Multimode fibre broadband access and self-referencing sensor networks

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Future Internet Access technologies are supposed to bring us a very performing connection to the main door of our homes. At the same time, new services and devices and their increase use will require data transfers at speeds exceeding 1Gbps inside the building or home at the horizon 2012. Both drivers lead to the deployment of a high-quality, futureproof network inside buildings and homes. This environment may end up taking advantage of optical cabling solutions as an alternative to more traditional copper or pure wireless approaches. Related to this latter fact, the objectives of this work are: • The achievement of a full convergence scenario between optical networks from the telecommunication services providers to the end users underscores the necessity of accurate and realistic fibre models in assessing the performance of broadband access networks with the premises of high-capacity and total compatibility. Silicabased MMFs and PF GIPOFs are the most promising candidates for such a convergence within the in-building/home scenario. Contributions to a better understanding of the possibilities of signal transmission outside the baseband of such fibres are investigated, in order to extend their capabilities, together with the evaluation of current fibre frequency response theoretical models by means of an extensive set of measurements. • The achievement of a full convergence scenario between optical networks from the telecommunication services providers to the end users is also contingent on research and development in the field of optical fibre sensors, mainly driven by the growing demand of fully building/home and industry automation, leading to a reliable integration of the optical networks. Related to this, development of multiplexing and measurement techniques for fibre-optic intensity-based sensors are analyzed and experimentally investigated. In the sensor network topology proposed, by replacing the fibre delay line with an electronic delay in the reception stage, it is possible to avoid long fibre delay coils in the remote sensing points and achieving a compact, flexible and re-configurable self-referencing technique. Applications in both scenarios can be considered, on the one hand the in-building/home network and on the other hand the WDM-PON access network topology through which operators provision the different services. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
La demanda e incursión en la sociedad de nuevos servicios multimedia, tales como televisión por Internet (IPTV, Internet Protocol Television) o video-bajo-demanda (VoD, Video on Demand) junto con el incremento del tráfico de datos requerido para nuevas aplicaciones como la televisión por alta definición (HDTV, High-Definition Television) y transferencias P2P (Peer-to-Peer) exigen un aumento de la capacidad de las redes de datos desplegadas hoy en día. Para hacer frente a este aumento de la demanda de capacidad de las redes de acceso, los proveedores de estos servicios multimedia están reemplazando las infraestructuras de las redes de acceso basadas en cable coaxial, tales como xDSL (x- Digital Subscriber Line), por otras nuevas de mayor capacidad desplegadas en fibra óptica, permitiendo la interconexión de los nodos de red con los múltiples hogares y negocios de los abonados, constituyendo el núcleo de lo que es conocido como “fibra hasta el hogar/nodo/edificio” o redes FTTx. Tradicionalmente el despliegue de las redes ópticas se ha realizado mediante fibra óptica monomodo de sílice (SMF, Singlemode Fibre). Ello es debido a su gran ancho de banda que permite una gran capacidad de transporte de servicios y datos. Es por ello que en base a este tipo de fibra se ha realizado el despliegue de redes de distribución y metropolitanas y, de un tiempo a esta parte, incluso penetrando su instalación en las redes de acceso. Junto con lo anteriormente expuesto, existe una necesidad de convergencia de servicios e infraestructuras dentro de las redes de acceso. Actualmente, cables coaxiales, par trenzado de cobre e incluso señales inalámbricas se encuentran entremezcladas dentro del hogar proporcionando servicios diferentes con apenas cooperación entre ellos. Una infraestructura común dentro del hogar en el que una gran cantidad de servicios pudieran ser integrados y soportados por la misma sería un aspecto deseable. Y es más, frente a las desventajas de infraestructuras basadas en cable de cobre (cable coaxial y par trenzado) como son susceptibilidad a interferencias electromagnéticas, presencia de crosstalk y relativa baja capacidad de transporte de datos, las fibras ópticas (tanto en su versión monomodo como multimodo) presentan las ventajas de un menor volumen, mayor flexibilidad y menor peso junto con una capacidad mayor de transmisión de datos sobre distancias mayores. Es por esto que éstas últimas constituyen la base para las futuras redes de acceso en el hogar.
Published : Saturday, January 01, 2011
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UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID











TESIS DOCTORAL

Multimode Fibre Broadband Access
and Self-Referencing Sensor Networks






Autor:
David Sánchez Montero

Director/es:
Carmen Vázquez García




DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA ELECTRÓNICA


Leganés, Enero de 2011




TESIS DOCTORAL



MULTIMODE FIBRE BROADBAND ACCESS
AND
SELF-REFERENCING SENSOR NETWORKS




Autor: David Sánchez Montero

Director/es: Carmen Vázquez García





Firma del Tribunal Calificador:

Firma
Presidente: (Nombre y apellidos)

Vocal:

Vocal:

Vocal: (Nombre y apellidos)

Secretario:





Calificación:


Leganés/Getafe, de de
  Agradecimientos


Este trabajo es el fruto de seis años de trabajo y esfuerzo que empezó allá por el mes
de Noviembre de 2004. Mediante estas breves notas quisiera agradecer a todas las personas
que, directa o indirectamente, han colaborado o me han ayudado a la consecución del
mismo.

En primer lugar querría agradecer a mis padres y también dedicarles este trabajo
puesto que ellos han sido los que sentaron las primeras bases al proporcionarme la
posibilidad de realizar y desarrollar los estudios universitarios previos que deseé. Ellos,
además, han sabido inculcarme el espíritu del estudio y del esfuerzo, siempre necesarios
para acometer este tipo de proyectos. Por supuesto, también me animaron a salir por
primera vez de casa, a vivir en una ciudad distinta y a valerme por mí mismo. Por todo ello,
muchísimas gracias¡¡.
A mi novia, Susana, por colmar mis objetivos personales y animarme también a
realizar este proyecto, además de infundirme alegría y optimismo en los momentos difíciles
habidos durante este trabajo. Su apoyo incondicional también ha sido de muchísima ayuda.
También ella se merece que le dedique este trabajo de una manera especial y personal.
Muchas gracias a ti también, guapa¡¡.
A mis abuelos Eutimio, Emilia, Luisa y Víctor que, aunque por desgracia ya no están
presentes, seguro se alegran y enorgullecen de mí desde donde estén.
Por supuesto, mención especial cabe realizar de la directora de este trabajo, Carmen,
por brindarme la posibilidad embarcarme en esta aventura y por apostar y confiar en mí
desde el primer momento. También agradecerle todo su trabajo, esfuerzo, orientación y
dedicación aportados para este trabajo así como haberme inculcado los conceptos del rigor,
la precisión y la responsabilidad científica.
A mis compañeros de piso Gorka y Julius por compartir desde casi seis años tanto mis
virtudes como mis defectos. En particular a Julius por su constante ayuda desde la
experiencia de realizar el doctorado así como por sus sabios consejos.
Agradezco también la consecución de este trabajo a Juan Carlos (por “minar mi
moral” y por su contagioso optimismo), a Pedro (por su permanente disposición a echar una
mano en lo que haga falta), a Pablo (por saber escuchar siempre a los demás y sus buenos
consejos), a Barrios (por su sentido del humor y sus ganar de ‘liarla’), a Carlos (por estar
siempre atento a los problemas que nos afectan y compartir sus valiosas opiniones), a
Guillermo (por su exquisito trato y por sus acertadas opiniones), a Julio (por ser una
excelente persona), a Dani (por sus ayudas en el terreno “científico, técnico y
experimental”) y a Jesús (por su predisposición organizativa para cualquier evento),
personas que llegaron prácticamente a la misma vez que yo, a las que considero mucho más
que compañeros de trabajo, y que hemos compartido multitud de alegrías y problemas
desde nuestra llegada a la Universidad.
Quiero hacer también partícipes de mi agradecimiento a mis amigos de Sevilla, tanto
aquéllos del Colegio Calasancio Hispalense como de la Escuela Politécnica Superior de
Sevilla, y de Aldeanueva del Camino (Cáceres) por su apoyo y por permitirme compartir
tiempo con todos ellos. Sé que se alegran por mí aunque les haya dedicado últimamente
menos tiempo del que debiera.
En especial, agradecer a mis compañeros pertenecientes al Grupo de Displays y
Aplicaciones Fotónicas (GDAF) que con su sabiduría y experiencia han supuesto un
constante apoyo y ayuda para conseguir mis objetivos. Cabe destacar José Manuel Sánchez
Pena, corresponsable del grupo de investigación GDAF, el cual ha permitido la compra de
equipos o la realización de viajes muy importantes desde el plano científico para mi
investigación.
Querría agradecer al resto de compañeros del Departamento de Tecnología
Electrónica que con su calidad humana, profesionalidad y buen trato me han ayudado a lo
largo de estos años y han servido de ejemplo para mí. Especial mención a Óscar y Marimar
en la Secretaría del Departamento por sus gestiones, atención y simpatía.
También querría agradecer a los doctores José Luis Santos y José Manuel Baptista,
pertenecientes a INESC-Porto, y por extensión a todos los integrantes del mismo, por su
cálida acogida, por la ayuda recibida y por la supervisión de mi trabajo, relativo a la auto-
referencia en sensores de fibra óptica, durante mis estancias en 2008 y 2009 en la Unidade
de Optoelectrónica e Sistemas Electrónicos en Porto, Portugal.
Quería hacer extensible estos agradecimientos al doctor Joseba Zubia, y a todo su
equipo, de la Universidad del País Vasco bajo cuya tutela realicé una estancia en el campus
de Bilbao. Agradecerles a todos ellos su predisposición y su amabilidad y sentir, porqué no
decirlo, cierta envidia por la maravillosa ciudad en la que desarrollan su magnífica labor
científica en el campo de las fibras ópticas de plástico.
Igualmente agradecer a los doctores Kevin Heggarty y Bruno Fracasso por su ayuda y
recomendaciones con el inglés científico y con las clases de VPI impartidas y a las que
asistí con mucho entusiasmo. También agradecerles el cálido recibimiento otorgado durante
mi breve estancia en la École Nationale Supérieure des Télécommunications de Bretagne,
Brest, Francia.
Por último, agradecer al doctor Dieter Jäger y al doctorando Ingo Möllers del Zentrum
Für Halbleitertechnick und Optoelectronik (ZHO) en Duisburgo, Alemania, por su
amabilidad al haberme permitido la posibilidad de realizar medidas en su laboratorio así
como su supervisión durante los experimentos.

A todos ellos mi mayor reconocimiento y gratitud.




  CONTENTS


List of Figures.............................................................................................................. i

List of Tables............................................................................................................... xii

Acronyms.................................................................................................................... xiv


Chapter 1.- INTRODUCTION................................................................................. 1

1.1. Motivation of this Work....................................................................................... 1

1.2. Outline of the Thesis............................................................................................ 7

1.3. Acknowledgements.............................................................................................. 10

Chapter 2.- TOWARDS NEXT GENERATION BROADBAND ACCESS
NETWORKS AND FULL CONVERGENCE WITHIN THE
OPTICAL DOMAIN............................................................................. 11

2.1. Perspective in Next Generation Access Networks.............................................. 11

2.1.1. Introduction................................................................................................ 11
14 2.1.2. Access network services and bandwidth demand........................................
2.1.3. Multimode optical fibre expanded capabilities........................................... 17

2.1.3.1. Subcarrier Multiplexing (SCM)..................................................... 18
2.1.3.2. Wavelength Division Multiplexing (WDM).................................... 19
20 2.1.3.3. Optical Frequency Multiplying (OFM)..........................................
2.1.3.4. Mode Group Diversity Multiplexing.............................................. 21

2.1.4. Access network architectures...................................................................... 21
2.1.5. Access network to home network convergence........................................... 24

2.2. Fibre Optical Intensity Sensors with Self-Referencing........................................ 27

2.2.1. Introduction................................................................................................ 27
2.2.2. Self-referencing strategies.......................................................................... 30
2.2.3. Representative example of a self-referencing approach applied to
liquid detection........................................................................................... 35

2.3. Summary and Conclusions................................................................................. 39

42 2.4. References...........................................................................................................
Chapter 3.- GRADED-INDEX POLYMER OPTICAL FIBRE TRANSFER
FUNCTION............................................................................................ 47

3.1. Introduction........................................................................................................ 47

49 3.2. Transmission properties of Graded-Index Polymer Optical Fibres..................

3.2.1. Attenuation................................................................................................. 49
3.2.2. Bandwidth.................................................................................................. 51

3.3. Dispersion in Graded-Index Polymer Optical Fibres....................................... 56

3.3.1. Dispersion Modelling Approaches............................................................ 59

3.3.1.1. Approaches with Wave Theory..................................................... 59
3.3.1.2. Ray Tracing Procedure................................................................ 60

3.4. Mode coupling in Polymer Optical Fibres........................................................ 61

3.5. Differential Mode Attenuation in Polymer Optical Fibres............................... 63

3.6. Graded-Index Polymer Optical Fibre Transfer Function................................. 64

3.7. Graded-Index Polymer Optical Fibre Transfer Function Simulations............. 73

3.7.1. Optical power launching conditions......................................................... 74
3.7.2. PMMA Graded-Index Polymer Optical Fibre Sellmeier
coefficients................................................................................................. 75
3.7.3. PF Graded-Index Polymer Optical Fibre Sellmeier
coefficients................................................................................................ 76
3.7.4. Graded-Index Polymer Optical Fibre frequency response dependency
with differential mode attenuation........................................................... 78
3.7.5. Graded-Index Polymer Optical Fibr
with the graded index exponent of the fibre core..................................... 79
3.7.6. Graded-Index Polymer Optical Fibr
with the fibre core radius......................................................................... 82
3.7.7. Graded-Index Polymer Optical Fibr
with the light injection distribution of the optical source........................ 84
3.7.8. Graded-Index Polymer Optical Fibre frequency response dependency
with the operating wavelength................................................................. 86
3.7.9. Graded-Index Polymer Optical Fibr
with the source linewdith......................................................................... 87
3.7.10. Graded-Index Polymer Optical Fibre frequency response dependency
with the link length................................................................................... 89
3.7.11. Graded-Index Polymer Optical
with the input beam spot of a Gaussian-type excitation........................... 92
3.7.12. Conclusions on Graded-Index Polymer Optical Fibre simulation........... 94

3.8. Graded-Index Polymer Optical Fibre Transfer Function model validation.
Experimental results......................................................................................... 97

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