Resum
La present Tesi Doctoral troba el seu àmbit d'aplicació en xarxes d'accés òptiques de fibra fins a la llar o FTTH (de l'anglès fibre-to-the-home). Les xarxes FTTH han sigut àmpliament desplegades a tot el món i es preveu que evolucionen cap a arquitectures de multiplexació per divisió en longitud d'ona o WDM (de l'anglès wavelength-division multiplexing).
Conforme els requeriments de capacitat i ample de banda per usuari per a serveis de comunicació de banda ampla s'incrementen contínuament, tecnologies tals com tecnologies híbrides ràdio-fibra òptica, ràdio de banda ultraampla o UWB (de l'anglès ultra-wideband), i ràdio d'ona mil·limètrica s'estan investigant com a solucions viables per a proporcionar taxes de dades excedint gigabits per segon per usuari. Les xarxes híbrides ràdio-fibra òptica poden proporcionar backhaul més simple i es preveu que exercisquen un paper important en xarxes d'accés de pròxima generació que requeriran desplegament flexible, alta capacitat, habilitat d'ampliació, escalabilitat en nombre d'usuaris i demanda, i factible econòmicament. Les tècniques ràdio sobre fibra combinades amb sistemes sense fils multigigabit que proporcionen capacitats comparables a sistemes de comunicacions de fibra òptica es veu com una solució ràpidament desplegable i efectiva en cost per a proporcionar accés transparent cablejat/sense fil integrat a serveis de banda ampla per a l'usuari final.
Els sistemes sense fils UWB i d'ona mil·limètrica són capaços de proporcionar comunicacions multigigabit. UWB permet un ús eficient de l'espectre 3.1–10.6 GHz a causa de les seues característiques úniques de coexistència i té maduresa de mercat. No obstant açò, la tecnologia UWB està restringida per regulació a tot el món. Aquesta restricció de regulació fa de gran interès a la ràdio d'ona mil·limètrica en 60 GHz a causa de 7 GHz d'ample de banda regulat consistentment a tot el món, sense restriccions de coexistència.
Aquesta Tesi Doctoral té dos principals objectius tècnics: Primer, la proposta, anàlisi i demostració experimental de tècniques per a sistemes UWB ràdio sobre fibra flexibles i efectius en cost. El treball realitzat persegueix estendre el funcionament de sistemes convencionals UWB ràdio sobre fibra en la banda 3.1–10.6 GHz a la banda de 60 GHz de pròxima generació. El funcionament en 60 GHz reutilitzaria i estendria tecnologia UWB en termes de rang i flexibilitat, i és el focus d'aquest treball. Segon, la implementació de fonts multilongitud d'ona reconfigurables per a agregació flexible d'ample de banda en xarxes WDM futures com una solució interessant per a xarxes híbrides ràdio-fibra òptica com es desenvolupa en aquest treball. Aquests dos objectius són abordats mitjançant tècniques de processament de senyal en el domini òptic.
Aquesta Tesi Doctoral proposa i demostra experimentalment diverses tècniques fotòniques noves per a generació UWB ràdio sobre fibra per a proporcionar remotament comunicacions sense fils multigigabit en diferents bandes de freqüència, que van des de banda base fins a ona mil·limètrica, per a una àmplia varietat d'aplicacions. Així mateix s'analitzen en simulació (VPItransmissionMaker™) els límits de funcionament dels sistemes UWB sobre fibra proposats.
Els principals assoliments del treball realitzat es poden resumir com segueix:
a) Proposta i demostració experimental prova de concepte de dues tècniques per a conformació remota de polsos UWB: (1) basada en retard òptic i fotodetecció balancejada, i (2) basada en fotoreceptor diferencial i retard elèctric. Aquestes tècniques permeten adaptar l'espectre UWB a transmissió d'accés òptic amb dispersió de fibra variant mitjançant ajust de retard.
b) Demostració experimental prova de concepte d'un sistema UWB ràdio sobre fibra en 60 GHz a 1.25 Gb/s amb transmissió en 100 m de fibra monomode estàndard. Es proposa i analitza mitjançant simulació l'aplicació d'aquest sistema a escenaris d'interior sensibles a interferències com a avions amb un alt nombre d'usuaris. Així mateix es realitza una comparació tecno-econòmica amb una solució potencialment competidora basada en distribució de dades en banda base sobre fibra i generació UWB i pujada en freqüència remotes.
c) La generació UWB en freqüències d'ona mil·limètrica basada en desplaçament en freqüència en la fibra de xarxes d'accés òptiques es proposa i demostra experimentalment. La tècnica empra modulació de supressió de portadora òptica en un modulador Mach-Zehnder combinada amb dispersió adaptada cromàtica de fibra a fi de superar la limitació d'ample de banda de la pujada òptica en freqüència, amb l'avantatge de ser fàcilment reconfigurable generant simultàniament diferents bandes de radiofreqüència. Es realitza una anàlisi de simulació exhaustiu amb especial focus en capacitats per a funcionament dual 24 GHz/60 GHz apariat amb demostració experimental a 1.25 Gb/s. Tal tècnica és adequada per a integrar aplicacions UWB 60 GHz FTTH i 24 GHz vehicular servides per la mateixa unitat central. Es tracta la implementació pràctica i es discuteixen tècniques competitives.
d) El funcionament d'UWB en la banda de 60 GHz es proposa i demostra experimentalment per a estendre capacitats UWB en xarxes FTTH. La generació UWB en 60 GHz amb transmissió combinada sobre 40 km de fibra monomode estàndard i 5 m de distància sense fil es demostra experimentalment a 1.44 Gb/s. S'avaluen les prestacions de transmissió per a dues implementacions UWB importants –dual-carrier modulation OFDM (de l’anglès orthogonal frequency-division multiplexing) reutilitzant dispositius disponibles en el mercat i BPSK impulse radio (de l’anglès binary phase-shift keying)- que modulen directament a un díode làser de cavitat vertical i emissió per superfície o VCSEL (de l'anglès vertical-cavity surface-emitting laser). Els resultats permeten, des del punt de vista d'aplicació, seleccionar una implementació UWB donada depenent de l'abast de xarxa i complexitat del sistema desitjats.
e) La generació UWB en 60 GHz, transmissió combinada sobre 6.5 km de fibra monomode estàndard o 1 km de fibra monomode insensible a curvatures per a instal·lacions d'interiors i 2 m de distància sense fil, i detecció d'envolupant d'OOK impulse radio (de l’ anglès on-off keying) UWB es proposa i demostra experimentalment a 3.125 Gb/s. Es proposa l'ús d'un VCSEL per a pujada en freqüència basada en batut òptic i es compara amb l'ús d'un làser convencional de cavitat externa o ECL (de l'anglès external-cavity laser) amb ample de línia baix. Els resultats permeten, des del punt de vista de l'aplicació, seleccionar una tecnologia làser donada depenent de l'abast de xarxa i complexitat del sistema desitjats.
f) Fonts multilongitud d'ona reconfigurables basades en l'efecte Talbot espectral es proposa, analitza numèricament i demostra experimentalment en aquesta Tesi Doctoral. Es demostra duplicació i quadruplicació del nombre de longituds d'ona i desplaçament de longitud d'ona d'un làser polsat utilitzant un modulador de fase electro-òptic. Es parla de potencials aplicacions de la tècnica de reconfiguració.