Los sistemas de comunicaciones radio sobre fibra óptica en la banda de frecuencias milimétricas no se encuentran excesivamente desarrollados, en gran medida debido a la dificultad de obtener dispositivos optoelectrónicos adecuados. Sin embargo, tales sistemas encuentran importantes áreas de aplicación como consecuencia de una serie de ventajas que les aporta el hecho de trabajar a frecuencias elevadas tamaños de antena más reducidos, gran ancho de banda disponible, menor nivel de regulación, o mayor absorción atmosférica que permite reutilizar la frecuencia en el caso de sistemas celulares.

La creciente demanda de servicios de banda estrecha en los actuales sistemas radio ha reducido las posibilidades de alojar en el espectro radioeléctrico la gran capacidad que demandan los sistemas inalámbricos de banda ancha. Para contrarrestar esta limitación, se está considerando la utilización de enlaces radio a frecuencias milimétricas (26-100 GHz) para aplicaciones en sistemas micro/picocelulares de banda ancha, sistemas fijos de acceso inalámbrico o redes de área local inalámbricas. La complejidad de estos enlaces radio puede simplificarse compartiendo los equipos transmisores y receptores de milimétricas entre los distintos canales radio empleando la técnica de multiplexación de subportadoras.

En estas redes inalámbricas, la elevada atenuación atmosférica a frecuencias milimétricas permite desarrollar arquitecturas celulares con mejoras en la reutilización de frecuencias y, por lo tanto, una gestión espectral más sencilla. No obstante dado que el área de la cobertura es inferior, la necesidad de un mayor número de estaciones base obliga a que éstas sean funcionalmente simples en su diseño. Si las estaciones base se conectan a una estación de control, las funciones de enrutamiento y procesado estarán centralizadas, simplificando de este modo el equipamiento de las estaciones base. El medio ideal para realizar estas conexiones es la fibra óptica por las tres razones anteriormente enumeradas. Si además las señales radio se transportan sobre la fibra a frecuencias milimétricas, todavía se simplifican más las estaciones base, dado que el equipamiento de éstas se reduce a componentes optoelectrónicos y amplificadores eléctricos, sin necesidad de equipos conversores de frecuencia. De este modo, entregando las señales directamente desde la estación de control y a través de la fibra, se evita la necesidad de generar la portadora de alta frecuencia en la estación base, que puede tener además un emplazamiento de difícil acceso. Por lo tanto, para desplegar estos sistemas a gran escala, es necesario encontrar métodos de bajo coste para la generación y detección de la señal óptica a frecuencias milimétricas.

Técnicas de generación

En la actualidad, la máxima frecuencia de modulación de los diodos láser se encuentra en torno a los 30 GHz, por lo que no resulta factible la modulación directa en el caso de frecuencias milimétricas. Por otro lado, aunque existen disponibles comercialmente moduladores electroópticos trabajando a frecuencias de hasta 50 GHz, o incluso optimizados en una banda en particular (por ejemplo, 60 GHz), estos dispositivos son caros y requieren altos voltajes. No obstante, se está investigando activamente la modulación óptica a frecuencias milimétricas utilizando componentes optoelectrónicos de baja frecuencia más baratos. De hecho, la investigación se enfoca al descubrimiento de nuevas técnicas en lugar de a intentar mejorar las prestaciones o funcionalidad de los dispositivos existentes. En especial, se han estudiado diferentes métodos: modulación de las resonancias de la respuesta de un láser, generación armónica o mezclado óptico coherente.

La primera de las técnicas se ha demostrado utilizando láseres de cavidad externa, donde se realzan aquellas frecuencias que ocurren a múltiplos del tiempo de recorrido de la cavidad (roundtrip time). Por otro lado, las técnicas de generación armónica permiten utilizar componentes optoelectrónicos a frecuencias relativamente bajas como parte integrante del sistema de milimétricas. En todos estos componentes se aprovecha su respuesta óptica no lineal ante la señal eléctrica de entrada. Así, tanto láseres como moduladores electroópticos pueden utilizarse para este fin, obteniéndose una generación de frecuencias milimétricas eficiente empleando armónicos de órdenes elevados. Finalmente, el mezclado óptico coherente también puede utilizarse para generar señales milimétricas. Si dos portadoras ópticas coherentes inciden en un mismo fotodiodo, entonces se generará una componente de señal a la salida del mismo a la frecuencia diferente entre ambas portadoras. Por ejemplo, una diferencia de 0,5 nm a una longitud de onda central de 1550 nm producirá un batido de señal a una frecuencia ligeramente por encima de los 60 GHz. No obstante, esta técnica sufre en general de problemas tales como estabilidad o pureza espectral de las señales generadas. La generación armónica, por el contrario, produce señales con una pureza espectral derivada del oscilador de referencia utilizado, por lo que se puede llegar a sintetizar señales con anchos de línea inferiores a 1Hz.

Otro de los métodos utilizados para generar señales milimétricas hace uso de un láser modulado en frecuencia por medio de una señal de control aplicada a uno de sus terminales. El espectro  óptico de un láser modulado en frecuencia contiene varias líneas separadas por la frecuencia de la señal de modulación, y es posible generar frecuencias milimétricas por medio de batidos de estas bandas laterales en un fotodetector. Sin embargo, una señal FM pura tiene una intensidad constante y no producirá ninguna fotocorriente a armónicos de la frecuencia de modulación. Por lo tanto, la señal se propaga a través de una fibra óptica dispersiva para que la fase relativa de las bandas laterales se altere y se pueden obtener armónicos de la señal moduladora a la salida del fotodetector.

Aunque la técnica de conversión FM-1M (frecuencia-intensidad) anterior se ha demostrado como un método efectivo para generar señales milimétricas, son necesarios láseres con desviaciones de frecuencia grandes para conseguir buenas eficiencias. Además, esta técnica no resulta útil con longitudes de fibra reducidas o fibras de dispersión desplazada. Para evitar estas limitaciones, se ha propuesto también el uso de moduladores de fase conjuntamente con redes de difracción sobre fibra óptica como elemento dispersivo.

Posibles alternativas a esta técnica incluyen el uso de moduladores externos, como por ejemplo Mach-Zehnder o de electroabsorción. La generación de armónicos de la frecuencia de modulación en un modulador Mach-Zehnder se basa en la característica no lineal de su función de transferencia. En particular, la característica es sinusoidal, existiendo tres zonas típicas de funcionamiento. La zona lineal es la de funcionamiento normal, aunque utilizando excursiones de modulación elevadas es posible obtener armónicos de orden 3, 5, 7,... como consecuencia de su comportamiento impar. Adicionalmente, las zonas no lineales conocidas como MITB (minimum transmisión bias) y MATB (maximum transmisión bias) producen armónicos de orden 2, 4, 6,... como consecuencia de su comportamiento par (zonas alrededor del mínimo y máximo de su función de transferencia, respectivamente). Por último, los moduladores de electroabsorción son una prometedora alternativa para la generación armónica debido a que su función de transferencia es más no lineal que en el caso de los moduladores Match-Zehnder.

Detección de señales

En lo referente a la detección, los fotodiodos de alta velocidad disponible comercialmente son caros y poseen baja eficiencia. La búsqueda de fotodiodos para frecuencias milimétricas de alta eficiencia y potencialmente bajo coste de fabricación es también objeto de investigación. Algunos ejemplos incluyen los fotodiodos integrados monolíticamente con preamplificadores ópticos o los fototransistores bipolares de heterounión (photoHBTs).

La principal limitación de los fotodetectores viene impuesta por sus valores bajos  de responsividad. Dado que la preamplificación óptica se ha demostrado como un método eficiente para mejorar la relación señal a ruido en muchos sistemas, un fotodiodo y preamplificacador óptico monolíticos constituyen un fotodetector de alta responsividad efectiva. Con este dispositivo se han obtenido valores de ancho de banda de 33 GHz junto con valores de responsabilidad de 89 A/W. Luego la combinación de alta ganancia óptica y gran ancho de banda significa que este dispositivo es ideal para aplicaciones radio sobre fibra a frecuencias milimétricas.

El photoHBT es otro ejemplo de fotodetector de alta ganancia. En este caso, la ganancia en el dominio eléctrico y se produce por medio de la acción de un transistor. Convenientemente este dispositivo es simplemente un transistor bipolar de heterounión (HBT) construido con una ventana para la entrada óptica. La capa de InGaAs utilizada en base-colector de los dispositivos basados en InP asegura una fuerte absorción a la longitud de la onda deseada en torno a 1550 nm. Aunque este dispositivo puede utilizarse simplemente como fotodetector, puede emplearse también en aplicaciones donde se aprovecha su comportamiento dual como fotodiodo y elemento electrónico activo. Un ejemplo de ello es un oscilador enganchado por inyección óptica, el cual es un importante componente en sistemas radio sobre fibra debido a que permite el diseño de osciladores de bajo coste y alta potencia sin limitaciones en el requerimiento de pureza espectral.

Un diagrama de bloques de la configuración de transceptor de milimétricas típico se muestra en la figura 1. La señal óptica entrante se fotodetecta y se filtra una de sus bandas laterales para posteriormente amplificarla y transmitirla a la estación móvil. El filtro también sirve para proporcionar la portadora de milimétricas al enlace de retorno. Por otra parte, la señal recibida del móvil se amplifica antes de convertirla a FI y se transmite de vuelta por la fibra óptica utilizando un láser. De este modo, esta configuración simplifica enormemente la optoelectrónica del enlace de retorno, puesto que se puede utilizar un láser de baja frecuencia modulado directamente.

Transmisión sobre enlaces de fibra

La dispersión cromática de la fibra tiene una influencia significativa sobre la distancia de transmisión alcanzable en sistemas de comunicaciones ópticas con modulación de intensidad y detección directa (MI-DD) que transportan señales a frecuencias milimétricas por encima de los 20 GHz. En un enlace MI-DD, la subportadora de milimétricas se transporta por medio dos bandas laterales de modulación (superior e inferior) a ambos lados de la portadora óptica. Debido a la dispersión y a la elevada separación frecuencial que existe entre las dos bandas laterales y la portadora óptica, la fase de cada una de las componentes frecuenciales de la señal óptica transmitida experimenta un desplazamiento de fase diferencial. Tras  la detección, esta diferencia de fase produce una disminución de la potencia eléctrica recuperada y, por lo tanto, una degradación de la relación portadora a ruido.

La potencia eléctrica a la salida del fotodetector varía periódicamente en función de la distancia de transmisión, presentando máximos y mínimos (nulos) de transmisión. Este comportamiento periódico se debe a la interferencia constructiva o destructiva que se produce en el fotodetector entre ambas bandas de modulación, las cuales presentan diferentes desfases dependientes de la frecuencia de modulación y de la longitud de fibra óptica. Esta variación es tanto más rápida conforme aumenta la frecuencia de modulación. Por ejemplo, para una frecuencia de subportadora de 30 GHz, el primer nulo de transmisión ocurre en torno a los 4 km de fibra, mientras que para una frecuencia de 60 GHz, este nulo se desplaza hasta una distancia de tan sólo 1 km. Luego los sistemas ópticos analógicos operando a frecuencias milimétricas se encuentran bastante limitados.

El valor de penalización de potencia inducida por dispersión admisible en un determinado enlace de comunicaciones depende del balance de potencia y del margen disponible en cada caso. No obstante, para generalizar el análisis suele tomarse como valor típico una penalización de potencia máxima de 1 dB. Este valor asegura la mínima influencia de la dispersión en las prestaciones del sistema completo en términos de relación portadora a ruido.

La dependencia de la distancia de transmisión con la dispersión cromática de la fibra y la frecuencia de la subportadora de milimétricas se muestra en la figura 2. Se puede deducir que la distancia posee una dependencia 1/D con la dispersión y 1/f con la frecuencia de subportadora. Por lo tanto, un aumento en la dispersión o frecuencia limita la distancia de transmisión alcanzable.

Las prestaciones pueden mejorarse considerablemente utilizando fibras de dispersión desplazada. No obstante, como puede verse en la figura 2, la tolerancia impuesta al valor de dispersión en este caso es muy estricta, dado que un cambio en el valor de dispersión de unos pocos ps/km.nm conduce a grandes variaciones en la máxima distancia alcanzable (mayor pendiente de la curva para valores reducidos del parámetro de dispersión cromática. Aunque la dispersión de la fibra no suele variar significativamente, las variaciones relativas son mayores conforme se reduce el valor del parámetro de dispersión. Luego en sistemas que utilizan fibras de dispersión desplazada debe considerarse cuidadosamente este aspecto.

Sistema MODAL

El sistema MODAL (Microwave Optical Duplex Antena Link) hace referencia a un proyecto de investigación del RACE II (Research and Development for Advanced Communications in Europe) destinado a la búsqueda de aplicaciones de las técnicas fotónicas de generación de señales a frecuencias milimétricas para la provisión de servicios de telecomunicaciones móviles en Europa.

En el caso de las comunicaciones móviles se espera que UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) proporcione la mayor parte de la capacidad requerida. Sin embargo, debido a que UMTS operará a frecuencias bajas de microondas, no podrá proporcionar servicios de banda ancha. Por ello, las redes inalámbricas de alta capacidad del futuro se espera que utilicen el espectro de frecuencias milimétricas como medio de acceso. Con este propósito, en Europa se han identificado dos sub-bandas para aplicaciones móviles de banda ancha: para enlaces de estación base a móvil la banda de 62 a 63 GHz, mientras que para enlaces de móvil a estación base la banda de 65 a 66 GHz. Estas bandas son especialmente atractivas para sistemas de alta capacidad debido a la adecuada disponibilidad de espectro radioeléctrico. Precisamente uno de estos sistemas es el llamado MBS (Mobile Broadband System), en el cual se está investigando activamente.

El proyecto MODAL ha contribuido al desarrollo de este tipo de sistemas por medio de la investigación de técnicas basadas en fibra óptica para la interconexión de unidades de antena remotas con una estación base central. Adicionalmente, también se investigaron métodos ópticos para la generación de las frecuencias milimétricas requeridas por estos sistemas. El consorcio participante en el proyecto estaba formado inicialmente por Alcatel-SEL, Universidad de Gales, Universidad de Aveiro, Universidad Técnica Nacional de Atenas y CET, a los cuales se incorporaron posteriormente nuevos miembros como GEC-Marconi, Caswell, Thomson-CSF, Universidad de Lille y el Instituto Fraunhoffer.

El proyecto MODAL consistía originalmente en demostrar un enlace de fibra bidireccional operando a 30 GHz. La decisión de trabajar a 30 GHz fue tomada debido a la disponibilidad comercial de dispositivos optoelectrónicos en este rango de frecuencias. Posteriormente, los objetivos del proyecto se extendieron y la frecuencia de operación se aumentó hasta los 60 GHz, incluyendo el desarrollo de nuevos circuitos MMIC y dispositivos optoelectrónicos para permitir estas altas frecuencias. En la figura 3 se resume el área donde se enmarca y las aplicaciones del proyecto MODAL.

La topología del sistema MODAL se observa en la figura 4. Para el enlace descendente (estación base a móvil) se emplea como transmisor una fuente óptica de dos frecuencias y un modulador electro-óptico lineal de  baja frecuencia. Esta técnica de transmisión es la más adecuada para trabajar con subportadoras moduladas, ya que otros métodos no poseen la suficiente linealidad cuando se trabaja con frecuencias elevadas. La longitud de onda de trabajo era de 1550 nm para permitir la integración de amplificadores de fibras dopada con erbio (EDFA) en el sistema y, de este modo, obtener un nivel de potencia óptica suficiente que proporcione la calidad de señal eléctrica requerida a la entrada de la unidad de antena remota.

El método de generación basado en una fuente óptica dual consiste en proporcionar la portadora de milimétricas aprovechando el proceso no lineal de fotodetección. De este modo, la fuente óptica genera dos portadoras ópticas coherentes separadas exactamente la frecuencia de milimétricas que queremos obtener. Posteriormente, una de estas portadoras se modula con la señal de datos de baja frecuencia y se combina con la otra portadora para ser transmitidas sobre el enlace de fibra. En este caso, dado que sólo se modula una de las portadoras, la dispersión cromática de fibra no supone ninguna limitación para el alcance del sistema. En recepción, el batido no lineal que se produce en el fotodiodo entre ambas portadoras ópticas da lugar a la generación de la portadora de milimétricas sobre la que se encontrarán modulados los datos a transmitir.

En el caso del enlace de retorno se escogió una longitud de onda de 1300 nm (segunda ventana), permitiendo la utilización del mismo enlace de fibra en ambas direcciones. Este enlace ascendente (móvil a estación base) utiliza como transmisor óptico un diodo láser de gran linealidad para minimizar la distorsión de intermodulación, junto con un receptor sintonizado de bajo ruido y gran margen dinámico para acomodar el amplio rango de niveles de señal asociado al entorno móvil.

Autor: Francisco Ramos Pascual. Ingeniero de Telecomunicación. Profesor de Radiocomunicaciones en la Universidad Politécnica de Valencia.

Más información o presupuesto