Monitoreo remoto para redes de acceso ópticas pasivas

Las redes opticas pasivas (PON, Passive Optical Networks) son una clase de red de acceso de telecomunicaciones que involucran la conexion entre el proveedor de servicios y los usuarios finales a traves de una infraestructura de fibra optica ramificada mediante el uso de dispositivos pasivos. Con el despliegue masivo de este tipo de redes en los ultimos anos, surgio la necesidad de realizar un monitoreo remoto de su infraestructura, con el fin de detectar, localizar y caracterizar eventuales fallas que interfieran en la correcta prestacion de los servicios. Al mismo tiempo, topologias de red ramificadas similares a las PON pueden encontrarse en sistemas de sensores cuasidistribuidos. En este sentido existen esfuerzos permanentes por parte de la comunidad cientifica para desarrollar sistemas de monitoreo remoto de sensores que permitan mejorar el desempeno de las tecnicas hasta ahora reportadas. En esta tesis se estudiaron y desarrollaron tecnicas para realizar monitoreo remoto de redes PON de telecomunicaciones y de sensores opticos cuasidistribuidos. Las mismas se basaron en procesamiento digital y estadistico de senales y procesamiento fotonico de senales. En particular, se hizo especial foco en tecnologias de reflectometria optica en el dominio del tiempo (OTDR, Optical Time-Domain Reflectometry) y variantes de la misma, operando en conjunto con redes de difraccion en fibra (FBG, del ingles Fiber Bragg Grating) disenadas con caracteristicas particulares y distribuidas en una infraestructura de red optica ramificada. Se propuso e implemento una metodologia de analisis de eventos o fallas en una PON utilizando procesamiento digital y estadistico de senales aplicado sobre mediciones de un instrumento OTDR convencional en conjunto con mediciones de referencia. Se desarrollo un marco teorico que permite seleccionar los parametros de adquisicion optimos del OTDR en funcion de la topologia de la PON y de la magnitud de los eventos a ser detectados. Ademas, se derivo un metodo de estimacion de los parametros caracteristicos del evento. Este metodo soluciona el inconveniente que presentan las tecnicas convencionales de analisis de eventos en OTDRs comerciales, donde para un evento que ocurre en una fibra de distribucion, sus perdidas de insercion y perdidas de retorno no son correctamente estimadas. Para monitorear individualmente las diferentes ramas de una PON se pueden disponer codificadores opticos pasivos basados en FBGs distribuidos en la red con el objetivo de complementar la funcionalidad de un OTDR mediante un esquema de multiplexado por division de codigo optico (OCDM, Optical Code-Division Multiplexing). En este sentido, se propuso un sistema de monitoreo basado en OCDM y se evaluo su desempeno a partir de la derivacion de una expresion analitica para el numero medio de falsas detecciones. Esta expresion es de suma relevancia durante la etapa de diseno de un sistema de este tipo, ya que permite optimizar los parametros del sistema de monitoreo de acuerdo a la topologia de la PON. Se propuso y estudio una estructura de OTDR que usa el principio de la Transformada de Fourier Dispersiva (DFT, Dispersive Fourier Transform), a la que se denomino DFT-OTDR. Mediante esta tecnica es posible obtener informacion espectral del enlace optico monitoreado, la cual se encuentra convertida a una forma de onda temporal en la medicion del DFT-OTDR. Se planteo un sistema de monitoreo de PONs usando el DFT-OTDR propuesto en conjunto con codificadores opticos constituidos por una unica FBG. Esta resulta ser una estructura de codificador mas compacta y economica que las anteriormente propuestas. La factibilidad del sistema se demostro mediante la implementacion de un prototipo de DFT-OTDR en el laboratorio en conjunto con diferentes codificadores disenados con un ancho de banda de reflexion unico. Finalmente, se propuso y demostro un sistema de monitoreo de sensores basados en FBGs usando una estructura modificada de DFT-OTDR que incorpora una pareja de filtros Gaussianos en el receptor para determinar la longitud de onda de Bragg de los sensores a partir de la medicion de amplitudes. Esta nueva configuracion presenta importantes ventajas respecto de las tecnicas de monitoreo de sensores reportadas en la literatura. Por un lado, permite extender considerablemente el rango lineal de operacion, ya que se evitan distorsiones debidas a energia proveniente de los lobulos laterales de la reflectividad de la FBG. Por otro lado, se tiene una mayor flexibilidad, ya que el ancho espectral del sensor FBG –parametro necesario para determinar la longitud de onda de Bragg– puede ser derivado directamente a partir de las senales en el dominio del tiempo. Al modelo matematico desarrollado para FBGs con un ancho espectral arbitrario se lo complementa con experimentos en laboratorio, en donde se uso el sistema propuesto para interrogar un sensor FBG con velocidades de interrogacion superiores a 200 MHz y resoluciones de 20 pm. Estos valores obtenidos representan una mejora considerable en el desempeno cuando se los compara con otras soluciones propuestas hasta el momento.