Analog free-space optical links.

Free-space optics (FSO) communications is a technology that uses modulated infrared optical beams to transmit information line-of-sight through the atmosphere. There has been a substantial increase in the use of FSO technology over the last few years, mainly for "last mile" applications, because FSO links provide the transmission capacity to overcome bandwidth bottlenecks between backbone optical fiber links and metropolitan concentrations of end users. Optical fiber has been traditionally deployed for the transmission of both digital and analog signals. While transmission techniques for analog radio frequency (RF) intensity-modulated signals over optical fibers is well-established, prior to the investigations presented in this dissertation, there is no report of research on the efficiency of FSO for transmission of analog signals in the technical literature. This dissertation research investigated the effectiveness of FSO to transport modulated RF analog signals and compares key performance measures against those of fiber optic links. In addition, a new method to setup temporary IS-95 CDMA microcells or permanent IS-95 CDMA macrocells using FSO was proposed and its viability investigated. Finally, a new transmission technique for transmitting multiple RF signals (channels) over a single FSO link using wavelength division multiplexing (WDM) technology for potential CATV applications was demonstrated

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Study of optoelectronic switch for satellite-switched time-division multiple access

The use of optoelectronic switching for satellite switched time division multiple access will improve the isolation and reduce the crosstalk of an IF switch matrix. The results are presented of a study on optoelectronic switching. Tasks include literature search, system requirements study, candidate switching architecture analysis, and switch model optimization. The results show that the power divided and crossbar switching architectures are good candidates for an IF switch matrix

Adaptive optical feedforward linearization of optical transceiver for radio over fiber communication link

With the tremendous growth in numbers of mobile data subscribers and explosive demand for mobile data, the current wireless access network need to be augmented in order to keep up with the data speed promised by the future generation mobile network standards. Radio over fiber technology (RoF) is a cost effective solution because of its ability to support numerous numbers of simple structured base stations by consolidating the signal processing functions at the central station. RoF systems are analog systems where noise figure and spurious free dynamic range (SFDR) are important parameters in an RoF link. The nonlinearity of a laser transmitter is a major limiting factor to the performance of an RoF link, as it generates spurious spectral components, leading to intermodulation distortions (IMD), which limit the achievable SFDR of the analog RF wave transmissions. The device nonlinearity can be mitigated through various linearization schemes. The feedforward linearization technique offers a number of advantages compared to other techniques, as it offers good suppression of distortion products over a large bandwidth and supports high operating frequencies. On the other hand, feedforward linearization is a relatively sensitive scheme, where its performance is highly influenced by changing operating conditions such as laser aging, temperature effect, and input signal variations. Therefore, for practical implementations the feedforward system has to be real-time adaptive. This thesis aims to develop an adaptive optical feedforward linearization system for radio over fiber links. Mathematical analyses and computer simulations are performed to determine the most efficient algorithm for the adaptive controller for laser transmitter feedforward linearization system. Experimental setup and practical measurement are performed for an adaptive feedforward linearized laser transmitter and its performance is optimized. The adaptive optical feedforward linearization system has been modeled and simulated in MATLAB Simulink. The performances of two adaptive algorithms, which are related to the gradient signal method, such as least mean square (LMS) and recursive least square (RLS) have been compared. The LMS algorithm has been selected because of its robustness and simplicity. Finally, the adaptive optical feedforward linearization system has been set up with digital signal processor (DSP) as the control device, and practical measurement has been performed. The system has achieved a suppression of 14 dB in the third order IMD products over a bandwidth of 30 MHz, in a two-tone measurement at 1.7 GHz

Fiber amplifiers, directly modulated transmitters and a ring network structure for optical communications

The three technologies that are considered the key elements in building a metropolitan area optical network are studied in this thesis. They are optical amplification, high-speed low cost transmitters and ring network structures. These studies concentrate on cost reduction of these three technologies thus enabling the use of optical networks in small customer base metropolitan areas. The research on optical amplification concentrated first on the solution doping process, at present the most used method for producing erbium doped fiber. It was found that separationing the soot growth and the sintering improved the uniformity of the porous layer. This made the homogeneity of the doping concentration in the fiber core better. The effects of index profile variations that arise from the non-ideal solution doping process were also simulated. In the search for a better doping method a new nanoparticle glass-forming process, the direct nanoparticle deposition, was developed. In this process the doping is done simultaneously with glass formation. Utilizing this new process it was possible to improve the uniformity of the doping resulting in higher usable doping levels and shorter erbium doped fiber lengths in the amplifiers. There were fewer limitations in the amplifier caused by optical non-linearities and polarization mode dispersion since shorter fiber lengths were needed. The double cladding fiber, which avoids the costly coupling of the pump laser into a single mode waveguide, was also studied. This pumping scheme was found to improve the inversion uniformity in the erbium doped fiber core thereby enhancing the power conversion efficiency for the long wavelength band amplifier. In characterizing the erbium doped fiber amplifier the gain and noise figure was measured with a temporal filter setup. It was made of simple, low cost components but yielded accurate measurements since the noise originating from the amplified spontaneous emission was measured at the signal wavelength. In the study of fiber amplifier controlling schemes the input power of the fiber amplifier was successfully used to regulate the pump laser. This feed-forward control scheme provides a simple, low cost control and managment system for the erbium doped fiber amplifier in metropolitan area network applications that require flexible adding and dropping of wavelength channels. The transmitter research focused on the DFB laser due to its simplicity and low cost structure. A solid state Fabry-Perot etalon made from double polished silicon chip was used as a frequency discriminator in the chirp analyser developed for the DFB lasers. This wavelength discriminator did not require repeated calibration or active stabilisation and was controled electrically enabling automatic measurements. The silicon Fabry-Perot etalon was also used for simultaneous spectral filtering and wavelength control of the laser. The usable dispersion limited transmission length was increased when the filter was used in conjunction with the directly modulated distributed feedback laser transmitter. The combination of spatial multiplexing and dense wavelength division multiplexing in ring topology was investigated in the course of the research on the ring network as the feeder part of the metropolitan network. A new way to organize different wavelengths and fibers was developed. This ring network structure was simulated and an experimental ring network built. The results of the studies demonstrated that the same limitations effecting uni-directional ring structures also are the main limitations on the scalability of the spatial and wavelength division multiplexed ring networks based on bi-directional transmission when the node spacing is short. The developed ring network structure demonstrated major cost reductions when compared with the heavy use of wavelength division multiplexing. The node structure was also greatly simplified resulting in less need for different wavelength transmitters in each node. Furthermore the node generated only minor losses for the passing signals thus reducing the need for optical amplification.reviewe

Novel optical transmitters for high speed optical networks

The objective of this thesis is to investigate the performance of novel optical transmitter lasers for use in high speed optical networks. The laser technology considered is the discrete mode laser diode (DMLD) which is designed to achieve single wavelength operation by etching features on the surface of the ridge waveguide. This leads to a simplified manufacturing process by eliminating the regrowth step used in conventional approaches, presenting an economic approach to high volume manufacture of semiconductor lasers. Two application areas are investigated in this work. The bit rate in next generation access networks is moving to 10 Gbit/s. This work characterises the performance of DMLDs designed for high speed operation with the objective of identifying the limitations and improving performance to meet the specifications for uncooled operation at 10 Gbit/s. With the deployment of advanced modulation formats the phase noise of the laser source has become an important parameter, particularly for higher order formats. DMLDs were developed for narrow linewidth operation. The linewidth of these devices was characterised and a value as low as 70 kHz was demonstrated. Transmission experiments were also carried out using a coherent transmission test bed and the performance achieve is compared with that of an external cavity laser

Implementation of a high-speed optical network and spectrum analysis of a multichannel CATV system.

by Chun-kit Chan.Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1995.Includes bibliographical references (leaves 68-[73]).Chapter 1 --- A High-Speed All-Optical Tunable-Channel Multi-Access (TCMA) Network --- p.1Chapter 1.1 --- Introduction --- p.1Chapter 1.2 --- Tunable-Channel Multi-Access (TCMA) Networks --- p.4Chapter 1.3 --- Protocols For TCMA Networks --- p.5Chapter 1.3.1 --- Media Access Procedure For ACTA Protocol --- p.6Chapter 1.3.2 --- Cyclc Utilization & Adaptive Algorithm --- p.8Chapter 1.3.3 --- Advantages of ACTA Protocol --- p.9Chapter 1.4 --- Proposed High-Speed Photonic TDM Implementation --- p.10Chapter 1.4.1 --- Centralized Pulse Source --- p.12Chapter 1.4.2 --- Channel-Tunable Transmitter --- p.14Chapter 1.4.3 --- High Speed All-Optical Demultiplexing --- p.22Chapter 1.4.4 --- Timing and Synchronization --- p.23Chapter 1.4.5 --- Advantages of the Proposed Scheme --- p.24Chapter 1.5 --- Other Network Issues --- p.25Chapter 1.5.1 --- Scalability --- p.25Chapter 1.5.2 --- Surviability --- p.26Chapter 1.5.3 --- Cost-Effectiveness --- p.27Chapter 1.6 --- Conclusion --- p.28Chapter 2 --- Theoretical Analysis of High Repetition Rate Optical Pulse Multiplication using Fiber Coupler Loop Configuration --- p.29Chapter 2.1 --- Introduction --- p.29Chapter 2.2 --- Single Coupler Loop Configuration --- p.30Chapter 2.3 --- Cascaded Coupler Loop Configuration --- p.34Chapter 2.4 --- Discussion --- p.36Chapter 2.5 --- Conclusion --- p.38Chapter 3 --- Spectrum Analysis of Multichannel CATV Systems --- p.39Chapter 3.1 --- Introduction --- p.39Chapter 3.2 --- Considerations of Analysis of Multichannel CATV Systems --- p.41Chapter 3.3 --- Effects of Incomplete-cycle Sampling --- p.43Chapter 3.4 --- Methods to Alleviate the Incomplete-cycle Sampling Effcct --- p.48Chapter 3.4.1 --- Windowing --- p.48Chapter 3.4.2 --- Correction --- p.54Chapter 3.5 --- Nonlinear Distortion in Multichannel CATV Systems --- p.55Chapter 3.5.1 --- Two-tone Third Order Distortion Estimation --- p.56Chapter 3.5.2 --- Composite Triple Beat Estimation --- p.62Chapter 3.6 --- A Procedure of Spectrum Analysis for Multichannel CATV Systems --- p.64Chapter 3.7 --- Conclusion --- p.67Bibliography --- p.68Chapter A --- Implementation of a high-speed TCMA optical network --- p.74Chapter A.1 --- System Setup --- p.74Chapter A.2 --- Channel-tunable Delay Line Circuit --- p.75Chapter A.3 --- DFB Laser diode --- p.76Chapter A.4 --- Erbium-doped Fiber Amplifier (EDFA) --- p.76Chapter A.5 --- 1 Gb/s to 16 Gb/s Fiber Multiplexer --- p.77Chapter A.6 --- Nonlinear Amplifying Loop Mirror (NALM) --- p.77Chapter A.7 --- Decision Circuit --- p.78Chapter B --- Frequency Assignment Scheme of CATV Systems --- p.79Chapter C --- Derivation --- p.80Chapter C.1 --- Channel Carrier Power Level Variation with Rectangular Window --- p.81Chapter C.2 --- Channel Carrier Power Level With Hanning Window Function ´Ø --- p.82Chapter C.3 --- Correction Factor for the Channel Carriers --- p.83Chapter C.4 --- Correction Scheme for Distortion Terms --- p.8