Y APROBADA POR EL SIGUIENTE COMITÉ
Dr. Arturo Arvizu Mondragón Dr. J. Apolinar Reynoso Hernández Codirector del Comité Codirector del Comité
Dr. Horacio Soto Ortiz Dr. Víctor Ruiz Cortés Miembro del Comité Miembro del Comité
Dr. Luis Alejandro Márquez Martínez Dr. David Hilario Covarrubias Rosales Coordinador del programa de
posgrado en Electrónica y Telecomunicaciones
Encargado del Despacho de la Dirección de Estudios de Posgrado
PROGRAMA DE POSGRADO EN CIENCIAS EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN FOTO-RECEPTOR PARA SISTEMAS DE TRANSMISIÓN DE SEÑALES DE RADIOFRECUENCIA A
TRAVÉS DE FIBRA ÓPTICA EMPLEANDO UN MEZCLADOR OPTOELECTRÓNICO
TESIS
que para cubrir parcialmente los requisitos necesarios para obtener el grado de MAESTRO EN CIENCIAS
Presenta:
MARIO ALONSO CHÁVEZ VARGAS
RESUMEN de la tesis de Mario Alonso Chávez Vargas, presentada como requisito parcial para la obtención del grado de MAESTRO EN CIENCIAS en ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Ensenada, Baja California, México. Noviembre del 2007.
“
Diseño, implementación y caracterización de un foto-receptor para
sistemas de transmisión de señales de radiofrecuencia a través de fibra
óptica empleando un mezclador optoelectrónico
"Resumen aprobado por:
Dr. Arturo Arvizu Mondragón Dr. J. Apolinar Reynoso Hernández
Codirector de Tesis Codirector de Tesis
Las técnicas de comunicaciones ópticas han emergido como un medio de costo efectivo para la distribución de señales de radiofrecuencia (RF) donde la señal de banda base (BB) o de frecuencia intermedia (IF) es montada en una portadora óptica, y posteriormente es detectada y convertida a una señal de RF. La arquitectura de este tipo de sistemas es comúnmente llamada sistema de radio-sobre-fibra (RoF).
Por otro lado, los mezcladores optoelectrónicos (OEM) a base de transistores pseudomórficos de alta movilidad electrónica (PHEMTs) presentan varias ventajas para las aplicaciones de RoF, ya que permiten combinar funciones de oscilación local, foto-detección, y conversión de frecuencia ascendente; además proporcionan un aislamiento de microondas, el cual no es posible de obtener en el mezclador de microondas convencional.
La presente tesis versa sobre la aplicación de los mezcladores optoelectrónicos auto-oscilantes en los sistemas de radio-sobre-fibra. En particular, se realizaron dos mezcladores, uno con un PHEMT en sustrato de InP como dispositivo activo para la detección de un haz de luz modulado de 1550 nm, y otro con un PHEMT en sustrato de GaAs para la detección de un haz de luz modulado de 850 nm. Se reportan los resultados de caracterización electro-óptica del transistor; en donde, las curvas obtenidas en oscuridad permiten decidir el punto óptimo de operación del mezclador optoelectrónico auto-oscilante, y las curvas obtenidas
en iluminación muestran el comportamiento de la foto-corriente (IPH) generada por el
dispositivo. Por otra parte, se demostró experimentalmente que la IPH del drenador es
dependiente del estado de polarización del haz de luz monocromático. Los resultados experimentales muestran que el mezclador opto-electrónico auto-oscilante posee amplios rangos de mezclado dentro de la banda de 5 GHz de oscilación local, siendo capaz de seguir generando productos de mezclado para una señal de IF de 2 GHz a pesar de que los
PHEMTs utilizados durante el trabajo de tesis no poseen una transconductancia (gm) muy
grande.
ABSTRACT of the thesis presented by Mario Alonso Chávez Vargas as a partial requirement to obtain the MASTER OF SCIENCE degree in ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS. Ensenada, Baja California, Mexico. November 2007.
“Design, implementation and characterization of a photoreceiver for
radio frequency transmission systems over optical fiber employing an
optoelectronic mixer”
Abstract approved by:
Dr. Arturo Arvizu Mondragón Dr. J. Apolinar Reynoso Hernández
Thesis Co-director Thesis Co-director
The optical communication techniques are a cost effective approach for the radio frequency signals (RF) distribution, where the baseband (BB) or intermediate frequency signal (IF) is used to modulate an optical source. The resulting optical signal is then carried over an optical fiber link to the remote station, where the data is photodetected and up-converted. This architecture is known as radio-over-fiber (RoF) technology.
Moreover, pseudomorphic high electron mobility transistors (PHEMT’s) may be used as optoelectronic mixers (OEM). This device has several advantages in RoF applications because with its use it is possible to carry out local oscillation, photodetection and up-conversion simultaneously; furthermore it can provide a microwave isolation which it is not possible in a conventional microwave mixer.
This thesis is related with the self-oscillating optoelectronic mixers application in RoF systems. We have implemented two mixers using: a) InP PHEMT as an active device in order to perform a 1.55 µm light photodetection; b) GaAs PHEMT as an active device in order to perform a 0.85 µm light photodetection. We reported the results of the electro-optical transistor characterization. The curves obtained under dark conditions are used to choose the optimal self-oscillating optoelectronic mixer bias point; and the curves obtained
under illuminated conditions show the performance of the photocurrent device (IPH). On the
other hand, the polarization dependence of the photocurrent is experimentally demonstrated. The experimental results show wide mixing ranges over the 5 GHz band. Additionally, the self-oscillating optoelectronic mixer is capable to up-convert a 2 GHz IF signal in spite of the transconductance values of the PHEMT’s that were used in this work.
DEDICATORIA
A mis padres Luz H. Vargas Granillo y Alberto Chávez Chávez, de
quienes aprendí que siempre hay que dar lo mejor de sí mismo. Ellos me han ayudado a crecer como persona, saber quien soy y de donde provengo.
Gracias por cada uno de los valores que nos enseñaron: humildad,
honestidad, aceptación, coraje, seguridad, cariño, perseverancia...
A mis hermanos Rossy, Beto y Tony, quienes junto con sus familias me
han abierto las puertas de cada uno de sus corazones, siempre me han tratado como si ya fuera esa persona que quieren que llegue a ser.
Le doy gracias a Nuestro Padre Dios por permitir que formen parte de mi
vida.
La vida es algo incierta por la cual debes de luchar cada día y permitirte la felicidad de estar vivo...
AGRADECIMIENTOS
Al Dr. Arturo Arvizu por su gran apoyo y sus valiosas sugerencias en este trabajo de tesis. Gracias por sus atinados consejos, su enorme paciencia y comprensión por causa de mi manera de ser y actuar. Doctor fue un gran honor haber trabajado con usted, y le agradezco por haber sido mi maestro, asesor, y amigo.
Al Dr. Apolinar Reynoso por la confianza que demostró al permitir que estuviera dentro de su grupo de trabajo. Gracias por su apoyo y asistencia en momentos esenciales del trabajo de tesis. Usted es una gran persona, le agradezco por su asesoramiento y amistad, fue un gran honor haber trabajado con usted durante este año de tesis.
A los miembros del comité de tesis, Dr. Horacio Soto y Dr. Víctor Ruiz, gracias por sus consejos y comentarios durante el desarrollo de la tesis.
Al M.C. Ramón Muraoka por su excelente asistencia y apoyo en el laboratorio de Comunicaciones Ópticas. Gracias por haber sido un gran compañero de trabajo y un gran amigo, nunca cambies.
Al técnico asociado Miguel de Jesús Farfán por su gran apoyo en el proyecto de tesis.
A la Dra. María del Carmen Maya y al M.C. Eleazar Zúñiga por su excelente asistencia y comentarios en el laboratorio de GaAs.
A todos los investigadores con los que tome cursos de posgrado.
A todos mis compañeros y amigos del CISESE: Iván, gracias por aguantarme estos dos años como roommate; Lennin, gracias por tu amistad y esos refrescos; Beto y Sarai, gracias por su compañía, sus charlas y sus invitaciones; Andalón, por todos los tours; Jorge, por los paseos en jeep; Kobe, por los partidos de básquet; Andrés “la grúa 1”, por los días del cubo; Aldo, por sus charlas y apoyo; Jonatán, Daniel y Luis, por los juegos de fut; Brenda, Ana, Maricarmen y Adán, por haber sido mis primeros amigos en Ensenada; Dania y Daniel, por su apoyo; a Richard y Edna, por su serenidad; Rubén y Ale, por sus reuniones; Erika y Leonel, por su retroalimentación en los cursos; a los fiesteros de Javier, Marco, Sergio, Paul, Varun y otros perdidos que ya mencione; Carlitos, por su manera de pensar; Augusto y Rufina, por ver como le hacia al matrix en la primer carne asada; Raymundo, por esos apodos.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por su apoyo económico a través del programa de becas, el cual hizo posible esta etapa de mi formación profesional.
El tiempo es el mejor amigo de cada momento esperado y el peor enemigo de dicho momento al tener que culminar...
Tabla de Contenido
Página
Capítulo I. Introducción……….…... 1
I.1. Antecedentes……… 2
I.2. Objetivos……….. 3
I.3. Organización de la tesis………...…… 4
Capítulo II. Sistemas de Radio sobre Fibra (RoF)……….. 5
II.1. Introducción……… 5
II.2. Beneficios de la tecnología de RoF……… 7
II.3. Tipos de configuración de los enlaces de RoF………... 8
II.4. Generación de señales de RoF mediante modulación de intensidad……. 11
II.5. Resumen del capítulo………. 13
Capítulo III. Sistemas de comunicaciones inalámbricas bajo el esquema de RoF……… 14
III.1. Introducción……….. 14
III.2. Sistema Global para las Telecomunicaciones Móviles (GSM)……….… 15
III.2.1. Interface aérea……….. 15
III.2.2. Elementos principales de la arquitectura GSM……… 17
III.2.3. Distribución de señales GSM por medio de RoF………. 19
III.3. Redes Inalámbricas de Área Local (WLANs)……….. 21
III.3.1. Uso de los sistemas de RoF sobre las WLANs……… 22
III.4. Resumen del capítulo……… 23
Capítulo IV. Aspectos generales del Transistor Pseudomórfico de Alta Movilidad Electrónica (PHEMT)……… 24
IV.1. Introducción……….. 24
IV.2. Estructura del PHEMT……….. 25
IV.3. Características eléctricas en DC del PHEMT………... 27
IV.4. Características de fotodetección del PHEMT………... 30
IV.4.1. Efecto fotovoltaico………... 33
IV.4.2. Efecto fotoconductivo……….. 34
IV.5. Resumen del capítulo……… 34
Capítulo V. Empleo del PHEMT como Mezclador Optoelectrónico………… 36
V.1. Introducción………... 36
V.2. Principios de un oscilador retroalimentado……… 37
V.3. El Mezclador Optoelectrónico Auto-oscilante………... 40
V.4. Principio de operación de un Mezclador Optoelectrónico a base de un Transistor Pseudomórfico de Alta Movilidad Electrónica………. 42
Tabla de Contenido
(
CONTINUACIÓN)
Página
Capítulo VI. Desarrollo Experimental………. 47
VI.1. Características eléctricas en DC del PHEMT………... 47
VI.1.1. Esquema experimental………. 47
VI.1.2. Curvas IDS-VDS………... 48
VI.1.3. Curvas IDS-VGS………... 51
VI.1.4. Curvas gm-VGS………. 51
VI.1.5. Curvas gd-VDS……….. 54
VI.2. Características eléctricas en DC del PHEMT bajo iluminación………... 54
VI.2.1. Esquema básico experimental……….. 56
VI.2.2. Curvas IDS-VDS bajo la incidencia de una potencia óptica………... 58
VI.2.3. Curvas IDS-VGS bajo la incidencia de una potencia óptica………... 58
VI.2.4. Curvas de foto-corriente (IPH)……….. 61
VI.2.5. Curvas de transconductancia bajo la incidencia de una potencia óptica……….. 65
VI.2.6. Curvas de conductancia bajo la incidencia de una potencia óptica. 65 VI.2.7. Variación de la potencia óptica incidente……… 68
VI.2.8. Variación de la longitud de onda del haz de luz incidente……….. 70
VI.2.9. Variación del estado de polarización del haz de luz incidente…… 72
VI.2.9.1. Incidencia de un haz de luz mediante una fibra PMF y variación del ángulo del estado de polarización lineal a la salida del polarizador………... 74
VI.2.9.2. Incidencia de un haz de luz mediante una fibra SMF y variación del ángulo del estado de polarización lineal a la salida del polarizador………... 76
VI.2.9.3. Incidencia de un haz de luz por el espacio libre y variación del ángulo del estado de polarización lineal……… 78
VI.3. El mezclador optoelectrónico auto-oscilante en los sistemas de RoF…. 81 VI.3.1. Esquema experimental de un oscilador de realimentación a base de un PHEMT………. 81
VI.3.2. Esquema experimental de un mezclador optoelectrónico auto-oscilante……….. 85
VI.3.2.1. Planaridad del enlace óptico……….. 87
VI.3.3. Implementación del mezclador optoelectrónico auto-oscilante para señales de un solo tono………... 89
VI.3.4. Implementación del mezclador optoelectrónico auto-oscilante para señales con velocidad y ancho de banda similar a GSM…….. 93
VI.3.4.1. Generación de una señal con velocidad y ancho de banda similar a GSM……….. 93 VI.3.4.2. Respuesta de foto-detección y mezclado de una señal TTL
Tabla de Contenido
(
CONTINUACIÓN)
Página
VI.3.5. Implementación del mezclador optoelectrónico auto-oscilante
para señales de video……… 97
VI.3.5.1. Esquema experimental……….. 97
VI.3.5.2. Respuesta de foto-detección y mezclado de una señal NTSC……….. 98
Capítulo VII. Discusión de Resultados………. 100
VII.1. Introducción………. 100
VII.2. Conclusiones……… 101
VII.3. Aportaciones……… 103
VII.4. Trabajo a Futuro……….. 103
Referencias……….. 105
Apéndice A. Análisis para la foto-detección del PHEMT………... 110
Apéndice B. VCSEL Multimodal New Focus 1780………. 113
Apéndice C. Láser DWDM sintonizable New Focus TLB3902……….. 117
Apéndice D. Moduladores Electro-ópticos tipo Mach-Zehnder……… 122
Lista de Figuras
Página
Figura 1. Sistema básico de RoF (Ng’oma, 2005)………... 6
Figura 2. Configuraciones de un enlace de RoF. (a) RF-sobre-fibra. (b) IF-sobre fibra. (c) BB-sobre-fibra (Kim, 2005)………... 10
Figura 3. Generación de señales RoF mediante la modulación de intensidad. (a) Modulación de intensidad directa. (b) Modulación de intensidad exter-na……….. 11
Figura 4. Enlace RoF IM/DD descendente (Ackerman et al. 2001)……….…….. 12
Figura 5. Arquitectura del sistema GSM (Lucent Technologies, 1996)………….. 18
Figura 6. Modificación de la arquitectura GSM para el empleo de RoF…………. 20
Figura 7. Esquema básico de una WLAN……….... 21
Figura 8. Esquema básico de una WLAN mediante RoF……….... 23
Figura 9. Estructura Física del PHEMT en substrato de InP……… 26
Figura 10. Bandas de energía del PHEMT en substrato de InP………. 27
Figura 11. Curvas IDS-VDS de un PHEMT en substrato de InP (Kang, 2004)…….... 28
Figura 12. Partes esenciales de un oscilador (Leven, 2000)……….. 37
Figura 13. Esquema de un sistema realimentado (Ruiz Merino, 2007)………. 39
Figura 14. Esquema de un mezclador optoelectrónico auto-oscilante (Fong Mata, 2006)………. 40
Figura 15. Esquema para la obtención de las características en DC del PHEMT….. 47
Figura 16. Curvas IDS-VDS del PHEMT a diferentes voltajes de drenador. (a) Curvas del PHEMT en substrato semiaislante de GaAs. (b) Curvas del PHEMT en substrato semiaislante de InP………. 50
Figura 17. Curvas IDS-VGS del PHEMT a diferentes voltajes de drenador. (a) Curvas del PHEMT en substrato de GaAs. (b) Curvas del PHEMT en substrato de InP………. 52
Figura 18. Curvas de transconductancia para diferentes voltajes de compuerta. (a) Curvas gm-VGS de un PHEMT en substrato de GaAs. (b) Curvas gm -VGS de un PHEMT en substrato de InP……… 53
Figura 19. Curvas de conductancia para diferentes voltajes de compuerta. (a) Curvas Gds-VGS de un PHEMT en substrato de GaAs. (b) Curvas Gds -VGS de un PHEMT en substrato de InP……… 55
Figura 20. Esquema para la obtención de las características en DC del PHEMT bajo iluminación. (a) Esquema del PHEMT en substrato de GaAs. (b) Esquema del PHEMT en substrato de InP……… 57
Lista de Figuras
(
CONTINUACIÓN)Página
Figura 22. Curvas IDS-VGS, con iluminación y sin iluminación del PHEMT, a
diferentes voltajes de compuerta. (a) PHEMT en substrato de GaAs; el haz de luz tiene una potencia óptica de aproximadamente 660 µW en la ventana óptica de 850 nm. (b) PHEMT en substrato de InP; el haz de luz tiene una potencia óptica de aproximadamente 500 µW y una
longitud de onda de 1527 nm……… 60
Figura 23. Curvas IPH- VDS para diferentes voltajes de compuerta. (a) PHEMT en
substrato de GaAs; el haz de luz multimodal tiene una potencia óptica de aproximadamente 660 µW en la ventana óptica de 850 nm. (b) PHEMT en substrato de InP; el haz de luz tiene una potencia óptica de
aproximadamente 500 µW y una longitud de onda de 1527 nm……….. 62
Figura 24. Curvas IPH-VGS para diferentes voltajes de drenador. (a) PHEMT en
substrato de GaAs; el haz de luz multimodal tiene una potencia óptica de aproximadamente 660 µW en la ventana óptica de 850 nm. (b) PHEMT en substrato de InP; el haz de luz tiene una potencia óptica de
aproximadamente 500 µW y una longitud de onda de 1527 nm……….. 64
Figura 25. Curvas de transconductancia en oscuridad e iluminación. (a) Curvas
gm-VGS del PHEMT en substrato de GaAs, POPT ≈ 660 μW, ventana
óptica de 850 nm. (b) Curvas gm-VGS del PHEMT en substrato de InP,
POPT ≈ 500 μW, 1527 nm……….. 66
Figura 26. Curvas de conductancia en oscuridad e iluminación. (a) Curvas gds
-VGS para el PHEMT de substrato de GaAs, POPT ≈ 660 μW, ventana
óptica de 850 nm. (b) Curvas gds-VGS para el PHEMT de substrato de
InP, POPT ≈ 500 μW, 1527 nm……….. 67
Figura 27. Curvas de foto-corriente del PHEMT en substrato de GaAs a diferentes niveles de potencia óptica de un haz de luz multimodal en la ventana de
850 nm. (a) Curvas IPH –VDS para un voltaje de compuerta de -250
mV. (b) Curvas IPH -VGS para un voltaje de drenador de 1 V…………... 69
Figura 28. Curva IPH-POPT para un voltaje VGS de -200 mV y un voltaje VDS de 1
V………... 70
Figura 29. Curvas de foto-corriente del PHEMT en substrato de InP a diferentes longitudes de onda de un haz de luz monomodal en la ventana de 1550
nm. (a) Curvas IPH –VDS para un voltaje de compuerta de -300 mV. (b)
Curvas IPH -VGS para un voltaje de drenador de 750 mV………. 71
Figura 30. Curva IPH-λ para un voltaje VGS de -300 mV y un voltaje VDS de 0.75
V……… 72
Figura 31. Esquemas para la incidencia de diferentes estados de polarización sobre el PHEMT en substrato de InP. (a) Esquemas empleando una fibra SMF o PMF para la incidencia de luz sobre el transistor. (b) Esquema
Lista de Figuras
(
CONTINUACIÓN)Página
Figura 32. Comportamiento de la foto-corriente del PHEMT en substrato de InP iluminado por un haz de luz monomodal de 1533.1 nm a diferentes estados de polarización, y cuyo medio de transmisión es una fibra
PMF. (a) Curvas IPH –VDS para un voltaje de compuerta de -450 mV.
(b) Curvas IPH -VGS para un voltaje de drenador de 550 mV……… 75
Figura 33. Curvas de foto-corriente de un PHEMT en substrato de InP iluminado por un haz de luz monomodal de 1533.1 nm a diferentes estados de polarización, y cuyo medio de transmisión es una fibra PMF. Los voltajes de alimentación para el drenador y la compuerta son seleccionados para una máxima foto-corriente y una máxima
transconductancia, respectivamente………. 76
Figura 34. Comportamiento de la foto-corriente del PHEMT en substrato de InP iluminado por un haz de luz monomodal de 1533.1 nm a diferentes estados de polarización, y cuyo medio de transmisión es una fibra
SMF. (a) Curvas IPH –VDS para un voltaje de compuerta de -300 mV.
(b) Curvas IPH -VGS para un voltaje de drenador de 450 mV……… 77
Figura 35. Curvas de foto-corriente del PHEMT en substrato de InP iluminado por un haz de luz monomodal de 1533.1 nm a diferentes estados de polarización, y cuyo medio de transmisión es una fibra SMF. Los voltajes de alimentación para el drenador y la compuerta son seleccionados para una máxima foto-corriente y una máxima
transconductancia, respectivamente……….. 78
Figura 36. Incidencia del haz de luz mediante un esquema de transmisión por
espacio libre para la incidencia de luz sobre el PHEMT……….. 79
Figura 37. Curvas de foto-corriente para el PHEMT en substrato de InP iluminado por un haz de luz monomodal de 1533.1 nm a diferentes estados de polarización, y cuyo medio de transmisión es el aire. Los voltajes de alimentación son de -200 mV y de 250 mV para la compuerta y el
drenador, respectivamente……… 80
Figura 38. Esquema de un oscilador de retroalimentación a base de un PHEMT…. 82
Figura 39. Armónicos de oscilación del oscilador de retroalimentación. (a) Oscilador de retroalimentación a base de un PHEMT en substrato de GaAs. (b) Oscilador de retroalimentación a base de un PHEMT en
substrato de InP………. 84
Figura 40. Diagrama esquemático de un mezclador optoelectrónico auto-oscilante a base de un transistor pseudomórfico de alta movilidad electrónica en
substrato de InP………. 86
Figura 41. Potencia del primer armónico de las señales de un solo tono a la salida
del driver H301 implementadas para la evaluación del enlace óptico… 88
Lista de Figuras
(
CONTINUACIÓN)Página
Figura 42. Potencia del primer armónico de frecuencia de las señales de un solo
tono fotodetectadas mediante el receptor óptico modelo 300 BCP con
fotodetector FPD13R12JT. La ganancia del receptor es ajustada a 9.89. 88
Figura 43. Diseño de sistema de conversión ascendente de frecuencia para una señal de radiofrecuencia. (a) Enlace óptico analógico. (b) Mezclador
optoelectrónico auto-oscilante………. 89
Figura 44. Espectro de frecuencia en la banda de 5 GHz para el mezclado
ascendente de una señal sinusoidal de 425 MHz………. 90
Figura 45. Armónico de oscilación del mezclador bajo la incidencia de una portadora óptica modulada. (a) Armónico de oscilación principal del mezclador optoelectrónico auto-oscilante a base de un PHEMT en substrato de InP. (b) Armónico de oscilación principal del mezclador optoelectrónico auto-oscilante a base de un PHEMT en substrato de
GaAs………. 90
Figura 46. Potencia del primer armónico de las señales de un solo tono a la salida del driver H301 implementadas para la evaluación del mezclador
optoelectrónico auto-oscilante………. 91
Figura 47. Potencia de los armónicos generados en el mezclado ascendente de señales sinusoidales con diferente frecuencia por medio del mezclador
optoelectrónico auto-oscilante………. 92
Figura 48. Bandas laterales de información generadas por el mezclado ascendente de una señal sinusoidal de 2 GHz por medio de un mezclador
opto-electrónico auto-oscilante (a) LSB. (b) USB……… 92
Figura 49. Señales TTL moduladas en la banda de GSM-450. (a) 10101010. (b)
PRBS-6………. 94
Figura 50. Potencia detectada en las bandas laterales generadas por el mezclado ascendente de las señales TTL en las diferentes bandas de la
tecnología GSM……… 95
Figura 51. Señales de RF trasladadas a la banda de 5 GHz. (a) 8 bits modulados en la banda de GSM-450. (b) 8 bits modulados en la banda de GSM-900. (c) Señal pseudoaleatoria (PRBS-6) modulada a 100 MHz. (d) Señal
pseudoaleatoria (PRBS-6) modulada en la banda de GSM-450……….. 96
Figura 52. Diagrama esquemático de un mezclador optoelectrónico auto-oscilante
a base de un PHEMT de substrato de GaAs………. 97
Figura 53. Señales de video NTSC. (a) Señal original (canal 3). (b) Señal foto-detectada y ascendida en frecuencia por el mezclador optoelectrónico
auto-oscilante……… 99
Figura 54. Potencia detectada en las bandas laterales generadas por el mezclado
ascendente de las señales de video NTSC……… 99
Lista de Figuras
(
CONTINUACIÓN)Página
Figura 55. El no encapsulado de los dispositivos hace posible la penetración y absorción de la potencia óptica en el PHEMT. (a) PHEMT en substrato
de GaAs. (b) PHEMT en substrato de InP……… 110
Figura 56. Variación de la energía de banda prohibida con respecto a la
compo-sición del Galio (Jaraalbe, 2007)……….. 111
Figura 57. Módulo láser New Focus 1780 (New Focus Inc., 2001)……….. 113
Figura 58. Módulo láser New Focus TLB3902 (New Focus Inc., 2003)………….. 117
Figura 59. Modulador Mach-Zehnder con guía de onda en un cristal electro-óptico
(Cummings, 2005)………... 123
Figura 60. Frentes de onda a la salida del combinador para desplazamientos de
fase de 0 y 180 grados entre las ondas (Cox III, 2004)……… 124
Figura 61. Función de transferencia óptica del MZM, TFF=0.5………. 125
Figura 62. Componentes del campo eléctrico……… 128
Figura 63. Estado de la polarización en función de Ey/Ex y el ángulo de fase…... 129
Lista de Tablas
Página
Tabla I. Bandas de frecuencia de GSM (GSM Association, 2007)…………... 15
Tabla II. Frecuencias portadoras de GSM (ETSI TS 100 910 V8.20.0, 2005)… 16
Tabla III. Potencia óptica a la salida del polarizador 2………. 81
Tabla IV. Niveles de la señal suministrada al módulo laser New Focus 1780…. 114 Tabla V. Comportamiento del VCSEL a diferentes niveles de alimentación….. 115 Tabla VI. Conversiones canal-longitud de onda del TLB-3902 (New Focus
Las técnicas de comunicaciones ópticas han emergido como un medio de costo efectivo
para la distribución de señales de radiofrecuencia. Aunado a las pequeñas pérdidas y el
amplio ancho de banda de la fibra óptica, una red híbrida capaz de distribuir señales de
radiofrecuencia de banda ancha puede ser llevada a cabo. La arquitectura de este sistema es
comúnmente llamada sistema de radio-sobre-fibra (RoF).
En la etapa de recepción de los sistemas de RoF, generalmente se emplea un fotodiodo
del tipo avalancha o p-i-n, pero también los fototransistores de heterounión pueden ser
utilizados para reconstruir la señal de información. La necesidad de una etapa de
modulación posterior para la transmisión de información en el dominio de radiofrecuencia
es una limitante importante para los fotodetectores, ya que es necesario el uso de
dispositivos adicionales para el mezclado y acondicionamiento de la señal, como
consecuencia, el costo de dicho sistema se ve afectado.
El área de investigación sobre el control óptico de dispositivos de microondas ha tenido
un rápido crecimiento debido al aislamiento inherente de las señales de radiofrecuencia y su
inmunidad a la interferencia electromagnética [Yajian et al., 2001]. En el control óptico, la
luz provee el medio de acoplamiento, permitiendo el control de la señal para ser distribuida
usando tecnología de fibra óptica. Entonces, una señal óptica proporciona una terminal
evitando el empleo de las redes de desacoplo, las cuales son indeseables por las pérdidas
que causan y sus dimensiones inapropiadas para la miniaturización. El empleo de
transistores pseudomórficos de alta movilidad electrónica (PHEMTs) es una alternativa
adicional para la detección de señales ópticas, ya que son dispositivos útiles para la
integración optoelectrónica, desempeñando una foto-detección con una elevada ganancia
interna mientras se conserva la compatibilidad con los procesos de diseño de circuitos
integrados monolíticos de microondas (MMIC) convencionales. Además, estos transistores
proporcionan funcionalidades adicionales como el mezclado optoelectrónico auto-oscilante,
el cual permite que un solo dispositivo sea capaz de realizar las funciones de oscilación
local, foto-detección y mezclado ascendente en los sistemas de RoF.
I.1 Antecedentes
Desde hace algunos años, varios autores de diversas naciones han investigado el efecto
de la iluminación óptica sobre los transistores de efecto de campo (FETs) [De Salles,
1983], los transistores de efecto de campo metal-semiconductor (MESFETs) [De Salles,
1991], y los transistores de alta movilidad electrónica (HEMTs) [Romero et al., 1996;
Takanashi et al., 1998; Yajian et al., 2001; Kang, 2004; Choi et al., 2005]. Asimismo, se
han propuesto sistemas de comunicación inalámbricos bajo el esquema de un sistema RoF
que utilice un transistor de efecto de campo como foto-detector y mezclador. En
investigaciones previas del CICESE se ha realizado un análisis teórico y experimental de la
influencia de la luz en los transistores de efecto de campo [Zeballos Castro, 2000; Zúñiga
Juárez, 2002; Hirata Flores, 2004], así como el control óptico de osciladores de microondas
estudio y modelado de mezcladores optoelectrónicos y osciladores basados en transistores
del tipo MESFET y PHEMT [Pérez Pérez, 2005; Soberanes Flores, 2005; Fong Mata,
2006]. En dichos proyectos de investigación se observó y demostró que los MESFETs y
PHEMTs de propósito general son capaces de detectar y mezclar señales ópticas moduladas
en intensidad sin la necesidad de algún tratamiento especial.
I.2 Objetivos
En particular, el enfoque de este trabajo se encuentra dirigido al uso del PHEMT como
foto-detector y mezclador para su evaluación en el diseño e implementación de los sistemas
RoF. Los objetivos que se pretenden lograr durante el desarrollo del presente proyecto son
los siguientes:
Utilizar la infraestructura disponible del laboratorio de Comunicaciones Ópticas y del
laboratorio de Arseniuro de Galio para manejar señales de información en un esquema
de comunicaciones de radio-sobre-fibra (RoF), complementando los resultados
obtenidos en investigaciones previas desarrolladas en el Centro de Investigación
Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE).
Aprovechar el hecho de que los PHEMTs de propósito general son capaces de detectar
y mezclar señales ópticas moduladas en intensidad sin la necesidad de algún
tratamiento especial.
Evaluar el desempeño del transistor PHEMT como un dispositivo foto-receptor y de
I.3. Organización de la tesis
En el capítulo II se presenta el estudio teórico de la tecnología de RoF. De esta manera,
se tratan de mostrar los beneficios de la tecnología de RoF sobre cierto tipo de aplicaciones
inalámbricas, y la manera en que podría ser llevada a cabo. En el capítulo III se explica la
teoría referente a varios tipos de tecnologías inalámbricas. De esta manera se tienen los
fundamentos necesarios para poder realizar las modificaciones de capa física requeridas
para implementar la tecnología de RoF en el presente proyecto de tesis. En el capítulo IV se
mencionan las características referentes al comportamiento de los parámetros y estructura
del PHEMT. Asimismo, se analizan los factores que permiten la absorción de luz para la
foto-generación de pares electrón-hueco en este tipo de transistores de efecto de campo.
En el capítulo V se presentan las bases del mezclador optoelectrónico auto-oscilante. Se
menciona el comportamiento del mezclador bajo la presencia de un haz de luz y sin la
presencia del mismo. Además, se realiza un análisis matemático del proceso de
foto-detección y mezclado de la señal foto-detectada, describiendo cada uno de los parámetros
que participan en la generación de la potencia foto-detectada.
En el capítulo VI se presenta el comportamiento experimental del PHEMT en oscuridad
e iluminación en substrato de InP y AlGaAs respectivamente, así como el diseño del
esquema de RoF empleado en el presente trabajo. Asimismo, se presentan los resultados
obtenidos del mezclador optoelectrónico auto-oscilante. Finalmente, en el capítulo VII se
muestran las conclusiones del proyecto de tesis desarrollado, así como las aportaciones y
C
APÍTULO II. Sistemas de Radio sobre Fibra
(RoF)
II.1. Introducción
Radio-sobre-fibra (RoF) es una tecnología en la que señales eléctricas de
radio-frecuencia son distribuidas por medio de componentes y técnicas ópticas. La figura 1
muestra el esquema básico de un sistema de RoF, el cual es formado por una estación
central (EC), en la que son realizadas todas las funciones de conmutación, enrutamiento,
control de acceso al medio y administración de frecuencias; y una red de fibra óptica, la
cual interconecta un gran número de estaciones remotas (ERs) para la distribución de la
información al medio inalámbrico. La ER no posee funciones de procesamiento por
consideraciones de costo y su función principal es convertir la señal óptica a una eléctrica
lista para ser irradiada. La configuración centralizada en este tipo de sistemas permite que
el equipo sensible se encuentre localizado en un ambiente seguro y que los componentes de
elevado costo sean compartidos entre varias ERs simplificando la arquitectura total de la
red. La longitud de onda de la portadora óptica es seleccionada para coincidir en alguna de
las ventanas ópticas que son empleadas en los sistemas de comunicaciones ópticos de la
actualidad. La ventana de 1.55 μm presenta una mínima atenuación, por lo que dicha
longitud de onda puede ser empleada para enlaces de comunicaciones de gran longitud.
de ven ban enl ven disp ven ven la i es dist una line fibra óptica
ntana de 1.3
nda donde la
aces de gra
ntana emplea
ponibles par
ntajas en térm
ntana de 0.85
ntegración d
A diferenci
transmitida,
tribuye la on
a ER. La t
ealidad y ra
a, permitiend
μm tambié
a dispersión c
an longitud y
ada en los en
ra comunica
minos de la
5 μm aún pu
del GaAs [Co
a de las rede
una red d
nda de radio
transmisión
ango dinámi Figu
do aumentar
n ha sido em
cromática er
y/o de alta
nlaces óptico
aciones ópti
as pérdidas ó
uede ser de in
ox, 2004].
es ópticas co
e RoF es u
ofrecuencia
de señales
ico del enla ura 1. Sistema
r aún más l
mpleada deb
ra mínima, lo
frecuencia.
os debido a q
icas; sin em
ópticas y el
nterés debid
onvencionale
un sistema d
directament
analógicas
ace óptico. A
a básico de R
as distancia
bido a que or
o cual es un
La ventana
que correspo
mbargo, esta
ancho de b
do a que es e
es donde pri
de transmis
e sobre la p
muestra c
Actualmente
RoF (Ng’oma,
as de los enl
riginalmente
parámetro d
a de 0.85 μm
ondía con los
longitud de
anda a travé
el prospecto
ncipalmente
ión analógic
portadora óp
ciertos reque
e, la señal a
2005).
laces óptico
e ésta era la
de interés pa
m fue la pri
s primeros lá
e onda no o
és de la fibr
más cercano
e una señal d
co debido a
tica de una
erimientos e
transmitida sobre la fibra puede ser una señal de radiofrecuencia (RF), frecuencia
intermedia (IF) o banda base (BB). Para el caso de una transmisión IF/BB, en la ER se
requiere del hardware adicional para trasladarla a la banda de RF [Kim, 2005].
II.2.Beneficios de la tecnología de RoF
La inmunidad a la interferencia electromagnética (EMI) es una propiedad atractiva de
las comunicaciones por fibra óptica, especialmente para la transmisión de señales RF ya
que son transmitidas en forma de luz a través de la fibra.
La distribución eléctrica de señales de RF con una portadora de frecuencia elevada a
través del espacio libre o por líneas de transmisión es problemático y costoso. En el espacio
libre, las pérdidas por absorción y reflexión se incrementan conforme aumenta la
frecuencia. En las líneas de transmisión, la impedancia se incrementa conforme aumenta la
frecuencia. Por lo tanto, la distribución de señales de RF requiere de un equipo de
regeneración de elevado costo para la transmisión a grandes distancias. Una solución a este
problema es el uso de la fibra óptica, la cual ofrece pérdidas menores que la propagación
por el espacio libre o por cobre. Entonces, para transmitir señales de RF hacia las
estaciones remotas mediante fibra óptica, las distancias de transmisión pueden ser
incrementadas y las potencias de transmisión requeridas pueden ser reducidas
enorme-mente. Además, la fibra óptica ofrece enormes anchos de banda, permitiendo mayores
velocidades en el procesamiento de la información que serían de gran dificultad para su
empleo comercial en el dominio eléctrico [Ng’oma, 2002].
Dependiendo de la técnica de generación de RF, un sistema de distribución de RoF
otras funciones desempeñadas en la EC, es posible asignar dinámicamente la capacidad del
sistema.
En los sistemas de RoF, equipo complejo y de elevado costo se encuentra en la EC,
haciendo más simple a la ER, y por lo tanto, de menor consumo de energía. Algunas de las
técnicas eliminan la necesidad de un LO y equipo relacionado en la ER. En tal caso, un
foto-detector, un amplificador de RF, y una antena completan el equipo de la ER. El arreglo
anterior produce una ER mucho más sencilla, reduciendo los costos de instalación y
mantenimiento [Ng’oma, 2005].
II.3. Tipos de configuración de los enlaces de RoF
Como fue mencionado previamente, un enlace de radio-sobre-fibra puede ser
clasificado por la banda de frecuencia (BB, IF o RF) transmitida sobre la fibra óptica. Las
configuraciones representativas se muestran en la figura 2. En la transmisión de datos de la
EC a la ER, la señal de información de una red de conmutación telefónica pública (PSTN),
una red de conmutación móvil (MSN), el Internet, o cualquier EC de cualquier otro tipo de
red es alimentada dentro del módem en la EC. La señal de información (RF, IF o BB)
modula a una portadora óptica generada por el láser transmisor. Si la banda de
radiofrecuencia es pequeña, el láser transmisor puede ser modulado directamente por la
señal de información. Si la banda de radiofrecuencia es elevada (ondas milimétricas), se
requiere del empleo de moduladores ópticos externos (EOMs). La potencia óptica
modulada es transmitida a la ER por medio de la fibra óptica. En la ER, la señal de
acondiciona y transmite a las estaciones móviles (EM) por medio de la antena inalámbrica
de la ER.
En la figura 2(a), la señal es generada en la banda RF dentro de la EC y es transmitida a
la ER después de haber modulado a la potencia óptica del láser transmisor, lo cual es
llamado RF-sobre-fibra (RFoF). En cada ER, la señal modulada es recuperada mediante un
foto-detector y es transmitida a la EM. Este tipo de configuración tiene la ventaja de una
ER más simple, sin embargo es susceptible a la dispersión cromática de la fibra que limita
severamente la distancia de transmisión.
En la configuración mostrada en la figura 2(b), la señal es generada en la banda IF
dentro de la EC y es transmitida a la ER después de haber modulado a la potencia óptica
del láser transmisor, lo cual es llamado IF-sobre-fibra (IFoF). En cada ER, la señal es
recuperada mediante un foto-detector, trasladada a la banda RF, y transmitida a la EM. En
este esquema, el efecto de la dispersión cromática sobre la distribución de las señales IF es
más reducido, pero la antena de la ER implementada para sistemas RoF requiere de
hardware adicional como osciladores locales (LO) de frecuencias milimétricas/microondas
para el traslado de frecuencias.
En la configuración de la figura 2(c), la señal en banda base de la EC modula a la
potencia óptica del láser transmisor y la información es transmitida a la ER, lo cual es
llamado como BB-sobre-fibra (BBoF). En cada ER, la señal modulada es recuperada
mediante un foto-detector, trasladada a la banda RF, y transmitida a la EM. En la
transmisión en banda base, la influencia de la dispersión de la fibra es insignificante, pero
emp
ban
sist
De las conf
pleada para
nda requerid
tema RoF en Figura
figuraciones
generar la
o para la mo
n la banda de a 2. Configura
anteriores s
señal modu
odulación óp
e frecuencias
aciones de un fibra. (c) BB
e aprecia qu
ulada en la E
ptica. Lo ante
s milimétrica
n enlace de Ro B-sobre-fibra
ue la reducció
EC disminuy
erior es sum
as es combin
oF. (a) RF-sob a (Kim, 2005)
ón de la ban
ye grandem
mamente imp
nado con DW
bre-fibra. (b) ).
nda de frecue
mente el anch
portante cuan
WDM.
IF-sobre-encias
ho de
II.4
la l
dom mét de i ser cor de l cab det por mét Gen Figu (a) M (a)
4. Generac
Generalmenluz ya que
minio óptico
todos para l
intensidad y
Un enlace d
modulado
rriente de po
las dos soluc
bo. Cuando e
ector (PD) r
r sus siglas
todo es el a
neralmente,
ura 3. Genera Modulación d
ción de señ
nte la mayor
es el métod
o [Cox, 1997
la transmisió
y cuyos esque
de modulaci
directament
olarización d
ciones, por l
esta modulac
recibe el nom
en inglés,
ancho de ba
los láseres
ación de señal de intensidad d
ñales de R
ría de los en
do más simp
7; Ng’oma,
ón de este tip
emas pueden
ión directa e
te por el u
del láser [Co
lo que es em
ción es comb
mbre de mod
Intensity M
nda de mod
que son em
les RoF media directa. (b) M
RoF median
nlaces de RoF
ple para la d
2002; Al-Ra
po de señale
n ser aprecia
es llamado d
so de una
ox, 2004]. E
mpleada en cu
binada con u
dulación de i
Modulation/D
dulación del
mpleados sól
ante la modul Modulación de
nte modula
F aplican la
distribución
aweshidy, 2
es sobre enl
ados en la fig
de esta forma
señal de ra
ste tipo de m
ualquier lug
una detecció
intensidad c
Direct Detect
láser. La v
lo pueden s
lación de inte e intensidad e
(b)
lación de in
modulación
de las seña
002]. En ge
aces ópticos
gura 3.
a debido a q
adiofrecuenc
modulación
gar en que pu
ón directa em
con detección tion). Una ventaja recae ser modulad ensidad. externa.
ntensidad
n de intensid
ales de RF
eneral existen
s con modul
que el láser p
cia manejand
es la más si
ueda ser llev
mpleando un
n directa (IM
limitante de
e en su senc
(~1 son pos (MZ fibr señ lo q Ad se aten 200 0GHz). Aun n demasiado
Un enlace d
steriormente
ZM), para m
ra y la detec
ñal RF, la cua
que también
emás, si es e
vuelve line
nuador y es
05].
F
nque existen
caros o inex
de modulaci
emplea un
modular la in
cción directa
al será acond
n cae dentro
empleada un
al. Consecu
por lo tanto
Figura 4. Enla
n láseres ope
xistentes en f
ión externa o
modulador
ntensidad de
a sobre un f
dicionada a
de la técnic
na fibra de ba
uentemente,
o transparent
ace RoF IM/D
rando en ban
forma comer
opera al láse
r externo, co
e la luz. De
foto-detector
niveles adec
a IM/DD, la
aja dispersió
el enlace ó
te al formato
DD descenden
ndas de frec
rcial [Ng’om
er en el mod
omo lo es e
spués de la
r, la foto-cor
cuados para
a cual puede
ón y un mod
óptico actúa
o de modula
nte (Ackerma
uencia mayo
ma, 2002].
do de onda c
el modulado
transmisión
rriente será
poder excita
e ser aprecia
dulador linea
a solo como
ción de la se
an et al., 200
ores, estos d
continua (CW
or Mach-Zeh
n por medio
una replica
ar a la antena
da en la figu
alizado, el sis
o amplificad
eñal de RF [
01).
diodos
W) y
II.5.Resumen del capítulo
En este capítulo se describieron los principios básicos de la tecnología de RoF, la cual
permite realizar el control remoto de antenas, la centralización del equipo de RF y una
mejor operación de las tecnologías inalámbricas con frecuencias de portadora milimétricas.
Al analizar la conformación de un sistema de RoF, se observaron las diversas
configura-ciones de RoF existentes y la manera en que cada una de ellas reduce a la estación base.
Finalmente se describió uno de los métodos más simples para la distribución de las señales
de RF por medio de la fibra óptica, la modulación IM/DD, la cual es de gran interés en
nuestro proyecto de tesis debido a que la modulación en intensidad del haz de luz permitirá
evaluar el desempeño del PHEMT. En el siguiente capítulo se describirán algunos tipos de
tecnologías inalámbricas que podrían implementar la tecnología de RoF, así como las
C
APÍTULO III. Sistemas de comunicaciones
inalámbricas bajo el esquema de RoF
III.1. Introducción
Las comunicaciones inalámbricas se han convertido en una parte integral de la sociedad
moderna. La proliferación de dispositivos inalámbricos y la creciente demanda de los
servicios de banda ancha han provocando que los sistemas inalámbricos incrementen su
capacidad de red y operen a mayores frecuencias de portadora. Sin embargo, el aumento de
la frecuencia de portadora provoca un área de cobertura menor de cada célula, por lo que el
costo, instalación y mantenimiento de dichos sistemas aumenta considerablemente. Al
emplear la tecnología de RoF, el costo de cada una de las estaciones transceptoras puede
disminuir considerablemente debido a la centralización de la mayoría del equipo de
generación de RF. Además, diferentes aplicaciones inalámbricas emplean control remoto de
antenas para evitar problemas de interferencia electromagnética o por características
propias de la misma aplicación, y el uso de los sistemas de RoF permite que las señales de
RF puedan ser transportadas varios kilómetros a través de la fibra sin sufrir degradación.
En este capítulo se presentan al lector las características generales del sistema global
para las comunicaciones móviles (GSM) y de las Redes Inalámbricas de Área Local
(WLANs) para que se puedan tener las bases necesarias para su implementación en el
III.2. Sistema Global para las Telecomunicaciones Móviles (GSM)
GSM es una tecnología celular digital de segunda generación empleada para la
transmisión de servicios de voz y datos, desarrollada como un estándar para la telefonía
celular en Europa y actualmente es uno de los sistemas más utilizados en el mundo. La
tecnología GSM emplea FDD (Duplexado por División de Frecuencia) y es una
combina-ción de FDMA (Acceso Múltiple por División de Frecuencia) y TDMA (Acceso Múltiple
por División de Tiempo) [Oriol et al., 2003].
III.2.1. Interface aérea GSM
GSM opera en las bandas de 900 MHz y 1.8 GHz en Europa, en la banda de 1.9 GHz en
México y en la banda de 1.9 GHz y 850 MHz en EUA [GSM Association, 2007]. En la
tabla 1 se muestran las frecuencias de cada una de las bandas de esta tecnología.
Banda GSM Enlace de Subida (BSS en RX) Enlace de Bajada (BSS en TX)
GSM 450 450.4 MHz a 457.6 MHz 460.4 MHz a 467.6 MHz
GSM 480 478.8 MHz a 486 MHz 488.8 MHz a 496 MHz
GSM 850 824 MHz a 849 MHz 869 MHz a 894 MHz
GSM 900 (P-GSM) 890 MHz a 915 MHz 935 MHz a 960 MHz
GSM 900 (E-GSM) 880 MHz a 915 MHz 925 MHz a 960 MHz
GSM 900 (R-GSM) 876 MHz a 915 MHz 921 MHz a 960 MHz
DCS 1800 1710 MHz a 1785 MHz 1805 MHz a 1880 MHz
PCS 1900 1850 MHz a 1910 MHz 1930 MHz a 1990 MHz
3GSM 1920 MHz a 1910 MHz 2110 MHz a 2170 MHz
Tabla II. Frecuencias portadoras de GSM (ETSI TS 100 910 V8.20.0, 2005).
Las bandas de frecuencia superior e inferior se dividen en canales de 200 KHz llamados
ARFCN (Número de Canal de Frecuencia Absoluta), denotando de esta forma a un par de
canales subida y bajada separados por 45 MHz para GSM900 [Oriol et al., 2003]. La tabla
2 muestra los valores de frecuencia correspondientes de las portadoras de subida y de
bajada de la tecnología GSM.
Banda GSM
Portadoras de la banda de subida (MHz)
Portadoras de bajada (MHz)
GSM 450 FUP(n) = 450.6 + (0.2)( n-259) 259 ≤ n ≤ 293 FDOWN(n) = FUP(n) + 10
GSM 480 FUP(n) = 479 + (0.2)( n-306) 306 ≤ n ≤ 340 FDOWN(n) = FUP(n) + 10
GSM 850 FUP(n) = 824.2 + (0.2)( n-128) 128 ≤ n ≤ 251 FDOWN(n) = FUP(n) + 45
GSM 900 (P-GSM) FUP(n) = 890 + (0.2)( n) 1 ≤ n ≤ 124 FDOWN(n) = FUP(n) + 45
GSM 900 (E-GSM) FUP(n) = 890 + (0.2)( n) FUP(n) = 890 + (0.2)( n-1024)
0 ≤ n ≤ 124
975 ≤ n ≤ 1023 FDOWN(n) = FUP(n) + 45
GSM 900 (R-GSM) FUP(n) = 890 + (0.2)( n) 0 ≤ n ≤ 124 FDOWN(n) = FUP(n) + 45
GSM 900 (R-GSM) FUP(n) = 890 + (0.2)( n-1024) 955 ≤ n ≤ 1023 FDOWN(n) = FUP(n) + 10
DCS 1800 FUP(n) = 1710.2 + (0.2)( n-512) 512 ≤ n ≤ 885 FDOWN(n) = FUP(n) + 95
PCS 1900 FUP(n) = 1850.2 + (0.2)( n-512) 512 ≤ n ≤ 810 FDOWN(n) = FUP(n) + 80
La transmisión TDMA en GSM divide al canal en tramas de 4.615 ms de duración, las
cuales se dividen en 8 ranuras de tiempo (TS) sin traslapar, y cada una de ellas es ocupada
por un usuario [Halonen et al., 2003]. Cada TS tiene una duración de 576.9 μs y las
transmisiones de radio se hacen a una velocidad de 270.833 Kbps usando modulación
banda en GSM900 es de 125, de los cuales uno de ellos es empleado como banda de
guarda en la parte más alta y más baja del espectro GSM. La combinación de un TS y un
ARFCN constituyen un canal físico tanto para el enlace de subida como para el enlace de
bajada. [Oriol et al., 2003].
III.2.2. Elementos principales de la arquitectura GSM
Los elementos necesarios para el procesamiento de llamada en un sistema GSM son las
estaciones móviles (MS), el subsistema de la estación base (BSS), y el centro de
conmutación de servicios móviles (MSC), tal y como se muestra en la figura 5. El MSC es
el componente central del subsistema de conmutación y red (NSS) y se encarga de realizar
labores de conmutación dentro de la red, establecimiento de llamada, enrutamiento y
funciones administrativas. Asimismo, un grupo de BSSs es controlado por un MSC que
enruta llamadas a redes externas públicas o privadas de telefonía o datos. La BSS se
encuentra conformada por una o más estaciones transceptoras base (BTS) y un controlador
de estaciones base (BSC) [Riggs et al., 1996]. Esencialmente, el BSC es el elemento de
control que realiza todas las funciones generales que requieren algún procesamiento y que
no poseen estrictos requerimientos de tiempo real (administración del canal de radio,
administración del canal terrestre, mapeo entre canales, realización del traspaso); mientras
que la BTS es el elemento de radio que realiza las funciones de detección, indicación y
Figura 5.- Arquitectura del sistema GSM (Lucent Technologies, 1996).
Cada MSC se comunica a cierto número de BSCs de la red mediante la “interface A”, la
cual emplea el mismo protocolo de señalización de la red telefónica. Cuando los
controladores y transceptores son situados de manera remota entre ellos, la BTS es
controlada por la BSC mediante un enlace conocido como “interface A-bis” [Hansen et al.,
1988].
La interface A-bis es una interfaz opcional para los operadores de red GSM y
generalmente se emplea para mantener un bajo costo de los lugares de los transceptores de
PCM se caracteriza por la definición de líneas de transmisión de N ranuras de tiempo PCM
de 64 Kbps (N=32 para el sistema E1, N=24 para el sistema T1); cada ranura de tiempo se
divide en 4 subranuras de tiempo PCM de 16 Kbps. En el sistema GSM, un canal de tráfico
de interface aérea corresponde a una subportadora PCM (16 Kbps) en la interface A-bis
[Ramos et al., 2004].
III.2.3. Distribución de señales GSM por medio de RoF
El gran ancho de banda, gran distancia de transmisión e inmunidad a la interferencia
electromagnética a través de los enlaces de fibra óptica permite que dichos enlaces puedan
ser empleados para la conexión entre una antena y un equipo transceptor [Kang, 2004]. La
operación del enlace RoF es independiente del formato de la información, y junto con su
desempeño de bajo ruido de fase, lo hace apropiado para casi cualquier tipo de modulación
[Ng’oma, 2005].
Los sistemas de antena distribuidos a base de RoF permiten una cobertura extendida
dentro de lugares extremadamente difíciles, requiriendo solamente a la antena y electrónica
mínima del lado transceptor. Otra manera atractiva desde el punto de vista económico es la
co-localización de BTSs, lo cual permite la transmisión de señales de RF hacia la antena sin
importar si ésta se encuentra situada a decenas de kilómetros de la BCS. Los costos se
reducen debido a un área de renta de piso más reducida y un fácil mantenimiento en dicho
lugar [Kim H., 2005]. La unidad local convierte a la señal de RF en una señal óptica
modulada en intensidad. El enlace de RoF también nos brinda la posibilidad de no emplear
la interface A-bis entre la BTS y la BCS, ya que el gran ancho de banda de la fibra permite
Figura 6. Modificación de la arquitectura GSM para el empleo de RoF.
del sistema. La señal óptica es distribuida por medio de enlaces de fibra óptica a cada
unidad remota, donde el proceso de foto-detección permite la recuperación de dicha señal.
Finalmente la señal es acondicionada de acuerdo al diseño del sistema para que pueda ser
irradiada por la antena de dicha zona [Ng’oma, 2002]. Una visualización aproximada de la
arquitectura GSM con RoF se puede apreciar en la figura 6.
III
frec
por
rad
de
I.3. Redes I
Una WL
una extensi
simple se p
acceso (AP
comporta c
interface en un adaptado 2002]. Los requeri cuencias de
r ejemplo IE
dio células di
menor radio
F
Inalámbri
LAN es un
ión o una alt
puede aprec
Ps) y estaci
como un pu
ntre las rede
or de red (N
imientos par
portadora d
EE 802.16. U
isminuya de
o de cobertu
Figura 7. Esq
icas de Áre
sistema flex
ternativa de
ciar en la fi
ones, las cu
uente inalám
es WLAN y
NA) que le pe
ra mayores t
dentro de la
Una frecuen
ebido a las p
ura permite
quema básico
ea Local (W
xible de com
las redes al
igura 7, y b
uales puede
mbrico y u
LAN. La es
ermite acces
tasas de dato
región de la
ncia de porta
érdidas de p
mejorar el
de una WLA
WLANs)
municación d
lámbricas co
básicamente
en ser móvi
una estación
stación es u
sar a la red a
os en las WL
as ondas mil
adora mayor
propagación
empleo del
AN.
de datos imp
onvencionale
se conform
les (MS) o
n base, prop
n dispositivo
a través de l
LANs están limétricas (d provoca que por espacio espectro de plementado
es. Su forma
ma por punto
fijas. El A
porcionando
o que cuent
os APs [Ng’
empujando
decenas de G
e el tamaño d
libre. Una c
embargo, también significa que el número de los puntos de acceso inalámbrico (AP) tenga
que aumentar considerablemente para obtener la misma cobertura de una WLAN de
frecuencia de portadora menor, aumentando económicamente el desarrollo y
mantenimien-to de dichos sistemas, a menos de que el cosmantenimien-to y complejidad de cada uno de los AP sea
menor [Ng’oma, 2005].
III.3.1. Uso de los sistemas de RoF sobre las WLANs
El uso de RoF para proporcionar radio acceso posee varias ventajas que incluyen la
habilidad de desarrollar pequeñas unidades de antena remota de bajo costo, las cuales sean
fáciles de actualizar [Mitchell, 2004]. En los sistemas de RoF de ondas milimétricas, un
gran número de estaciones base se localizan dentro del área de cobertura de una oficina
central para poder compensar la pérdida de transmisión elevada de las ondas milimétricas.
Consecuentemente, es importante contar con una arquitectura de BS sencilla y de bajo
costo. Para superar las grandes pérdidas por propagación en la banda de ondas milimétricas,
los sistemas de RoF han sido investigados como una solución para la transmisión a gran
distancia de dichas señales de una forma eficiente [Kim, 2005]. En las redes de acceso de
RoF punto a multipunto, varios APs son conectados a una estación de control centralizado
(CS), tal y como se aprecia en la figura 8. Por lo tanto, se estima que un menor costo y
III
A actu mo pre un El des com cap queI.4. Resum
A lo largo d
ual. Se menc
dificaciones
sente proyec
solo chip es
PHEMT es
sempeñar un
mpatibilidad
pítulo describ
e se tengan la
men del cap
de este capít
cionaron las
s de capa fí
cto de tesis.
s uno de los
un disposit
na fotodetecc
con los pro
birá el comp
as bases para Figura
pítulo
tulo se descr
s bases neces
ísica requeri
La integrac
objetivos pa
tivo útil par
ción a 1.55μm
ocesos MMI
portamiento d
a la caracter 8. Esquema b
ribieron dos
sarias de cad
idas para im
ción de un fo
ara una estac
ra dicha int
m con alta g
IC convenci
del PHEMT
rización en D
básico de una
tecnologías
da una de el
mplementar
otodetector y
ción base m
tegración op
ganancia inte
ionales [Cho
T en oscurida
DC del dispo
WLAN med
s inalámbrica
llas, permitie
la tecnolog
y otros comp
ás sencilla y
ptoelectrónic
erna mientra
oi et al., 20
ad e iluminac
ositivo.
iante RoF.
as de la soc
endo conoc
gía de RoF
ponentes de R
y de menor c
ca, ya que p
s se conserv
004]. El sigu
C
APÍTULO IV. Aspectos generales del
Transistor Pseudomórfico de Alta Movilidad
Electrónica (PHEMT)
IV.1. Introducción
Existen varias aproximaciones para simplificar la arquitectura de la BS en los sistemas
de RoF. Una de ellas consiste en colocar a los componentes de RF dentro de la estación
central permitiendo que la arquitectura de la ER pueda realizarse solamente con un
fotodetector, un amplificador de potencia y una antena de radiación. En este esquema,
llamado sistema de conversión ascendente remoto, las señales ópticas moduladas son
transmitidas y convertidas remotamente en señales de radiofrecuencia.
Los fototransistores basados en los transistores pseudomórficos de alta movilidad
electrónica (PHEMTs) son dispositivos útiles para dichas integraciones optoelectrónicas en
los sistemas de RoF. Los PHEMTs pueden ser empleados no solamente como
foto-transistores proporcionando una alta ganancia interna, sino también como mezcladores
optoelectrónicos, desempeñando simultáneamente una foto-detección y una conversión
ascendente de frecuencia de hasta varias decenas de GHz, permitiendo que el sistema pueda
operar en frecuencias que serían difíciles y/o costosas de lograr con osciladores locales.
En este capítulo se presenta al lector las características generales del transistor
pseudomórfico de alta movilidad electrónica para poder comprender su funcionamiento y
IV.2. Estructura del PHEMT
El PHEMT es un transistor de efecto de campo formado por semiconductores de
diferentes anchos de banda prohibida que forman una heteroestructura. Estos
semi-conductores se crecen sobre un substrato semi-aislante mediante el crecimiento epitaxial
por haces moleculares (MBE) o la deposición química en fase vapor (MOCVD).
En la figura 9 se muestra la sección transversal de un PHEMT fabricado sobre un
substrato de InP. Las dos capas altamente dopadas de InGaAs denominadas “capping”
tienen como función reducir las resistencias de los contactos óhmicos de la fuente y el
drenador. La capa canal produce una mayor discontinuidad en la banda prohibida, lo cual
genera una mayor carga de electrones en la capa, incrementando la transconductancia y la
potencia de salida, por lo que este tipo de transistores presentan una mayor ganancia, figura
de ruido y potencia de salida que los HEMTs [Maas, 1998]. La capa de InAlAs denominada
capa donadora o capa de barrera de compuerta permite que sus electrones se difundan en
el semiconductor de la capa canal cerca de la interfaz, permitiendo que se forme una
distribución bi-dimensional de muy alta concentración de electrones (2-DEG). Para poder
lograr un acoplamiento de la red cristalina entre el InAlAs, la capa canal es comprimida
permitiendo que la también sea llamada capa pseudomórfica. Una capa de InAlAs
denominada “spacer” separa la distribución 2-DEG de los donadores ionizados presentes
en la capa donadora incrementando la movilidad electrónica a cambio de una disminución
en el número de portadores de carga que serían transferidos a la capa canal. Una capa de
InAlAs denominada “buffer” sirve como base para el crecimiento de la heterounión y
Para poder crear la heterounión entre los materiales que conforman al PHEMT, es
necesario alcanzar el equilibrio eléctrico entre los semiconductores que formarán la
hetero-estructura por medio de la transferencia de electrones y/o huecos para alinear los niveles de
Fermi de cada semiconductor. Los iones inmóviles dan lugar a un campo eléctrico que se
manifiesta en un desalineamiento de las bandas de conducción y de valencia de los
semiconductores, generándose lo que se conoce como discontinuidad en las bandas de
valencia (ΔEv) y de conducción (ΔEc). Tanto el HEMT como el PHEMT se caracterizan
por funcionar a frecuencias superiores debido a que los electrones se mueven en un pozo
cuántico generado por la discontinuidad entre las bandas de conducción [Zeballos Castro,
2000], confinando a los electrones en una delgada distribución bi-dimensional de muy alta
concentración de electrones denominada “2-DEG” (gas bi-dimensional de electrones). Los
electrones que viajan en dicha región no sufren dispersión por impurezas debido a que
dicha capa se encuentra sin dopaje, es decir, los electrones que viajan en dicho pozo
cuántico no se encuentran con átomos donadores ionizados. Como resultado se produce una Figura 9. Estructura Física del PHEMT en substrato de InP.
Buffer In0.52Al0.48As Canal In0.53Ga0.47As Barrera de Compuerta In0.52Al0.48As
InGaAs Capping
Drenador Fuente
Compuerta
Metalización posterior del PHEMT Gas Bi‐dimensional
de electrones
Spacer In0.52Al0.48As
alta movilidad electrónica, favorable para un tiempo de respuesta rápido y frecuencias de
operación altas [Golio, 1991]. Debido a la gran discontinuidad entre las bandas de
conducción de la heterounión de InAlAs/InGaAs se producen altas densidades de 2-DEG
en el canal de InGaAs. El PHEMT en substrato de InP presenta una movilidad electrónica
extremadamente alta sin presentar dispersión por impurezas, resultando en un desempeño
en frecuencia hasta la región de las ondas milimétricas [Choi et al., 2005]. En la figura 10
se muestra el diagrama de la banda de energía del PHEMT en substrato de InP. Las bandas
de energía se modifican mediante un potencial aplicado en la compuerta, variando de esta
forma la densidad de portadores en el pozo cuántico, por lo que se tiene un control de la
corriente mediante el electrodo de compuerta [Pérez Pérez, 2005].
IV.3. Características eléctricas en DC del PHEMT
Las características eléctricas de cualquier transistor de efecto de campo requieren ser
conocidas experimentalmente. En este tipo de transistores la corriente IDS aumenta
conforme el voltaje VDS es mayor hasta que la corriente comienza a saturarse a cierto
