Caracterización experimental de un sistema de comunicación Red Óptica Pasiva y Fibra- Antena, operando en el rango de … · Señales de vídeo enviada y recuperada en el tiempo

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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.

2

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.

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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.

6

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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.

8

9

DEDICATORIA

A la memoria de mi madre Cecilia, quién fue el

mejor regalo que me pudo haber dado la vida.

10

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



4.3.3 Recepción y distribución de la información al usuario .............................. 79

4.3.4 Resultados ................................................................................................................... 80

4.4 Transmisión de Audio y Video vía FTTA.................................................................. 84



4.4.3 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

14

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 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 40. ATMEL AT86RF211, Transceptor Multibanda: 400-950MHz. .............. 78


Figura 42. Esquema de comunicación bajo configuración PON. ................................ 80







Figura 49. Diagrama de bloques del sistema FTTA. ........................................................ 84



Figura 52. Esquema de comunicación FTTA. ..................................................................... 87




17




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 64. Señal de información recuperada a . ................................. 94



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

18

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.

32

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 .


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.


75


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 recepción y evaluación de la señal radiada a los usuarios finales.

Figura 38. Diagrama de Bloques de la red óptica pasiva.


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 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


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


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.


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.

81



82


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.


83




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 recepción y radiación de la señal a los usuarios finales.

Figura 49. Diagrama de bloques del sistema FTTA.


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


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.


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


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.


4.4.4 Resultados

Considerando las etapas analizadas anteriormente, el sistema de comunicación

FTTA se observa en la Figura 52.

87

Figura 52. Esquema de comunicación FTTA.

88

Bajo este esquema y haciendo uso del carrete de fibra con , se


, las cuales se muestran en la Figura 53 y Figura 54,

respectivamente.



89

De manera similar, pero utilizando el carrete de fibra con , se


, las cuales se muestran en la Figura 55 y Figura 56,

respectivamente.



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.


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.


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.

92

Figura 60. Sistema de comunicaciones PON-FTTA.

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.



95


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.


En cuanto al análisis cualitativo, en la Figura 66 se muestra la calidad del video

observado 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.

98

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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108

109

APÉNDICE A: PUBLICACIONES

RESULTANTES DE ESTE

TRABAJO

110

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: [email protected]

[email protected] , [email protected] 2 Universidad de Sonora, Hermosillo, México. http://www.ite.uson.mx/. Correos: [email protected] , [email protected]

3 Universidad de las Américas, Puebla, México. http://www.udlap.mx/home.aspx. [email protected]

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

References

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[3] Capmany J., Ortega B. and Pastor D., “A Tutorial on Microwave Photonic Filters”, Journal of Lightwave Technology, Volume 24 (1), January 2006, p. 201-229

[4] Delgado-Pinar M., et al., “Tunable and reconfigurable microwave filter by use of a Bragg-grating-based acousto-optic superlattice modulator”, Optics Letters, Volume 30 (1), January 2005, p. 8-10.

[5] Yan Y., Blais S. R., and Yao J., “Tunable Photonic Microwave Bandpass Filter with Negative Coefficients Implemented Using an Optical Phase Modulator and Chirped Fiber Bragg Gratings”, Journal of Lightwave Technology, Volume 25 (11), November 2007, p. 3283-3288.

[6] Zaldívar-Huerta I. E., García-Juárez A., Hernández-Nava P., and Rodríguez Asomoza J., “Experimental transmission

in a fiber radio scheme using a microwave photonic filter operating at 2.8 GHz”, IEICE Electronics Express, Volume 10 (3), February 2013, p. 1-10.

[7] Clark T. R. and Waterhouse R., “Photonics for RF Front Ends”, IEEE Microwave Magazine, Volume 12 (3), May 2011, p. 87-95

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

[email protected]

Marla Karina Peña Ontiveros

Universidad Autónoma de Ciudad Juárez.

[email protected]

Ignacio E. Zaldívar Huerta

Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica.

[email protected]

Alejandro García Juárez

Universidad de Sonora.

[email protected]

Jorge Rodríguez Asomoza

Universidad de las Américas Puebla.

[email protected]


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.


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.


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


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.


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.

BIBLIOGRAFIA

1. Hongsik Jung, “Electro-optic electric field sensors utilizing Ti:LiNbO3 1x2 directional coupler with dipole

antennas,” Optical Engineering VOL 52 No 6 (2013) pp 064402-1-064402-6.

2. Tsung-Hsin Lee, Fu-Tsai Hwang, Wen-Tron Shay, Ching-Ting Lee, “Electromagnetic field sensor using Mach-

Zehnder waveguide modulator,” Microwave and Optical Technology Letters VOL 48 No 9 (2006), pp 1897-1899.

3. Ignacio E. Zaldívar-Huerta, Alejandro García-Juárez, Pablo Hernández-Nava, Jorge Rodríguez Asomoza,

“Experimental transmission in a fiber radio scheme using a microwave photonic filter operating at 2.8 GHz”, IEICE

Electronics Express, Vol. 10, No. 3 (2013) pp 1-10

Optical Fiber Technology 19 (2013) 665–670

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Optical Fiber Technology

www.elsevier .com/locate /yof te

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: [email protected], [email protected] (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

http://crossmark.crossref.org/dialog/?doi=10.1016/j.yofte.2013.10.006&domain=pdf

http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2013.10.006

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

http://dx.doi.org/10.1016/j.yofte.2013.10.006

http://www.sciencedirect.com/science/journal/10685200

http://www.elsevier.com/locate/yofte

666 I.E. Zaldívar Huerta et al. / Optical Fiber Technology 19 (2013) 665–670

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.


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.


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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http://refhub.elsevier.com/S1068-5200(13)00132-6/h0005



















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