Las fibras ópticas son un aliado excepcional para la distribución
de señales de RF en aplicaciones de antenas remotas. Sin embargo,
cuando la frecuencia de las señales a transmitir es elevada,
la dispersión cromática de la fibra se convierte en una
seria limitación.
Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación.
Profesor de Radiocomunicaciones en la Univ. Politécnica de
Las fibras ópticas son un aliado excepcional para la distribución
de señales de RF en aplicaciones de antenas remotas. Sin embargo,
cuando la frecuencia de las señales a transmitir es elevada,
la dispersión cromática de la fibra se convierte en una
seria limitación.
Francisco Ramos Pascual. Doctor Ingeniero de Telecomunicación.
Profesor de Radiocomunicaciones en la Univ. Politécnica de Valencia.
E-mail: framos@upvnet.upv.es
Las redes de telefonía móvil celular se encuentran bien establecidas. Al mismo tiempo, los sistemas de acceso de banda ancha LMDS están ya instalándose en las principales ciudades españolas. Estos sistemas inalámbricos, tanto fijos como móviles, están formados por multitud de estaciones base distribuidas a lo largo de todo el territorio. Pero estas
estaciones base necesitan interconectarse entre sí y con los centros de control para el buen funcionamiento del sistema.
Para la construcción de estas redes de interconexión los operadores están apostando fuertemente por la fibra óptica.
Surgen así los llamados sistemas de alimentación óptica de antenas remotas. En estos sistemas la fibra óptica se utiliza como medio de transmisión de señales de RF, tanto de baja como de alta frecuencia, entre el centro de control y las estaciones base. Para asegurar la transmisión correcta de las señales es indispensable tener bien caracterizada la propagación a través de la fibra, especialmente en el caso de altas frecuencias. En el presente artículo analizaremos la degradación que introduce la dispersión cromática de la fibra y comentaremos algunas técnicas para compensarla.
Esquema del sistema
El diagrama de bloques del sistema de alimentación óptica de antenas remotas se muestra en la figura 1. Un láser proporciona la portadora óptica que será posteriormente modulada con la
señal de RF por medio de un modulador externo. Generalmente suelen emplearse moduladores electroópticos Mach-Zehnder. Un amplificador óptico inyecta la potencia suficiente en el enlace de fibra para alimentar correctamente a todas las estaciones base. Posteriormente, en cada una de las estaciones base se realiza la conversión optoelectrónica, se procesa y se amplifica la señal de RF y por último se entrega a la antena.
Otra posibilidad para inyectar la señal de RF en el sistema consiste en emplear modulación directa en el láser. Aunque se evita la utilización del modulador externo que suele ser costoso, las prestaciones que se alcanzan son inferiores: menor ancho de banda de modulación, mayor distorsión y modulación de frecuencia residual (chirp). Por este motivo, en aplicaciones donde se necesite cierta calidad se emplea modulación externa.
Dibujo 1
Efectos de la dispersión cromática
Los sistemas de comunicaciones ópticas suelen diseñarse para trabajar en tercera ventana (en torno a 1550 nm) para aprovechar las bajas pérdidas de transmisión de la fibra y, al mismo tiempo, la existencia de amplificadores de fibra dopada con erbio (EDFA) que proporcionan transparencia ante las señales de RF. No obstante, a estas longitudes de onda las fibras estándar presentan un valor considerable de dispersión cromática. El parámetro de dispersión de las fibras estándar a 1550 nm es de 17 ps/km·nm.
Cuando una señal de RF modulada sobre una portadora óptica se propaga a través de una fibra dispersiva, cada una de las bandas laterales de modulación sufre un retardo distinto como consecuencia de la dispersión cromática. Al llegar al fotorreceptor, ambas bandas laterales se mezclan con la portadora óptica para proporcional la fotocorriente a su salida. En caso de no existir dispersión a lo largo del trayecto de propagación, la señal a la salida del fotorreceptor es una réplica exacta de la señal transmitida salvo por un factor de pérdidas. Sin embargo, la presencia de dispersión cromática produce, además de distorsión no lineal, un fenómeno conocido como supresión de la portadora provocado por los distintos desfases de las bandas
laterales de modulación. El resultado final es un desvanecimiento de la señal de RF que se produce para ciertas combinaciones de frecuencia de RF y de longitud de fibra.
En la figura 2 se representa la función de transferencia normalizada de un enlace de fibra óptica de 100 km de longitud. Como se puede observar, el ancho de banda a -3dB del sistema es inferior a 5 GHz y el primer nulo de transmisión se produce para una frecuencia de unos 7 GHz. A partir de este punto, la respuesta de la fibra presenta múltiples lobulaciones que limitan el funcionamiento del sistema. Si el sistema opera a frecuencias bajas, como por ejemplo GSM (f < 1 GHz), la dispersión cromática no supone una limitación.
Ahora bien, en sistemas que operan a frecuencias
Milimétricas como por ejemplo LMDS a 26-28 GHz, es necesario emplear alguna técnica de compensación de dispersión para el correcto funcionamiento del sistema.
Dibujo 2
Técnicas de compensación de dispersión
La búsqueda de nuevas técnicas de compensación de dispersión es un campo de intensa investigación desde que comenzó a utilizarse la región de 1550 nm para transmitir
señales sobre fibras estándar monomodo. Una de las primeras técnicas consistió en la utilización de las llamadas fibras compensadoras de dispersión (DCFs). Las DCFs se caracterizan por poseer un parámetro de dispersión cromática elevado y de signo opuesto al de las fibras convencionales operando en tercera ventana. De este modo,
colocando una cierta longitud de DCF tras el enlace de fibra óptica que constituye el sistema de comunicaciones, es posible compensar la dispersión cromática acumulada durante el primer trayecto. Pero las DCFs sufren de varios problemas. En primer lugar, 100 m de DCF compensan tan sólo 1 km de fibra estándar. En segundo lugar, sus pérdidas son relativamente elevadas a 1550 nm (alrededor de 0,5 dB/km). Y en tercer lugar, debido a su reducido diámetro
modal, la intensidad óptica en el interior de la fibra es superior para una misma potencia óptica, lo cual provoca una mayor influencia de los efectos no lineales.
Pero sin lugar a dudas, los dispositivos clave utilizados para compensar la dispersión cromática son las redes de difracción sobre fibra óptica con chirp (CFGs). Al igual que las DCFs, se trata de dispositivos dispersivos pero con características notablemente distintas. Sus principales
ventajas son unas bajas pérdidas de inserción, se trata de dispositivos compactos (longitud del orden de centímetros) que permiten la integración y relativamente
fáciles de fabricar en grandes cantidades. Su funcionamiento se basa en introducir un retardo dependiente de la longitud de onda sobre las señales ópticas inyectadas en el dispositivo, de tal forma que se compense el retardo variable introducido por el enlace de fibra óptica. El CFG suele tener un único puerto de entrada/salida y opera en el modo de reflexión. Dado que tanto la señal recibida como la ecualizada están presentes en dicho puerto es necesario utilizar un circulador para separarlas.
La forma de obtener el retardo variable es por medio de una modulación con chirp de frecuencia del índice de refracción de la fibra. De este modo, las señales ópticas que viajan por su interior se reflejan en puntos distintos dependiendo de su longitud de onda (condición de Bragg) y, por lo tanto, recorren distancias diferentes. En la figura 3 se representan las respuestas de reflectividad y de retardo de grupo típicas de uno de estos dispositivos construido para compensar la dispersión cromática de unos 50 km de fibra estándar. Obsérvese que el CFG se caracteriza por poseer un determinado ancho de banda de funcionamiento que depende principalmente de la longitud del dispositivo. A diferencia de la DCF, esto constituye la principal limitación del CFG. En la actualidad se está investigando en la construcción de CFGs de banda ancha.
El método de fabricación del CFG se basa en situar una máscara de fase entre un haz de luz ultravioleta y la fibra óptica. El haz incidente sufre difracción debido a unas corrugaciones realizadas en la máscara e incide finalmente sobre el núcleo de fibra fotosensible, modificando las características del índice de refracción y realizando la modulación del mismo. Dado que este proceso de fabricación no es perfecto, aparece un cierto rizado aleatorio en las respuestas de reflectividad y retardo de grupo.
Dibujo 3
http://www.cypsela.es/especiales/pdf151/senalesrf.pdf
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