Análisis de la SNR eléctrica para el amplificador óptico SOA ...
Análisis de la SNR eléctrica para el amplificador óptico SOA ...
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<strong>Análisis</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>SNR</strong> <strong><strong>el</strong>éctrica</strong> <strong>para</strong> <strong>el</strong> <strong>amplificador</strong><br />
<strong>óptico</strong> <strong>SOA</strong>, teniendo en cuenta <strong>la</strong> frecuencia<br />
RF=2,5 GHz<br />
Carlos Andrés Villegas Navarro, Dani<strong>el</strong> F<strong>el</strong>ipe Gómez Gómez, William Puche,<br />
Ferney Amaya, Javier E. Sierra<br />
Universidad Pontificia Bolivariana, Circu<strong>la</strong>r 01 No. 70-01 Me<strong>de</strong>llín, Colombia<br />
carlosandres.villegas@alfa.upb.edu.co, dani<strong>el</strong>f<strong>el</strong>ipe.gomez@alfa.upb.edu.co,<br />
william.puche@upb.edu.co, ferney.amaya@upb.edu.co, javier.sierra@upb.edu.co<br />
RESUMEN<br />
En este artículo se presentan los resultados sobre <strong>el</strong> rendimiento <strong>de</strong>l <strong>amplificador</strong> <strong>óptico</strong> <strong>de</strong><br />
semiconductor <strong>SOA</strong> <strong>para</strong> diferentes longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> tramos y frecuencias <strong>de</strong> RF, basados en<br />
dos diseños <strong>de</strong> en<strong>la</strong>ces aplicados sobre fibra óptica, con <strong>el</strong> fin <strong>de</strong> observar como es <strong>el</strong><br />
comportamiento <strong>de</strong> este <strong>amplificador</strong> bajo condiciones i<strong>de</strong>ales.<br />
Pa<strong>la</strong>bras c<strong>la</strong>ves: <strong>SOA</strong>, <strong>SNR</strong>, O<strong>SNR</strong>, amplificación óptica, figura <strong>de</strong> ruido.<br />
1. INTRODUCCIÓN<br />
Debido a <strong>la</strong>s gran<strong>de</strong>s necesida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> v<strong>el</strong>ocidad y diferentes <strong>de</strong>mandas <strong>de</strong><br />
servicios, <strong>la</strong> fibra óptica se ha convertido en un <strong>el</strong>emento fundamental <strong>para</strong> <strong>la</strong>s<br />
re<strong>de</strong>s <strong>de</strong> t<strong>el</strong>ecomunicaciones, ya que sus características tales como un mayor<br />
ancho <strong>de</strong> banda, baja atenuación y alta eficiencia, hacen pensar que en un futuro<br />
su implementación remp<strong>la</strong>zará por completo otras líneas <strong>de</strong> transmisión no<br />
ópticas. En <strong>la</strong> actualidad <strong>la</strong>s gran<strong>de</strong>s empresas ya empezaron a tras<strong>la</strong>darse a <strong>la</strong><br />
implementación <strong>de</strong> re<strong>de</strong>s ópticas, con <strong>el</strong> fin <strong>de</strong> mejorar <strong>el</strong> transporte <strong>de</strong> datos y así<br />
brindar un mejor servicio al cliente. Sin embargo a gran<strong>de</strong>s distancias se<br />
requieren utilizar dispositivos capaces <strong>de</strong> realizar amplificación <strong>para</strong> que <strong>la</strong> señal<br />
llegue lo mas optimo posible a su <strong>de</strong>stino. [1]<br />
Para solucionar <strong>el</strong> problema <strong>de</strong> <strong>la</strong> amplificación, se usaban regeneradores<br />
<strong>el</strong>ectrónicos, pero estos no eran a<strong>de</strong>cuados al trabajar en sistemas <strong>de</strong> alta<br />
v<strong>el</strong>ocidad, que aparte <strong>de</strong> ser <strong>el</strong>ementos complejos y costosos, implicaban <strong>el</strong> uso<br />
<strong>de</strong> varias portadoras con diferente longitud <strong>de</strong> onda. A partir <strong>de</strong> esto surgió <strong>el</strong> uso<br />
<strong>de</strong> los <strong>amplificador</strong>es <strong>óptico</strong>s, los cuales no solo amplificaban <strong>la</strong> señal sin<br />
necesidad <strong>de</strong> pasar<strong>la</strong> al dominio <strong>el</strong>éctrico, sino que también servían <strong>para</strong> otras<br />
aplicaciones como enrutamiento y control [2].<br />
En este artículo se analizará <strong>el</strong> comportamiento <strong>de</strong>l <strong>amplificador</strong> <strong>óptico</strong> <strong>de</strong><br />
semiconductor <strong>SOA</strong> implementado en en<strong>la</strong>ces <strong>óptico</strong>s a diferentes distancias y<br />
frecuencias <strong>de</strong> RF tales como 54 MHz, 2.5 GHz y 5 GHz, <strong>la</strong>s cuales fueron<br />
s<strong>el</strong>eccionadas <strong>de</strong>bido a que <strong>la</strong> mayoría <strong>de</strong> aplicaciones y tecnologías<br />
estandarizadas por <strong>la</strong> IEEE son basadas en estas bandas <strong>de</strong> frecuencia a<strong>de</strong>más<br />
<strong>de</strong> su bajo niv<strong>el</strong> <strong>de</strong> interferencia y su buen comportamiento. La frecuencia <strong>de</strong><br />
interés en este articulo es <strong>la</strong> <strong>de</strong> 2.5 GHz ya que <strong>la</strong> mayoría <strong>de</strong> aplicaciones
móviles e inalámbricas se están <strong>de</strong>sarrol<strong>la</strong>ndo en esta frecuencia y es un buen<br />
punto <strong>de</strong> partida <strong>para</strong> aplicaciones <strong>de</strong> radio sobre fibra RoF.<br />
Este articulo esta compuesto por lo siguiente. La sección 2 presenta <strong>la</strong><br />
arquitectura y <strong>el</strong> mo<strong>de</strong>lo usado. La sección 3 presenta los resultados obtenidos <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> simu<strong>la</strong>ción y <strong>la</strong> sección 4 <strong>la</strong>s conclusiones.<br />
2. ARQUITECTURA Y MODELO<br />
Basados en <strong>el</strong> mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> estado estático <strong>de</strong> Conn<strong>el</strong>ly [3] se mo<strong>de</strong>ló <strong>el</strong><br />
<strong>amplificador</strong> <strong>SOA</strong> <strong>para</strong> analizar <strong>la</strong>s variables internas <strong>de</strong>l <strong>amplificador</strong> obteniendo<br />
como parámetros una señal <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong> salida, potencia <strong>de</strong> salida saturada y <strong>el</strong><br />
espectro <strong>de</strong> <strong>la</strong> amplificación <strong>de</strong> emisión espontanea ASE lo mas óptimos posibles<br />
<strong>para</strong> una implementación efectiva.<br />
Los parámetros obtenidos se muestran <strong>el</strong> <strong>la</strong> tab<strong>la</strong> 1.<br />
Corriente <strong>de</strong> bias 150 mA<br />
Longitud <strong>de</strong>l <strong>amplificador</strong> 700 um<br />
Factor <strong>de</strong> confinamiento 0.45<br />
Perdidas <strong>de</strong> inserción 3 dB<br />
Potencia <strong>de</strong> saturación 5.05491 mW<br />
Longitud <strong>de</strong> onda 1550 nm<br />
2.1. Arquitectura <strong>de</strong>l en<strong>la</strong>ce<br />
Tab<strong>la</strong> 1. Parámetros <strong>de</strong>l <strong>SOA</strong><br />
Para realizar <strong>la</strong>s simu<strong>la</strong>ciones se tuvieron en cuenta 2 topologías <strong>de</strong>l en<strong>la</strong>ce, <strong>para</strong><br />
así obtener una com<strong>para</strong>ción entre los 2 mo<strong>de</strong>los y verificar cual es <strong>el</strong> más óptimo<br />
<strong>para</strong> una posible implementación a futuro.<br />
La figura 1 correspon<strong>de</strong> a un en<strong>la</strong>ce compuesto por un <strong>amplificador</strong> EDFA que se<br />
usa como un <strong>amplificador</strong> <strong>de</strong> potencia y un <strong>SOA</strong> que se usa como un<br />
pre<strong>amplificador</strong>.<br />
Figura 1. Topología en<strong>la</strong>ce 1.<br />
La figura 2 consiste en un en<strong>la</strong>ce compuesto por un <strong>SOA</strong> usado como un<br />
pre<strong>amplificador</strong>.
Figura 2. Topología en<strong>la</strong>ce 2.<br />
Ambas topologías están compuestas por una fuente <strong>de</strong> RF, un <strong>la</strong>ser, modu<strong>la</strong>dor<br />
Mach-Zehn<strong>de</strong>r, <strong>amplificador</strong> <strong>óptico</strong>, filtro y un foto<strong>de</strong>tector.<br />
2.2. Simu<strong>la</strong>ción<br />
Para <strong>la</strong> simu<strong>la</strong>ción se uso <strong>la</strong> herramienta computacional OPTSIM [4] en <strong>la</strong> cual se<br />
establecieron todos los parámetros <strong>de</strong> los componentes usados <strong>para</strong> cada en<strong>la</strong>ce<br />
y se hizo un estudio <strong>de</strong> los resultados obtenidos <strong>de</strong> <strong>SNR</strong> y O<strong>SNR</strong>.<br />
En ambos en<strong>la</strong>ces se realizó una variación en <strong>el</strong> tramo <strong>de</strong> <strong>la</strong> fibra <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una<br />
distancia <strong>de</strong> 20 Km a 120 Km, haciendo mediciones cada 20 Km.<br />
Para <strong>la</strong>s simu<strong>la</strong>ciones no se tuvieron en cuenta fenómenos que se pue<strong>de</strong>n<br />
presentar en <strong>la</strong> fibra tales como distorsión no lineal, dispersión, efecto Brillouin,<br />
efecto Raman, fenómeno <strong>de</strong> Chirp, <strong>de</strong>bido a que en este artículo se preten<strong>de</strong><br />
observar como es <strong>el</strong> comportamiento <strong>de</strong> este <strong>amplificador</strong> bajo condiciones<br />
i<strong>de</strong>ales.<br />
3. RESULTADOS OBTENIDOS<br />
Los parámetros que se van a analizar son los siguientes: re<strong>la</strong>ción señal a ruido<br />
<strong><strong>el</strong>éctrica</strong> (<strong>SNR</strong>), re<strong>la</strong>ción señal a ruido óptica (O<strong>SNR</strong>), tasa <strong>de</strong> error <strong>de</strong> bit (BER) y<br />
potencia, los cuales serán medidos en <strong>el</strong> foto<strong>de</strong>tector ubicado al final <strong>de</strong>l en<strong>la</strong>ce.<br />
3.1 Resultados <strong>para</strong> <strong>el</strong> primer en<strong>la</strong>ce.<br />
La tab<strong>la</strong> 2 muestra los resultados obtenidos <strong>para</strong> <strong>la</strong> primera topología en <strong>la</strong><br />
frecuencia <strong>de</strong> 2.5 GHz.<br />
Distancia <strong>SNR</strong> O<strong>SNR</strong><br />
Potencia<br />
[Km] [dB] [dB] BER [dBm]<br />
20 47,67 37,339803 0,0213001 11,2884<br />
40 47,13 36,765831 0,00346142 10,3002<br />
60 46,87 36,526429 0,0023324 9,9105<br />
80 46,37 36,135791 0,00013381 9,7463<br />
100 45,87 35,679111 0,000169619 9,6078<br />
120 44,97 34,81871 0,000184114 9,4872<br />
Tab<strong>la</strong> 2. Resultados primer en<strong>la</strong>ce a 2.5 GHz.
Adicionalmente se tomaron mediciones <strong>para</strong> <strong>la</strong>s frecuencias <strong>de</strong> 54 MHz y 5 GHz<br />
<strong>para</strong> obtener una com<strong>para</strong>ción con <strong>la</strong> frecuencia <strong>de</strong> interés <strong>de</strong> este articulo que es<br />
<strong>la</strong> <strong>de</strong> 2.5 GHz.<br />
La figura 3 muestra <strong>el</strong> comportamiento <strong>de</strong> <strong>la</strong> señal a ruido óptica <strong>de</strong>l <strong>SOA</strong> teniendo<br />
en cuenta <strong>la</strong>s diferentes longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> trayecto y <strong>la</strong>s 3 frecuencias analizadas.<br />
40<br />
38<br />
36<br />
34<br />
32<br />
Figura 3. O<strong>SNR</strong> [dB] Vs Distancia [Km]<br />
La figura 4 muestra <strong>el</strong> comportamiento <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>ción señal a ruido <strong><strong>el</strong>éctrica</strong> <strong>de</strong>l<br />
<strong>amplificador</strong>.<br />
51<br />
50<br />
49<br />
48<br />
47<br />
46<br />
45<br />
44<br />
43<br />
O<strong>SNR</strong> <strong>SOA</strong> [dB]<br />
0 50 100 150<br />
<strong>SNR</strong> <strong>SOA</strong> [dB]<br />
0 50 100 150<br />
Figura 4. <strong>SNR</strong> [dB] Vs Distancia [Km]<br />
3.1 Resultados <strong>para</strong> <strong>el</strong> segundo en<strong>la</strong>ce.<br />
54 MHz<br />
2,5 GHz<br />
5 GHz<br />
54 MHz<br />
2,5 GHz<br />
5 GHz<br />
La tab<strong>la</strong> 3 muestra los resultados obtenidos <strong>para</strong> <strong>la</strong> segunda topología<br />
implementada en <strong>el</strong> software.
Distancia <strong>SNR</strong> O<strong>SNR</strong><br />
Potencia<br />
[Km] [dB] [dB] BER [dBm]<br />
20 50,001 39,809443 0,015627 11,2551<br />
40 49,786 39,62982 0,014455 10,9383<br />
60 49,687 39,489406 0,0115256 10,6103<br />
80 49,408 39,267242 0,0064776 10,2228<br />
100 49,143 39,007901 0,00338654 9,7544<br />
120 48,87 38,785744 0,000847278 9,1798<br />
Tab<strong>la</strong> 3. Resultados segundo en<strong>la</strong>ce a 2.5 GHz.<br />
La figura 5 muestra los resultados obtenidos <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>ción señal a ruido óptica<br />
<strong>para</strong> <strong>la</strong> segunda topología evaluada.<br />
41<br />
40,5<br />
40<br />
39,5<br />
39<br />
38,5<br />
Figura 5. O<strong>SNR</strong> [dB] Vs Distancia [Km]<br />
La figura 6 muestra <strong>el</strong> comportamiento <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>ción señal a ruido <strong><strong>el</strong>éctrica</strong> <strong>de</strong>l<br />
<strong>amplificador</strong>.<br />
51<br />
50,5<br />
50<br />
49,5<br />
49<br />
48,5<br />
O<strong>SNR</strong> <strong>SOA</strong> [dB]<br />
0 50 100 150<br />
<strong>SNR</strong> <strong>SOA</strong> [dB]<br />
0 50 100 150<br />
Figura 6. <strong>SNR</strong> [dB] Vs Distancia [Km]<br />
54 MHz<br />
2,5 GHz<br />
5 GHz<br />
54 MHz<br />
2,5 GHz<br />
5 GHz
4. CONCLUSIONES<br />
Se realizó <strong>el</strong> estudio <strong>de</strong>l comportamiento <strong>de</strong>l Amplificador <strong>óptico</strong> semiconductor<br />
en dos en<strong>la</strong>ces mediante <strong>la</strong> herramienta computacional OPTSIM, usando<br />
diferentes parámetros <strong>para</strong> su análisis. Se observó que <strong>para</strong> <strong>el</strong> primer en<strong>la</strong>ce <strong>la</strong><br />
curva <strong>de</strong> <strong>la</strong> re<strong>la</strong>ción señal a ruido <strong><strong>el</strong>éctrica</strong> (<strong>SNR</strong>) <strong>para</strong> <strong>la</strong> frecuencia <strong>de</strong> 2.5 GHz<br />
tiene un comportamiento re<strong>la</strong>tivamente p<strong>la</strong>no, ya que este parámetro solo tiene un<br />
cambio <strong>de</strong> aproximadamente 3 dB en todo <strong>el</strong> trayecto, lo cual es una pérdida<br />
aceptable <strong>para</strong> dicho esquema, a<strong>de</strong>más se logra visualizar que esta frecuencia es<br />
mas optima que <strong>la</strong> <strong>de</strong> 5 GHz <strong>para</strong> longitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> tramo <strong>de</strong> 80 Km en a<strong>de</strong><strong>la</strong>nte.<br />
Para <strong>el</strong> segundo en<strong>la</strong>ce <strong>la</strong> curva <strong>para</strong> <strong>la</strong> frecuencia <strong>de</strong> 2.5 GHz tiene un<br />
comportamiento menos óptimo a com<strong>para</strong>ción <strong>de</strong> <strong>la</strong>s otras 2 frecuencias<br />
s<strong>el</strong>eccionadas, sin embargo <strong>la</strong>s pérdidas totales en <strong>el</strong> trayecto son <strong>de</strong> alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong><br />
1 dB lo cual es un valor optimo <strong>para</strong> este en<strong>la</strong>ce.<br />
Referencias<br />
1. Basilio, R. G. M.<br />
Dispositivos semiconductores (<strong>amplificador</strong>es <strong>de</strong> luz y sus aplicaciones)<br />
Septiembre - Diciembre 2001, Vol. 5<br />
2. Bor<strong>el</strong><strong>la</strong>, Micha<strong>el</strong> S., Jasón P. Jue, Dhritiman Banerjee, Byrav Ramamuth,<br />
Bisiwanath Mukherjee.<br />
1997 "Optical Components for WDM Lightwave Networks".<br />
Proceedings of the IEEE. Vol. 85. Num 8. 1272-1275 p.<br />
3. Conn<strong>el</strong>ly, M.J<br />
Wi<strong>de</strong>band Semiconductor Optical Amplifier Steady-State Numerical Mo<strong>de</strong>l<br />
IEEE Journal Of Quantum Electronics, 2001, Vol. 37<br />
4. OptSim RSoft’s Optical Communication Design Suite,<br />
http://www.rsoft<strong>de</strong>sign.com/<br />
5. Puche, W., Amaya, F., Sierra, J., Montoya, German.<br />
Optical Amplification Alternatives for Radio over Fiber Applications.