El incesante aumento de ancho de banda por parte de los usuarios finales que requieren actualmente los servicios que ofrecen Internet, vídeo de alta definición, aplicaciones multimedia o juegos on-line hace que las modulaciones avanzadas jueguen un papel fundamental en las redes ópticas. La técnica OOFDM (\emph{Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing}) ha sido ampliamente utilizada como solución para las redes de comunicaciones, gracias a las ventajas que ofrece en cuanto a su resistencia a la dispersión cromática y de polarización, su adaptabilidad a variaciones del canal o su alta eficiencia espectral. La técnica de modulación OFDM data del siglo pasado, si bien es cierto que su implementación digital le ha dado un impulso importante en las últimas décadas. A partir de una serie de símbolos modulados, esta técnica asocia cada uno de los símbolos a una portadora. El conjunto de todas las portadoras es lo que se conoce como símbolo OFDM, siendo la señal OFDM el conjunto de todos los símbolos OFDM generados. La relación que deben cumplir las portadoras entre sí, los diferentes tipos de símbolos OFDM, las extensiones cíclicas o la estimación del canal son algunos de los bloques que describiremos con detalle a lo largo de esta memoria. La generación de señales OFDM moduladas en intensidad y detectadas de forma directa a partir de modulaciones en doble banda lateral dan lugar a un uso ineficiente del espectro, además de que sufren penalizaciones importantes debido a la dispersión cromática. De forma alternativa, las modulaciones en banda lateral única evitan este inconveniente. En este trabajo presentaremos un esquema original de transmisión de señales ópticas OFDM basado en la modulación de banda lateral única que permite un uso del espectro más eficiente. Consiste en la definición de canales pareados que incluyen dos portadoras espectralmente próximas moduladas, cada una de ellas con la banda lateral única externa. Por otra parte, esta tesis ofrece una solución de bajo coste para la implementación de transmisores WDM-OFDM basados en el uso de fuentes ópticas anchas. A pesar de que la dispersión cromática impide el uso de estas fuentes, se propone la utilización de determinadas estructuras previas a la recepción de la señal óptica que habilitan la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. A lo largo de este trabajo se demuestra experimentalmente cómo la utilización de un interferómetro Mach-Zehnder con el diseño adecuado permite la utilización de fuentes ópticas anchas en un sistema tolerante a la dispersión. Se estudiarán todos los parámetros que afectan a la transmisión de las señales, con el fin de definir el funcionamiento óptimo de estos sistemas con especial énfasis en el trabajo experimental, pero facilitando la comprensión teórica de los mismos. Como ejemplo de la flexibilidad de los sistemas propuestos, se demostrará la transmisión de señales OFDM multibanda, compuestas por diferentes bandas OFDM que aportan mayor eficiencia en el uso del espectro eléctrico. De nuevo, un diseño adecuado del interferómetro Mach-Zehnder aportará una solución adaptativa en función de las necesidades del usuario en cada instante, tal y como demostrarán los resultados experimentales. Así pues, esta Tesis Doctoral, presentada para la obtención del título de Doctor en Telecomunicaciones, propone y demuestra soluciones avanzadas, novedosas y eficientes para la transmisión de señales OFDM en las redes ópticas, que serán también validadas a lo largo de la Tesis en el marco de la tecnología DWDM con el fin de explorar su potencial de cara a su implementación en las redes futuras. / The increasing demand of bandwidth per end-user required by current Internet services, high-definition video, multimedia applications or on-line gaming drives the advanced modulations to play a significant role in optical networks. OOFDM (Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing) has been widely employed as a solution for network communications due to its advantages, such as overcoming chromatic and polarization dispersion impairments, its adaptability to channel variations and its high spectral efficiency. The modulation technique OFDM dates from the last century, while it is true that its digital implementation has given a boost in the last decades. From a list of modulated symbols, this technique maps each one with a carrier. The set of every carriers forms an OFDM symbol, and the set of every OFDM symbols results in the OFDM signal. The conditions that carriers must satisfy, the different kind of OFDM symbols, the cyclic extensions or the channel estimation are some of the blocks that will be described in-depth along this work. The generation of OFDM signals, intensity modulated and directly detected, from double sideband modulations results in an inefficient use of the spectrum, adding the power fading related to the chromatic dispersion. Alternatively, the single band modulations avoid this drawback. In this work, we are introducing an original scheme of transmission of optical OFDM signals based on the single band modulation that makes a better use of the spectrum. It consists of the definition of paired channels. Each one includes two optical carriers with a narrow spectral separation, and the external single sideband. Furthermore, this Thesis provides a low-cost solution for the implementation of WDM-OFDM transmitters based on the use of broadband sources. Despite the chromatic dispersion avoids the use of this kind of optical sources, the inclusion of some structures before the detection enable the transmission of OFDM signals in optical links. The use of a Mach-Zehnder interferometer, properly designed, enables the use of broadband sources in a dispersion tolerant scheme, as will be experimentally demonstrated. Moreover, every parameter that concerns the transmission of the signals will be studied, with the goal of defining the optimal operation of these systems. Despite the emphasis is focused in the experimental experiences, the theoretical comprehension is also taken into account. As an example of the flexibility of the introduced systems, the transmission of multiband OFDM signals will also be demonstrated. Different OFDM bands form these signals, increasing the electric spectrum efficiency. Once again, the proper design of the Mach-Zehnder interferometer will result in an adaptive solution regarding the end-user requirements in each moment, as the experimental results will confirm. Therefore, this Doctoral Thesis, introduced for gaining the title of Philosophae Doctor in Telecommunications, proposes and demonstrates advanced, novel and efficient solutions for the transmission of OFDM signals in optical networks. They will also be validated along the Thesis in the context of the DWDM technology, for exploring their potential as a candidate for implementation in future networks. / L'incessant augment d'amplada de banda per part dels usuaris finals que requereixen actualment els serveis que ofereixen Internet, vídeo d'alta definició, aplicacions multimèdia o jocs en línia fan que les modulacions avançades tinguen un paper fonamental en les xarxes òptiques. La tècnica OOFDM (\emph{Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing}) ha estat àmpliament utilitzada com a solució per a les xarxes de comunicacions, gràcies als avantatges que ofereix quant a resistència a la dispersió cromàtica i de polarització, la seua adaptabilitat a variacions del canal o la seua alta eficiència espectral. La tècnica de modulació OFDM data del segle passat, si bé és cert que la seua implementació digital li ha donat una espenta important en les últimes dècades. A partir d'una sèrie de símbols modulats, aquesta tècnica associa cadascun dels símbols a una portadora. El conjunt de totes les portadores es coneix com a símbol OFDM, sent el senyal OFDM el conjunt de tots els símbols OFDM generats. La relació que han de complir les portadores entre elles, els diferents tipus de símbols OFDM, les extensions cícliques o l'estimació de canal són alguns dels blocs que descriurem amb detall al llarg d'aquesta memòria. La generació de senyals OFDM modulats en intensitat i detectats de forma directa a partir de modulacions en doble banda lateral donen lloc a un ús ineficient de l'espectre, a més que pateixen penalitzacions importants a causa de la dispersió cromàtica. Alternativament, les modulacions en banda lateral única eviten aquest inconvenient. En aquest treball presentarem un esquema original de transmissió de senyals òptics OFDM basat en la modulació de banda lateral única que permet un ús de l'espectre més eficient. Consisteix en la definició de canals emparellats que inclouen dues portadores espectralment pròximes modulades, cadascuna d'elles amb la banda lateral única externa. Per altra banda, aquesta Tesi ofereix una solució de baix cost per a la implementació de transmissors WDM-OFDM basats en l'ús de fonts òptiques amples. Malgrat que la dispersió cromàtica impedeix l'ús d'aquestes fonts, es proposa la utilització de determinades estructures prèvies a la recepció del senyal òptic que habiliten la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. Al llarg d'aquest treball es demostra experimentalment com la utilització d'un interferòmetre Mach-Zehnder amb el disseny adequat permet la utilització de fonts òptiques amples en un sistema tolerant a la dispersió. S'estudiaran tots els paràmetres que afecten la transmissió de senyals, amb l'objectiu de definir el funcionament òptim d'aquests sistemes amb especial èmfasi en el treball experimental, però facilitant la seua comprensió teòrica. Com a exemple de flexibilitat dels sistemes proposats, es demostrarà la transmissió de senyals OFDM multibanda, compostos per diferents bandes OFDM que aporten major eficiència en l'ús de l'espectre elèctric. De nou, un disseny adequat de l'interferòmetre Mach-Zehnder aportarà una solució adaptativa en funció de les necessitats de l'usuari en cada instant, tal com demostraran els resultats experimentals. Així doncs, aquesta Tesi Doctoral, presentada per a l'obtenció del títol de Doctor en Telecomunicacions, proposa i demostra solucions avançades, noves i eficients per a la transmissió de senyals OFDM en les xarxes òptiques, que seran també validades al llarg de la Tesi en el marc de la tecnologia DWDM amb l'objectiu d'explorar els seus potencials de cara a la seua implementació en les futures xarxes. / Chicharro López, FI. (2018). TÉCNICAS ÓPTICAS DE TRANSMISIÓN AVANZADAS PARA REDES OOFDM-WDM [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107313

[ES] Las comunicaciones ópticas inalámbricas (OWC) constituyen una tecnología muy prometedora para el desarrollo de futuras comunicaciones inalámbricas. De hecho, ha despertado un interés creciente entre los investigadores y varias empresas de todo el mundo trabajan actualmente en el desarrollo de redes inalámbricas de muy alta velocidad. Las comunidades científica e industrial consideran la OWC como una tecnología complementaria en sus diversas formas: comunicaciones ópticas en el espacio libre (FSO), comunicaciones de luz visible (VLC) o fidelidad de la luz (Li-Fi). El espectro óptico ha sido considerado durante muchos años como una gran oportunidad para las comunicaciones inalámbricas, especialmente debido a la saturación del espectro de radiofrecuencia (RF). Esta disertación trata del uso de fuentes de banda ancha en sistemas de transmisión de luz visible (VLC), así como en sistemas de transmisión en el espectro infrarrojo por fibra óptica. En el trabajo de investigación realizado se pueden distinguir tres partes: En la primera parte, se considera el estudio y la simulación de componentes de Diodos Emisores de Luz (LED) con el software WIEN2k centrándose en las propiedades ópticas y eléctricas de los elementos II-VI. La segunda parte trata del diseño, la implementación y las pruebas de diferentes prototipos de comunicación VLC para la transmisión analógica y digital en modo simplex y semidúplex. Hemos demostrado un sistema OWC empleando una fuente de banda ancha (LED) para la transmisión no sólo de datos, sino también para la transmisión inalámbrica de energía. Además, se aborda el problema de la sincronización y la detección del nivel "1" o "0" de un bit en los sistemas de comunicación inalámbrica óptica implementados que surge como consecuencia de la atenuación de la luz a lo largo de la distancia y al problema de la pérdida de línea de visión (NLOS) entre el emisor y el receptor. Para hacer frente a este problema, se ha proporcionado un protocolo de comunicación que garantiza la transmisión fiable de datos digitales con un algoritmo de detección de nivel de bits adaptativo y se ha demostrado su eficacia mediante la transmisión de textos e imágenes. Además, esta tesis aporta una solución para la implementación de transmisores multiplexados en redes con división de longitud de onda (WDM) para formatos de modulación con multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM) basados en el uso de fuentes de banda ancha en el espectro infrarrojo para redes de fibra bidireccionales centralizadas. A pesar de las limitaciones impuestas por la dispersión cromática en el uso de este tipo de fuentes ópticas, la inclusión de ciertas estructuras antes de la detección permite la transmisión de señales OFDM en enlaces ópticos. En este trabajo se ha demostrado experimentalmente la reutilización de portadoras, la asignación dinámica de ancho de banda y la transmisión de señales OFDM multibanda mediante el uso de fuentes ópticas de banda ancha en redes WDM. Los principales resultados obtenidos en cada parte de esta tesis doctoral muestran los procedimientos de estudio, la eficacia de las soluciones propuestas y las limitaciones encontradas. / [CA] Les comunicacions òptiques sense fils (OWC) constitueixen una tecnologia molt prometedora per al desenvolupament de futures comunicacions sense fils. De fet, ha despertat un interés creixent entre els investigadors i diverses empreses de tot el món treballen actualment en el desenvolupament de xarxes sense fils de molt alta velocitat. Les comunitats científica i industrial consideren la OWC com una tecnologia complementària en les seues diverses formes: comunicacions òptiques en l'espai lliure (FSO), comunicacions de llum visible (VLC) o fidelitat de la llum (Li-Fi). L'espectre òptic ha sigut considerat durant molts anys com una gran oportunitat per a les comunicacions sense fils, especialment a causa de la saturació de l'espectre de radiofreqüència (RF). Aquesta dissertació tracta de l'ús de fonts de banda ampla en sistemes de transmissió de llum visible (VLC), així com en sistemes de transmissió en l'espectre infraroig per fibra òptica. En el treball de recerca realitzat es poden distingir tres parts: ¿ En la primera part, es considera l'estudi i la simulació de components de Díodes Emissors de Llum (LED) amb el software WIEN2k centrant-se en les propietats òptiques i elèctriques dels elements II-VI. ¿ La segona part tracta del disseny, la implementació i les proves de diferents prototips de comunicació VLC per a la transmissió analògica i digital de manera simplex i semidúplex. Hem demostrat un sistema OWC emprant una font de banda ampla (LED) per a la transmissió no sols de dades, sinó també per a la transmissió sense fil d'energia. A més, s'aborda el problema de la sincronització i la detecció del nivell "1" o "0" d'un bit en els sistemes de comunicació sense fil òptica implementats, que sorgeix a conseqüència de l'atenuació de la llum al llarg de la distància i al problema de la pèrdua de línia de visió (NLOS) entre l'emissor i el receptor. Per a fer front a aquest problema, s'ha proporcionat un protocol de comunicació que garanteix la transmissió fiable de dades digitals amb un algorisme de detecció de nivell de bits adaptatiu i s'ha demostrat la seua eficàcia mitjançant la transmissió de textos i imatges. ¿ A més, aquesta tesi aporta una solució per a la implementació de transmissors multiplexats en xarxes amb divisió de longitud d'ona (WDM) per a formats de modulació amb multiplexació per divisió de freqüència ortogonal (OFDM) basats en l'ús de fonts de banda ampla en l'espectre infraroig per a xarxes de fibra bidireccionals centralitzades. Malgrat les limitacions imposades per la dispersió cromàtica en l'ús d'aquest tipus de fonts òptiques, la inclusió d'unes certes estructures abans de la detecció permet la transmissió de senyals OFDM en enllaços òptics. En aquest treball s'ha demostrat experimentalment la reutilització de portadores, l'assignació dinàmica d'amplada de banda i la transmissió de senyals OFDM multibanda mitjançant l'ús de fonts òptiques de banda ampla en xarxes WDM. Els principals resultats obtinguts en cada part d'aquesta tesi doctoral mostren els procediments d'estudi, l'eficàcia de les solucions proposades i les limitacions trobades. / [EN] Optical wireless communication (OWC) is a very promising technology for future wireless communications developments. It has attracted increasing interest from researchers and several companies around the world are currently working on the development of very high-speed wireless networks. The scientific and industrial communities believe that OWC will be a complementary technology in its various forms: Free Space Optical communications (FSO), Visible Light Communications (VLC), Light Fidelity (Li-Fi). In fact, the optical spectrum has been considered for many years as a great opportunity for wireless communications especially due to the saturation of the radio frequency (RF) spectrum. This dissertation deals with the use of broadband sources in visible light transmission systems (VLC) as well as fiber optic systems. To carry out the research, three parts can be distinguished: In the first part, we consider the study and simulation of Light Emitting Diode (LED) components with the WIEN2k software by focusing on the optical and electrical properties of elements II-VI. The second part deals with the design, implementation and testing of different VLC communication prototypes for analog and digital transmission in simplex and half-duplex mode. We have demonstrated that an OWC system using a broadband source (i.e. an LED) can be used not only for data transmission, but also for wireless power transmission. Moreover, the synchronization problem and the detection of level "1" or "0" of a bit often arise in the optical wireless communication systems. This is a result of the attenuation nature of the light over the distance and the problem of Non Line-Of-Sight (NLOS) between the emitter and the receiver. To deal with this problem, a communication protocol ensuring reliable digital data transmission with an adaptive bit level detection algorithm has been provided and its effectiveness has been demonstrated by the transmission of texts and images. In addition, this thesis provides a solution for the implementation of wavelength division multiplexed - orthogonal frequency division multiplexed (WDM-OFDM) transmitters based on the use of broadband sources in the infrared spectrum for centralized bidirectional fiber networks. Despite the chromatic dispersion that avoids the use of this type of optical sources, the inclusion of certain structures before detection allows the transmission of OFDM signals in optical links. Carrier reuse, dynamic bandwidth allocation and multiband OFDM signals transmission will be experimentally demonstrated by using optical broadband sources in WDM networks. The main results obtained during this thesis work demonstrate the study procedures, for each part, the effectiveness of the proposed solutions as well as the constraints encountered. / Sekkiou, I. (2021). Design of communication systems based on broadband sources for fiber and free space optical links [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172542