[ES] Esta Tesis Doctoral se centra en el modelado, la implementación y la validación experimental de arquitecturas de enlace frontal fotónico reconfigurables para comunicaciones en banda de ondas milimétricas (mmW) en entornos interiores. La investigación se centra en en técnicas habilitadoras que aporten eficiencia energética, bajo coste y escalabilidad para sistemas de quinta generación (5G) y posteriores. Con este fin, este trabajo aprovecha el potencial de la fotónica de microondas para abordar los retos centrales de capacidad, latencia y heterogeneidad en las redes de nueva generación, demostrando que las señales mmW generadas fotónicamente, mediante modulación de intensidad (IM) y modulación de fase (PM), proporcionan una base práctica y escalable para enlaces frontales avanzados.
Empleando la tecnología de radio-sobre-fibra analógica (ARoF), la Tesis Doctoral desarrolla y valida soluciones orientadas al despliegue de las futuras redes, conectando la teoría con la implementación a gran escala, impulsando técnicas habilitadoras tanto a nivel de transceptor como de arquitectura de red. El trabajo establece los principios fundamentales de la generación de señales mmW mediante modulación externa con supresión de portadora bajo esquemas IM y PM, obteniendo señales mmW sintonizables y de alta pureza espectral aptas para formatos de modulación avanzados. La formulación analítica y validación experimental de enlaces basados en un láser modulado directamente (DML) con un modulador Mach-Zehnder polarizado en portadora suprimida (CS-MZM) muestra hasta 23 dB de ganancia mmW relativa sobre 35 km de enlace de fibra gracias a la interacción entre el chirp del láser y la dispersión de la fibra e identifica las fronteras de transición entre regímenes de pequeña y gran señal, poniendo de relieve los equilibrios entre ganancia y linealidad.
A partir de estos resultados, se proponen esquemas de transceptor basados en un mezclador y que no requieren precodificación para reducir el número de componentes y el coste preservando la operación de banda ancha y el cumplimiento de estándares. Además, se demuestra una arquitectura asistida por PM que habilita la multiplicación de frecuencia óptica, alcanzando 20 dB de ganancia mmW relativa en un enlace de 10 km. Este enfoque explota el filtrado óptico y la dispersión de la fibra para la conversión fase-intensidad, garantizando estabilidad de punto de polarización (bias), compatibilidad de multiplexor por división de onda densa (DWDM) y operación con componentes comerciales. Asimismo, una comparación amplia entre IM y PM concluye la ventaja de PM en cuanto a robustez frente a derivas de polarización y menores pérdidas de inserción.
En las futuras redes de comunicaciones, la Tesis Doctoral aporta avances significativos para el desarrollo de redes heterogéneas convergentes y bidireccionales. Se demuestra un enlace frontal dúplex completo centralizado basado en PM con reutilización de portadora y distribución remota del oscilador local (LO), reduciendo la complejidad de la unidad de radio remota (RRH) y preservando la reconfigurabilidad y la compatibilidad DWDM. El sistema transporta señales 5G New Radio (NR) a 41 GHz/40 GHz en bajada/subida dentro de una red fibra-inalámbrica. Una evaluación comparativa de implementaciones dúplex completas IM y PM sobre enlaces híbridos fibra-óptica en espacio libre-radio demuestra rendimiento de extremo a extremo conforme a especificaciones estándar, pone de manifiesto diferencias de robustez y valida la reutilización centralizada de portadora de subida y la entrega remota de LO como mecanismos para simplificar los nodos de borde., [CA] Aquesta Tesi Doctoral se centra en el modelatge, la implementació i la validació experimental d'arquitectures de enllaç frontal fotònic reconfigurables per a comunicacions en banda d'ones mil·limètriques (mmW) en entorns interiors. La recerca posa l'èmfasi en tècniques habilitadores que aporten eficiència energètica, baix cost i escalabilitat per a sistemes de cinquena generació (5G) i més enllà. Amb aquest objectiu, el treball aprofita el potencial de la fotònica de microones per abordar els reptes nuclears de capacitat, latència i heterogeneïtat en les xarxes de nova generació, demostrant que les senyals mmW generades fotònicament, mitjançant modulació d'intensitat (IM) i modulació de fase (PM), proporcionen una base pràctica i escalable per a enllaços frontals avançats.\par
Amb un enfocament en ràdio sobre fibra analògica (ARoF), la Tesi Doctoral desenvolupa i valida solucions orientades al desplegament que connecten la teoria amb la implementació a gran escala, impulsant tècniques habilitadores tant a nivell de transceptor com d'arquitectura de xarxa. El treball estableix els principis fonamentals de la generació de senyals mmW mitjançant modulació externa amb supressió de portadora sota esquemes IM i PM, obtenint senyals mmW sintonitzables i de gran puresa espectral aptes per a formats de modulació avançats. Una formulació analítica i la seua validació experimental d'enllaços basats en làser de modulació directa (DML) amb modulador Mach-Zehnder polaritzat amb supressió de portadora (CS-MZM), considerant la interacció entre el chirp del làser i la dispersió de la fibra, mostren fins a 23 dB de guany mmW relatiu al llarg de 35 km d'enllaç de fibra, i identifiquen les fronteres de transició entre règims de petita i gran senyal, posant de relleu els equilibris entre guany i linealitat.\par
A partir d'aquests resultats, es proposen esquemes de transceptor sense precodificació i assistits per mesclador per reduir el nombre de components i el cost mantenint l'operació de banda ampla i el compliment d'estàndards. A més, es demostra una arquitectura assistida per PM que habilita la multiplicació de freqüència òptica, assolint 20 dB de guany mmW relatiu en un enllaç de 10 km. Aquest enfocament explota el filtrat òptic i la dispersió de la fibra per a la conversió fase¿intensitat, garantint estabilitat del punt de polarització (bias), compatibilitat DWDM (multiplexació per divisió densa en longitud d'ona) i operació amb components comercials. Així mateix, una comparació exhaustiva entre IM i PM conclou la superioritat de PM pel que fa a robustesa davant derivas de bias i menors pèrdues d'inserció.
Pel que fa als aspectes d'arquitectura de xarxa, la Tesi Doctoral aporta avenços significatius cap al desenvolupament de xarxes heterogènies convergents i bidireccionals. Es demostra un enllaços frontal dúplex complet centralitzat basat en PM amb reutilització de portadora i distribució remota de l'oscil·lador local (LO), reduint la complexitat de la capçalera de ràdio remota (RRH) alhora que es preserven la reconfigurabilitat i la compatibilitat DWDM. El sistema transporta senyals 5G New Radio (NR) a 41 GHz/40 GHz en baixada/pujada dins d'una xarxa fibra-sense fils. Una avaluació comparativa d'implementacions dúplex completes IM i PM sobre enllaços híbrids fibra-FSO-ràdio demostra rendiment d'extrem a extrem conforme a especificació, posa de manifest diferències de robustesa i valida la reutilització centralitzada de portadora d'uplink i la distribució remota de LO com a mecanismes per simplificar els nodes de vora.\par, [EN] This Thesis focuses on modeling, implementing, and experimentally validating reconfigurable photonic fronthaul architectures for millimeter wave (mmW) indoor communications. The research emphasizes enabling techniques that deliver energy-efficient, cost-effective, and scalable access for fifth generation (5G) and beyond systems. To this end, this work harnesses the potential of microwave photonics to address the core challenges of capacity, latency, and heterogeneity in next-generation networks, demonstrating that photonically generated mmW signals, via intensity and phase modulation (IM and PM, respectively), provide a practical and scalable foundation for advanced fronthaul networks.
Concentrating on analog radio-over-fiber (ARoF), the Thesis develops and validates deployment-oriented solutions that bridge theory and large-scale implementation, advancing enabling techniques at both the transceiver and network-architecture levels. The work establishes the fundamental principles of mmW signal generation using carrier-suppressed external modulation under IM and PM schemes, yielding tunable and spectrally pure mmW signals suitable for transmitting advanced modulation formats. The analytical formulation and experimental validation of directly modulated laser (DML)-based carrier-suppressed Mach-Zehnder modulator (CS-MZM) links demonstrates up to 23 dB relative mmW gain over 35 km of fiber link due to the interplay between the laser chirp and fiber dispersion; and also identifies the transition boundaries between small and large signal regimes, highlighting the trade-offs between gain and linearity.
Based on this work, novel precoding free, mixer-assisted transceiver schemes are proposed to reduce component count and cost while preserving wideband operation and standards-compliant performance. Moreover, a PM-assisted architecture enabling optical frequency multiplication is demonstrated, achieving 20 dB relative mmW gain over a 10 km fiber link. This approach exploits optical filtering and fiber dispersion for phase-to-intensity conversion, ensuring bias stability, dense wavelength division multiplexer (DWDM) compatibility, and operation with commercial components. Furthermore, a comprehensive comparison between IM and PM approaches leads to the assessment of the superiority of the latter in terms of robustness against bias drift and insertion losses.
With respect to network-level aspects, the Thesis delivers significant advances toward the development of future bidirectional and convergent heterogeneous networks. A centralized PM-based full-duplex fronthaul with carrier reuse and remote local oscillator (LO) delivery is demonstrated, reducing remote radio head (RRH) complexity while preserving reconfigurability and DWDM compatibility. The system enables 5G New-Radio (NR) standard signals over 41 GHz/40 GHz for downlink/uplink connectivity in a fiber-wireless network. A comparative evaluation of IM and PM full-duplex implementations across fiber-free space optics-radio hybrid links demonstrates specification-compliant end-to-end performance, stating robustness differences, and validating centralized uplink carrier reuse and remote LO delivery as mechanisms to simplify edge nodes.
In addition, convergence is advanced through a dual-band fronthaul capable of simultaneously transporting baseband and mmW services over one fiber with clean post-detection separation and data rates up to 50 Mb/s and 100 Mb/s, respectively. The Thesis also demonstrates a unified fronthaul for a heterogeneous wireless access network that simultaneously delivers services by visible light communication (VLC) and mmW radio links achieving throughputs of 70 Mb/s for VLC and 400 Mb/s for mmW with negligible mutual interference under standardized test conditions., This research has been made possible through the support of several projects and institutions:
• Predoctoral contract for University Teacher Training through Ministerio de Ciencia,
Innovación y Universidades (FPU20/04717).
• Project Grant PID2021-126514OBI00 “Sustainable optical technologies for millimeterwave and visible light communications access in 6G networks (OPTIMISE)” through
MCIN/AEI and ERDF “A way of making Europe”.
• Project PROMETEO 2021/015 “Disruptive Photonics Technologies for 2030” (Generalitat Valenciana).
• European COST action CA19111 "Network on future generation optical wireless communication technologies (NEWFOCUS)".