Análisis de la SNR eléctrica para el amplificador óptico SOA ...

Análisis de la SNR eléctrica para el amplificador
óptico SOA, teniendo en cuenta la frecuencia
RF=2,5 GHz
Carlos Andrés Villegas Navarro, Daniel Felipe Gómez Gómez, William Puche,
Ferney Amaya, Javier E. Sierra
Universidad Pontificia Bolivariana, Circular 01 No. 70-01 Medellín, Colombia
carlosandres.villegas@alfa.upb.edu.co, danielfelipe.gomez@alfa.upb.edu.co,
william.puche@upb.edu.co, ferney.amaya@upb.edu.co, javier.sierra@upb.edu.co
RESUMEN
En este artículo se presentan los resultados sobre el rendimiento del amplificador óptico de
semiconductor SOA para diferentes longitudes de tramos y frecuencias de RF, basados en
dos diseños de enlaces aplicados sobre fibra óptica, con el fin de observar como es el
comportamiento de este amplificador bajo condiciones ideales.
Palabras claves: SOA, SNR, OSNR, amplificación óptica, figura de ruido.
1. INTRODUCCIÓN
Debido a las grandes necesidades de velocidad y diferentes demandas de
servicios, la fibra óptica se ha convertido en un elemento fundamental para las
redes de telecomunicaciones, ya que sus características tales como un mayor
ancho de banda, baja atenuación y alta eficiencia, hacen pensar que en un futuro
su implementación remplazará por completo otras líneas de transmisión no
ópticas. En la actualidad las grandes empresas ya empezaron a trasladarse a la
implementación de redes ópticas, con el fin de mejorar el transporte de datos y así
brindar un mejor servicio al cliente. Sin embargo a grandes distancias se
requieren utilizar dispositivos capaces de realizar amplificación para que la señal
llegue lo mas optimo posible a su destino. [1]
Para solucionar el problema de la amplificación, se usaban regeneradores
electrónicos, pero estos no eran adecuados al trabajar en sistemas de alta
velocidad, que aparte de ser elementos complejos y costosos, implicaban el uso
de varias portadoras con diferente longitud de onda. A partir de esto surgió el uso
de los amplificadores ópticos, los cuales no solo amplificaban la señal sin
necesidad de pasarla al dominio eléctrico, sino que también servían para otras
aplicaciones como enrutamiento y control [2].
En este artículo se analizará el comportamiento del amplificador óptico de
semiconductor SOA implementado en enlaces ópticos a diferentes distancias y
frecuencias de RF tales como 54 MHz, 2.5 GHz y 5 GHz, las cuales fueron
seleccionadas debido a que la mayoría de aplicaciones y tecnologías
estandarizadas por la IEEE son basadas en estas bandas de frecuencia además
de su bajo nivel de interferencia y su buen comportamiento. La frecuencia de
interés en este articulo es la de 2.5 GHz ya que la mayoría de aplicaciones

móviles e inalámbricas se están desarrollando en esta frecuencia y es un buen
punto de partida para aplicaciones de radio sobre fibra RoF.
Este articulo esta compuesto por lo siguiente. La sección 2 presenta la
arquitectura y el modelo usado. La sección 3 presenta los resultados obtenidos de
la simulación y la sección 4 las conclusiones.
2. ARQUITECTURA Y MODELO
Basados en el modelo de estado estático de Connelly [3] se modeló el
amplificador SOA para analizar las variables internas del amplificador obteniendo
como parámetros una señal de potencia de salida, potencia de salida saturada y el
espectro de la amplificación de emisión espontanea ASE lo mas óptimos posibles
para una implementación efectiva.
Los parámetros obtenidos se muestran el la tabla 1.
Corriente de bias 150 mA
Longitud del amplificador 700 um
Factor de confinamiento 0.45
Perdidas de inserción 3 dB
Potencia de saturación 5.05491 mW
Longitud de onda 1550 nm
2.1. Arquitectura del enlace
Tabla 1. Parámetros del SOA
Para realizar las simulaciones se tuvieron en cuenta 2 topologías del enlace, para
así obtener una comparación entre los 2 modelos y verificar cual es el más óptimo
para una posible implementación a futuro.
La figura 1 corresponde a un enlace compuesto por un amplificador EDFA que se
usa como un amplificador de potencia y un SOA que se usa como un
preamplificador.
Figura 1. Topología enlace 1.
La figura 2 consiste en un enlace compuesto por un SOA usado como un
preamplificador.

Figura 2. Topología enlace 2.
Ambas topologías están compuestas por una fuente de RF, un laser, modulador
Mach-Zehnder, amplificador óptico, filtro y un fotodetector.
2.2. Simulación
Para la simulación se uso la herramienta computacional OPTSIM [4] en la cual se
establecieron todos los parámetros de los componentes usados para cada enlace
y se hizo un estudio de los resultados obtenidos de SNR y OSNR.
En ambos enlaces se realizó una variación en el tramo de la fibra desde una
distancia de 20 Km a 120 Km, haciendo mediciones cada 20 Km.
Para las simulaciones no se tuvieron en cuenta fenómenos que se pueden
presentar en la fibra tales como distorsión no lineal, dispersión, efecto Brillouin,
efecto Raman, fenómeno de Chirp, debido a que en este artículo se pretende
observar como es el comportamiento de este amplificador bajo condiciones
ideales.
3. RESULTADOS OBTENIDOS
Los parámetros que se van a analizar son los siguientes: relación señal a ruido
eléctrica (SNR), relación señal a ruido óptica (OSNR), tasa de error de bit (BER) y
potencia, los cuales serán medidos en el fotodetector ubicado al final del enlace.
3.1 Resultados para el primer enlace.
La tabla 2 muestra los resultados obtenidos para la primera topología en la
frecuencia de 2.5 GHz.
Distancia SNR OSNR
Potencia
[Km] [dB] [dB] BER [dBm]
20 47,67 37,339803 0,0213001 11,2884
40 47,13 36,765831 0,00346142 10,3002
60 46,87 36,526429 0,0023324 9,9105
80 46,37 36,135791 0,00013381 9,7463
100 45,87 35,679111 0,000169619 9,6078
120 44,97 34,81871 0,000184114 9,4872
Tabla 2. Resultados primer enlace a 2.5 GHz.

Adicionalmente se tomaron mediciones para las frecuencias de 54 MHz y 5 GHz
para obtener una comparación con la frecuencia de interés de este articulo que es
la de 2.5 GHz.
La figura 3 muestra el comportamiento de la señal a ruido óptica del SOA teniendo
en cuenta las diferentes longitudes de trayecto y las 3 frecuencias analizadas.
40
38
36
34
32
Figura 3. OSNR [dB] Vs Distancia [Km]
La figura 4 muestra el comportamiento de la relación señal a ruido eléctrica del
amplificador.
51
50
49
48
47
46
45
44
43
OSNR SOA [dB]
0 50 100 150
SNR SOA [dB]
0 50 100 150
Figura 4. SNR [dB] Vs Distancia [Km]
3.1 Resultados para el segundo enlace.
54 MHz
2,5 GHz
5 GHz
54 MHz
2,5 GHz
5 GHz
La tabla 3 muestra los resultados obtenidos para la segunda topología
implementada en el software.

Distancia SNR OSNR
Potencia
[Km] [dB] [dB] BER [dBm]
20 50,001 39,809443 0,015627 11,2551
40 49,786 39,62982 0,014455 10,9383
60 49,687 39,489406 0,0115256 10,6103
80 49,408 39,267242 0,0064776 10,2228
100 49,143 39,007901 0,00338654 9,7544
120 48,87 38,785744 0,000847278 9,1798
Tabla 3. Resultados segundo enlace a 2.5 GHz.
La figura 5 muestra los resultados obtenidos de la relación señal a ruido óptica
para la segunda topología evaluada.
41
40,5
40
39,5
39
38,5
Figura 5. OSNR [dB] Vs Distancia [Km]
La figura 6 muestra el comportamiento de la relación señal a ruido eléctrica del
amplificador.
51
50,5
50
49,5
49
48,5
OSNR SOA [dB]
0 50 100 150
SNR SOA [dB]
0 50 100 150
Figura 6. SNR [dB] Vs Distancia [Km]
54 MHz
2,5 GHz
5 GHz
54 MHz
2,5 GHz
5 GHz

4. CONCLUSIONES
Se realizó el estudio del comportamiento del Amplificador óptico semiconductor
en dos enlaces mediante la herramienta computacional OPTSIM, usando
diferentes parámetros para su análisis. Se observó que para el primer enlace la
curva de la relación señal a ruido eléctrica (SNR) para la frecuencia de 2.5 GHz
tiene un comportamiento relativamente plano, ya que este parámetro solo tiene un
cambio de aproximadamente 3 dB en todo el trayecto, lo cual es una pérdida
aceptable para dicho esquema, además se logra visualizar que esta frecuencia es
mas optima que la de 5 GHz para longitudes de tramo de 80 Km en adelante.
Para el segundo enlace la curva para la frecuencia de 2.5 GHz tiene un
comportamiento menos óptimo a comparación de las otras 2 frecuencias
seleccionadas, sin embargo las pérdidas totales en el trayecto son de alrededor de
1 dB lo cual es un valor optimo para este enlace.
Referencias
1. Basilio, R. G. M.
Dispositivos semiconductores (amplificadores de luz y sus aplicaciones)
Septiembre - Diciembre 2001, Vol. 5
2. Borella, Michael S., Jasón P. Jue, Dhritiman Banerjee, Byrav Ramamuth,
Bisiwanath Mukherjee.
1997 "Optical Components for WDM Lightwave Networks".
Proceedings of the IEEE. Vol. 85. Num 8. 1272-1275 p.
3. Connelly, M.J
Wideband Semiconductor Optical Amplifier Steady-State Numerical Model
IEEE Journal Of Quantum Electronics, 2001, Vol. 37
4. OptSim RSoft’s Optical Communication Design Suite,
http://www.rsoftdesign.com/
5. Puche, W., Amaya, F., Sierra, J., Montoya, German.
Optical Amplification Alternatives for Radio over Fiber Applications.