Optical Microwave Signal Generation for Data Transmission in Optical Networks

The massive growth of telecommunication services and the increasing global data traffic boost the development, implementation, and integration of different networks for data transmission. An example of this development is the optical fiber networks, responsible today for the inter-continental connection through long-distance links and high transfer rates. The optical networks, as well as the networks supported by other transmission media, use electrical signals at specific frequencies for the synchronization of the network elements. The quality of these signals is usually determined in terms of phase noise. Due to the major impact of the phase noise over the system performance, its value should be minimized. The research work presented in this document describes the design and implementation of an optoelectronic system for the microwave signal generation using a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) and its integration into an optical data transmission system. Considering that the proposed system incorporates a directly modulated VCSEL, a theoretical and experimental characterization was developed based on the laser rate equations, dynamic and static measurements, and an equivalent electrical model of the active region. This procedure made possible the extraction of some VCSEL intrinsic parameters, as well as the validation and simulation of the VCSEL performance under specific modulation conditions. The VCSEL emits in C-band, this wavelength was selected because it is used in long-haul links. The proposed system is a self-initiated oscillation system caused by internal noise sources, which includes a VCSEL modulated in large signal to generate optical pulses (gain switching). The optical pulses, and the optical frequency comb associated, generate in electrical domain simultaneously a fundamental frequency (determined by a band-pass filter) and several harmonics. The phase noise measured at 10 kHz from the carrier at 1.25 GHz was -127.8 dBc/Hz, and it is the lowest value reported in the literature for this frequency and architecture. Both the jitter and optical pulse width were determined when different resonant cavities and polarization currents were employed. The lowest pulse duration was 85 ps and was achieved when the fundamental frequency was 2.5 GHz. As for the optical frequency comb, it was demonstrated that its flatness depends on the electrical modulation conditions. The flattest profiles are obtained when the fundamental frequency is higher than the VCSEL relaxation frequency. Both the electrical and the optical output of the system were integrated into an optical transmitter. The electrical signal provides the synchronization of the data generating equipment, whereas the optical pulses are employed as an optical carrier. Data transmissions at 155.52 Mb/s, 622.08 Mb/s and 1.25 Gb/s were experimentally validated. It was demonstrated that the fundamental frequency and harmonics could be extracted from the optical data signal transmitted by a band-pass filter. It was also experimentally proved that the pulsed return-to-zero (RZ) transmitter at 1.25 Gb/s, achieves bit error rates (BER) lower than $10^{-9}$ when the optical power at the receiver is higher than -33 dBm.La masificación de los servicios de telecomunicaciones y el creciente tráfico global de datos han impulsado el desarrollo, despliegue e integración de diferentes redes para la transmisión de datos. Un ejemplo de este despliegue son las redes de fibra óptica, responsables en la actualidad de la interconexión de los continentes a través de enlaces de grandes longitudes y altas tasas de transferencia. Las redes ópticas, al igual que las redes soportadas por otros medios de transmisión, utilizan señales eléctricas a frecuencias específicas para la sincronización de los elementos de red. La calidad de estas señales es determinante en el desempeño general del sistema, razón por la que su ruido de fase debe ser lo más pequeño posible. El trabajo de investigación presentado en este documento describe el diseño e implementación de un sistema optoelectrónico para la generación de señales microondas utilizando diodos láser de cavidad vertical (VCSEL) y su integración en un sistema de transmisión de datos óptico. Teniendo en cuenta que el sistema propuesto incorpora un láser VCSEL modulado directamente, se desarrolló una caracterización teórico-experimental basada en las ecuaciones de evolución del láser, mediciones dinámicas y estáticas, y un modelo eléctrico equivalente de la región activa. Este procedimiento posibilitó la extracción de algunos parámetros intrínsecos del VCSEL, al igual que la validación y simulación de su desempeño bajo diferentes condiciones de modulación. El VCSEL utilizado emite en banda C y fue seleccionado considerando que esta banda es comúnmente utilizada en enlaces de largo alcance. El sistema propuesto consiste en un lazo cerrado que inicia la oscilación gracias a las fuentes de ruido de los componentes y modula el VCSEL en gran señal para generar pulsos ópticos (conmutación de ganancia). Estos pulsos ópticos, que en el dominio de la frecuencia corresponden a un peine de frecuencia óptico, son detectados para generar simultáneamente una frecuencia fundamental (determinada por un filtro pasa banda) y varios armónicos. El ruido de fase medido a 10 kHz de la portadora a 1.25 GHz fue -127.8 dBc/Hz, y es el valor más bajo reportado en la literatura para esta frecuencia y arquitectura. Tanto la fluctuación de fase (jitter) y el ancho de los pulsos ópticos fueron determinados cuando diferentes cavidades resonantes y corrientes de polarización fueron empleadas. La duración de pulso más baja fue 85 ps y se obtuvo cuando la frecuencia fundamental del sistema era 2.5 GHz. En cuanto al peine de frecuencia óptico, se demostró que su planitud (flatness) depende de las condiciones eléctricas de modulación y que los perfiles más planos se obtienen cuando la frecuencia fundamental es superior a la frecuencia de relajación del VCSEL. Tanto la salida eléctrica como la salida óptica del sistema fueron integradas en un transmisor óptico. La señal eléctrica permite la sincronización de los equipos encargados de generar los datos, mientras que los pulsos ópticos son utilizados como portadora óptica. La transmisión de datos a 155.52 Mb/s, 622.08 Mb/s y 1.25 Gb/s fue validada experimentalmente. Se demostró que la frecuencia fundamental y los armónicos pueden ser extraídos de la señal óptica de datos transmitida mediante un filtro pasa banda. También se comprobó experimentalmente que el transmisor de datos pulsados con retorno a cero (RZ) a 1.25 Gb/s, logra tasas de error de bit (BER) menores a 10-9 cuando la potencia óptica en el receptor es mayor a -33 dBm.Gobernación de NariñoBPIN 2013000100092Doctorad

Estudio y análisis del impacto en la tasación por segundos de la no sincronización de centrales telefónicas de los operadores móviles prestadores del servicio de telefonía móvil celular (TMC) con la hora legal de la república de Colombia

La investigación realizada tiene como objetivo evaluar el impacto de la no sincronización de las centrales telefónicas de Telefonía Móvil Celular (TMC) con la Hora Legal de Colombia en la Tasación por Segundos (TS). Para lograr este objetivo se hace una revisión de las variables más relevantes dentro del servicio de TMC concluyendo que el tiempo sigue siendo importante para la telefonía; también se establece la tarifa del servicio de TMC cuando las centrales están sincronizadas con la Hora Legal a través del protocolo NTP usando medidas realizadas en equipos de cómputo y el servidor de tiempo de la Superintendencia de Industria y Comercio (SIC). Al final se determina que si es posible la implementación técnica del backbone de la red nacional de sincronización sobre fibra óptica luego de realizar simulaciones con una codificación específica de tiempo.Abstract. The research aim is assess the impact of non-synchronization of telephone exchanges in the Cellular Mobile Telephony (CMT) with Colombian Legal Time when exists a Charging per Second. To achieve this objective, a review of the most important variables within the CMT service was done to conclude that the time is still important for telephony; the CMT service price when the telephone exchanges are synchronized with the Legal Time through the NTP protocol was set using measurements made on computer equipment and the time server of the Superintendencia de Industria y Comercio (SIC). Finally was possible to determinate that technically the national synchronization backbone network over optic fiber can be implemented after performing simulations with a specifc encoding time.Maestrí

O-band and C-band VCSEL based optoelectronic oscillator (VBO) for 1.25 Gbit/s pulsed RZ-OOK and RZ-DPSK free space optical transmissions

International audienceIn this article, we propose the generation of a microwave signal through a VCSEL Based Optoelectronic Oscillator (VBO) for free space communication applications. This system is implemented using VCSELs in the O-band and C-band. The signals generated at 1.25 GHz and 2.49 GHz are used to produce experimentally Return-to-Zero On Off Keying (RZ-OOK) and Return-to-Zero Differential Phase Shift Keying (RZ-DPSK) modulations for free space optical communication

VCSEL Based Optoelectronic Oscillator (VBO) for 1.25 Gbit/s RZ Pulse Optical Data Generation

International audienceWe present the implementation results of a VCSEL based optoelectronic oscillator (VBO) in terms of phase noise and time jitter in the electrical and optical domain. The electrical signal at 1.25 GHz is used as a clock for Non-Return-to-Zero (NRZ) data generation. A system for optical pulse data generation to obtain duty cycles (DC) lower than 30% is proposed and simulated

Self-starting VCSEL-based optical frequency comb generator

In this paper, we present the simulation and experimental results of the first closed-loop system based on a directly modulated VCSEL in a gain-switching condition to generate optical frequency combs (OFC). In order to simulate the self-starting VCSEL-based optical frequency comb generator (SVOFC), we applied an intrinsic parameter extraction process to a C-band VCSEL using laser rate equations, static and dynamic measurements, and equivalent circuit models. The widest (62 GHz) and flattest (0.8) simulated OFC is obtained when the repetition frequency f0 is 2.5 GHz. Implementation of the C-band SVOFC also shows that under constant electrical conditions, flatness higher than 0.85 and spectral widths of 50 GHz are obtained when f0 = 2.5 GHz. The lowest phase noise at 10 kHz from the extracted electrical carrier is -127 dBc/Hz and is obtained when the optical fiber length is 5 km and f0 = 1.25 GHz

O-band and C-band VCSEL based optoelectronic oscillator (VBO) for 1.25 Gbit/s pulsed RZ-OOK and RZ-DPSK free space optical transmissions

In this article, we propose the generation of a microwave signal through a VCSEL Based Optoelectronic Oscillator (VBO) for free space communication applications. This system is implemented using VCSELs in the O-band and C-band. The signals generated at 1.25 GHz and 2.49 GHz are used to produce experimentally Return-to-Zero On Off Keying (RZ-OOK) and Return-to-Zero Differential Phase Shift Keying (RZ-DPSK) modulations for free space optical communication

Microwave Signal Generation using Optical Injection Locking

In this article, microwave signal generation is implemented by using the optical injection locking technique. Two semiconductor laser sources are used: a Fabry-Perot laser is mode-locked to a single mode Vertical-Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)

VCSEL Based Optoelectronic Oscillator (VBO) for 1.25 Gbit/s RZ Pulse Optical Data Generation

We present the implementation results of a VCSEL based optoelectronic oscillator (VBO) in terms of phase noise and time jitter in the electrical and optical domain. The electrical signal at 1.25 GHz is used as a clock for Non-Return-to-Zero (NRZ) data generation. A system for optical pulse data generation to obtain duty cycles (DC) lower than 30% is proposed and simulated

X-band and Ku-band VCSEL-based optoelectronic oscillators using on-chip laser

We present the results of the implementation of two VCSEL-based optoelectronic oscillators (VBO) using one on-chip 850-nm vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL). The reported VBOs are implemented at 10 and 12 GHz using a direct-modulated VCSEL. The laser direct modulation bandwidth is 13.3 GHz. The VBOs performance is described through the phase noise and timedomain stability

Performance evaluation of a real time OFDM radio over fiber system at 2.5 GHz using software defined radio SDR

This paper presents the implementation of an OFDM radio over fiber (RoF) system at 2.5 GHz using software defined radio (SDR). In this work, first we present an introduction of the main concepts about radio over fiber and an orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) system at 2.5 GHz, then we present a comparison of an OFDM RoF system in three scenarios, modifying the wireless distances and the optical fiber distance in order to evaluate the performance of the system taking into account the symbol error rate (SER) vs signal to noise ratio (SNR) curves