el valor de dispersión aumenta como se observará en la
siguiente sección [24].
Figura 10. Atenuación en la fibra óptica.
41
2.3.2 Dispersión
La dispersión se relaciona al efecto por el cual un pulso que viaja a través de la
fibra sufre un ensanchamiento. En la Figura 11 se observa un tren de pulsos
enviado y su esperada respuesta a medida que éste atraviesa la fibra [26].
Figura 11. Efecto de dispersión en la fibra óptica.
Existen dos tipos de dispersión que afectan la calidad de la señal enviada.
La dispersión intermodal se presenta cuando son aplicados distintos modos de
propagación en las fibras multimodo. Debido a que cada uno es aplicado con un
ángulo de incidencia diferente, la longitud que recorren en la fibra cambia,
haciendo que a la salida dichos modos lleguen a diferentes tiempos, provocando
el ensanchamiento temporal de la información como se observa en la Figura 12.
42
Figura 12. Efecto de dispersión intermodal.
Por otro lado, la dispersión intramodal o cromática se basa en el cambio
del índice de refracción con el cambio de longitud de onda en un medio. Ésta
variación fue definida empíricamente por Sellmeier como [27]:
( ) √
(8)
donde, y son los coeficientes de Sellmeier para determinado material.
La Figura 13 muestra la dependencia del índice de refracción para el
silicio fundido.
Figura 13. Variación del índice de refracción del silicio fundido en función de la longitud de onda.
43
La dispersión cromática se presenta en la fibra óptica debido a que su
índice de refracción, y por tanto la velocidad de un modo que se propaga,
depende de la frecuencia o longitud de onda. Sin embargo, dado que un haz de
luz no es monocromático, tiene pequeñas componentes espectrales alrededor de
la frecuencia central, por tal razón, éstas últimas viajan a una velocidad diferente
y llegan al final de la fibra con un pequeño retardo como se observa en la Figura
14. Es importante resaltar que la dispersión cromática es mucho menor que la
intramodal, por tal razón, en fibras multimodo sólo se tiene en cuenta la última
[25].
Figura 14. Efecto de dispersión intramodal o cromática.
La dispersión intramodal en la fibra, dada generalmente en unidades de
( ) , y puede ser evaluada mediante el uso de [26]:
( )
[ (
)
] (9)
donde, es la longitud de onda, es la longitud de onda de dispersión cero y
es la pendiente de dispersión.
En la Figura 15 se muestra la gráfica de la Ec. (9) para dos tipos de fibras:
estándar y de dispersión corrida, y se detallan sus correspondientes valores en
la segunda y tercera ventana de transmisión, es decir, a longitudes de onda de
1300nm y 1550nm, respectivamente.
44
Figura 15. Curvas de dispersión cromática.
2.4 Fuentes Ópticas
Las fuentes de luz usadas en los sistemas de comunicación óptica son el
diodo emisor de luz (LED, por sus siglas en inglés, Light-Emitting Diode) y el
amplificador de luz por emisión estimulada de radiación (LASER, por sus siglas
en inglés, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). En la Tabla 1
se muestra una comparación entre las principales características a tener en
cuenta de las dos fuentes de luz para sistemas de comunicación por fibra óptica
[28].
45
LED LASER
Longitud de Onda (nm) 800 1300,1550
Ancho espectral (nm) 25 - 100 5
Tasas de datos 200 Mb/s 40 Gb/s
Eficiencia de
conversión electro-
óptica (%)
10-20 30-70
Espectro de
modulación
10´s de Kilohertz a 100´s
de Megahertz
10´s de Kilohertz a 10´s
de Gigahertz
Distancia de
Transmisión 100´s de metros 100´s de Kilómetros
Sensibilidad a factores
externos Baja Alta
Complejidad de drivers Baja Alta
Costo Bajo Alto
Tabla 1. Comparación de fuentes ópticas LED y LASER.
Por otro lado, cuando se hace una propuesta para un esquema de
transmisión óptico, al seleccionar el tipo de fuente óptica a utilizar se deben
considerar los siguientes aspectos [24]:
La intensidad de luz debe ser lo suficientemente alta para que sea capaz
de propagarse a lo largo de la distancia del enlace.
El esquema debe permitir un acoplamiento correcto entre la fibra y la
fuente de luz.
La longitud de onda de la fuente debe tener compatibilidad con la
longitud de onda que se puede propagar por la fibra. En comunicaciones
ópticas las longitudes de onda más usadas son , y nm.
46
El tiempo de respuesta debe ser lo suficientemente corto (ancho de
banda muy grande) para permitir altas tasas de datos.
La fuente debe emitir una magnitud de potencia estable que no varíe con
factores externos como la temperatura; es decir, debe ser confiable.
2.5 Detectores Ópticos
Los detectores o fotodetectores son dispositivos cuya función básica es convertir
una señal óptica a otra de naturaleza eléctrica. Para hacer una correcta selección
del fotodetector a utilizar en comunicaciones, se deben considerar las siguientes
características [24]:
El detector debe ser altamente sensitivo. Esto hace referencia a la
corriente eléctrica que puede ser producida ante el estímulo de la luz
incidente.
La sensitividad o responsividad de los detectores depende de la longitud
de onda de la luz. Por esta razón, en la región óptica de interés, el
dispositivo debe ser altamente sensitivo.
El tiempo de respuesta debe ser lo suficientemente rápido para que el
detector responda ante el mínimo pulso de luz. Esto favorecerá la
transmisión de datos a tasas muy altas y mejorará la eficiencia del
esquema de comunicación.
La linealidad del fotodetector es importante para minimizar la distorsión
de la señal, sobretodo en casos de transmisiones análogas.
Para garantizar que una señal de luz muy pequeña sea detectada, el ruido
interno del detector debe ser mínimo.
De los fotodetectores basados en semiconductores, los fotodiodos son los
más usados en transmisiones ópticas debido a su pequeño tamaño, material, alta
47
sensibilidad y rápido tiempo de respuesta [26]. Los tipos más usados de
fotodiodos son los PIN o de avalancha.
2.6 Modulador Electro–Óptico
En óptica, modulación se refiere al proceso por el cual una señal eléctrica de
información puede ser reproducida fielmente por otra señal de naturaleza óptica
para poder ser transmitida a través de la fibra. El tipo de modulación más común
es la modulación de intensidad, que puede llevarse a cabo mediante el uso de un
modulador externo como el Mach-Zehnder, el cual se describe básicamente
como un interferómetro Mach-Zehnder configurado como modulador de
intensidad. Este dispositivo consigue la modulación a través del efecto electro-
óptico, el cual describe el cambio de las propiedades ópticas de algunos
materiales cuando son expuestos a un campo eléctrico [29].
2.6.1 Principio de Funcionamiento
Un campo eléctrico aplicado sobre un material anisotrópico modifica su índice
de refracción y por consiguiente, la polarización de la luz incidente. En el niobato
de litio (LiNbO3), material que presenta el efecto Pockels o efecto electro-óptico
lineal, su índice de refracción cambia en proporción al campo eléctrico aplicado
de siguiente manera [29]:
( )
(10)
donde, es el coeficiente electro-óptico y es el índice de refracción del material
anisotrópico.
Cuando una celda Pockels de longitud (Figura 16) es atravesada por un
haz de luz y además, sufre la incidencia de un campo eléctrico, el primero sufre
48
un desplazamiento en fase ( ) ( ) , donde es la longitud
de onda del espacio libre. Entonces, de la Ec.(10) se tiene que:
(11)
Figura 16. Celda Pockels atravesada por un haz de luz.
Cuando un campo eléctrico es aplicado a través de un voltaje en las dos
caras de una celda, separadas por una distancia , entonces , y la Ec.
(11) da como resultado:
(12)
donde,
El parámetro es conocido como el voltaje de media onda y corresponde
al voltaje al cual el desplazamiento en fase corresponde a .
El retraso en fase por sí solo no produce una modulación en intensidad,
pero si es aplicado este principio en un brazo de un interferómetro como el
mostrado en la Figura 17, se obtiene la respuesta deseada [29].
49
Figura 17. Estructura de un modulador Mach-Zehnder.
En este caso, un modulador de intensidad Mach-Zehnder puede ser
construido en la forma de un dispositivo de óptica integrada. Éste consta de dos
brazos de guía de onda hechos por difusión de titanio localizados sobre un
substrato de LiNBO3 [30]. En una de las guías de onda se encuentran situados un
par de electrodos con el fin de aplicar el voltaje que va a ocasionar el cambio
de fase definido en la Ec. (12). De esta manera, en la segunda “Y” las señales
sufrirán una interferencia que depende del valor de fase de las mismas:
En el primer caso extremo, si las fases de las ondas son iguales se
presentará interferencia constructiva, sus amplitudes se sumarán y habrá
a la salida una amplitud máxima.
Por otro lado, cuando las fases de las ondas tienen una diferencia igual a
se presentará interferencia destructiva, sus amplitudes se anularán
mutuamente y a la salida habrá una salida igual a cero.
Por consiguiente, la intensidad de luz total a la salida del modulador se
describe como:
50
(
)
[ (
) ] (13)
donde, es la intensidad de luz a la salida, es la intensidad de luz a la entrada y
es el cambio de fase descrito en la Ec. (12).
En la Figura 18 se ilustra la curva de transferencia de un modulador
típico obtenida a través de la Ec. (13), donde su región lineal está comprendida
entre los puntos A y C. Por tal razón, para obtener una modulación con baja
distorsión cualquier información que se transmita debe tener un voltaje de
referencia con valor igual a , y una máxima amplitud de pico a pico.
Figura 18. Curva de transferencia de un modulador de intensidad.
Considerando estas características, al aplicar al modulador una señal
eléctrica de la forma:
51
( ) ( )
De la Ec. (13) se tiene que:
[ (
( )
)] (14)
Utilizando la identidad geométrica (
) ( ), la Ec. (14)
puede ser reescrita como:
( ) ( )
[ (
) ]
Con ( ) ( ) , entonces:
( ) ( )
[ (
( )) ] (15)
Haciendo el desarrollo matemático descrito en [31], la intensidad
luminosa a la salida del modulador está descrita por:
( ) ( )
( )
donde,
y se define como el índice de modulación eléctrico.
Por último, la transmitancia del modulador de intensidad Mach-Zehnder
queda entonces definida como:
( ) ( )
( )
( ) (16)
52
donde,
( ) ( )
(17)
2.7 Sumario
En principio, en este capítulo fue enunciado el principio de funcionamiento de la
fibra óptica y los fenómenos que limitan la transmisión de datos como lo son la
dispersión y la atenuación. Luego fueron descritos de forma general las fuentes
ópticas y los detectores, junto a los parámetros a tener en cuenta para su
selección en un esquema de comunicaciones. Por último, fue mostrado el
principio de funcionamiento del modulador electro-óptico, dispositivo que
facilita la transmisión de señales eléctricas a alta velocidad a través de la fibra
óptica.
53
Capítulo 3
3. FILTRO FOTÓNICO
3.1 Introducción
Para transmitir información es importante definir el sistema de comunicación al
que se quiere recurrir para tal fin. En el presente capítulo se realiza una
descripción del filtro fotónico como configuración base para la implementación
de un sistema FTTA. En primer lugar, se muestra el desarrollo matemático que
rige su funcionamiento y posteriormente se ejecuta y caracteriza el esquema
propuesto, con el fin de tener claridad sobre la respuesta en frecuencia y las
ventajas que éste presenta para su uso como medio de comunicación.
3.2 Descripción general
Un filtro fotónico de microondas es un sistema diseñado con el objetivo de
realizar las tareas de un filtro común, añadiendo las ventajas inherentes a la
tecnología fotónica. En la literatura se encuentran diversas configuraciones de
filtros que han sido propuestas recientemente como se describió en la sección
54
1.3, donde se evidencia que cada una posee tipos de respuesta y bandas de
trabajo diferentes, de acuerdo a la necesidad del autor y la complejidad del
modelo. Esto demuestra que dichos filtros son un área de investigación que tiene
auge actualmente para la transmisión y procesamiento de señales de
microondas. En la Figura 19 se muestra la configuración básica de filtro fotónico
usada en este trabajo. En este caso, el esquema se compone de una fuente óptica
definida por su separación intermodal ( ) y ancho espectral ( ), un
modulador Mach-Zehnder, fibra óptica monomodo caracterizada por su
dispersión ( ) y longitud ( ) y por último, un detector para obtener a la salida
la señal eléctrica que fue transmitida.
Figura 19. Configuración básica de filtro fotónico.
3.3 Descripción matemática
En el esquema anterior, se va a asumir que la fuente óptica va a ser cuasi-
monocromática cuyo espectro ( ) está centrado a la frecuencia óptica
. Dicha señal tiene asociada otra que puede ser modelada por un proceso
estocástico como [19]:
( ) ( )
donde, ( ) es la envolvente compleja.
55
Si la fuente es modulada ópticamente a través de un Modulador de
intensidad Mach-Zehnder operado en la región lineal por una señal eléctrica
( ) ( ), entonces el campo óptico a la entrada de la fibra queda
descrito por:
( ) ( ) ( ) ( ) [
] (18)
Asumiendo que la fibra óptica es un sistema lineal invariante en el tiempo
caracterizada por su constante de propagación y su longitud , el campo óptico
a la salida de la fibra, llamado ( ) es igual a la convolución de ( ) con la
función de respuesta al impulso ( ) del sistema:
( ) ( ) ( ) (19)
En el dominio de la frecuencia, la función de respuesta al impulso para
una longitud dada es ( ) . Entonces, al aplicar el teorema de
convolución, el campo óptico a la salida de la fibra finalmente queda descrito
como:
( ) ( ) ( ) ( ) (20)
donde, ( ) y ( ) son las transformadas de Fourier de ( ) y ( ) ,
respectivamente.
Desarrollando la Ec. (20) se tiene [19]:
( ) { ( )
( ( ))
( ( )) } (21)
56
En la Ec. (21) se observan tres paquetes de onda centrados a diferentes
frecuencias, por tal razón, en presencia de dispersión cromática, cada uno de
dichos paquetes experimenta una constante de propagación diferente
( ), ( ( )) y ( ( )). Asumiendo que dentro del
rango de frecuencia centrado a , varía ligeramente y
gradualmente con , entonces, este puede ser aproximado por los tres primeros
términos de una expansión en series de Taylor para la vecindad denotada por
, esto es ( ) ( )
( )
. Por simplicidad, el
desplazamiento de fase lineal y el retardo de grupo inducido en la fibra son
omitidos, por lo que la última expresión toma la forma ( )
( )
. De esta manera:
( )
(( )
) ( ) (22)
Como , entonces ( ) ( ) (
). Por consiguiente, por el teorema Wiener-Khinchin [32], el espectro es
definido como la transformada de Fourier de la función de coherencia temporal
:
( ) ∫ ( )
donde ( ) ⟨ ( ) ( )⟩.
Por el teorema de correlación se sabe que la transformada de Fourier de
( ) { ( )} ( ) ( ). Además, si se considera que el MZ-IM trabaja
en la región lineal, entonces . Si se sustituye la Ec. (22) en la Ec. (21), la
densidad espectral al final de la fibra óptica es:
57
( ) ( )
( ) (
) ( ) (23)
donde, ( ) ( ) ( ) es la densidad espectral de la
fuente óptica.
La intensidad promedio total al final de la fibra es encontrada por la
integración total de sobre las frecuencias positivas [29]:
∫ ( )
(24)
Por lo tanto al reemplazar la Ec. (23) en la Ec. (24), esto puede ser escrito como:
∫ ( )
(
) ∫ ( ) (
)
(25)
La primera integral en la Ec. (25) corresponde a la intensidad promedio
debida a la fuente óptica . Si se define , con , y su
recíproco , la Ec. (25) se convierte en [19]:
(
) ∫ ( ) ( )
(26)
Dado que y ( ) son funciones reales, entonces, el resultado de la
integral en la Ec. (26) debe ser real. Si una función dada ( ) es real y su
transformada de Fourier ( ) es además real, entonces ( ) puede ser
obtenida de:
58
( ) ∫ ( ) ( )
Como se ve, la integral en la Ec. (26) tiene la misma forma de la
transformada de Fourier de ( ). Por consiguiente es posible demostrar que
( ), donde es la longitud de onda, D es la dispersión cromática
de la fibra y c es la velocidad de la luz en un material con índice de refracción n
calculado como , donde es la velocidad de la luz en el vacío.
Finalmente, la Ec. (26) puede ser escrita como [19]:
(
) { ( )} (27)
En resumen, se demostró que la respuesta en frecuencia del filtro
fotónico de microondas está determinada por el segundo término en la Ec. (27),
la cual es proporcional a la transformada de Fourier del espectro de la fuente
óptica usada.
3.3.1 Respuesta del sistema ante una fuente óptica de tipo multimodo
Una fuente óptica caracterizada por una envolvente Gaussiana y modos
centrados a una frecuencia angular (Figura 20), es modelada como [19]:
( )
√
( )
[
√
( )
∑ ( )
] (28)
59
Figura 20. Espectro óptico de fuente de luz multimodo.
donde, es la potencia máxima de emisión, es el ancho espectral de la
fuente, es el ancho espectral de cada modo, es la separación intermodal y
denota la operación de convolución.
El término entre los paréntesis cuadrados corresponde a un tren de
pulsos indicando un patrón periódico. Si se usan las variables y W como se
definieron anteriormente, la transformada de Fourier de la Ec. (28) es:
{ ( )} (
)
[ (
)
(
∑ (
)
)] (29)
La ubicación de cada pulso determina la frecuencia central de la n-ésima
ventana pasa banda en la respuesta en frecuencia del filtro fotónico de
microondas. Si cada una de ellas se denota como , su valor puede ser obtenido
igualando ( ). De esa manera se obtiene [19]:
(30)
60
donde, D es el parámetro de dispersión cromática, L es la longitud de la fibra
óptica y es la separación entre cada uno de los modos de la fuente multimodo.
En la Ec. (28), el primer término permite determinar la respuesta pasa
baja del filtro, así que su transformada de Fourier es:
{ ( )} (
)
(31)
La cual es una función Gaussiana. En la Ec. (31) , si { ( )} , entonces:
(
)
(32)
Para encontrar el valor de la frecuencia que satisfaga esta condición, se debe
expresar . Además puede ser expresada en términos de y en
términos de la dispersión cromática D. En cuanto a , si se tiene
( ) es posible establecer:
(33)
Ahora, para , si la velocidad de grupo es donde es el retardo de
grupo relacionado a ( ) como ( ) . Por lo tanto, su derivada
es:
( )
(34)
De la Ec. (34), se tiene que . Si se deriva esta última expresión con
respecto a , da como resultado ( ) ( ) . Si el parámetro
de dispersión cromática como función de la longitud de onda es definido como
( ) ( ), entonces:
61
(35)
Finalmente, sustituyendo , Ec. (33) y Ec. (35) en la Ec. (32) se obtiene
que corresponde a la frecuencia de la respuesta pasa baja del MPF:
√
(36)
Con el fin de determinar el ancho de banda de la n-ésima ventana pasa banda se
toma el valor doble de la respuesta pasa baja, correspondiente al valor en -3dB
de la misma [19]:
√
(37)
Finalmente, se comprobó que la respuesta del filtro fotónico de microondas
propuesto se compone de una serie de ventanas pasa banda periódicas,
dependientes del espectro de la fuente óptica así como de la longitud y
dispersión de la fibra óptica.
3.4 Respuesta en frecuencia del MPF
Después de realizado el análisis teórico del esquema utilizado para el filtro
fotónico, se procede a calcular las frecuencias centrales para las diferentes
ventanas pasa banda que serán utilizadas posteriormente para el envío de
información en la red de acceso.
En primer lugar, la fuente óptica utilizada es un láser multimodo
(Thorlabs S1FC1550) con longitud de onda central , separación
62
intermodal , ancho espectral y potencia de salida
, cuyo espectro óptico se observa en la Figura 21.
Figura 21. Espectro óptico del láser multimodo a utilizar.
Posteriormente, se describen dos carretes de fibra monomodo, cuyas
características se observan en la Tabla 2.
Fibra Corning Alcatel
Tipo Monomodo Monomodo
Longitud (km) 25.249 28.25
Dispersión
[ps/(nm*km)] 15.81 15.81
Atenuación (dB/km) 0.19 0.193
Tabla 2. Fibra óptica a utilizar.
63
En cuanto al detector, se utiliza el dispositivo Miteq, cuya banda de operación
está comprendida entre 30 KHz y 12.5 GHz [33].
Considerando los dispositivos antes mencionados, se procede a calcular las
frecuencias de corte y ancho de banda de las ventanas pasa banda para los dos
carretes de fibras, considerando como rango de interés la banda de 10MHz hasta
10GHz.
En el primer caso se analiza la Fibra de
La frecuencia central de la primera ventana es calculada a través de la Ec. (30):
( ) ( )( )
Con ; las demás frecuencias de corte en la banda establecida son:
Por otro lado, el ancho de banda esperado para cada ventana es calculado a
través de la Ec. (37):
√
√
( )( )( )
Con el fin de evaluar la respuesta en frecuencia teórica del filtro fotónico
de microondas, se hace uso de un software desarrollado por I. Zaldívar et. al.
[34] sobre una interfaz de usuario gráfica (GUI, por sus siglas en inglés,
Graphical User Interface) de Matlab (Figura 22). A través de esta herramienta, se
obtiene la respuesta teórica del filtro de la Figura 23.
64
Figura 22. Interfaz gráfica de usuario de la herramienta de simulación.
Figura 23. Respuesta teórica del filtro para L=25.249km.
En el segundo caso se analiza la Fibra de
La frecuencia central de la primera ventana es calculada a través de la Ec. (30):
65
( ) ( )( )
Con ; las demás frecuencias de corte en la banda establecida son:
Por otro lado, el ancho de banda esperado para cada ventana es calculado a
través de la Ec. (37):
√
√
( )( )( )
Considerando estos valores, la respuesta teórica del filtro se observa en la
Figura 24.
Figura 24. Respuesta teórica del filtro para L=28.25km.
Finalmente, se lleva a cabo el experimento en el laboratorio para validar
estas respuestas con el montaje que se observa en la Figura 25.
66
Figura 25. Configuración experimental del filtro fotónico.
Con el fin de obtener una respuesta adecuada en el laboratorio, al
esquema inicial del filtro fueron añadidos varios elementos que son de gran
utilidad. El primero de ellos es un aislador óptico ubicado junto al láser, el cual
evita la reflexión de luz hacia la fuente. A la salida del aislador es localizado un
control de polarización, con el fin de garantizar máxima transferencia de
potencia al modulador, optimizando el estado de polarización de la luz a través
de retardos específicos y ángulos de orientación variables [35]. Por otro lado, al
modulador de intensidad le es aplicado un voltaje de polarización con un valor
con el fin de ubicar la señal eléctrica en el centro de la región
lineal de MZ-IM. Por último, a la salida del detector es puesta una etapa de
amplificación con el fin de compensar las pérdidas de potencia por atenuación
en la fibra. Los resultados obtenidos por el analizador de espectros eléctrico
para =25.249km y =28.25km, son observados en la Figura 26 y Figura 27,
respectivamente.
67
Figura 26. Respuesta práctica del filtro para L=25.249km.
Figura 27. Respuesta práctica del filtro para L=28.25km.
En la Tabla 3 se presentan los valores teóricos y experimentales para las
frecuencias de corte de las ventanas. Además, es calculado el porcentaje de error
entre los valores mostrados, evidenciando una buena correlación entre ellos, ya
que el máximo error presentado es de 1.639%. Finalmente, se observa que los
anchos de banda promedio de las ventanas para =25.249km y =28.25km, son
272MHz y 231MHz, respectivamente.
68
L=25.249km L=28.25km
Frecuencia (GHz) Teo. Exp. % Error Teo. Exp. % Error
f1 2.27 2.27 0 2.03 2.00 1.477
f2 4.55 4.54 0.219 4.07 4.03 0.982
f3 6.83 6.83 0 6.10 6.00 1.639
f4 9.11 9.10 0.109 8.14 8.03 1.351
Tabla 3. Resultados teóricos vs experimentales.
3.5 Sumario
El filtro fotónico presentado es la base del sistema FTTA que se quiere
implementar. Como se observó, al utilizar fuentes ópticas del tipo multimodo, el
filtro aprovecha el fenómeno de dispersión cromática para generar ventanas de
tipo pasa banda, dependientes de la dispersión y longitud de la fibra óptica, así
como de la separación intermodal de la fuente. Dichas ventanas serán usadas
para la transmisión de información con portadoras de microondas, por tal razón,
se llevó a cabo la identificación y caracterización del filtro fótonico en el
laboratorio.
69
Capítulo 4
4. APLICACIONES DEL FILTRO
FOTÓNICO EN SISTEMAS PON-
FTTA
4.1 Introducción
Partiendo del hecho que el filtro fotónico es la base potencial de múltiples
aplicaciones en sistemas PON y FTTA, en este capítulo se proponen y ejecutan
cuatro configuraciones para la transmisión y distribución de información en la
red de acceso de los sistemas de comunicación móviles. En particular, se hace
uso de una señal de barras de color del estándar NTSC, una señal digital con
información de la iluminancia sensada por un tranceptor y una señal de audio y
video proveniente de un reproductor de DVD, como señales de prueba. Tras la
implementación de los sistemas, se realiza un análisis cualitativo y cuantitativo
para evaluar las señales recuperadas y su conveniencia para su implementación
en los sistemas actuales.
70
4.2 Sistema de Distribución de Vídeo usando una red óptica pasiva (PON)
Con el objetivo de utilizar el filtro fotónico para desarrollar un sistema de
distribución de vídeo, se propone la red óptica pasiva punto a multipunto cuyo
diagrama de bloques se ilustra en la Figura 28. Dicha PON, se compone de tres
módulos principales descritos a continuación:
Etapa de ajuste de la señal de información para Transmisión
Etapa de Transmisión haciendo uso del filtro fotónico.
Etapa de recepción y evaluación de la señal entregada a los usuarios.
Figura 28. Diagrama de Bloques de la red óptica pasiva.
4.2.1 Acondicionamiento de la señal de Información
De acuerdo al esquema de la Figura 29, la información elegida para ser
transmitida es una señal de barras de color, la cual es modulada a una frecuencia
de correspondiente a la portadora del canal 4 del estándar de
televisión NTSC [36].
71
Figura 29. Configuración experimental en etapa de acondicionamiento.
Esta señal es mezclada con una portadora eléctrica procedente de un
divisor de potencia que tiene como entrada un generador de microondas con
una potencia eléctrica de 15dBm. El divisor permite el envío de parte de la señal
de RF al receptor vía cable para ejecutar la demodulación. Por último, la señal
mezclada es amplificada y aplicada al modulador de intensidad.
4.2.2 Sistema de comunicación
En este caso, se usa la configuración de filtro fotónico detallada en el capítulo
anterior, donde se utilizan dos ramas para hacer uso de las fibras con longitud
igual a 25.249km y 28.25km, haciendo transmisión a través de las ventanas
localizadas en 4.54GHz y 6.83GHz, así como en 4.03GHz y 6.00GHz,
respectivamente. Para hacer esto posible, se localiza un acoplador óptico 50:50
para dividir la señal óptica modulada en intensidad. Además, la fuente
multimodo es ajustada para entregar una potencia óptica de 2.25mW.
72
El uso específico de estas ventanas pasabanda se debe a las limitantes en
frecuencia que presentan algunos dispositivos del esquema de comunicaciones,
como son el divisor de potencia y los mezcladores, razón por la cual no se puede
transmitir a frecuencias superiores a 8GHz.
4.2.3 Recepción y distribución de la información al usuario
Como se observa en la Figura 30, a la salida del filtro fotónico es localizado un
segundo mezclador. Este dispositivo recibe la portadora de microondas para
llevar a cabo el proceso de demodulación. La señal demodulada es
posteriormente dividida (en cada una de las ramas) con el fin de observar la
señal simultáneamente en el receptor de TV y en el osciloscopio o analizador de
espectros eléctricos.
Figura 30. Configuración experimental en etapa de recepción.
4.2.4 Resultados
Al realizar la implementación de las etapas consideradas anteriormente, la red
pasiva óptica final se observa en la Figura 31.
73
Figura 31. Esquema de comunicación bajo configuración PON.
Bajo estas condiciones, haciendo uso del carrete de fibra con
, se recuperaron las señales para las frecuencias portadoras de
y , las cuales se observan en la Figura 32 y Figura 33,
respectivamente.
74
Figura 32. Señal de información recuperada a .
Figura 33. Señal de información recuperada a .
Por otro lado, utilizando el carrete de fibra con , se
recuperaron las señales para las frecuencias portadoras de y
, las cuales se observan en la Figura 34 y Figura 35,
respectivamente.
Figura 34. Señal de información recuperada a .
75
Figura 35. Señal de información recuperada a .
Con respecto al análisis cuantitativo del esquema, la respuesta en frecuencia
presentada muestra en todos los casos una relación señal a ruido (SNR) de la
información recuperada superior a 24dB. Adicional a esto, en la Figura 36 se
registran a través del osciloscopio las señales de video compuesto enviada y
recuperada.
76
Figura 36. Señales de vídeo enviada y recuperada en el tiempo.
Con respecto al análisis cualitativo, en la Figura 37 se muestra la calidad del
video observado en el receptor.
Figura 37. Señal recibida en el receptor.
Señal Enviada
Señal
Recuperada
77
4.3 Envío de una señal digital usando una red óptica de comunicación
Con el objetivo de aprovechar el filtro fotónico para desarrollar un sistema de
comunicación donde es enviada una señal digital, se propone la red óptica punto
a punto, cuyo diagrama de bloques se ilustra en la Figura 38. Dicha red, se
compone de tres módulos principales descritos a continuación:
Etapa de ajuste de la señal de información para Transmisión
Etapa de Transmisión haciendo uso del filtro fotónico.
Etapa de recepción y evaluación de la señal radiada a los usuarios finales.
Figura 38. Diagrama de Bloques de la red óptica pasiva.
4.3.1 Acondicionamiento de la señal de Información
Según el esquema de la Figura 39, la información elegida para ser transmitida
corresponde al nivel de iluminancia detectado por un transceptor multibanda
que emite la señal a una frecuencia de [37], este dispositivo se
ilustra en la Figura 40.
78
Figura 39. Configuración experimental en etapa de acondicionamiento.
Figura 40. ATMEL AT86RF211, Transceptor Multibanda: 400-950MHz.
En primer lugar, la información es recuperada a través de una antena y
luego mezclada con una portadora eléctrica procedente de un divisor de
potencia que tiene como entrada un generador de microondas con una potencia
eléctrica de 15dBm. El divisor es situado con el fin de permitir el envío de parte
de la señal de RF al receptor vía cable para ejecutar la demodulación. Por último,
la señal eléctrica mezclada es amplificada y aplicada al modulador de intensidad.
79
4.3.2 Sistema de comunicación
Nuevamente se usa la configuración de filtro fotónico solo que ahora se hace
transmisión usando las ventanas localizadas en 2.27GHz, 4.54GHz y 6.83GHz, así
como en 2.00GHz, 4.03GHz y 6.00GHz, para las fibras de longitud de 25.249km y
28.25km, respectivamente. De nuevo la fuente multimodo es ajustada para
entregar una potencia óptica de 2.25mW. El uso específico de estas ventanas
pasabanda se debe nuevamente a las limitantes en frecuencia que presentan
algunos dispositivos eléctricos, como el divisor de potencia y los mezcladores.
4.3.3 Recepción y distribución de la información al usuario
Como se observa en la Figura 41, a la salida del filtro fotónico es localizado un
segundo mezclador. Este dispositivo recibe la portadora de microondas para
llevar a cabo el proceso de demodulación. La señal demodulada es
posteriormente dividida con el fin de observarla en el analizador de espectros y
radiar la información a un segundo transceptor.
Figura 41. Configuración experimental en etapa de recepción.
80
4.3.4 Resultados
Al realizar la implementación de las etapas consideradas anteriormente, la red
pasiva óptica final se observa en la Figura 42.
Figura 42. Esquema de comunicación bajo configuración PON.
Bajo este experimento, haciendo uso del carrete de fibra con
, se recuperaron las señales para las frecuencias portadoras de
, y , las cuales se observan en la
Figura 43, Figura 44 y Figura 45, respectivamente.
82
Figura 45. Señal de información recuperada a .
De manera similar pero utilizando el carrete de fibra con , se
recuperaron las señales para las frecuencias portadoras de ,
y , las cuales se observan en la Figura 46, Figura 47 y
Figura 48, respectivamente.
Figura 46. Señal de información recuperada a .
83
Figura 47. Señal de información recuperada a .
Figura 48. Señal de información recuperada a .
Con respecto al análisis cuantitativo del esquema, la respuesta en frecuencia
presentada evidencia que en todos los casos la relación señal a ruido (SNR) de la
información recuperada supera los 26dB.
84
4.4 Transmisión de Audio y Video vía FTTA
Ahora el Filtro fotónico se utiliza para llevar a cabo la transmisión de señales de
audio y vídeo en la red de acceso, a continuación se describe el esquema
propuesto para un sistema FTTA, cuyo diagrama de bloques se ilustra en la
Figura 49. Este sistema se compone de tres módulos principales:
Etapa de ajuste de la señal de información para Transmisión
Etapa de Transmisión haciendo uso del filtro fotónico.
Etapa de recepción y radiación de la señal a los usuarios finales.
Figura 49. Diagrama de bloques del sistema FTTA.
4.4.1 Acondicionamiento de la señal de Información
De acuerdo al esquema de la Figura 50, la información elegida para ser
transmitida es una señal de audio y video proveniente de un reproductor de
DVD, la cual es modulada a una frecuencia de correspondiente a
la portadora del canal 4 del estándar de televisión NTSC [36].
85
Figura 50. Configuración experimental en etapa de acondicionamiento.
Esta señal es mezclada con una portadora eléctrica procedente de un
divisor de potencia, el cual tiene como entrada un generador de microondas con
una potencia eléctrica de 20dBm. El divisor es situado con el fin de permitir el
envío de parte de la señal de RF usando una antena de parche para ejecutar la
demodulación. Por último, la señal modulada es amplificada y aplicada al
modulador de intensidad.
4.4.2 Sistema de comunicación
En este caso el filtro fotónico transmite utilizando las ventanas localizadas en
2.27GHz y 4.54GHz, así como en 2.00GHz y 4.03GHz, para las fibras de longitud
de 25.249km y 28.25km, respectivamente. La fuente multimodo se mantiene a
una potencia de 2.25mW. La limitante en frecuencia que presentan las antenas
de microondas permite transmitir solamente hasta frecuencias de 6GHz.
86
4.4.3 Recepción y distribución de la información al usuario final
Como se observa en la Figura 51, a la salida del filtro fotónico es localizado un
segundo mezclador. Este dispositivo recibe la portadora de microondas a través
de una segunda antena de parche que tiene a la salida una etapa de amplificación
antes de formar parte del proceso de demodulación. La señal demodulada es
aplicada a un filtro pasa bajas con el fin de suprimir ruido, y radiada a través de
una antena tipo dipolo con el fin de brindar movilidad a los usuarios, quienes
pueden recibir la señal en su televisor con una antena estándar de TV abierta.
Figura 51. Configuración experimental en etapa de recepción.
4.4.4 Resultados
Considerando las etapas analizadas anteriormente, el sistema de comunicación
FTTA se observa en la Figura 52.
88
Bajo este esquema y haciendo uso del carrete de fibra con , se
recuperaron las señales para las frecuencias portadoras de y
, las cuales se muestran en la Figura 53 y Figura 54,
respectivamente.
Figura 53. Señal de información recuperada a .
Figura 54. Señal de información recuperada a .
89
De manera similar, pero utilizando el carrete de fibra con , se
recuperaron las señales para las frecuencias portadoras de y
, las cuales se muestran en la Figura 55 y Figura 56,
respectivamente.
Figura 55. Señal de información recuperada a .
Figura 56. Señal de información recuperada a .
90
Con respecto al análisis cuantitativo, la respuesta en frecuencia presentada
muestra que en todos los casos la relación señal a ruido (SNR) de la información
recuperada supera los 38.3dB. La Figura 57 es un registro obtenido a través del
osciloscopio de las señales de video compuesto enviada y recuperada.
Figura 57. Señales de vídeo enviada y recuperada en el tiempo.
Con respecto al análisis cualitativo, la Figura 58 muestra una escena
correspondiente a la película de "Annie" apreciando la calidad del video
observado en el receptor.
Figura 58. Señal recibida en el receptor.
Señal Enviada
Señal
Recuperada
91
4.5 Distribución de Vídeo haciendo uso de una PON y sistemas FTTA
Finalmente, con el fin de llevar a cabo una trasmisión de audio y video para dos
áreas de cobertura en diferentes direcciones, se realiza la unificación de una
PON y un sistema FTTA descritos anteriormente. El diagrama de bloques del
esquema se muestra en la Figura 59. Como resultado, múltiples usuarios
potenciales en áreas diferentes, recibirán la información a través de antenas en
sus dispositivos, haciendo uso de la misma oficina central.
Figura 59. Diagrama de bloques del sistema de comunicaciones PON-FTTA.
Al implementar las etapas consideradas anteriormente, el sistema de
comunicación final se ilustra en la Figura 60.
93
4.5.1 Resultados
En primer lugar se utilizan fibras ópticas de longitud , donde son
usadas las frecuencias portadoras de y , cuyas
respuestas son mostradas en la Figura 61 y Figura 62, respectivamente.
Figura 61. Señal de información recuperada a
Figura 62. Señal de información recuperada a
94
En seguida, con carretes de fibra de longitud se prueba el sistema
con sus correspondientes frecuencias portadoras de y
, cuyas respuestas son mostradas en la Figura 63 y Figura 64,
respectivamente.
Figura 63. Señal de información recuperada a .
Figura 64. Señal de información recuperada a .
95
Con respecto al análisis cuantitativo del esquema, la respuesta en frecuencia
presentada muestra que en todos los casos la relación señal a ruido (SNR) de la
información recuperada supera los 28dB. Además, en la Figura 65 se registra a
través del osciloscopio las señales de video compuesto enviada y recuperada.
Figura 65. Señales de vídeo enviada y recuperada en el tiempo.
En cuanto al análisis cualitativo, en la Figura 66 se muestra la calidad del video
observado en el receptor.
Figura 66. Señal recibida en el receptor.
Señal Enviada
Señal
Recuperada
96
4.6 Resumen de resultados de los esquemas implementados
En resumen, en la Tabla 4 se muestran los valores de la relación señal a ruido
para todas las señales recuperadas en los cuatro esquemas presentados.
Relación señal a ruido - SNR (dB)
Portadora
(GHz) Red PON 1 Red Óptica 2 Red FTTA Red PON-FTTA
____________ 40.68 37.45 28.21
25.25 49.67 45.51 38.59
____________ 31.31 45.35 37.94
35.11 32.51 43.7 38.47
23.62 42.83 _______________ _______________
32.4 26.81 _______________ _______________
Tabla 4. SNR de las señales recuperadas bajo los esquemas implementados.
Para el esquema final PON-FTTA, la ventana centrada a f=2.00GHz presenta el
menor valor de SNR. Sin embargo, un SNR entre 25 y 40db corresponde a un
valor apropiado para una señal aceptable en una transmisión inalámbrica [38]
[39]. Finalmente, aunque en los casos de transmisión de video se observó la
presencia de ruido en las señales de video compuesto, como se observó en el
osciloscopio, vale la pena resaltar que la buena relación señal a ruido existente
permitió recuperar la señal con buena calidad en el televisor.
97
4.7 Sumario
Se demostró que el filtro fotónico es un sistema base eficiente para la
transmisión y distribución de señales de información. Las pruebas
experimentales arrojaron resultados aceptables respecto a la calidad de la señal
recuperada, tanto en la relación señal a ruido (SNR) como en el análisis
cualitativo de la imagen en el televisor. El filtro fotónico brindó la posibilidad de
enviar señales en distintas ventanas pasa banda, sin embargo, se evidenció una
limitante en frecuencia del esquema debido a los dispositivos eléctricos
utilizados (mezcladores, divisores de potencia y antenas de microondas) para el
acondicionamiento de la señal y su posterior envío y recuperación.
99
Capítulo 5
5. CONCLUSIONES GENERALES
El presente trabajo demostró la posibilidad de usar el filtro fotónico como base
para la implementación de sistemas de óptica pasiva (PON) en conjunto con
redes Fibra-Antena (FFTA).
La respuesta en frecuencia del filtro fotónico utilizado en este trabajo
presentó una serie de ventanas pasa banda en la banda de las microondas (hasta
10GHz), cuya frecuencia central depende del rango espectral libre de la fuente
óptica multimodo, así como de la dispersión y longitud de la fibra óptica
estándar empleada. Pese a que la fibra de dispersión corrida es usada
comúnmente en los sistemas de comunicación óptica debido a que garantiza
menores pérdidas por atenuación y dispersión a 1550nm, en este trabajo se
demostró cómo una fibra estándar utilizada en la tercera ventana de transmisión
es una alternativa eficaz para envío de señales por fibra óptica.
En cuanto a las ventanas pasa banda, éstas fueron usadas como portadoras
eléctricas para realizar el envío de una señal de audio y video exitosamente. En
100
esta ocasión, la información enviada a través de las frecuencias portadoras de
2.00GHz, 2.27GHz, 4.03GHz y 4.54GHz permitió la recuperación de la señal con
una relación señal a ruido (SNR) de 28.21 dB como valor mínimo. Bajo este
resultado, el esquema propuesto cumple con los estándares de calidad
esperados para llevar la información hasta el receptor.
Considerando que este esquema hace parte de la red de acceso de un sistema de
comunicaciones móviles, se llevaron a cabo transmisiones a distancias de
25.249km y 28.25km, en las cuales el efecto de dispersión no tuvo influencia
considerable en la respuesta, en cambio, éste fenómeno de la fibra óptica
estándar fue aprovechado para obtener la respuesta en frecuencia descrita
anteriormente.
Además, el ancho de banda promedio de las ventanas pasa banda (231MHz y
272MHz, para longitudes de la fibra de 28.25km y 25.249km, respectivamente)
muestra que a través de este medio sería posible el envío de otro tipo de
información como televisión en alta definición (HDTV, por las siglas en inglés,
High Definition Television) y telefonía celular.
Concretamente para HDTV, el video codificado directamente requiere una tasa
de datos de aproximadamente 1Gbps por canal, sin embargo, gracias a la
compresión MPEG2, la tasa estándar para un canal actualmente es de 19.2Mbps
[40]. Si se quisiera transmitir un canal HDTV por el filtro fotónico sin ningún tipo
de modulación digital, el ancho de banda promedio de las ventanas pasa banda
es adecuado, sin embargo, una modulación del tipo QAM, PSK o FSK permitiría
aprovechar mejor este recurso y enviar un mayor número de canales. El
esquema final para el envío de HDTV a través del filtro fotónico se ilustra en la
Figura 67.
101
Figura 67. Envío de canales HDTV a través del filtro fotónico.
Finamente, para los estándares 3G y 4G en comunicación de telefonía celular, las
bandas de transmisión están situadas en 2.1GHz y 2.5GHz, y 3.5GHz,
respectivamente. Considerando que los canales para LTE usan un ancho de
banda de 10MHz [6], las bandas obtenidas con el filtro fotónico podrían ser
usadas siempre y cuando se realizara la sintonización de la frecuencia central de
las ventanas pasa banda, evitando el uso de osciladores locales en la RRU. Este
sistema utilizando el filtro fotónico se observa en la Figura 68.
102
Figura 68. Sistema de Comunicación Celular a través del filtro fotónico.
Con base en lo anteriormente expuesto, se demuestra que el filtro fotónico
permite el envío exitoso de diferentes señales de interés público, evidenciando
su uso potencial como red pasiva óptica y sistema FTTA para el cubrimiento de
diferentes áreas geográficas usando una sola oficina central, representando un
importante ahorro de costos e infraestructura.
103
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MEMORIAS TÉCNICAS ISBN: 978-607-28-0016-8
Trabajo arbitrado No. 39-ELO. Volumen 5(3), pp. 263-267
1-2 Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Puebla, México. www.inaoep.mx. Correos: feliperez@inaoep.mx
zaldivar@inaoep.mx , pherna@inaoep.mx 2 Universidad de Sonora, Hermosillo, México. http://www.ite.uson.mx/. Correos: agarcia@cifus.uson.mx , avera@guaymas.uson.mx
3 Universidad de las Américas, Puebla, México. http://www.udlap.mx/home.aspx. jorge.rodriguez@udlap.mx
PHOTONIC GENERATION OF MICROWAVE CARRIERS FOR
APPLICATIONS ON FIBER-RADIO SYSTEMS
Diego F. Pérez Montaña1, Ignacio E. Zaldívar Huerta
1, Pablo Hernández Nava
1, Alejandro García
Juárez2, Jorge Rodríguez Asomoza
3, Alicia Vera Marquina
2
Ingeniería: Electrónica
Abstract
We present an experimental evaluation of a microwave photonic filter operating on the frequency range of
0.01-10GHz. Its frequency response consists of several band-pass windows centered at frequencies that can
be tailored to the function of the spectral free range of the optical source, the chromatic dispersion parameter of the optical fiber used, as well as the length of the optical link. In particular, filtering effect is obtained by
the interaction of an externally modulated multimode laser diode emitting at 1.5 µm associated to the length
of a dispersive optical fiber. Filtered microwave signals can be used as electrical carriers to transmit services
as video, voice, and data on fiber-radio systems.
Keywords: Optoelectronics, Communications, Optical fiber.
Resumen
Se presenta la evaluación experimental de un filtro fotónico de microondas operando en el rango de
frecuencias de 0.01-10GHz. Su respuesta en frecuencia consiste de diversas bandas pasantes centradas a
frecuencias que pueden ser ajustadas en función del rango espectral libre de la fuente óptica, el parámetro de
dispersión cromática de la fibra óptica utilizada, así como de la longitud del enlace óptico. En particular, el
efecto de filtrado es obtenido por la interacción de un diodo láser del tipo multimodo emitiendo a 1.5 µm
modulado externamente asociado a la longitud de una fibra óptica dispersiva. Las señales de microondas
filtradas pueden ser utilizadas como portadoras eléctricas para la transmisión de servicios tales como video, voz y datos en sistemas fibra-radio.
Introduction
In these past years it can be seen that photonics technology has been growing rapidly into microwave systems
with the advancement of electro-optical components technology [1], [2]. In particular, microwave photonic
filters (MPF´s) have been the subject of research since they bring the unique advantages of photonic devices
and waveguides to the processing of radiofrequency and microwave signals. In this sense, several techniques
have been reported for implementing microwave photonic filters [3], [4], [5]. Recently we have reported that
the use of a multi-longitudinal mode laser diode (MLLD) associated to the chromatic fiber dispersion parameter and the length of the optical link allows the filtering of microwave signals in the frequency range
of 0.01-4.0GHz [5]. In this last reference, we have successfully demonstrated that the filtering microwave
signals acts as an electrical carrier to transmit a coded TV-signal in the microwave signal placed at 2.8GHz.
To overcome this limitation in frequency, in this work we follow previously reported results, where now the
main objective relies basically on the generation of microwave signals in the frequency range of 0.01-10GHz
by using an appropriate optical link length.
Principle of operation
Fig. 1 depicts the basic scheme of the microwave photonic filter (MPF) used in this work. We refer the reader to [6] for a detailed description of the principle of operation.
Pérez Montaña DF et al.
264
Fig. 1. Scheme used to obtain filtering of microwave signals. MZ-IM: Intensity Modulator [6].
Its frequency response is determined by the real part of the Fourier transform of the optical spectrum of the
optical source used. It is important to remark that the effect of filtering appears only if the spectrum of the
optical source is of multimode type. This is, a MLLD exhibiting a Gaussian envelope and modes centered at
an angular frequency can be modeled as
( )
√ (
( )
) [
√ (
( )
) ∑ ( )
] (1)
Where: - Maximum power emission
- Full Width at Half Maximum (FWHM) of the optical spectrum
- FWHM of each mode
- Free Spectral Range (FSR) between the modes
* - Convolution operation
The term between square parentheses corresponds to a train of impulses indicating a periodic pattern. The
Fourier transform of (1) is
{ ( )} ( (
)
) [ ( (
)
) (
∑ (
)
)] (2)
The location of each impulse determines the central frequency of the nth band-pass filtered in the frequency
response of the MPF. In summary, its frequency response includes a low-pass band centered at zero
frequency and is determined as
√
(3)
And multiple band-pass windows, centered at the central frequency given by
(4)
The associated bandwidth of each band-pass window is
√
(5)
Where: n - A positive integer (n=1, 2,…)
D - Chromatic dispersion parameter L - Length of the optical link - FSR of the optical spectrum given in nm
Experiment
In a first step, the FSR of the MLLD used in this experiment (Thorlabs, model S1FC1550) is measured by
using an optical spectrum analyzer (Anritsu, model MS9740A), obtaining at 1.5mW. Fig. 2
corresponds to the measured optical spectrum. The use of a laser diode temperature-controller (Thorlabs,
model LTC100-C) allows us to guarantee the stability of the optical parameters to thermal fluctuations.
Next, considering a length L=25.25-Km of single-mode-standard-fiber (SM-SF) with a chromatic fiber-
dispersion parameter of D=15.81 ps/nm-Km. Using (4), we computed the value of the central frequency
corresponding to the first filtered microwave signal:
( ) ( ) ( )
Photonic Generation of Microwave Carriers for Applications on Fiber-Radio Systems.
265
Fig. 2. Measured Optical Spectrum
Fig. 3 corresponds to the topology assembled in order to evaluate experimentally the frequency response of
the microwave photonic filter. At the output of the MLLD, an optical isolator (OI) is placed in order to avoid
reflections to the source. Since the MZ-IM (JDSU, model AM-150) is polarization-sensitive, a polarization
controller (PC) is used to maximize the modulator output power.
Fig. 3. Experimental setup used for filtering microwave signals
The optical signal is injected into the MZ-IM. The microwave electrical signal for modulating the optical intensity is supplied by an electrical signal generator (Anritsu, model MG3692C) in the frequency range of
0.01-10GHz at 0dBm. The intensity-modulated optical signal is then coupled into the SM-SF coil. At the end
of the link, the optical signal is applied to a fast photo-detector (Optilab, model LR-12-M) and its output is
amplified (Minicircuits, ZVA-183+), and finally connected to an electrical spectrum analyzer (Anritsu,
model MS2830A) in order to measure the frequency response of the microwave photonic filter.
Fig. 4 illustrates the measured frequency response corresponding to different lengths of single-mode-
standard-fiber: 25.25-Km (blue line), 28.25-Km (red line), and 53.50-Km (black line). For the case of
L=25.25 and L=28.25-Km clearly appreciable is the presence of four band-pass windows. Whereas for the
case of L=53.50-Km the presence of at least 7 well defined band-pass windows is noticeable.
The average bandwidth associated to the band-pass windows allows us to guarantee enough bandwidth
in case of fluctuations (in the order of nanometers) between mode-spacing. This consideration permits us to guarantee good stability for the microwave photonic filter.
Finally, Table 1 summarizes the theoretical and experimental results corresponding to the location of
the central frequency. Theoretical values are determined using (4). By analyzing these data, the small
deviation between the theoretical and experimental values is justified by the uncertainty of the real value of
the length of the optical fibers used. The error percentage between the theoretical and experimental value of
fn can be determined using the next relationship:
| |
Pérez Montaña DF et al.
266
Fig. 4. Experimental Frequency Response of the MPF
Table 1. Location of the theoretical and experimental band-pass windows
D=15.81
ps/nm-Km,
=1.1 nm
L=25.25-Km L=28.25-Km L=53.50-Km
Frequency (GHz)
Theo. Exp. %
error Theo. Exp.
% error
Theo. Exp. % error
f1 2.27 2.27 0 2.03 2.00 1.477 1.07 1.06 0.934
f2 4.55 4.54 0.219 4.07 4.03 0.982 2.15 2.12 1.395
f3 6.83 6.83 0 6.10 6.00 1.639 3.22 3.19 0.931
f4 9.11 9.10 0.109 8.14 8.03 1.351 4.30 4.25 1.162
f5 5.37 5.33 0.744
f6 6.45 6.39 0.930
f7 7.52 7.45 0.930
f8 8.60 8.52 0.930
f9 9.67 9.57 1.034
Discussion
Photonic generation in the frequency range of 0.01-10GHz of microwave band-pass signals using appropriate
optical link lengths was experimentally demonstrated. Filtering of microwave signals was supported by the
chromatic fiber-dispersion parameter, the FSR of the MLLD and the length of the optical link. In particular,
and according to (4), tuning was achieved by varying the length of the optical link. We have conducted some
experiments in order to verify this technique and we have obtained a good agreement between the theoretical
and experimental results. Currently, this scheme is an interesting alternative for transmitting information
using the filtered band-pass windows as electrical carriers on fiber-radio systems [7], as was successfully
demonstrated in [6]. By other side, if the location of the band-pass window present in the frequency response of the MPF is fixed at a particular length of optical fiber, a potential application of this scheme could be
exploited if at the end of the optical link the information is radiated by an antenna and distributed to several
users.
Finally, it is well worth highlighting the tunability of the microwave photonic filter. This tunability can
be achieved by varying the optical fiber length (as was demonstrated in this work), or adjusting the free
spectral range (FSR) between the modes of the optical source by using a Fabry-Perot filter. Currently,
experiments related to the distribution of information by antennas as well as the adjusting of the free spectral
range (FSR) between the modes of the optical source by using a Fabry-Perot filter are being conducted by the
authors.
Acknowledgements
Diego F. Pérez Montaña and Pablo Hernandez Nava wishes to thank the Mexican Consejo Nacional de
Ciencia y Tecnología (CONACyT), for the scholarship number 261715 and 41044, respectively. This work was supported by the CONACyT, Project number 154691.
Photonic Generation of Microwave Carriers for Applications on Fiber-Radio Systems.
267
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HERMOSILLO, SONORA 2013 XXVI REUNIÓN ANUAL DE ÓPTICA
XXVI-RAO-2013-1
Sensado y transmisión de señales de radio frecuencia mediante
técnicas electro-ópticas
Diego F. Pérez Montaña
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica. A
feliperez@inaoep.mx
Marla Karina Peña Ontiveros
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez.
al98600@alumnos.uacj.mx
Ignacio E. Zaldívar Huerta
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.
zaldivar@inaoep.mx
Alejandro García Juárez
Universidad de Sonora.
agarcia@cifus.uson.mx
Jorge Rodríguez Asomoza
Universidad de las Américas Puebla.
jorge.rodriguez@udlap.mx
HERMOSILLO, SONORA 2013 XXVI REUNIÓN ANUAL DE ÓPTICA
XXVI-RAO-2013-2
RESUMEN
Se demuestra de manera experimental el uso de un sistema electro-óptico para el sensado de señales eléctricas de
radio frecuencia (RF) utilizando un modulador de intensidad del tipo Mach-Zhender como elemento
fundamental, así como su transmisión en un enlace óptico de gran distancia. La señal de RF es detectada de
manera inalámbrica mediante una antena, y su transmisión se lleva a cabo usando un esquema de modulación
externo que conforma un filtro fotónico. La respuesta en frecuencia del filtro consiste de 4 ventanas del tipo
pasa-banda las cuales pueden ser ubicadas en función del intervalo espectral libre de la fuente óptica, el
parámetro de dispersión de la fibra óptica así como de la longitud del enlace óptico. Las señales microondas
filtradas son utilizadas como portadoras eléctricas para transmitir la señal de RF sensada en un enlace óptico de
gran distancia punto a punto. La respuesta en frecuencia del filtro fotónico consiste de bandas situadas a 2.27,
4.54, 6.81, y 9.10GHz. En particular, se utiliza la banda situada a 2.27GHz para la transmisión de la señal de RF.
Sin embargo, bajo el mismo principio se puede transmitir en las otras bandas. El límite en frecuencia es
restringido por la respuesta eléctrica del fotodetector utilizado.
ABSTRACT
We experimentally demonstrate the use of an electro-optical system used for sensing a radio frequency (RF)
electrical signal using an intensity modulator Mach-Zhender as fundamental device, as well as its transmission
over long-haul optical link. The RF signal is detected via an antenna whereas its transmission is performed using
an external modulation scheme that forms a photonic filter. The frequency response of the filter consists of four
band-pass windows centered at frequencies that can be tailored to the function of the spectral free range of the
optical source, the chromatic dispersion parameter of the optical fiber used, as well as the length of the optical
link. Filtered microwave signals are used as electrical carriers to transmit the sensed RF signal over long-haul
optical link point-to-point. The frequency response of the photonic filter consists of band-pass windows located
at 2.27, 4.54, 6.81 and 9.08GHz. In particular, we use the band pass located at 2.27GHz for the transmission of
the RF signal. However, under the same principle the others band-pass can be used. The limit in frequency is
restricted by the electrical bandwidth of the photodetector used.
Palabras clave: Sensado de señales, modulación externa, opto-electrónica, fibras ópticas.
I. INTRODUCCIÓN
El sensado de campos o señales eléctricas mediante técnicas electro-ópticas utilizando dispositivos basados en óptica
integrada de niobato de Litio (LiNbO3), ha sido tema de investigación durante estos últimos años debido a las ventajas
que éstos presentan, como son: inmunidad a ruido eléctrico, uso de fibras ópticas para el envío de la información a
grandes distancias, uso de tecnología electro-óptica, etc. [1, 2]. En ese sentido, la ventaja de usar un modulador de
intensidad del tipo Mach-Zhender en tecnología de LiNbO3, es que permite explotar su gran ancho de banda para la
transmisión de señales, solo limitado por el ancho de banda del fotodetector utilizado. El objetivo de este trabajo es
presentar una técnica alternativa para el sensado y transmisión de señales de radio frecuencia (RF) utilizando un
modulador de intensidad del tipo Mach-Zhender como sensor, el cual forma parte de un filtro opto-electrónico de
microondas, y el posterior envío de información a gran distancia a través de una fibra óptica altamente dispersiva a la
longitud de onda de la fuente óptica utilizada.
HERMOSILLO, SONORA 2013 XXVI REUNIÓN ANUAL DE ÓPTICA
XXVI-RAO-2013-3
II. PRINCIPIO DE OPERACIÓN
La figura 1 corresponde al diagrama a bloques del sistema electro-óptico que permite el filtrado de señales del tipo pasa-
banda. El esquema consta básicamente de una fuente óptica del tipo multimodo, un modulador de intensidad del tipo
Mach-Zhender, fibra óptica monomodo del tipo estándar (la cual es altamente dispersiva a la longitud de onda de la
fuente óptica utilizada), así como un foto-detector rápido. Vm corresponde a una señal eléctrica aplicada a los electrodos
del modulador. Recientemente, los autores han demostrado [3], que la respuesta en frecuencia del esquema electro-
óptico corresponde a la transformada de Fourier del espectro óptico de la fuente óptica asociada a la longitud del enlace
de fibra óptica, el valor de la dispersión cromática, así como el intervalo espectral libre de la fuente óptica.
Figura 1. Esquema electro-óptico para el filtrado de señales eléctricas en el rango de las microondas
En particular, la respuesta en frecuencia presenta dos tipos de ventanas, una del tipo pasa-bajas y una serie de ventanas
del tipo pasa-banda. La ventana pasa-baja se determina por
DLflp
2ln2 (1)
Donde es el ancho espectral de la fuente óptica, D es el coeficiente de la dispersión cromática, y L es la longitud del
enlace de fibra óptica. Las ventanas del tipo pasa-banda tienen una frecuencia central determinada como
DL
nfn (2)
Donde n=1,2,..., es el intervalo espectral libre entre dos modos longitudinales de la fuente óptica. El ancho de banda
de cada banda pasante es evaluado por medio de la expresión
DLfbp
2ln4 (3)
III. RESULTADOS Y ANALISIS
La figura 2 corresponde a la pantalla de un analizador de espectros ópticos desplegando el espectro óptico de la fuente
óptica utilizada en este experimento y cuyo =1.1nm.
HERMOSILLO, SONORA 2013 XXVI REUNIÓN ANUAL DE ÓPTICA
XXVI-RAO-2013-4
Figura 2. Espectro de la fuente óptica utilizada
La figura 3 muestra la respuesta en frecuencia del esquema electro-óptico utilizado para el filtrado de señales eléctricas
donde se aprecia claramente la presencia de 4 ventanas o bandas pasantes situadas a 2.27, 4.54, 6.81, y 9.10GHz. Esta
respuesta es obtenida experimentalmente al aplicar una señal eléctrica (Vm) con un barrido en frecuencia de 0-10GHZ a
una potencia de 10dBm. El ancho de banda a -3dB de cada banda es de aproximadamente 300 MHZ.
Figura 3. Respuesta en frecuencia del filtro fotónico
Una vez que la respuesta en frecuencia ha sido determinada, se decidió utilizar la primera ventana pasa-banda (2.27GHz)
como señal portadora de la señal de RF (915 MHz) a ser detectada y transmitida. El valor de 2.27GHz es calculado
mediante el uso de la ecuación (2) y corresponde muy bien al valor experimental
GHznmKmKmnmpsDL
nfn 27.2
)1.1)(249.25)(/81.15(
1
La figura 3 muestra el esquema experimental utilizado para el sensado y transmisión de una señal eléctrica de RF. Un
transmisor de RF proporciona una señal a 915MHz la cual es radiada mediante una antena, esta señal es recuperada por
medio de otra antena y mezclada eléctricamente con una señal de 2.31GHz la cual es proporcionada por el generador de
señales de microondas. La señal eléctrica resultante es amplificada y aplicada a los electrodos del modulador de
intensidad Mach-Zhender a fin de modular la señal proveniente de la fuente óptica (λ=1.533nm), a la salida del
modulador, esta señal es inyectada a 25.249Km de fibra óptica monomodo del tipo estándar la cual es altamente
HERMOSILLO, SONORA 2013 XXVI REUNIÓN ANUAL DE ÓPTICA
XXVI-RAO-2013-5
dispersiva (D=15.81 ps/nm-Km) a la longitud de onda de la fuente óptica. Al final del enlace la señal es foto-detectada, y
por medio de otro mezclador se suprime la señal portadora de 2.31GHz, posteriormente la señal de RF recuperada es
amplificada y visualizada en un analizador de espectros eléctricos.
Figura 4. Esquema experimental para el sensado y transmisión de señales de RF
Finalmente, la figura 5 corresponde al espectro eléctrico de la señal de RF transmitida así como la recuperada después de
haber viajado 25.249-Km a través de la fibra óptica dispersiva. La relación señal a ruido (SNR) es de aproximadamente
40dBm, lo cual garantiza una buena calidad a la señal recuperada.
Figura 5. Espectro eléctrico correspondiente a la señal de RF transmitida y recuperada
IV. CONCLUSIONES
Se ha demostrado de manera exitosa la posibilidad de sensar y transmitir señales inalámbricas de RF utilizando un filtro
fotónico. El filtro fotónico ha sido realizado mediante el uso de técnicas fotónicas y permite el filtrado de señales del tipo
pasa-banda ubicadas en el rango de las frecuencias microondas. La posición de las bandas puede ser ajustada en función
del valor de la dispersión cromática de la fibra óptica, la longitud del enlace, así como del intervalo espectral libre de la
fuente óptica utilizada. En una primera instancia la señal inalámbrica de de RF es detectada mediante una antena, y
posteriormente codificada en una señal de alta frecuencia, para finalmente ser transmitida en un enlace óptico de gran
distancia punto a punto. Cabe resaltar el uso apropiado del efecto de dispersión cromática de la fibra óptica, el cual a
pesar de ser un problema en los sistemas de comunicación a fibra óptica, en este caso ha sido utilizado de manera
adecuada. Si bien este experimento se limitó a usar solo la señal pasa-banda ubicada a 2.27GHz, bajo el mismo principio
y con la electrónica adecuada, las demás bandas pueden ser utilizadas para la transmisión.
HERMOSILLO, SONORA 2013 XXVI REUNIÓN ANUAL DE ÓPTICA
XXVI-RAO-2013-6
V. RECONOCIMIENTO
Los autores agradecen el apoyo del proyecto de ciencia básica No. 154691 del Consejo Nacional de Ciencia y
Tecnología (CONACyT). Diego Felipe Pérez Montaña agradece apoyo de beca CONACyT No. 261715.
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Transmission system for distribution of video over long-haul opticalpoint-to-point links using a microwave photonic filter in the frequencyrange of 0.01–10 GHz
1068-5200/$ - see front matter � 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2013.10.006
⇑ Corresponding author. Fax: +52 222 247 0517.E-mail addresses: nachozaldivar@yahoo.com.mx, zaldivar@inaoep.mx (I.E. Zaldí-
var Huerta).
Ignacio E. Zaldívar Huerta a,⇑, Diego F. Pérez Montaña a, Pablo Hernández Nava a, Alejandro García Juárez b,Jorge Rodríguez Asomoza c, Ana L. Leal Cruz b
a Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, Apartado Postal 51 y 216, Puebla 72000, Mexicob Universidad de Sonora, Blvd. Luis Encinas y Rosales S/N, Hermosillo, Sonora 83000, Mexicoc Universidad de las Américas, Sta. Catarina Mártir, Cholula, Puebla 72820, Mexico
a r t i c l e i n f o
Article history:Received 15 June 2013Revised 25 September 2013Available online 5 November 2013
Keywords:Microwave photonicsPhotonic filterMicro-wave signalsFiber opticsLong-haul optical transmission system
a b s t r a c t
We experimentally demonstrate the use of an electro-optical transmission system for distribution ofvideo over long-haul optical point-to-point links using a microwave photonic filter in the frequency rangeof 0.01–10 GHz. The frequency response of the microwave photonic filter consists of four band-pass win-dows centered at frequencies that can be tailored to the function of the spectral free range of the opticalsource, the chromatic dispersion parameter of the optical fiber used, as well as the length of the opticallink. In particular, filtering effect is obtained by the interaction of an externally modulated multimodelaser diode emitting at 1.5 lm associated to the length of a dispersive optical fiber. Filtered microwavesignals are used as electrical carriers to transmit TV-signal over long-haul optical links point-to-point.Transmission of TV-signal coded on the microwave band-pass windows located at 4.62, 6.86, 4.0 and6.0 GHz are achieved over optical links of 25.25 km and 28.25 km, respectively. Practical applicationsfor this approach lie in the field of the FTTH access network for distribution of services as video, voice,and data.
� 2013 Elsevier Inc. All rights reserved.
1. Introduction
Currently, faced with the high demand for telecommunicationsservices with high data transfer rates and immediate access, pho-tonics telecommunication systems arise as a competitive alterna-tive for the processing, transmission and distribution of anenormous amount of information [1]. Inherent features of thesekinds of systems, such as lower losses, broader bandwidth andimmunity to electromagnetic interference, make them a very inter-esting choice compared to electrical conventional systems [2]. Inaddition, another application that attracts interest in researchand, which complements the photonic telecommunication systemsis the so called FTTH (Fiber-To-The-Home) access network [3,4].FTTH has been envisioned for delivering broadband services deliv-ering the communications signal over optical fiber from the oper-ator’s switching equipment directly to a home or business building.By the end of 2007, there were 29 million subscribers to servicessupplied by FTTx networks, and by 2013, the number is expectedto grow to over 100 million subscribers, hence the importance of
this network. The factors previously described, together with theincreasing demand for multiple communications applications witha great amount of information associated, as well as the high bitrates, justify the introduction of microwave photonic filters intothe access networks [5–8]. In this sense, we focus our attentionon the results recently reported in [9], where the authors have suc-cessfully demonstrated that the use of a multimode laser diodeassociated to the chromatic fiber dispersion parameter and thelength of the optical link allows the filtering of microwave signalsin the frequency range of 0.01–4.0 GHz. Now, in this paper, we re-port the use of this microwave photonic filter for distribution of vi-deo over long-haul optical point-to-point links in the frequencyrange of 0.01–10 GHz. It is very important to remark that the workreferenced in [9] describes a fiber-radio system operating at2.8 GHz based in the same microwave photonic filter (MPF) usedin this work. However, the main difference of this paper withregard to [9] resides in the fact that now we are describing along-haul optical point-to-point link composed by two branches,allowing in this way a simultaneously transmission of TV-signal.Inclusively, now we are overcoming a technical limitation thatwas imposed by the frequency range provided by the microwavegenerator in [9], where the frequency range was limited at4 GHz. To show a potential application of this approach in the field
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of photonics telecommunications, filtered microwave signals areused as electrical carriers to transmit TV-signal over long-hauloptical point-to-point links. For that purpose, transmission of TV-signal coded on the microwave band-pass windows located at4.62 and 6.86 GHz, as well as at 4.0 and 6.0 GHz are achieved overlong-haul optical links of 25.25 km and 28.25 km, respectively.After a brief refreshment of the basic operation of the MPF carriedin Section 2, we devote Section 3 to describing a series of experi-ments that corroborates the approach here proposed. Finally someconclusions are derived in Section 4.
2. Principle
The basic scheme of the microwave photonic filter (MPF) usedin this work is shown in Fig. 1. The reader can find a very detaileddescription of the principle of operation of this MPF in reference[9], and so here, we indicate only a comprehensive analysis ofthe influence of an optical source of multimode spectrum overthe frequency response of the MPF. The light emitted by the opticalsource is modulated by a Mach–Zehnder Intensity Modulator (MZ-IM) operated on the linear region with an electric signal Vm = 1 + 2mcos(xmt) of electrical frequency xm, where m is the modulationindex related to the electrical input signal by m = p(v(t)/Vp), withVp the half-wave voltage of the MZ-IM. Assuming the optical fiberas a linear time invariant system characterized by its propagationconstant (b) and its length (L), then the total average intensity atthe end of the optical fiber is determined as [9]
IL ¼ I0 þmcos12x2
mb2L� �
� 2Z 1
0SðWÞcosðWZÞdW ð1Þ
where I0 is the average intensity of the optical source, W = x �x0
with dW = dx, and Z = xmb2L, with b2 ¼ �Dðk2=2pcÞ, where k isthe wavelength, D is the chromatic dispersion parameter of theoptical fiber, and c is the speed of light in a medium of refractive in-dex n given as c = c0/n, where c0 is the speed of light in free space.Therefore, Eq. (1) can be written as
IL ¼ I0 þmcos1
4pcx2
mk2DL� �
F:T:fSðWÞg ð2Þ
Thus, the frequency response of the MPF is determined by thesecond term of Eq. (2), which is proportional to the Fourier trans-form of the spectrum of the optical source. In particular, a multi-mode laser diode (MLD) exhibiting a Gaussian envelope andmodes centered at an angular frequency x0 can be modeled as [10]
SðWÞ ¼ 2S0
Dxffiffiffiffipp exp �4ðx�x0Þ2
D2x
!
� 2rx
ffiffiffiffipp exp �4ðx�x0Þ2
r2x
!�X1
n¼�1dðx� ndxÞ
" #ð3Þ
where S0 is the maximum power emission, Dx is the full width athalf maximum (FWHM) of the spectrum, rx is the FWHM of eachmode, dx is the free spectral range (FSR) between the modes and� denotes the convolution operation. The term between squareparentheses corresponds to a train of impulses indicating a periodic
Fig. 1. Basic topology of the microwave photonic filter [9].
pattern. By using variables Z and W, as defined previously, the Fou-rier transform of Eq. (3) is
F:T: fSðWÞg ¼ exp � DxZ4
� �2 !
� exp � rxZ4
� �2 !
� 1dx
X1n¼�1
d Z � n2pdx
� � !" #ð4Þ
The location of each impulse determines the central frequencyof the nth band-pass filtered in the frequency response of theMPF. If these values are denoted as fn they can be determined byequating Z = n(2p/dx). In this way, we obtain
fn ¼ n1
DLdk
� �ð5Þ
where n is a positive integer (n = 1,2, . . .), and dk is the FSR of thespectrum given in nm.In addition, the first term of Eq. (3), allowsus to determine the low-pass band of the MPF, and so, the Fouriertransform corresponding to this term is
F:T: fSðWÞg ¼ exp � Dxxmb2L4
� �2" #
ð6Þ
This is also a Gaussian function. Equating (6) with S(x) = ln2
� Dxxmb2L4
� �2
¼ ln 2 ð7Þ
For finding the value of the frequency fm that yields that condi-tion, it is necessary to express xm = 2pfm. However, this in turn,yields an expression that can be reduced by expressing Dx in termsof Dk and b2 in terms of chromatic dispersion parameter D. For Dx
this is done as follows: given dx=dk ¼ �ð2pc=k2Þ, it is possible toestablish the following correspondence
dx ¼ �2pc
k2 dk() Dx ¼ �2pc
k2 Dk ð8Þ
Now, for b2, given that the group velocity, vg = L/sg where sg isthe group delay related to b(xm) as sg/L = db(xm)/dx, and itsderivative is (dsg/dx)/L = d2b(xm)/dx2 = b2, then (1/L)(dsg) = dxb2.Thus, the derivative of this expression by dk isð1=LÞðdsg=dkÞ ¼ ðdx=dkÞb2. Furthermore, the chromatic dispersionparameter as a function of the wavelength is defined asD ¼ ð1=LÞðdsg=dkÞ. This means that b2 ¼ �Dðk2=2pcÞ. Then, bysubstituting xm = 2pfm, Dx, as defined in Eq. (8), and the expres-sion for b2in Eq. (7), the frequency fm, corresponds to the low-passfrequency response of the MPF flp is found as
flp ¼ �2ffiffiffiffiffiffiffiln2p
pDLDkð9Þ
Thus, the bandwidth of each band-pass window will doublethat of Eq. (9); that is, the corresponding bandwidth at -3 dB ofthe nth band-pass window is
Dfbp ¼ �4ffiffiffiffiffiffiffiln2p
pDLDkð10Þ
In summary, the results obtained above indicate that the trans-fer function MPF is composed of a low-pass band centered at zerofrequency and multiple band-pass windows that depend on thespectral profile of the optical source, on the chromatic dispersion
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value of the optical fiber, and on its length. At this point, it is veryimportant to remark on the usefulness of the chromatic dispersionparameter of the optical fiber.
3. Experiment result
This section is divided into two subsections. First, we presentthe optical characterization of the MLD used in this experiment,as well as the experimental evaluation of the frequency responseof the MPF in the frequency range of 0.01–10 GHz. Next, we de-scribe the experimental transmission of a TV-signal at 4.62, 6.86,4.0 and 6.0 GHz using filtered microwave signals as an electriccarrier.
3.1. Experimental evaluation of the frequency response of the MPF
Fig. 2 corresponds to the optical spectrum of the MLD used inthis experiment (Thorlabs, model S1FC1550) registered by usingan Optical Spectrum Analyzer (Anritsu, model MS9740A). The mainvalues at an optical power of 1.5 mW are: k ¼ 1:533 nm,FWHM = 4.10 nm, and dk ¼ 1:1 nm. The use of a laser diode tem-perature-controller (Thorlabs, model LTC100-C) allows us to guar-antee the stability of the optical parameters to thermalfluctuations. To demonstrate the effect of filtering, and consideringlengths of L = 25.24-km and L = 28.25-km of single-mode-stan-dard-fiber (SM-SF) exhibiting a chromatic fiber-dispersion param-eter of D = 15.81 ps/nm-km, the use of Eq. (5) allows us todetermine the value corresponding to the central frequency ofthe first band-pass for each optical fiber.
f1 ¼1
DLdk¼ 1
ð15:81� 10�12 seg=nm kmÞ � ð25:24 kmÞ � ð1:1 nmÞ¼ 2:27 GHz
f1 ¼1
DLdk¼ 1
ð15:81� 10�12 seg=nm kmÞ � ð28:25 kmÞ � ð1:1 nmÞ¼ 2:03 GHz
According to Eq. (5) the n-th band pass windows are:fn = n(2.27) GHz, and fn = n(2.03) Ghz with n = 1, 2, . . . the fre-quency response of the MPF must contain four well-defined bandsin the frequency range of 0.01–10 GHz, for both cases. On the other
Fig. 2. Measured optical spectrum.
hand, Eq. (9) allows us to determine the value corresponding to thelow-pass band for each optical fiber as
flp ¼2ffiffiffiffiffiffiffiln2p
pDLDk
¼ 2ffiffiffiffiffiffiffiln2p
ðpÞð15:81� 10�12 seg=nm kmÞ � ð25:24 kmÞ � ð4:10 nmÞ¼ 323:95 MHz
flp ¼2ffiffiffiffiffiffiffiln2p
pDLDk
¼ 2ffiffiffiffiffiffiffiln2p
ðpÞð15:81� 10�12 seg=nm kmÞ � ð28:25 kmÞ � ð4:10 nmÞ¼ 289:43 MHz
Finally, and according to Eq. (10), the corresponding bandwidthof each band-pass window are: Dfby = 647.90 MHz, andDfby = 578.87 MHz.
In order to evaluate experimentally the frequency response ofthe MPF, the set-up illustrated in Fig. 3 is assembled. The outputfrom the MLD is injected into the optical isolator (OI) in order toavoid reflections to the source. Since the MZ-IM (PHOTLINE, modelMXAN-LN-20) is polarization-sensitive, a polarization controller(PC) is used to maximize the modulator output power. The opticalsignal is injected into the MZ-IM. The microwave electrical signalfor modulating the optical intensity is supplied by a MicrowaveSignal Generator (Anritsu, model MG3692C) in the frequency rangeof 0.01–10 GHz at 10 dBm. The intensity-modulated optical signalis divided by using an optical coupler 50:50 allowing in this waylight to be injected into two bobbins (SM-SF1 and SM-SF2) of dif-ferent length. In our experiment, Branch 1 is composed of a SM-SF of length L = 25.24-km, whereas that Branch 2 is composed ofa SM-SF of length L = 28.25-km. At the end of each link, the opticalsignal is applied to a fast photo-detector (Miteq, model DR13) andits output connected to an electrical amplifier (Minicircuits, ZVA-183+), and finally launched to the electrical spectrum analyzer(Anritsu, model MS2830A) in order to measure the frequency re-sponse of the MPF. Fig. 4 illustrates the measured frequency re-sponse corresponding to the different lengths of optical fiberused where the presence of four well-formed band-pass bands isclearly appreciable, for each case. Due to the periodicity of the opti-cal spectrum, for L = 25.24-km, band-pass windows centered atf1 = 2.31 GHz, f2 = 4.62 GHz, f3 = 6.86 GHz, and f4 = 9.14 GHz areclearly seen. Whereas that for L = 28.25-km, band-pass windowscentered at f1 = 2.01 GHz, f2 = 4.01 GHz, f3 = 6.03 GHz, andf4 = 8.05 GHz are clearly distinguished. These results are in goodagreement with the analytical values given by the use of Eq. (5).The decrease in power level corresponding to the optical link of28.25 km (Branch 2) with regard to the optical link of 25.24 km(Branch 1) is justified precisely by the difference in length. In orderto compensate the difference between these curves we could incre-ment the number of amplifiers used at the end of the link for thecase of the optical link of 28.25 km. In other words; we could ad-just the levels of detected power using an appropriate numbersof amplifiers.
In summary, our experimental results agree well with the cal-culated results based on theory. The average bandwidth of613.38 MHz associated to the band-pass windows allows us toguarantee enough bandwidth in case of fluctuations (in the orderof nanometers) between mode-spacing. This consideration permitsus to guarantee good stability for the MPF. Finally, Table 1 summa-rizes the theoretical and experimental results corresponding to the
Fig. 3. Proposed experimental setup composed of two branches for filtering microwave signals.
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location of each band pass window as well as the corresponding er-ror rate.
By analyzing these data, the small deviation between the theo-retical and experimental values is justified by the uncertainty ofthe real value of the length of the optical fibers used. The differencebetween the theoretical and experimental value of fn was deter-mined by means of the relationship
%error; f n ¼jfn;theoretical � fn;experimentalj
fn;theoretical� 100%
3.2. Experimental transmission of TV-signal over a long-haul opticallink
This subsection is also sub-divided. First, we describe the exper-iment corresponding to the TV-signal transmission using the band-pass windows located at 4.62 and 6.86 GHz by Branch 1. Next, weexplain the same transmission but using the band-pass windowslocated at 4.0 and 6.0 GHz corresponding to Branch 2.
3.2.1. Experimental transmission of TV-signal using Branch 1Following the scheme of Fig. 3, the block scheme of the TV-
signal transmission is shown in Fig. 5. The use of each branch isselected by means of the switch, i.e. in this case the switch isplaced in position 1.
Fig. 4. Experimental frequency response of t
The microwave signal generator provides a signal of 4.62 GHzat an electrical power of 15 dBm that is used as the electricalcarrier and demodulated signal. This electrical signal is separatedby using a power divider. Part of this electrical signal is trans-mitted via cable in order to act as a demodulated signal, andthe rest is mixed (mixer 1) with an analog NTSC (National Tele-vision System Committee) TV-signal of 67.25 MHz (Channel 4).The resulting mixed electrical signal is then applied to the elec-trodes of the MZ-IM for modulating the light emitted by theMLD. The modulated light is coupled into the 25.24-km SM-SFcoil. At the end of the optical link, the signal is injected to a fastphoto-detector (Miteq, model DR-125G-A), and its electrical out-put is then amplified and launched to an electrical mixer (mixer2) in order to demodulate the TV-signal. Finally, by using an-other power divider, the recovered analog TV-signal could belaunched to a digital oscilloscope, on a conventional TV receiver,or to the electrical spectrum analyzer in order to evaluate thequality of the recovered signal. Fig. 6(a) shows the measuredelectrical spectrum of the transmitted and recovered TV-signalwhere the signal–noise-ratio (SNR) is 34 dB. Under a procedureas previously described but selecting now a microwave signalof 6.86 GHz, we have obtained the graphs illustrated onFig. 6(b) that correspond to the transmitted and recovered TV-signal exhibiting a SNR of 31.6 dB.
he filter corresponding to every branch.
Table 1Location of the theoretical and experimental band-pass windows.
D = 15.81 ps/nm km, dl = 1.1 nm L = 25.24-km L = 28.25-km
Frequency (GHz) Theoretical Experimental % error Theoretical Experimental % error
f1 2.27 2.31 1.762 2.03 2.01 0.985f2 4.54 4.62 1.762 4.06 4.01 1.231f3 6.81 6.86 0.734 6.09 6.03 0.985f4 9.08 9.14 0.660 8.09 8.05 0.494
Fig. 5. Experimental setup for TV-signal transmission.
(a)
(b)
Fig. 6. (a) Electrical spectrums for the transmitted and recovered TV-signal usingthe band-pass window of 4.62GHz, (b) Electrical spectrums for the transmitted andrecovered TV-signal using the band-pass window of 6.86GHz.
(a)
(b)
Fig. 7. (a) Electrical spectrums for the transmitted and recovered TV-signal usingthe band-pass window of 4.01GHz, (b) Electrical spectrums for the transmitted andrecovered TV-signal using the band-pass window of 6.03GHz.
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3.2.2. Experimental transmission of TV-signal using Branch 2As established at the beginning of this section, using Branch 2
implies the utilization of the band-pass windows located at 4.01and 6.03 GHz. According to the setup illustrated in Fig. 5, nowthe switch is placed at position 2. Under a similar procedure previ-ously described in the preceding sub-section, we have obtained theresult illustrated in Fig 7(a) that corresponds to the measured elec-trical spectrum related to the transmitted and recovered TV-signal
at 4.01 GHz where the signal–noise-ratio (SNR) is 25.06 dB.Fig. 7(b) illustrates the electrical spectrum that corresponds tothe transmitted and recovered TV-signal at 6.03 GHz exhibiting aSNR of 22.54 dB. SNR values are in the range of acceptable noisefigures for optical links (24–50 dB) [11]. Fig. 8(a) shows a screenof the oscilloscope where upper and lower traces are the time do-main waveforms of standard NTSC composite color video signalcorresponding to the transmitted and recuperated signals using
Fig. 8. (a) Time domain waveforms of standard composite color video signal, (b)Recovered NTSC color bar pattern.
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the band-pass window of 4.62 GHz. Finally, Fig. 8(b) correspondsto a picture of the screen of the TV-monitor showing that the signalwas recovered without noticeable degradation.
4. Conclusion
We successfully demonstrated an electro-optical transmissionsystem for distribution of video over long-haul optical point-to-point links using a microwave photonic filter (MPF) in thefrequency range of 0.01–10 GHz. A mathematical analysis corre-sponding to the microwave photonic filter was described demon-strating that the frequency response of the MPF is proportionalto the Fourier transform of the spectrum of the optical source used.The proposed MPF represents an interesting technologicalalternative for transmitting information by using optoelectronic
techniques. For this goal, we have conducted a series of experi-ments in order to validate the proposal. Filtering of microwave sig-nal was achieved through the appropriate use of the chromaticfiber dispersion parameter, the physical length of the optical fiber,and the free spectral value of the multimode laser. Furthermore,this MPF was used successfully to transmit analog NTSC TV-signalcoded on microwave band-passes located at 4.62, 6.86, and 4.0 and6.0 GHz over long-haul optical links of 25.25 km and 28.25 km,respectively. It is very important to remark the usefulness of thechromatic dispersion parameter of the optical fiber to obtain filter-ing of microwave signals. Experimentally, the presence of fourband-pass windows on the frequency response of the MPF wasconsequence of the bandwidth of 12 GHz of the photo-detectorused. Due to technical limitations (bandwidths of mixers andpower dividers), the band-pass windows placed at 8.05 GHz and9.14 GHz were not used. Finally, we highlight the advantage ofthe proposed filter that consists of a very simple structure withthe use of only one optical source to feed the two branches. Theproposed scheme is a suitable candidate for FTTH networkarchitectures.
Acknowledgments
This work was supported by the Mexican Consejo Nacional deCiencia y Tecnología (CONACyT), Project No. 154691. Diego F. PérezMontaña and Pablo Hernandez-Nava wishes to thank the CONA-CyT, for Scholarship Numbers 261715 and 41044, respectively.
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