Investigación Científica y Tecniligíca

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AGENCIA ESPACIAL MEXICANA
Foro y mesa de trabajo con el tema:
INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Y TECNOLÓGICA
RESÚMENES DE PONENCIAS
I3aI 15dediciembrede2010
Ensenada, Baja California, México
Campus científico Ensenada: CICESE, UNAM, UABC.
AGENCIA ESPACIAL MEXICANA UNAM CICESE
Av. Universidad y Xola s/n Ciudad Universitaria Carretero Ensenada-
Col. Narvarte, No. 3000 Tijuana No. 3918
Delegación Benito Juárez Col. Copilco Universidad Zona Playitas
C.R 03020 México, D. E. Delegación Coyoacán C.R 22860
Tel: (55) 5723 9433 C.R 04360 México, D.F Ensenada, B. C. México
www.aem.gob.mx Tel: (55) 5622 4384 Tel: (646) 175 05 00
www.unam.mx www.cicese.mx
-
Mural: Las Ciencias en Baja California. CICESE, Ensenada, B. C. Xilografia de Hugo Sánchez
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Foro hacia la Sociedad
Mexicana Digital
en la era de la Banda Ancha
¿realidad o utopía?
su' tkcIcÉs
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Presentación
II. Cambe do paradigna La Uianrsidad do Colrrrra ci' el morco do los festoos por su 70 anivorsaro
o co,vengoncia cm orgarizó el Foro HACIA LA SOCIEDAD MEXICANA DIGITAL EN LA ERA
TIC DE LA BANDA ANCHAr REALIDAD O IJTOPfA" dardo so discutieron
aspectos centraba del presento y del lutero co nuestro para, en el correare
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Cansurucacoree TIC) de banda ar'dha nr lodos loo ¿mOros do la vIda
rnodanrta del palo Organizarlo oir colaboracór con el Gohiorro 401 Estado
lic Cobea, la SecretarIa do Comuricacianos y Transportes la ANUlES y el
dOLSE. 0100)0100 general del Foro fue 000trtru, tsr Coas y acciones
• sede concretas a Os pelucas publIcas para el tránsito do MOceo a la SOcedad
- digital del corocsnrierto. rtegrando las rusores de partrupertes a roel
rraCorrral e Iplorracropal lOe los rectales enronosarol gubernarnerrtal y
acadérrnco con oxponorice de purriera rrraro en el papel que uoga la
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Ñchso Hotórlud edilicIo rurr4tics rolacrlradas ala banda archa tocando ospecificaetonté en los
donde 000040 OPOs Palo aspeclos 'Edaicacón e echisdo digital •Saksd y medo embrome E gobierno,
O Untoors dad Popular de desatrollo regional y segursied El Foro luao logar en la Gradad de Calma
ColIna /sa enriO 20 dO W. Méo,co, leO dIos 27,29 y 29 do octubre do 2010
noeiorebro No 234
Colono Centro sr' la Loor 0140
Vedad de Gallota
Resumen de actividades
En la corerrrocu do 000guracór so curro con O asistente do 250
paetrcpantes, ePIro eles estudiarlos, maosrros, descIÑes y for0000nos
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de empresas prreadas
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aeropuerto nacleotal
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CrOdigo postal 28010.
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(312) 313-8101
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SOMI XIII
CONGRESO DE INSTRUMENTACION
5 al 9 de octubre de 1998
Ensenada, B.C., México
CONVOCATORIA
La SOCIEDAD MEXICANA DE INSTRUMENTACION, el CENTRO DE INVESTIGACION CIENTIFICAY
DE EDUCACION SUPERIOR DE ENSENADA en su XXV Aniversario y el CENTRO DE INSTRUMENTOS
de la UNAM, convocan a todos los interesados a participar en el SOMI XIII CONGRESO DE
INSTRUMENTACION, el cual se celebrará en paralelo con el II Congreso de Comunicaciones
Opticas, organizado en colaboración con el Instituto de Investigación en Comunicación Optica de la
UASLP, en Ensenada, B.C., México, del 5 al 9 de octubre de 1998.
El objetivo del Congreso es favorecer el intercambio
de experiencias entre los especialistas relacionados
con la instrumentación científica, didáctica e
industrial, en áreas tales como Acústica,
Comunicaciones, Control, Electrónica, Mecánica,
Metrología, Optica, Sensores, Sistemas y demás
afines, propiciando así la investigación y el desarrollo
tecnológico en este sector en México.
Todos los trabajos que sean aceptados se
presentarán en sesión cartel. Estos trabajos serán
seleccionados por un Comité Científico, el cual
recomendará aquellos que en su opinión, puedan ser
presentados adicionalmente en forma oral.
Los autores deberán enviar un resumen de su trabajo,
enfatizando la originalidad del mismo y los resultados
obtenidos, con una extensión máxima de 600
palabras, a más tardar el 1 de junio.
Una vez recibida la notificación de aceptación, los
autores deberán hacer llegar la versión de su trabajo
en extenso a más tardar el 7 de agosto, siguiendo las
instrucciones de formato para su elaboración, que se
enviarán junto con dicha notificación.
Los carteles permanecerán expuestos al menos un
día durante el Congreso, siendo atendidos por sus
autores en fecha y horario que se darán a conocer
posteriormente. Igualmente sobre las sesiones
orales, se les informará oportunamente.
Adicionalmente a las sesiones cartel y orales, se
llevará a cabo un ciclo de conferencias magistrales
sobre tópicos de actualidad en instrumentación,
dictadas por reconocidos especialistas nacionales y
extranjeros. El programa del mismo será anunciado
más adelante.
REGISTRO
El registro como participante cubre la asistencia a
todas las sesiones y conferencias, café en los
recesos, coctel de bienvenida, cena buffet y
actividades culturaies, así corno memorias del
Congreso. Los estudiantes tendrán acceso
exclusivamente a todas las sesiones y conferencias,
así como al servicio de café y actividades
culturales.
Las cuotas hasta agosto 7 serán para los
participantes de $ 1,150.00 y para los estudiantes
de $ 300.00. Después de esta fecha, $ 1,300.00 y
$ 350.00, respectivamente.
Los resúmenes y los trabajos en extenso deberán
enviarse por correo, Fax ó E-mail a:
SOCIEDAD MEXICANA DE INSTRUMENTACION
Apdo. Postal 70-186 Coyoacán, 04510, México, D. F.,
Tel. (525) 550 0416, Fax, (525) 622 8606, E-mail:
somi 1 3@aleph.cinstrum.unam.rnx, a la atención del
¡ng. Gerardo Ruiz Botello, o bien entregarlos
personalmente en la Secretaría Académica del Centro
de Instrumentos de la UNAM, Circuito Exterior,
Ciudad Universitaria, D. F.
México, D. F., 6 de febrero de 1998
i27j e Lara Rosano
Presidente

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Con trihucones hacia un Programa iNactonal de Desarrollo en Ciencia
y Tecnología de ¿as Teleconiunicaciones Espaciales en México
Instituto Nacional de Astrofísica, Optica y Electrónica (INAOE)
Centro Regional de Enseñanza de Ciencia y Tecnología del Espacio para América
Latina y el Caribe (CRECTEALC)
Luis Enrique Erro 1
72840 Tonanlzintla, Puebla
Mex ico
Té101 (222) 26631 00exts.3303y2211
9-10 de noviembre de 2009
Lugar: Auditorio del Centro de Información del INAOE
l'aiicl organizado pr
Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE)
Centro Regional de Enseñanza en Ciencia y Tecnologia del Espacio para América
Centro de Investigación Cientítica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE)
Propósito
Las telecomunicaciones espaciales y satelitales constituyen un elemento central en el
desarrollo de México, en aplicaciones de servicios punto a punto, punto-multipunto y
redes tijas y móviles. Las comunicaciones espaciales son determinantes en diversas
actividades económicas de muy amplia naturaleza, tales como comunicaciones
satelitales multimedia (TV, datos, voz), percepción remota, navegación y
posicionamiento con los sistemas de satélites de navegación global (GNNS),
meteorología satelital, sistemas de información geográlica, aplicaciones científicas,
misiones planetarias, cte.
Las actividades de desarrollo científico y tecnológico en el campo de las
telecomunicaciones satelitales y espaciales en México, se encuentran distribuidas en las
instituciones públicas y privadas de diversa naturaleza. El avance y desarrollo de este
campo depende esencialmente de la conjunción de esfuerzos de todas las instituciones
gubernamentales, académicas, organismos no gubernamentales y del sector privado.
Objetivo
Este panel busca contribuir con elementos y perspectivas de desarrollo de las
telecomunicaciones espaciales, con vista a su integración en el proceso de la
formulación de un I'rograma Nacional de Desarrollo en Ciencia y Tecnología del
Espacio en México.
De manera particular, se busca explorar la posibilidad de generar una línea de desarrollo
de pequeños satelites de comunicaciones, en la perspectiva de un proyecto inter-
institucional, uniendo esfuerzos, en marcha o en planes de labor futura, de la comunidad
académica, de las dependencias gubernamentales, del sector industrial y de
organizaciones civiles de nuestro pais.
Temática
Este Panel está orientado al análisis del estado actual y las perspectivas de desarrollo de
las telecomunicaciones espaciales en nuestro pais y pretende abordar, cnti'c otros, temas
relativos a
• políticas y programas gubernamentales de desarrollo en telecomunicaciones
espaciales y satelitalcs en México
• perspectiva de desarrollo de la industria nacional de productos y servicios de
telecomunicaciones espaciales y satel i tales
• gestión y regulación de las telecomunicaciones espaciales en México
• dcsari'ollo nacional y regional en comunicaciones espaciales
• educación superior en comunicaciones espaciales
• estado actual de la investigación y desarrollo de las tciccoiuunicaciones
espaciales en las instituciones académicas
• futlir9 de investigación y desarrollo en comunicaciones espaciales
• innovación y preparación tecnológica Co comunicaciones espaciales
• integración de México en programas internacionales en comunicaciones
espaciales
• economía de las comunicaciones espaciales
• los retos globales en comunicaciones espaciales
Enfásis particular en
• tiio3'ccio intee•-istitucionales co leleeimiiiiiicacii,ncs estaeiaics eufi
a paitir de oua plitfiirnia inicial ile desiirrutlo tecuolóqico de lazablo
satélites ile ciiinitoícaijiones
Programa dirigido a
Instituciones públicas y privadas con actividades en el sector espacial
Instituciones académicas y educativas
Organizaciones civiles
Profesionistas interesados en las actividades espaciales
Instituciones participantes
[SER, COFETEL, AEXA, SATMEX, CRECTEALC, INAOE, CICESE, UNAM, IPN,
UAM, CINVESTAV, GLOBAL STAR, COMEA

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(otribucioties hacia un Programa iNacioua de Desarrollo en Cencta
y 'Tecnología de las Telecomunicaciones Espaciales en México
Instituto Nacional de Astrotjsica, Optica y Electrónica (INAOE)
Centro Regional de Enseñanza de Ciencia y Tecnología del Espacio para América
L.uis Enrique Erro 1
72840 Tonantzintla, Puebla
Mexico
Té! 01 (222) 26631 00exts.3303y2211
9-10 de noviembre de 2009
Lugar: Auditorio del Centro de Información del INAOE
PRO(;RAMA
9 de noviembre
i'artkiacioii tic las i iistituciones académicas
Hora institución/presentación Representante
10:00-10:30 INAOE Dr. José Guichard
II icuvenida y uperlula del partel
P l escru ación de_pu_rilepautes
10:30-11:15 CRECTEALC Dr. Sergio Camacho
11:15-11:45 COFETEL Dr. Enrique Quibrera M.
11:45 - 12:00 Receso
12:00-12:30 CICESE Dr. Javier Mendieta y M. C.
Enrique_Pacheco -
12:30-13:00 UNAM-lnst. de Ingeniería Dr. Esaú Vicente Vivas
Desuirrol lo de Capacidad 1 spulcia!
del Instituto de 1 itgeniería para el
l'royccto 1-lii MSA!. Constelac iOn
internacional de Satélites"
13:00-13:30 UNAM-lnst. de Geografía Dr. Jorge Prado Molina
DLiSARRO!.LO DE S!SUl'1V1iS
l)!i SIMUlACIÓN PARA
l'RIIEI3A l)l AlGORITMOS 1)1
('()NlROI.I)F ORI ENTACIÓN
PARA_SAII1_IFES_PI_Q1JUÑ(_)S'
13:30-14:00 IPN-ESIME-Aeronáutica MC. 1-léctor Diaz García
"ll'N IJSIM[ liconsán'
14:00-15:00 Comida
15:00-15:30 UAM Dr. Raúl Alva García
A/00
/
inane
30-16:00 CINVESTAV Dr. 1-lugo Rodríguez Cortés
16:00-16:30 UPAEP Dr. Alejandro Pedraza
16:30-17:00 Receso
17:00-17:30 TELEMEDICINA Dra. Amanda Gómez
17:30-18:00 INAOE Dr. Celso Gutiérrez
18:00-19:00 Mesa_redonda
10 de noviembre
Jg.J.iciiuichóiidc tas instituciones guhernamcntaks ygp,'esarmlcs
Hora Institución/presentación !resentante
9:45-10:00 Apertura de la sesión Dr. Sergio Camacho
10:00-10:30 SRE Lic. Fermín Romero Vázquez
10:30:11:45 AEXA Ing. Fernando de la Peña
11:45-12:00 Receso
12:00-12:30 LJNAM-F1
"( 'reación, tanza tu icu tu y
iiiciacomn de un satélite peti ucíjo
para la ¡uvestiqación
de precursores jonosféricus tIc
li'ricmolos la terccprii'i
rdniota di, la tierra"
((oopci'ación i%léieo-Rusia)
Dr. José Alberto Ramírez
Aguilar
12:30-13:00 INEGI Geo. Sergio Ojeda
13:00-13:30 SATMEX Ing. Alonso Picazo
13:30-14:00 Dr. Enrique Melrose
14:00-15:00 Comida
15:00-15:30 IPN-ESIME-Aeronáutica
_!ct1l-X___
Ing. Javier Roch Soto
- 15:30-16:00 GLOBAL STAR Ing. Francisco Romero
16:00-16:30 Receso
16:30-18:00 CONCLUSIONES y
CLAUSURA
- - - - --. - - - - - - - -

Provided for non-commercial research and educational use only.
Not for reproduction, distribution or commercial use.
I This chapter was originally published in the book Progress in Optics. The copy
attached is provided by Elsevier for the author's benefit and for the benefit of the
author's institution, for non-commercial research, and educational use. This
I includes without limitation use in instruction at your institution, distribution to
specific colleagues, and providing a copy to your institution's administrator.
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PROIIESINOPTItS
VOLUME 52
CONTRBUTORS
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All other uses, reproduction and distribution, including without limitation
commercial reprints, selling or licensing copies or access, or posting on open
internet sites, your personal or institution's website or repository, are prohibited.
For exceptions, permission may be sought for such use through Elsevier's
permissions site at:
http://www.elsevier.comllocate/permissionusematerial
From Philippe Gallion, Francisco Mendieta, Shifeng Jiang. Signal and Quantum
Noise in Optical Communications and Cryptography. In: Emil Wolf, editor:
Progress in Optics, Vol 52, Hungary: Elsevier; 2009, p. 149-259.
ISBN: 978-0-444-53350-0
© Copyright 2009 Elsevier B.V.
Elsevier
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Author's personal copy
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Signal and Quantum Noise
in Optical Communications
and Cryptography
Philippe Galliona,!, Francisco Mendietab,2 and
Shifeng Jiang 1,1
a Ecole Nationale Supérieure des Télécommunications,
TELECOM ParisTech, and CNRS LTd. Paris
b CICESE, Carretera Tijuana-Ensenada km 107, Ensenada,
Baja California, 22860, Mexico
Coritents 1. Introduction 150
1.1 Ouantum and Thermal Noises 150
1.2 Limit of the Semi-classical Approach for
Quantum Noise 151
1.3 New Trends in Optical Communication
Engineering 152
1.4 Chapter Objective and Organization 153
2. Basic Concepts of Quantum Optics 155
2.1 Quantum Description of Optical Fields 156
2.2 Quantum States of Optical Fields 161
2.3 Quantum Probability Distributions 165
2.4 Engineering Description of Quantum Noise 170
3. Non-commutating Quadrature Measurements and
Quantum State Distinguishability 177
3.1 Non Commutating Quadrature Measurements 178
3.2 Quantum Detection 184
3.3 Symmetrical Coherent States 185
3.4 Open Loop Quantum Receivers 187
3.5 Feedback Quantum Receivers 189
1 Tel.: +33(0)14581 7702.
2Te1.: +52 646 1750500.
E-mail addresses: phi!ippe.ga!!ion@telecom-paristech.fr (Philippe Gaffion), mendieta@cicese.mx
(Francisco Mendieta), shifeng.sjiang@te!ecom-paristech.fr (Shifeng Jiang).
URLs: http://www.telecom-paristech.fr/ (P. Gaffion,S. Jiang), http://www.cicese.mx (F. Mendieta).
Progress in Optics, Volume 52 © 2009 Elsevier B.V.
ISSN 0079-6638, DOI 10.1016/S0079-6638(08)00005-X Al! rights reserved.
149
1
1

1
PLEÁSE RE VIEWENGLISHFOR STYLE
Development, Validation and Evaluation of a Space Qualified Long Life Flight Computer Server
Esaú Vicente-Vivas 1 and Francisco J. Mendieta Jiménez2
1 lnstituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Cd. Universitaria,
Coyoacan, 04510, México DF, Tel.: (5255)5623-3600, ext. 8815, evv(iiservidor.uiiam.mx .
2Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Km. 107 Carretera
Tijuana-Ensenada, CP. 22860, AP. 2732, Ensenada, B.C., México, mendieta(enst.fr .
ABSTRACT. Several resea.rch institutions have worked together in the development of a 55 Kg low earth orbit (LEO)
microsatellite aiming the development of university technology in the space fleid. As known LEO operation implies a
dephased orbital dynamics among satellites and our planet, achieving time limited communications either to download
high bandwidth scientific telernetry or to upload command and/or missions for space vehicles. By this reason among
others long life space computer architectures constitute an important research fleid oriented to preserve satellite
operations, satellite autonorny and communications among space vehicles and its control earth stations. Under this
scenario few years of research efforts were dedicated towards the development of a reconfigurable space qualified long
life computer server (SQLLCS) which integrates coid spare redundancies in single points of failure from the architecture
to improve hardware reliability. The computer architecture aims the extension of satellite life even in the presence of
important SQLLCS failures. This chapter describes the SQLLCS hardware architecture and underlines the features
integrated in the hardware that allow the computer to withstand the harsh space environment. Besides, it explains sorne
software operations for both the space and ground segments. In addition, the chapter outlines the hardware and software
tools specially created for SQLLCS validation purposes, as well as results of a reliability study to predict the server
behaviour based on the exponential failure Iaw, the rnilitary standard MIL-HDBK217fnotice 2 and MatLab software.
1 INTRODUCTION
Electronic equipment developed for space applications has to accomplish a set of fundamental requirements in order to
withstand vibration during the launching phase as well as the harsh space environment in terms of radiation, extreme
temperatures and, vacuum during its operative life. For this purpose space projects have employed approaches both for
failure avoidance as well as for fault tolerance, [Cardarilli,2003], [Wimmer,1997] and [Johnson, 19881. The former includes
the selection of qualified cornponents, enforcing design rules and the periodical review of designs. The last handie hardware
failures and software errors when they occur, through the help of redundant hardware, fault diagnosis, as well as fault
detection and reconfiguration techniques, [Vicente, 20041.
Electronic equiprnent for space applications, and specially those projected for small space vehicles have strong limitations
in terrns of weight, volume, and electrical power. Besides, the srnall satellite field is also characterized by the adoption of
"faster, cheaper and probably better" approaches to easy the access to space. In this sense the use of commercial-off-the-
shelf (COTS) components is extrernely attractive [Caldwell, 20001 and is becoming a comrnon practice, [Cibola, 20071,
[Renaudie, 20071, [Guldager, 2005] and [Elfving, 20031, which in tum has enabled the launching of state-of-the-art
electronics into LEO orbits. The big picture is represented by the successful rnissions developed by the University of
Surrey, UK, a worldwide recognized institution both in the srnall satellite fleid as well as in the use of COTS components in
space platforms, [Underwood, 20031 and [Sweeting, 2001].
In addition, sorne important space institutions such as the Jet Propulsion Laboratory from NASA have rnade research efforts
towards reusable avionics computer architectures to be used in multiple rnissions, airning to reduce the developrnent and
production costs of flight projects [Chau, 20011.
On the other hand, the Satex project, figure 1, aimed the integration of microsatellite generic subsystems, figure 2, with
capabilities to adapt them to progressive rnissions. In this sense the project demanded the development of a redundant and
reusable flight cornputer with capabilities to apply autornatic maintenance after the detection of failures. It is important to
highlight that around the world very few small satellite missions make use of redundant flight computers [SSTL MicroSat,
20081, [SSTL MiniSat, 20081, [Cibola, 20071, [Bretschneider, 2005] and [Sperber, 19961. In other words, must srnall
satellite missions employ centralizad cornputer architectures to automate operations and payloads.
W11
1

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mi
vThe Satex mission projected five payloads, few of thern with dedicated control requirements. This goal demanded the
development of a satellite distributed computing system for automation purposes where satellite operations are governed by
the flight computer and where sorne payloads contain a microcomputer for local control purposes. Furthermore,
communications inside the vehicle are accomplished by a fault tolerant redundant local area network (FTRLAN) that
achieves safe comniunications through real time accomplishment of fault diagnosis, fault detection and fault reconfiguration
processes. [Vicente, 20041.
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!Figure 1. Satex Microsatellite project. Figure 2. Subsystems developed for Satex Microsatellite.
The operations delegated to the SQLLCS were the followings:
• Starting operations for the satellite after deployment into space.
• Telemetry acquisition and telemetiy packaging.
• Communications and protocois handling with the Earth Station (ES).
• Computer server functions among satellite and ES.
• Communications with payload microcomputers.
• First-stage vehicle stabilization to allow gravity gradient deployment.
• Second- stage stabilization process to allow payload pointing to Earth.
As realized from the previous !ist of functions the SQLLCS represents a single point of failure whose malfunction leads to a
failure of the whole satellite system. To overcome this risky situation a reconfigurable SQLLCS architecture was developed,
validated and evaluated. The design integrates up to three single board microcomputers (SBM) each one with enough
hardware capabilities to fulfil the requirements of satellite instrumentation. SBM full characteristics are given in a later
paragraph.
In order to generate a cost effective computer the architecture employs three SBM with identical printed circuit boards
(PCB). This lead to the design of a single PCB which employs jumpers to program the SBM identity as well as to provide
separate energization paths for three different processor configurations: rnain, first backup and second backup, see figure 3.
The SQLLCS architecture also demanded the design of a compact digital switching unit to interconnect any one of the
SBMs to the satellite instrumentation. Moreover, quad digital arrays of switches (IRFF 130) were employed to provide
energization for every SBM. By these means SQLLCS reconfiguration (maintenance) can be commanded from an external
source, in this case from a microcomputer payload. The last function can be controlled either in automated fashion from a
microcomputer payload or by rernote means from the ES, [Vicente, 20061. This e!ectronic feature also allowed the
definition of fault containment regions in the SQLLCS architecture composed by every SBM, to avoid damage propagation
1
1
1
1

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Chapter Number
L
Trends of the Wireless Optical Communications
E Juan-de-Dios Sánchez- López 1, Arturo ArvizuM2,
Francisco J. Mendieta2 and Iván Nieto Hipólito1
r 1Autonomus University of Baja California,
2Cicese Research Center
México
¡ 1. Introduction
The Optical Wireless Communications (OWC) is a type of communications system that uses
I the atmosphere as a comrnunications channel. The OWC systems are attractive to provide
broadband services due to their inherent wide bandwidth, easy deployment and no licence
requirement. The idea to employ the atmosphere as transmission media arises from the
I
invention of the laser. However, the early experiments on this field did not have baggage of
technological development (of the present systems) derived from the fiber optical
communications systems, because of this, the interest on them decreased (Willebrand, 2002).
At the beginning of the last century, OWC systems have attracted some interest due to the
r advantages mentioned aboye. However, the interaction of the electromagnetic waves with
the atmosphere at optical frequencies is stronger than that corresponding at microwave.
(Wheelon, 2002)
1 Poinfing [
Pointing and
tracking[ sbstem tracking subsystem
1 1 OpII.M.,rn. - - -
— 1 Photo..ceIe
W
'1 n gfl
Infom.tIo., signal
(Digital signal) --- — — — — — — — — -- TomtIontdtsnnel --
1 Transmitter Rmeiver
Fig. 1. Model of an atmospheric optical communications link
The intensity of a laser beam propagating through the atmosphere is reduced due to
I phenomena such as scattering and molecular absorption, among other (Willebrand, 2002).
The changes in the value of the atmosphere refractive index due to optical turbulence affect
the quality of laser beam through distortion of its phase front and random modulation of its
I
optical power (Zsu, 2002). Also the presence of fog may completely prevent the passage of
the optical beam that Ieads to a no operational communications link (Kedar, 2003).
1
lc

RO
2 Wireless Communication
The figure 1 showns the biock diagram of a OWC communications system (also called Free
Space optic communications system or FSO) (Zsu, 2002). The information signal (analog or
digital) is applied to the optical transmitter to be send through the atmosphere using an
optical antenna. At the receiver end the optical beam is concentrated, using an optical
antenna, to the photodetector sensitive area, which output is electrically processed in order
to receiver the information signal.
2. Important access technologies (first and last mlle)
In the past decades, the bandwidth of a single link in the backbone of the networks has been
increased by almost 1000 times, thanks to the use of wavelength division multipiexing
(WDM) [Franz, 20001. The existing fiber optic systems can provide capabilities of several
gigabits per second to the end user. However, orily 10% of the businesses or offices, have
direct access to fiber optics, so most users who connect to it by other transmission
technologies which use copper cables or radio signais, which reduces the throughput of
these users. This is a bottleneck to the last mile (Zsu, 2002).
While there are communication systems based on broadband DSL technology or cable
modems, the bandwidth of these technologies is limited when compared against the optical
fiber-based systems (Willebrand, 2002). In the other hand, the RF systems using carrier
frequencies below the millimeter waves can not deliver data at rates specified by IEEE
802.3z Gbit Ethernet. Rates of the 1 Gbps arid higher can only be delivered by laser or
millimeter-wave beams. However, the millimeter wave technology is much Iess mature
than the technology of lasers (Willebrand, 2002), which leaves the optical communications
systems as the best candidates for this niche market. Therefore, the access to broadband
networks based on optical communications may be accomplished through passive optical
networks (or PON's, which are based on the use of fiber optics) or via optical wireless
communication systems (Qingchong, 2005).
The optical wireless communications industry has experienced a healthy growth in the past
decade despite the ups and downs of the global economy. This is due to the three main
advantages over other competing technologies. First, the wireless optical communications
cost is on average about 10% of the cost of an optical fiber system (Willebrand, 2002). It also
requires only a few hours or weeks to install, similar time to establish a radio link (RF),
while installing the fiber optics can take several months. Second, OWC systems have a
greater range than systems based on millimeter waves. OWC systems can cover distances
greater than a kilometer, in contrast with millimeter-wave systems that require repeaters for
the same distance. By addition, millimeter wave systems are affected by ram, but the OWC
systems are affected y fog, which makes complementary these transmission technologies
(Qingchong, 2005). Finaily, this type of technology as opposed to radio links, does not
require licensing in addition to not cause interference.
2.1 Applications of the OWC systems
Optical wireless communications systems have different applications areas:
Satellite networks
The optical wireless communications systems may be used for in satellite
communication networks, satellite-to-satellite, satellite-to-earth (Hemmati et al, 2004).
Aircraft
In applications satellite to aircraft or the opposite (Lambert et al, 1995).
la
1
SI

IEICETRANS. COMMUN., VOL.E93—B, NO.! JANUARY 2010
226
01, ILETTER
Coherent Optical Wireless Link Employing Phase Estimation with
Multiple-Beam, Multiple-Aperture, for Increased Tolerance to
Turbulence
r
r
L
e
Arturo Arvizu MONDRAGÓNta), Nonmember, Juan-de-Dios Sáchez LÓPEZtb), Member,
and Francisco-Javier Mendieta JLM1ENEZt, Nonmember
•1
SUMMARY We present a BPSK coherent optical wireless link jo a
multiple-bearn, mu!tiple-aperture configuration. The data are recovered us-
ing the signal obtained by the coherent addition of a set of maximum likeli-
hood optical phase estimates and a select-Iargest stage. The proposal offers
higher performance than the combining methods commotily used in optical
wireless systems with diversity transmission and coherent detection.
key words: optical phase esti,narion, coherent optical wireless, optical
diversity systems, free-space optics
1. Introduction
The optical wireless communication (OWC) systems are af-
fected by several random perturbations (such as the optical
turbulence) that cause attenuation and phase fluctuations in
the received optical fields [1]. To deal with such perturba-
tions, a great research effort has been (and still is) invested
to develop systems more tolerant to the adverse effects pro-
duced by such a random cornmunications channel [2]—[5]1
Currently, there is an important trend in the development
and commercial deployment of coherent optical systems,
based mainly on the use of high-speed digital signal process-
ing for the fiber optic channel, but also for the atmospheric
channel [6], [7]. Previously, we reported an optical phase es-
timator, capable of working adequately with moderate lev-
els of turbulence in coherent OWC links [8]. To obtain a
more robust system, we propose the use of a multiple-beam
transmitter (MBT) and a multiple-aperture receiver (MAR)
system since, as it is well-known, the performance of wire-
less communications systems over fading channels can be
improved in this way. For these systems, there exists sev-
eral power combining methods. In the selection combining
(SC) scheme, the received signal with the highest level is
selected and processed to obtain the data. A better perfor-
mance approach, is to add all the optical received signals
in a maximal ratio combiner (MRC) scheme and then, to
perform the demodulation (or estimation) process over it.
These combining schemes have being used in OWC systems
with direct or coherent detection [1 1—[41, Another approach
Manuscript received September 15, 2009.
tThe authors are with the CICESE Reseach Center, Ensenada,
B.C., Mexico.
E-mail: arvizu@cicese.mx
E-mail: sanchezl@cicese.mx
E-mail: mendieta@cicese.mx
DOl: 10. 1587/transcom.E93.B.226
that, to the best of our knowledge, has not been explored yet
in OWC systems with spatial diversity transmission and co-
herent detection is the optimum (post-detection) linear com-
biner (PDLC), previously suggested for radio fading chan-
nels by Van Trees [9]. We implement this last approach us-
ing the coherent detection of n received optical signais and
performing the optical phase estimation and maximum like-
lihood (ML) computation for each of them (both for the "1"
and "0" hypothesis). Then we make the coherent weighted
addition of the n branches and select the largest signal to
obtain the regenerated data. We obtain with this scheme an
increased performance over the other combining methods,
at the cost of a higher processing complexity. Our system is
designed to work with technologically available components
at bit rates of several Gbps, and link distances of few km us-
ing an optical carrier with BPSK modulation so the use of
coherent optical detection and a phase estimation stage such
as OPLL are required to recover the digital data. We present
the performance evaluation comparison (obtained by means
of simulations) of our proposed scheme with the most com-
monly used BPSK optical receiver; the OPLL, as well as the
optimum homodyne receiver (OHR). We also present the
entena employed to obtain a non-correlated beam pattern
over the receiver apertures.
2. Multiple-Beam Transmission and Multiple-Apert-
ure Reception (MBT-MAR)
Figure 1 shows the scheme of our system. The optical
transmitter signal (phase modulated by the data) ampli-
fied using an EDFA, is sphitted to produce the multiple-
pattern signal to be sent through the communications chan-
nel. We consider parameters of technologically available
components: a) optical source: external cavity laser diode
(FWHM = 10kHz, ,l = 1550nm, maximum optical power
= 12 dBm), b) optical phase modulator (for suppressed car -
rier BPSK modulation): maximum insertion loss = 4.5 dB,
c) EDFA:maximum optical power = 30 dBm, variable gain
(10 to 30dB), d) lxM splitter: maximum insertion loss of
3.8dB for M = 2, and 10.2dB for M = 8 (equal splitting
ratio for all the apertures). The coupler outputs are fed into
the transmitting optical antenna, which is designed to ob-
tain a non-correlated multiple-beam pattern at the receiver
apertures, so we find the minimum separation (o) required
Copyright © 2010 The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers

LEITER
1
227
TRANSMITTER FOC
(Ti L ceiv
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1 - soc s 7EOrPO.*RZAflOJ
nate OPTIC COUPLEP 0 COUE
EDFA. ERBRN OOPED q.
RAMPIJÑE 2 SOFC EDFA LASER
FPO ONI1NG OP7cS ,. csrt
SP 9 7E_- - -
Fig. 1 Scheme of the MBT-MAR optical link
to suppress the intensity spatial correlation C(q) between
the received beams (Fig. 1), using [ 10]:
C(q) = 1.060 f dx sin x
_jj7Jo(qkx))(l_____ (1)
xl
J0 is a zero-order, first-class, ordinary Bessel func-
tion and x = LÁ110, 10 is the inner scale length, and L:
link distance.Evaluating Eq. (1), we find that for values
of q = p './2
__
7r/ÁL ~ 4 the correlation is close to zero; in
our case A = 1.55jim and L = 1.5km, so, the separa-
tion between receiver apertures should be p ~ 7.7 cm. In
this work we assume a perfect pointing between transmit-
ter and receiver. And to realize the pointing and tracking
of the set of receiver optical antennas, we propose to use
a coarse pointing optics (CPO) [12] driven by the addi-
tion (IT = IM) of the individual coherent intensity mea-
surements (IM) and a set of individual fine pointing optics
(FPO), as the suggested by Kazaura et al. [51, to get a low-
loss coupling between the received beams and the 1 x M
fiber optical coupler, driven by the individual coherent in-
tensity measurements (IM). The intensity measurements
are obtained by the PDLC-SV stage as shown on Figs. 1
and 3. In our receiver stage we use coherent detection, so
the aperture diameter size (Dr) is a function of the Fried
parameter r0 = 2.1(1.46Ck2L) 513 [10], where C is the
refractive index structure parameter (typically greater than
0.5 x 10-13 for strong turbulence) and k: wavelength num-
ber. The strength of the turbulence can be measured as well
by the Rytov variance o- = 1.23Ck716L1116 [11]. We deter-
mine that the diameter required for strong turbulence must
be Dr :5 ro = 2.5cm when ji = 1550nm and L = 1.5km.
The gain of the optical receiver antenna is then calculated
using Gr,, = (irDr/A)2 to be Grx = (94dBi). Now, based
on geometrical considerations, we observe from Fig. 1, that
to get a non-interference intensity beam pattern at the re-
ceiver apertures, the spot diameter size DM should fulfili
DM :i~ p + Dr, in our case, this leads us to DM :5 10.2 cm.
If we neglect the aperture diameter we find that the upper
bound is DM = 7.7 cm, which we consider to be an adequate
value for our design. Using, DM = 7.7 cm, we obtain the
required transmitter divergence angle for a link distance L
through the following equation DM = 2L tan (6/2); then, we
determine the transmitter antenna gain G t (assumed diffrac-
tion limited) [12] and the aperture area A using the equations
= 16/82 = 41rA/A 2 = 6x 106, (98 dBi), so the transmitter
apertures diameter size is 4 cm. We choose, for convenience,
that the center of both the transmitter and receiver apertures
are on the optical axis, so the separation between the trans-
mitter apertures (9T) must be PT = p + Dr = 10.2 cm. The
receiver stage consists of n-apertures i.e. optical antennas
whose outputs are coherently mixed with a shared strong
L.O. by means of fiber optic couplers as shown in Fig. 1.
Balanced homodyne reception, A/D conversion and DSP
stages, produce the electrical observables:
V0 (t) = V0 sin(Ik(t) + xi(t) + x21(t)) + n(t) (2)
= 1,. . . , M, y01 is the ilh amplitude (affected by tur-
bulence), Ik(t) is random data (,r/2 or —ir/2), xi(t), is the i j,
phase noise process due to the lasers, x21(t) is the ith phase
perturbation process due to the atmospheric turbulence, and
n(t) is the th additive photodetection noise process.
To determine the number of apertures for our appli-
cation, we make the foliowing assumptions: a) we have
M non-correlated optical data beams arriving independently
at the receiver apertures, b) the channel irradiance fluctua-
tion has a Gamma-Gamma distribution and, c) the system is
able to operate at a specified BER when the received opti-
cal power is aboye a given threshold (Wrh) when the coher-
ent detection and the combining scheme (SC) are used. We
consider that if the last assumption is met, the other combin-
ing schemes will also be able to operate correctly because
they take advantage of the remaining power (not used on
the SC scheme). The lowest (theoretical) optical threshold
required for an ideal homodyne BPSK receiver operating
(in the quantum limit) at 1 Gbps and BER :5: 10-6 (a typ-
ical value for optical wireless communication systems) is
Wfh = —61 dBm [12]. To model the channel irradiance (1)
fluctuation (i.e., the scintillation) we employ the following
Gamma-Gamma distribution pi(I) because it is applicable
in a variety of turbulence regimes [1]:
Pi(1)
= 2() I±_1
XKa p(2/i) 1>0 (3)
K is a modified Bessel function of second class, f is
the Gamma function and the parameters a and fi are related
to the variance of the logarithm of the scintillation. As the
received optical power is the irradiance integrated over the
collecting area, it is directly affected by the irradiance fluc-
tuations in the optical transmitted fleid. In order that the SC
scheme be able to operate at 1 Gbps and BER :~ 10_6, an
optical power greater than Wrh = —61 dBm is needed at least
on one of the receiver apertures. We determine the proba-
bility PM(WO > W) of receiving an optical signal with an
average power (W0) greater than this threshold using Eq. (3)
(knowing that we can relate the optical power and the irra-
diance) considering that the M optical signais received in
each of the apertures (Fig. 1) are independent, and that the
average optical power at the output of each of the transmit-
ter apertures (< Wi >= (P0[1 - IL])/M, with 'L being the
ML
im
a

IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 6, NOVEMBER/DECEMBER 2009 511.111
Homodyne In-Phase and Quadrature Detection of
Weak Coherent States With Carrier Phase Tracking
Qing Xu, Arturo Arvizu Mondragón, Philippe Gallion, Senior Member, IEEE,
and Francisco J. Mendieta, Member, IEEE
E
E
E
E
E
E
Abstract—We present a homodyne receiver structure for the de-
tection of weak coherent states that uses sequential in-phase and
quadrature measurements on the received optical signal. This re-
ceiver performs the optical carrier phase tracking requiring only
a single balanced homodyne detector, by including a postdetec-
tion Costas-loop-type feedback, which additionally allows the use
of suppressed carrier modulations in the received fleid, for ef-
ficient transmission. Wc report an experimental interferometric
seff-homodyne setup for the sequential detection of low photon
number, binary phase-modulated optical signais that consist of
strongly attenuated laser pulses by using a reference fleid as the
local oscillator with an alternatively switched phase. A Costas ioop
postdetection subsystem is implemented in discrete time to perform
fast real-time optical phase tracking. We also present the experi-
mental results of the homodyne postdetection statistics for received
BPSK signals with very low photon numbers, and compare them
with the theoretical uncertainty limit. Finally, we conduct bit error
rate measurements over a wide range of signal level, as well as a
comparison with the standard quantum limit.
Index Terms—Balanced homodyne detection (BHD), coherent
detection, in-phase and quadrature measurements, optical Costas
loop, optical phase-shift keying (PSK), optical phase synchroniza-
tion, quantum communications, weak coherent states (WCSs).
1. INTRODUCTION
HOMODYNE optical communications are currently re-
ceiving renewed interest due to their unique character-
istics of sensitivity to complex amplitude modulations that re-
quire substantially lower optical SNR for a given postdetection
bit error rate (BER) [1] than the traditional intensity-modulated
(IM) ON—OFF keying (00K) incoherent systems with direct de-
tection. Coherent technologies offer the advantages of a much
better spectral efficiency [2], [3], and, when constant envelope
modulations are used, they are much more tolerant to nonhinear-
ities in the fiber optic channel [4], [5]. Additionally, for densely
multiplexed systems, theirhighly selective spectral transposition
into baseband constitutes an efficient demultipiexing scheme.
Manuscript received February 5, 2009; revised March 26, 2009. First pub-
lished August 18,2009; current version published December 3,2009. This work
was supported by the French Government under Project ANR RNRT HQNET.
Q. Xu and P. Gallion are with the Département Communications
et Electronique, and the Laboratoire Traitement et Communication de
I'Information, LTCI Unité Mixte de Recherche (UMR) 5141, Ecole Nationale
Supérieure des Télécommunications (TELECOM ParisTech), Centre National
de laRecherche Scientifique (CNRS), Paris 75013, France (e-mail: qxu@enst.fr;
gallion@enst.fr).
A. A. Mondragón and E J. Mendieta are with the Department of Electronics
and Telecommunications, Centro de Investigacion Cientifica y de Educacion
Superior de Ensenada (CICESE) Research Center, Ensenada 22800, Mexico
(e-mail: arvizu@cicese.mx; mendieta@cicese.mx).
Color versions of one or more of the figures in this paper are available online
at http://ieeexplore.ieee.org .
Digital Object Identifier 10.1 1093STQE.2009.2023803
Balanced homodyne detection (BHD) using standard p-i-n
photodiodes and a strong local oscillator (LO), whose noise has
only negligible influence, measures only one quadrature since
there is no additional noise other than the zero-point fluctuation
of the recei Ved signal fleid. Therefore, the output noise is domi-
nated only by vacuum fluctuation eniering in the signal port, and
a standard quarnum-limited (SQL) reception is attained [7], [8].
With these advantages, homodyne detection is also attractive
in other applications that are presently of high research inter -
est, such as coherent sensors, coherent reflectometry, coherent
spectral analysis, and multiport optical networks. Additionally,
the characteristics of highly selective spatial filtering for back-
ground radiation rejection are essential in free-space communi-
cations and lidar applications.
However, since homodyne detection is sensitive to the in-
stantaneous field complex amplitude, the reception relies on
the accurate synchronization of the optical carrier phase with
respect to the LO, in the presence of fluctuations due to the
inherent linewidth of the signal and LO, as well as the fluc-
tuations in the thermomechanical state of the fiber and other
in-line components. For pilot carrier systems, a diversity of
feedback tracking configurations have been reported in the con-
ventional configuration of optical phase-locked loops m current-
controlled oscillator configurations, and even in injection lock-
ing schemes [9], [10].
Efficient transmission requires constellations with suppressed
carrier, and the extraction of the phase error constitutes a difficult
task that frequently requires nonlinear operations on the post-
detection signal(s) and diverse demodulationitracking schemes
such as Costas loops and directed decision loops. The feedback
or feedforward (intradyne) configurations [11], [12] have been
reported for the reception of classical light fields, carrying high
photon number per bit.
Now, carrier phase tracking in homodyne reception imposes
further challenges in new applications that operate with very few
average photons per observation time such as quantum cryp-
tography [13], long-distance free-space communications and
lidar [141, and the other instrumentation and scientific applica-
tions that work with photon numbers substantially lower than
those used in classical transmission, such as weak coherent
states (WCSs).
In this paper, after briefly reviewing the principles of the four-
port BHD for single-quadrature measurements and of the eight-
port optical hybrid detection for two-quadrature measurements,
we present a receiver for the sequential detection of the in-phase
(1) and the quadrature (Q) components of a WCS signal that
is modulated in a suppressed carrier format, for applications in
la 1077-260X/$26.00 © 2009 IEEE
Authonzed Ileensed use limited to: Purdue University. Downloaded on January 8, 2010 at 12:20 from IEEE Xplore. Restnctions apply.

[1
1582 IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 15, NO. 6, NOVEMBERJDECEMSER 2009
1.
2
sI
Received signa 'oupIer
JUD2
Local Oscillator__J
(J)L 2
Fig. 1. BHD for two possible phase states of the LO: 90° (solid une) and 00
(dotted une).
the optical communications and cryptography. It uses a single
balanced homodyne detector with an LO, whose phase is peri-
odically switched between O and 7r/2 to alternatively beat with
the incoming signal. This constitutes a sequential Costas-loop-
type demodulationlsynchronization scheme, and we present the
postdetection feedback subsystem that is designed for the op-
tical phase carrier tracking. We implement this structure in an
experimental homodyne setup for the sequential detection of low
photon number and binary phase-modulated optical signais, by
applying a signal phase-tracking algorithm. Finaily, we present
the measurements on its optical phase-tracking characteristics,
its postdetection statistics with respect to the uncertainty limits,
and its BER performance with respect to the SQL.
II. FOUR-PORTBHD
Fig. 1 shows a general BHD scheme for an incoming signal
(red phasor) with a LO (blue phasor), both in a single spatial
mode, described by the photon annihilation operators ?ls and
aL, respectiVely, such as the Hermitian fleid operators with the
central carrier frequencies Vs and VL. The instantaneous phases
çbs (t) and Ç5L (t) are described, respectively, by
És(t)
=
ías(t)expLi(2vst+s(t))] 1 (1)
y T L +a(t)exp{— j(2st+s(t))]
EL(t)
raL(t)exp(2VLt+L(t))]
1
(2)
L +a (t) exp[—j(2vLt + L (t))]
where ¿i and Cs are the corresponding adjoint operators, the
time duration T is the observation time that is much longer than
the optical period but much smaller than the coherence time of
the optical source, and h is the Planck's constant.
For the deriVation of the number operators resulting from the
BHD, a prioriassumptions on the phase noise processes o s and
OL are not necessary. They can be considered as usual Wiener
process in which the time constant T is much longer than the
modulation period. They may be totaily uncorrelated if they are
issued from different laser sources, or partially correlated ifonly
one source is used in a delayed interferometer configuration, i.e.,
self-homodyne.
In a scalar analysis, the annihilation operators are expressed in
terms of their in-phase (1) and quadrature (Q) Hermitian compo-
nents: a5 = &si + JaSQ and aL = aLI + jaLQ. Assume that
the signal and the LO are in Glauber's coherent states, and are
denoted by l as) and 1aL), respectiVely. For a signal with con-
stant envelope modulation, we can separate the classical and the
quantum contributions for the two quadratures in the following
form:
asl/sQ = (aSI/SQ) + aSI/SQ (3)
aLI/LQ = (aLI/LQ) + 1aL1/LQ (4)
corresponding to the average signal and LO photon numbers as
N5 = (as) = = (a81)2 + (asQ )2 (5)
NL = (aLaL) = IaL 2 = (aLI) 2 + (aLQ) 2 . (6)
Furthermore, the variances are
(a91) = ((a81 - (a51))2 ) (7)
(a 9Q ) = ((aSQ - (aSQ)) 2 ). (8)
Also, the two noncommutating observables are subject to the
Heisenberg uncertainty relation given by
(.aJ)(.aQ) ~
i. (9)
In our case, a coherent state is a minimum uncertainty state for
which the standard deviations are (o&j)1/2 = (.Aa Q )'/2 =
1/2, bounded by the zero-point fluctuation energy [151.
In this four-port homodyne detector, the LO is in a coher -
ent state with a large number of photons, then the measured
count difference is related to the field strength probability of
the signal [16]: for coherent states, the probability density func-
tions (PDFs) of the outcomes of the independent measurements
on the in-phase and quadrature components are both Gaussian
functions with standard deviation 1/2, which is given by
p(&sI/sQ) = exp[-2(asJ/sQ - (aSI/SQ ))21. (10)
ir
Assuming a lossless and a perfectly balanced coupler, and
that the photodetectors are of unit quantum efficiency, due to
the coherent subtraction of the two photocurrents, the electron
number operator at the output is given by the projection of the
signal operator on the quadrature local field operator [171.
As in Fig. 1, to detect (a51) (or (ñSQ)), we set (aLI) (or
(aLQ)) in zero, as shown in solid (dotted) line in Fig. 1. For
example, in the detection of (&j) with a strong LO of which
NL = (dLQ) 2 » N, the dominant term at the BHD output is
Ñ = 2(aLQ)((aSI) + 51). (11)
The quadrature (asi) and its additional quantum noise íssi
are amplified by the deterministic part of the quadrature LO
component, as a noise-free mixing gain. In this case, only one
quadrature is measured, and the input signal quantum noise is
the only noise limitation; furthermore, both the LO quantum
noise and the excess noises are cancelled. 1u
Authonzed licensed use limited to: Purdue University. Downloaded on January 8,20108112:20 from IEEE Xplore. Restrictions appiy.

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1
RuT Vol.X. No.3. 2009 187-1 95, ISSN 1405-7743 FI-UNAM
(artículo arbitrado)
1
Estimadores de fase óptica en sistemas modernos de
comunicaciones Homodinas
Optical Phase Estima tors iii Modern Homodyne Communications Systems
A. Arvizu-Mondragón
CICESE. Ensenada, Baja California. México.
E-mail: arvizu@cicese.mx
F.J. Mendieta-Jiménez
CICESE. Ensenada, Baja California. México.
E-mail: mendieta@cicese.mx
J. de D. Sánchez-López
Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de Baja California (UABC).
E-mail: sanchezl@cicese.mx
(Recibido: agosto de 2006; aceptado: agosto de 2008)
Resumen
En este trabajo reportamos la síntesis de un estimador óptimo de la fase de una
portadora con modulación de fase aleatoria detectada coherentemente. Nuestra
aplicación está orientada a la detección homodina con modulación binaria de la fase
en sistemas modernos de comunicaciones ópticas. Mecanizamos un estimador que
opera sobre un observable en banda base con ruido aditivo, usando un modelo en
variables de estado para el canal de comunicaciones y técnicas de estimación
óptimas. Evaluamos con simulaciones el desempeño de la estructura general y
versiones simplificadas del estimador a través del valor cuadrático medio de su error
de fase. De estos resultados se obtuvieron estimadores prácticos que implemen-
tamos en circuitería analógica y usando un procesador digital de señales. El esti-
mador de "varianza constante" presentó el mejor desempeño experimental evaluado
a través del valor cuadrático medio de su error de fase.
Descriptores: Estimación óptima, detección homodina, procesos de Wienes;
modulación de fase, variables de estado.
Abstract
This work consisis of the synthesis ofan optimal estimator for a random phase modulation
onto a carrier to be received by a coherent detector. Our application is oríented to horno-
dyne detection with PSK format, in modern optical communication systems. We mecha-
nize an estimator operating with a baseband observable in additive noise employing a
state variable model for ihe communication channel and optimal estimation techniques. To
assess ihe performance of ihe general structure and simplified versions of the estimator we
made computer simulations and calculated the cm.s. value of the phase error. With these
results we get practical estimators that we implemented using analog electronic circuitry
"constantand a DSP The variance" estimator exhibited the minimum r.m.s. value of its
phase error obtained experimentally.
Keywords: Optimal estimation, homodyne detection, Wiener processes, phase modula-
tion, siate variable.
Li

1
1Available online at www.sdencedirect.com
'ScienceDirect
EI.SEVIER Optics Communications 271 (2007) 73-80
OPTICS
COMMUNICATIONS
www.elsevier.com/locate/optcom
Evaluation of the residual birefringence of single-mode
erbium-doped silica fibers
D. Tentori a,* C. Ayala-Díaz a F. Treviño-Martínez b F.J. Mendieta-Jiménez a
a
Centro de investigación Cient(fica y de Educación Superior de Ensenada, Div. Física Aplicada, km 107 carretera T/uana-Ensenada,
Ensenada, B. C., 22860, Mexico
b
Universidad Autónoma de Nuevo León, FIME, Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, N.L., 66430, Mexico
Received 10 July 2006; received in revised form 14 September 2006; accepted 15 September 2006
Abstract
We present a nondestructive method that allows the spectral birefringence characterization of single-mode erbium-doped fibers within
the amplification band. Using the same optical set up and the predicted polarization eigenmodes, the quality of the results has been ver-
ified. The results obtained for three commercial erbium-doped fibers with different erbium concentrations are shown. For two of them,
the values measured for the elliptical birefringence shift, for different signal wavelengths, from having a dominant circular component to
exhibit a dominant linear component.
© 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.
d
1
4
1
1
3
u
3
1. Introduction
Perfectly isotropic fibers do not exist in practice; there-
fore fibers are in general birefringent. Since residual anisot-
ropy is introduced during the rnanufacturing process,
polarization modes can vary along the fiber length. Never-
theless, for short distances, the polarization properties of
single-mode fibers can be considered as uniform. In this
case the polarization eigenmodes are either linearly, ellipti-
cally or circularly polarized; corresponding to a linear,
elliptical or circular birefringence of the fiber [1-3].
Although several methods have been developed for the
birefringence characterization of standard single-mode
optical fibers, erbium-doped fibers present sorne differ-
ences, indicated in this section, that demand a careful
consideration.
To control the polarization performance of devices built
with erbium-doped fibers, their birefringence rnust be char-
acterized within the amplification band. In this region,
Corresponding author. Tel.: +52 6461750550x25035; fax: +52
6461750553.
E-mail address: diana@cicese.mx (D. Tentori).
0030-4010 - see front matter © 2006 Elsevier B.V. Ml rights reserved.
doi: 10. 1016/j.optcom.2006.09.068
absorption and fluorescence widen the spectral line of the
signal and depolarize it. Additionally, the birefringence dis-
persion of single-mode erbium-doped fibers is considerably
higher than that observed for standard fibers [4.5]. In order
to simplify the problem it is convenient to separate their
retardation properties from their amplification properties
[6]. To do so we use a low input signal power (-11 dBm)
to avoid population inversion and, fiber samples short
enough to keep a high degree of polarization (>80%) of
the probe signal at the fiber output.
In regard with the measuring configuration, taking into
account that the birefringence of erbium-doped fibers expe-
riences strong changes in the presence of external mechan-
ical, electrical, or magnetic fields, to evaluate their residual
birefringence we decided to avoid these perturbations.
Since samples are short, reflectometric techniques cannot
be employed [7]. In this case a polarimetric method is the
comrnon choice [1,5,7-10]. Due to its simplicity, a nuil lin-
ear polariscope, Jones calculus and wavelength scanning
are often used for the measurernent of the polarization
beatlength of single-mode optical fibers [8]. More recently,
the Poincaré sphere and wavelength scanning have been
applied to the identification of the type of homogeneous
1

e Provided for non-commercial research and educational use only.
r Not for reproduction or distribution or commercial use.
e;
L
L
e;
e;
This article was originally published in a journal published by
Elsevier, and the attached copy is provided by Elsevier for the
author's benetit and for the benef it of the author's institution, for
L non-commercial research and educational use ¡ncluding without
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colleagues that you know, and providing a copy to your institution's
L administrator.
Al¡other uses, reproduction and distribution, including without
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or posting on open internet sites, your personal or institution's
website or repository, are prohibited. For exceptions, permission
may be sought for such use through Elsevier's permissions site at:
http://www.elsevier.com/locate/permissionusematerial
r7
LI
1

obtained by fitting the modeled input reflection coefficient to
the measured data [1, 6 -91.
In this paper, we present and compare two dc methods
[10, 111 and three RF methods [121 used in microwave diodes
and transistors applied to the computation of the parasitic
series resistance R 5 .
2. DC METHODS
The laser diode is rnodeled by a series resistance R s and an
ideal laser diode LDI as shown in Figure 3. Under forward
bias condition, the current 1 fiowing through the circuit of
Figure 3 is
I = Is - exp
- R51
( 1 (1)
flUT )
where 1 is the saturation current (A), R 5 is the series
resistance associated with the real semiconductor laser (Ç), n
is the diode ideality factor, UT = kT/q is the thermal poten-
tial (y), k is the Boltzmann constant (J/K), T is the absolute
temperature (K), q is the electron charge (C), and I" is the
voltage applied to the laser (y).
From Eq. (1), the expression for VD versus 1 is derived:
VD = R 5 I + flUT ln(I) - flUT ln(15 ). (2)
Bennet's method [10] consists of the determination of
the minimum of the function X(R, a, b) defined as
11
X = (RI -- a ln(I) + b - VD I )2 (3)
i 1
where a = flUT and b = —a ln(15). The minimum of X
occurs for m measurements of 1 versus VD when the
partial derivatives with respect to R, a, and b are
equal to zero. These conditions lead to the resolution
of three simultaneous linear equations, and the vari-
ables R, a, and b are obtained using a least squares
optimization method.
In Cheung and Cheung's method [11], Eq. (2) is differ-
entiated with respect to In 1 and, after restructuring
terms, the following equation is obtained:
d( D)
d(lnI)
=Rs I+nUT . (4)
This equation describes the linear behavior of d(J/15 )1d(ln 1)
versus the current 1, where R 5 is the siope. With m mea-
surements of current 1 and voltage VD, ni - 1 values from
the derivatives (aV0 13 ln I) are calculated. Finally, R 5 is
obtained with a least squares method in Eq. (4).
LDI Rs
VD +
Figure 3 Laser diode real model
DC AND RF TECHNIQUES FOR
COMPUTING THE SERIES
1 RESISTANCE OF THE EQUIVALENT
ELECTRICAL CIRCUIT FOR
SEMICONDUCTOR LASERS
(
Horacio L. Martinez-Reyes, 1 J. Apolinar Reynoso-Hernandez, 1
and F. Javier Mendieta1
CICESE - Centro de Investigación Cientilica y de Educación
F Superior de Ensenada
Ensenada, BC., México 22800
Receiced 28 July 1998
ABSTRACT: The senes resistance of the equina/cnt circuit fbr laser
diodes is computed by, dc and RF techniques used iii diodes and
transzstors for microwat'es. The methods are in good agreemeni with
( Ineasurements in a DFB laser diode. © 1999 John Wiley & Sons, Inc.
Microwave Opt Technol Lett 20: 258-261, 1999.
Key words: senes resistance; semiconductor junction lasers; equina/cnt
Circuit
1. INTRODUCTION
The intrinsic equivalent circuit of a laser diode, for currents
below threshold, can be reduced to a simple RC circuit as
shown in Figure 1. The extrinsic equivalent circuit depends
on parasitics of the device, and is modeled with a parasitic
series resistance R s introduced by contacts and cladding
layers, and a bonding wire inductance L, as shown in Fig-
ure 2 [1].
Laser diodes with intrinsic modulation bandwidths aboye
40 0Hz have been demonstrated. However, the maximum
measured bandwidths reported to date [2-41 are notably
lower than the intrinsic modulation bandwidths of these
devices. This disagreement is usually attributed to electrical
parasitics and on a minor scale to device heating [5], and
storage charge capacitance [61.
As we can see, the parasitics play an important role in
frequency response; however, usually, extrinsic elements of
the equivalent electrical circuit of semiconductor lasers are
[1
Figure 1 Equivalent circuit of semiconductor laser diode for a
current below threshold
L Rs
vv
C
+Rd
Figure 2 Equivalent circuit of semiconductor laser diode for a
current aboye threshold
258 MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS / Vol. 20, No. 4, February 20 1999

E-plane 3.7GHz
H-plane 3.7GHz
Copol -----------Xpol
(b)
Figure 3 Radiation pattern at 3.7 GHz
tance can be suppressed by the introduction of a circular siot
[2] or a U-shaped siot [3] on the patch. In this paper, a new
approach using the L-shaped probe [4] as a proximity feed is
presented. This noncontact feature is cost effective in the
fabrication of antenna arrays. It will be shown that both
bandwidth and gain can be improved substantially with the
use of the L-shaped probe compared with the conventional
patch antennas.
DESIGN AND MEASUREMENT
As shown in Figure 1, a circular patch of diarneter C(/ = 34
mm is excited in the TM 11 mode by the L-shaped probe of
vertical length L = 14 mm ( 0.175i) and horizontal length
D = 5 mm (n= 0.0625A). The horizontal arm of the probe is
located near the edge of the patch, which is supported by a
foam layer of thickness H = 8 mm (° OlA). Here, A refers
to the wavelength of the center frequency of the circular
patch. The probe radius is 0.5 mm.
The SWR and gain were measured and are presented in
Figure 2. The upper and lower comer frequencies for SWR
:c~ 2 are, respectively, 4.2 and 3.3 GHz; hence, the bandwidth
is about 24%. The gain is 7.5 dBi across the passband. For
the conventional microstrip antenna, the gain is only about 6
dBi. The major reason for the handwidth enhancement is
that the vertical arm (L) of the L-probe incorporated with the
patch introduces capacitance, suppressing some of the induc-
tance introduced by the horizontal arm (D) of the probe.
Moreover, if the resonant frequency of this series LC res-
onator is close to that of the parallel RLC resonator from
the patch, a wideband characteristic can be observed.
As shown in Figure 3, thc radiation pattern at 3.7 GHz is
almost symmetrical about the broadside direction. The 3 dB
bearnwidths at the E-plane and H-plane are 70 and 80°.
respectively. The cross polarization is 25 dB below the co-
polarization in the broadside direction. Although the cross-
polarization level in the H-plane at 0 45° is quite high
(about - 12 dB), it can be suppressed in sorne array environ-
ments [5].
REFERENCES
E. Chang, S.A. Long, and W.F. Richards. Experimental investiga-
tion of electrically thick rectangular microstrip antennas, IEEE
Trans Antennas Propagat AP-34, (1986), 767-772.
P.S. Hall, Probe compensation in thick microstrip patches, Elec-
tron Lett 23, (1987), 606-607.
K.F. Lee, K.M. Luk, K.F. Tong, S.M. Shum, T. Huynh, and R. Q.
Lee, Experimental and simulation studies of coaxially fed U-slot
rectangular patch antenna, Proc Inst Elect Eng 144 (1997).
354-358.
H. Nakano, M. Yamazaki, and J. Yamauchi, Electromagnetically
coupled curl antenna, Electron Lett 33 (1997), 1003-1004.
J. Huang, A parallel-series-fed microstrip array with high effi-
ciency and low cross-polarization, Microwave Opt Technol Lett 5
(1992), 230-233.
2124
© 1999 John Wiley & Sons, Inc.
CCC 0895-2477/99
Copol Xpol
(a)
MICROWAVE AND ORTIGAL TECHNOLOGY LETTERS / Vol. 20, No, 4, February 20 1999 257

E
1
E
E
E
E
E
1
Revista Mexicana de Física 42, No. 3 (1996) 467-480
Técnica interferométrica auto-homodina para medición
del espectro de láseres de semiconductor usados en
1
comunicaciones por fibras opticas en 1550 nm *
FRANCISCO JAVIER MENDIETA JIMÉNEZ, MANUEL CORONA DOMÍNGUEZ
y HORACIO Luis MARTÍNEZ REYES
División de Física Aplicada
Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada
Km. 107, Carretera Tijuana-Ensenada, 22860 Ensenada, B. C. México
Recibido el 31 de agosto de 1995; aceptado el 30 de noviembre de 1995
RESUMEN. Se presenta una revisión de las características espectrales de la emisión de láseres de
semiconductor monofrecuenciales; se plantea el principio de la técnica interferométrica autoho-
modina, describiendo el montaje experimental utilizado para la medición del espectro del campo
óptico y se presentan mediciones realizadas sobre un láser de InGaAsP.
ABSTRACT. A review of the spectral characteristics of the single-frecuency semiconductor laser
emission is presented, an auto-homodyne interferometric technique is described, including an ex-
perimental set-up for the measurement of the field spectrum of an InGaAsP semiconductor laser.
PACS: 42.06
1. INTRODUCCIÓN
El estudio espectral de la emisión de láseres de semiconductor operando en la banda
de longitudes de onda de los 1550 nm es de gran importancia en sus aplicaciones en
comunicaciones por fibras ópticas. En efecto, la anchura espectral finita resultante de
fluctuaciones inevitables de fase impuestas por la existencia de la emisión espontánea,
es el origen del fenómeno de la dispersión cromática en las fibras ópticas unimodales,
siendo una limitante fundamental en el alcance de los enlaces de telecomunicaciones; sobre
todo en la actualidad, cuando amplificadores cuánticos son incorporados en los sistemas
de transmisión. Además, cuando el láser semiconductor es directamente modulado con
información de alta frecuencia, actuando sobre su corriente de inyección, se produce el
efecto de ensanchamiento espectral dinámico, incidiendo en dispersión adicional en la
fibra.
La tendencia internacional en comunicaciones ópticas se dirige hacia las técnicas de
transmisión coherente, pues poseen numerosas ventajas sobre las incoherentes (con de-
tección directa) en lo referente a:
existencia de una ganancia de conversión por acción del oscilador local óptico;
independencia del ruido de amplitud respecto a la señal óptica recibida;
* Trabajo parcialmente apoyado por la DAIC del CONACyT, bajo el proyecto 1827-A-9211.
467
1

transposición frecuencial del espectro de modulación a la frecuencia intermedia
(heterodino) o a banda base (homodino), lo que confiere posibilidad de sintoni-
]
zación fina de canal en el caso de sistemas con multicanalización por división en
frecuencia óptica;
selectividad espectral y directividad espacial elevadas en el receptor, lo que provee
un alto rechazo a la radiación ambiental; y
funcionamiento en el límite cuántico impuesto por la acción del oscilador local,
lo que permite la maximización de la relación señal/ruido en un sistema óptico
(caso homodino).
Estas ventajas se traducen en los siguientes beneficios en el desempeño de los sistemas
de comunicaciones:
distancias de transmisión substancialmente superiores;
posibilidad de uso de modulación angular (frecuencia y fase ópticas, e incluso
polarización); y
posibilidad de multicanalización por división en longitud de onda, con gran den-
sidad de canales en una sola fibra.
Sin embargo, para la aplicación de estas técnicas, tienen que ser resueltas diversas
dificultades fundamentales asociadas tanto al transmisor como al canal de comunicaciones
y al receptor.
La anchura espectral finita (e incluso la forma del perfil espectral) producida por el
ruido de fase en los osciladores láseres es factor limitante en el proceso de la fotodetección
coherente, puesto que el campo láser proveniente de la fibra óptica es superpuesto de
manera coherente con otro oscilador local láser independiente sobre la superficie del foto-
detector, en cuya salida eléctrica repercuten los efectos de las fluctuaciones instantáneas
de fase relativas entre ambos láseres. Aparte de las comunicaciones ópticas, otros sistemas
que utilizan fotodetección coherente son fuertemente afectados por el espectro de láser
utilizado, tales como los sensores interferométricos de fibra óptica u otros dispositivos
en los que existe conversión fase-amplitud, tales como los sensores polarimétricos de fi-
bra, así como en los sistemas de amplificación óptica (en fibras o en semiconductor) y en
esquemas de encadenamiento por inyección óptica.
Por lo anterior, existe gran actividad a nivel internacional para la obtención de láseres
de semiconductor operando a 1550 nm que exhiban una anchura espectral redu.cida, con-
servando por supuesto características de bajo ruido, estabilidad en la frecuencia central
de emisión y respuesta eficiente a la modulación. Diversas alternativas para láseres de alta
coherencia han sido propuestas, basados en la estructura semiconductora tales como DFB,
DBR, C3 , etc., o bien en configuraciones con elementos ópticos adicionales tales como los
láseres de cavidad externa.
Las técnicas espectroscópicas convencionales, tales como las basadas en monocromado-
res, interferómetros Fabry-Pérot de barrido o interferómetros por transformada de Fourier,
no poseen la resolución necesaria para investigar los tan estrechos perfiles espectrales de
los láseres de semiconductor. Los interferómetros homodinos o heterodinos de fibra óptica
pueden proporcionar una muy alta resolución dadas las grandes diferencias de camino
óptico obtenibles cuando una de las ramas del interferómetro es una fibra unimodal (que
preserva la coherencia espacial sobre el frente de onda). Sin embargo, presentan tres pro-
blemas principales: uno fundamental asociado al hecho de que no detectan explícitamente
un •u
1 - •4
'11.rr.
468 FRANCISCO JAVIER MENDIETA JIMÉNEZ ET AL.
1

SINTESIS DIRECTA DE UN HEXAPUERTO
COMO REFLECTOMETRO
A. Dueñas-Jiménez, Centro de Investigación en Ciencias Básicas, Universidad de Colima, Col.
F.J. Mendieta y A. Serrano-Santoyo, Depto. de Electrónica y Telecomunicaciones,
Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, B.C.
*FA
[
RESUMEN
En 1977 Engen, estableció los funda-
mentos de operación, las propiedades
y los criterios de diseño de hexapuertos
como reflectómetros para la integra-
ción de analizadores de redes de
microondas. A partir de entonces, y
hasta la fecha, se ha dado un avance
substancial en aspectos como la
automatización, la calibración, el aná-
lisis de error, el diseño de estructuras
mejoradas, etc.
Hoy en día el concepto ha madurado a
un grado tal en que sus aplicaciones
orno un sistema de medición confiable
van desde la biornedicina (potencia),
hasta las telecomunicaciones y óptica
(ondas milimétricas y más allá).
La diferencia fundamental entre los
analizadores de redes hexapbrtales y
los comerciales heterodinos radica en
la sección de separación de señal.
Estos últimos utilizan una estructura
cuatriportal constituida por un
acoplador direccional dual conectado
como un reflectómetro para las medi-
ciones de reflexión, y como un divisor
de potencia para las de transmisión, en
tanto que en los primeros se usan
configuraciones duales de hexapuertos
o n-puertos.
En lo que se refiere a estructuras, ha
habido varias propuestas, desde las
de un circuito o junta única de ancho
de banda limitado [4], pasando por las
geometrías caprichosas optimizadas
[5], hasta las de ancho de banda
multioctava en línea de cinta con una
combinación de varios elementos [6].
En este trabajo se presenta un método
de síntesis directa de estructuras a
partir de los criterios de Engen, utili-
zando la matriz de parámetros de dis-
persión S y su conversión a matriz de
parámetros de inmitancia Y o Zpara
llegar a una estructura única o a una
compuesta. Asimismo, una vez que se
obtiene una red que cumple con los
requisitos establecidos, se hace un
análisis de ésta para variaciones en
frecuencia de los elementos de la ma-
triz que la describe.
Antes de pasar a la síntesis es conve-
niente citar cuatro palabras claves y
sus consecuencias, a decir:
- simetría = partición
- linealidad = superposición
- reciprocidad = simetría
- sin pérdidas => unitariedad
II. SINTESIS
2.1 Preliminares
Engen [7], [1], da las siguientes condi-
clones (ideales) para el buen funciona-
miento de un hexapuerto como
reflectómetro:
- Acoplamiento perfecto entre el ge-
nerador y el hexapuerto (r' = 0).
- Utilización de un puerto para la lec-
tura directa de la potencia incidente
en el dispositivo bajo prueba (A, C,
E,o G igual a cero).
- Distribución simétrica de los núme-
ros complejos alrededor del origen
del plano I'cg(• e., separados 1200
uno de otro).
- Magnitud del números q entre 0.5
y 1.5 (en la vecindad de cualquiera
de éstos) evitando valores próxi-
mos a 1.
Estas restricciones están asociadas a
un grupo de ecuaciones que describen
tres círculos en el plano complejo cuya
intersección proporciona el coeficiente
de reflexión. Tales ecuaciones están
dadas de la siguiente manera:
rcq
q1J2
= 1K412
pl
jK1j2 p
J''cq -
= JK412 .!
1K212
p
lpcq - q312
1K42 p
1K312
p
donde, rcges el coeficiente de reflexión
en la carga o dispositivo bajo prueba,
q,, q2, y q3 son los centros de los círcu-
Este documento reporta la aplicación del método de síntesis por ramas
para la realización de un hexapuerto como reflectómetro. Una descrip-
ción detallada de los criterios de diseño, los pasos para la síntesis y las
propiedades de la matriz que representa la junta a sintetizar, es dada de
manera clara y sencilla. Asimismo, un análisis de la topología del arreglo
que permite plantear la realizabilidad de la red es llevado a cabo.
l. INTRODUCCION
Revista Ingeniería LXIII 1/4 1993 43

1003Jv
IZ
EL ESPACIO: OPORTUNIDAD PARA MÉXICO
Francisco Javier Mendieta Jiménez
CONTENIDO
RESUMEN
INTRODUCCIÓN
EL ESPACIO Y LAS NECESIDADES SOCIALES DE MÉXICO
EL ESPACIO Y LAS OPORTUNIDADES PARA MÉXICO
S. EL PROGRAMA NACIONAL DE ACTIVIDADES ESPACIALES
CONCLUSIÓN
REFERENCIAS
1

*
e
.
1 RESUMEN
El espacio provee oportunidades únicas para la creación de bienes y servicios
útiles y redituables, tanto públicos como comerciales, con una diversidad de
actividades, tales como comunicaciones y posicionamiento vía satélite; así
como la observación de la Tierra en su conjunto, entre otras. Sin embargo,
desde una perspectiva socioeconómica, las decisiones gubernamentales para
invertir en el espacio, y para impulsar al sector privado a hacerlo también,
deben estar basadas en la contribución a la solución de las grandes necesidades
de la sociedad: seguridad, atención a desastres naturales, acceso a la
información, desarrollo agrícola y pesquero, agua, energía, sustentabilidad
ambiental, educación, salud, transporte.
Si bien para comunicaciones, México ha sido un comprador y operador de
importantes sistemas satelitales; y para la observación del territorio y mares,
México ha sido un usuario importante de la información proveniente de satélites
internacionales. Sin embargo nuestro país tiene especificidades que requieren
de implementación de sistemas espaciales para nuestras demandas específicas.
Esto constituye entonces un nicho para desarrollos mexicanos, con lo que,
además de contribuir a resolver los problemas sociales, se impulsaría la
innovación y se establecerían empresas de alta tecnología y se impulsarían las
existentes; asimismo, se expandiría el conocimiento científico.
En efecto, en el sector aeroespacial, que experimenta un vigoroso crecimiento a
nivel mundial, México es uno de los principales proveedores al mercado de los
EUA, y también uno de los primeros en inversión extranjera directa. Este
escenario de intenso desarrollo, si bien predominantemente aeronáutico, sólo
tiene aproximadamente 15 años, por lo que cabe inducir que el desarrollo
espacial industrial en México podría detonar y experimentar también un rápido
crecimiento en los próximos años.
2

AEM
En efecto, nuevas órbitas, nuevas frecuencias, nuevos sensores e instrumentos
de teledetección a bordo, nuevos sistemas de propulsión, funcionamiento en
red y en formación con enlaces de banda ancha, incorporando grandes
capacidades de procesamiento a bordo, estén apareciendo en el escenario
tecnológico y constituyen oportunidades de aplicaciones públicas y privadas de
gran impacto social tales como telemedicina y teleeducación vía satélite, y
sistemas de información geográfica para atención a desastres, desarrollo
agrícola, pesquero y monitoreo ambiental.
La Agencia Espacial Mexicana, está ya aglutinando diversos esfuerzos
nacionales para la innovación en el sector, con el objetivo central de atender las
necesidades sociales de nuestro país, al tiempo que se construyen capacidades
empresariales, tecnológicas y científicas en México. Asimismo la Agencia ha
venido procurando asociaciones estratégicas con la comunidad espacial
internacional, para participar en la atención de problemas a escala global: la
sustentabilidad ambiental, el cambio climático, la brecha digital y la seguridad a
escala mundial.
El espacio es entonces un importante habilitador del desarrollo socioeconómico:
suministrando valiosa información a gobiernos y a tomadores de decisiones,
1
apoyando a la industria aeroespacial en su competitividad, contribuyendo a la
formación de capital humano, expandiendo el conocimiento científico, y
coadyuvando a la construcción de una sociedad mexicana moderna cada vez
más educada científicamente y tecnológicamente.
3

$
9
2. INTRODUCCIÓN
En muchos de los grandes retos del siglo XXI para todos los países del mundo,
el espacio juega un papel central: la seguridad; las comunicaciones rurales y la
reducción de la brecha digital; el medio ambiente, la atención a desastres
causados por fenómenos naturales o por actividades humanas, el cambio
climático y el estudio de los recursos naturales; la informática de la salud; la
teleeducación; el aprovechamiento de la energía solar, entre otros. En todos
estos temas los resultados de la ciencia y tecnología espacial son directamente
aplicables [Lambright 2002].
Sin el motivante del posicionamiento estratégico y de defensa, que
originalmente dominó las actividades espaciales del siglo XX, son entonces los
grandes problemas globales y locales los que hoy están perfilando la demanda
de resultados de las ciencias y tecnologías espaciales: los beneficios sociales
están siendo postulados y los ingenieros y los científicos tenemos el reto de
realizar los sistemas espaciales que atiendan dichas demandas [Lucky 2009] .
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Figura 1. Logros de la ingeniería : siglo XX y siglo XXI.
El acceso y el uso del ambiente espacial provee oportunidades únicas para la
creación de bienes y servicios útiles y redituables, tanto públicos como
comerciales. Esta capacidad de la humanidad ha estado presente por més de
55 años, ha evolucionado y se ha expandido con los avances tecnológicos de
los programas de investigación y desarrollo espacial. El espacio constituye una
plataforma para una diversidad de actividades económicas, gubernamentales y
científicas que no pueden ser replicadas en el medio terrestre, tales como
[Hertzfeld 2004]:
- Transmisión de señales desde satélites a diferentes puntos de la Tierra
para comunicaciones, posicionamiento y navegación.
- Mejoramiento de diversos tipos de seguridad y de defensa.
5
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e

El
- Visión de la Tierra en su conjunto, para el monitoreo de actividades
físicas, naturales y humanas en regiones amplias y en una base global.
- Uso del ambiente de microgravedad para investigación y para producción.
- Observación y exploración de la Tierra y del universo para expandir el
conocimiento científico.
- Transporte hacia y desde el medio ambiente espacial.
Se tiene entonces una amplia gama de actividades, y la incursión en ellas está
influenciada por diversos factores económicos y sociales; sin embargo hay
algunas que deben ser impulsadas de manera prioritaria por los gobiernos
dadas las ventajas únicas del espacio, tales como:
COMUNICACIONES:
- las comunicaciones para regiones con poblaciones distribuidas, a modo de
dotar o mejorar la conectividad para las diferentes aplicaciones de
teleeducación, telemedicina, y en general para impulsar la inclusión digital y a
la vez reducir la brecha digital
-14
- las funciones de comunicación, localización y observación para propósitos de
seguridad
OBSERVACIÓN DE LA TIERRA, OCÉANO Y ATMÓSFERA:
- la observación de la Tierra para propósitos de prevención y atención de
desastres causados por fenómenos naturales o por actividades humanas
- la observación de la Tierra (Tierra sólida, océano y atmósfera) para monitoreo
de recursos naturales, del medio ambiente, el cambio climático, así como la
infraestructura y actividades humanas
Estos retos sólo pueden enfrentarse con equipos multidisciplinarios científicos y
tecnológicos, que desarrollen grandes sistemas a la par de procedimientos y
políticas públicas, capitalizando la sinergia gobierno-industria-academia, con
6

1 10
una intensa colaboración internacional [Rendlema 2010]. Todo esto tiene por
1 supuesto una derrama en la observación y exploración de la Tierra y del
1 universo para expandir el conocimiento científico.
1
Además en el camino de la búsqueda de soluciones a estos problemas,
frecuentemente se generan tecnologías, métodos e innovaciones con impacto y
1 derrama tanto social como comercial en otros sectores; esto ha quedado de
1 manifiesto en programas espaciales de otros países, lo que ha impulsado
desarrollos industriales paralelos, propiciando inversiones de manufactura y
diseño de alto valor agregado, creación de fuentes de empleo en mayor
cantidad y mejor remuneradas, contribuyendo en general a una mayor
competitividad del país [Fisk 2008].
1
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3. EL ESPACIO Y LAS NECESIDADES SOCIALES DE MÉXICO
Desde una perspectiva socloeconómica, las decisiones gubernamentales para
invertir recursos en el desarrollo de aplicaciones espaciales, y para impulsar al
sector privado a hacerlo también, deben estar basadas en la contribución que el
espacio puede aportar en la solución de los grandes necesidades y retos de la
sociedad:
SEGURIDAD EN EL TERRITORIO
La seguridad constituye un tema de prioridad nacional, clave en la cohesión
social en nuestro país [Schneier 2003]; el rol del espacio en las aplicaciones en
seguridad es central, y puede entenderse a través de sus tres grandes
capacidades: comunicar, observar y localizar.
COMUNICACIÓN. El gobierno mexicano ha realizado un importante desarrollo
en plataformas de comunicaciones terrestres para seguridad nacional, y
recientemente efectuado una gran inversión en sistemas satelitales; con esto se
tendrá pronto explotada la primera capacidad: comunicar. Sin embargo en los
otras dos vertientes: observación y localización, el espacio puede proveer
también valiosa información desde plataformas de observación del territorio y
de posicionamiento; esto representa entonces un nicho para posibles
desarrollos mexicanos en sistemas y redes espaciales, que respondan a
nuestras especificidades nacionales en materia de seguridad.
LOCALIZACIÓN. Específicamente para las funciones de localización, los
sistemas satelitales de navegación global (GNSS) civiles constituyen un nicho
altamente promisorio, donde la tecnología se encuentra aún en sus fases
iniciales en comparación con los sistemas de comunicaciones, y nuestro país
puede posicionarse bien en este escenario tecnológico.
OBSERVACIÓN. La seguridad requiere en todos los casos de sistemas de
información eficientes; la información proveída de plataformas espaciales de
8

observación de la Tierra constituye un elemento básico, en complementariedad
e con la red de monitoreo terrestre y aeronáutica, pueden conformar un sistema
integral de información en una base nacional para esta tarea.
ACCESO A LA INFORMACIÓN
La revolución de la información ha estado fincada en los acelerados desarrollos
en electrónica, computación y comunicaciones, y la convergencia de estas
Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TIC's) en una red global de
información, que ha proveído a la humanidad del acceso a la información de
alta capacidad, rápido, confiable y de relativamente bajo costo. En la Sociedad
de la Información y el Conocimiento en el siglo XXI, individuos, empresas,
corporaciones pequeñas y grandes, no sólo son receptores, sino que también
generan su propia información, lo que ha producido, un desarrollo económico
extraordinario debido al incremento en productividad gracias a las
e comunicaciones rápidas y procesos automatizados, materializado en la
S reducción sistemática del costo de las transacciones basadas en información.
e
México pasa por un periodo decisivo en su proyecto de integración a la sociedad
de la información: un nuevo escenario para nuestro desarrollo económico y
social basado cada vez más en el procesamiento, la organización y la
transmisión de la información. Las tecnologías digitales son ahora totalmente
transversales a nuestra sociedad, en las empresas, en las instituciones, en las
relaciones sociales e interpersonales. El desarrollo y el uso de tecnologías
digitales son indicadores de la vitalidad de un país, desde lo macroeconómico
hasta lo más personal: es un excelente medio para que empresas y gobierno
innoven y hagan eficiente sus actividades; constituyen asimismo un habilitador
del desarrollo del individuo y un importante elemento de cohesión social.
La infraestructura de banda ancha es fundamental para nuestro desarrollo tanto
económico como social pues democratiza las oportunidades en esta sociedad
global. El acceso a la banda ancha y el aprovechamiento de las aplicaciones que
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ésta habilita, deben estar ahora entre las prioridades en las políticas públicas de
México: gobierno, empresa y academia deben proponer acciones para el
fomento a las infraestructuras de banda ancha y a su aprovechamiento
adecuado como elementos determinantes para afrontar los retos actuales y
futuros de México en la diversidad de sectores: educación, salud,
administración y seguridad pública, sustentabilidad, ciencia, cultura, desarrollo
regional y participación ciudadana.
COBERTURA. Las comunicaciones espaciales proveen la solución en diversos
escenarios, especialmente cuando se requiere amplia cobertura y movilidad, y
frecuentemente representan la única alternativa en regiones remotas con
poblaciones distribuidas o con infraestructura terrestre limitada.
CONVERGENCIA.. Este escenario mundial de la nueva "economía de lo
*
inmaterial" provee beneficios únicos a la sociedad, no sólo por servicios cada
vez de mayor diversidad, capacidad (banda ancha) y calidad, a costo accesible,
sino que también por el incremento en la competitividad tanto de las empresas
del sector TIC's así como del número creciente de empresas que emplean cada
vez más sistemas de información en sus procesos y transacciones. Observamos
que este cambio de paradigma no sólo fomenta sino que demanda cambios en
estrategias de gobierno, academia y empresa: en la convergencia digital, un
nuevo "contrato social" se está planteando para promover un entorno favorable
que por un lado contribuya a aumentar la cobertura de la población con acceso
a la red de información con la calidad, costo satisfactorio, seguridad
confidencialidad, etc., y por otra parte estimular la innovación en productos y
servicios por las empresas del sector.
CONECTIVIDAD. El gobierno mexicano despliega actualmente modernas
plataformas tanto terrestres como espaciales, a modo de dotar o mejorar la
conectividad para las diferentes aplicaciones de teleeducación, telemedicina,
gobierno electrónico y desarrollo de empresas, y en general para impulsar la
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1 AEMH!V
I inclusión digital en las comunidades marginadas y aisladas, y a la vez reducir la
1 brecha digital. El sector central del gobierno mexicano, en coordinación con los
1 estados de la república, impulsan la conectividad de las redes estatales con la
red dorsal nacional, para enlazar digitalmente a las instituciones fundamentales
para el desarrollo como escuelas, centros de salud, oficinas de gobierno,
universidades y centros comunitarios; en éstos últimos se capacita a la
población para utilizar herramientas de aplicaciones digitales, mediante alianzas
estratégicas con empresas.
1
COMPETENCIA. Finalmente, en el sector de las telecomunicaciones el impulso a
la competencia, con el consecuente marco regulatorio en la materia, propicia el
desarrollo de la infraestructura de innovación en México y facilita la difusión de
las innovaciones en el resto de la economía y la sociedad. El desarrollo de
infraestructura de tecnologías de la información será particularmente
beneficioso para las PYMES, que tendrán un mejor acceso a la tecnología y una
mayor participación en las redes de conocimiento.
SEGURIDAD EN EL CIBERESPACIO. Finalmente, puesto que las comunicaciones
modernas están cada vez más basadas en la secrecía y confidencialidad, la
seguridad en el ciberespacio está siendo cada vez más determinante en las
transacciones de gobiernos, corporaciones e individuos, y el espacio juega un
rol importante en este tema.
SUSTENTABILIDAD AMBIENTAL
La observación de nuestro planeta y sus recursos naturales es indispensable
para entender los procesos que ocurren él y que determinan los cambios en
escalas globales. Los satélites con instrumentos para observar la Tierra son
considerados como la fuente principal de información para la detección de
fenómenos de gran escala y de la evolución de procesos que pueden ocasionar
cambios en el clima e inclusive desastres. Los productos resultantes
representan información con un gran valor agregado y son indispensables en
11

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I1
una cantidad importante de aplicaciones sociales, comerciales y científicas. La
observación de nuestro planeta que, junto con sus ecosistemas, está bajo gran
presión, provee la información para estudiar los cambios en escalas globales y
climáticas [Balogh 2010]. Para conocer el impacto de esos cambios y sus
posibles consecuencias deben abordarse escalas más finas en el terreno, las
costas y mares de nuestro país.
Mediante sensores en satélites tenemos la capacidad de realizar observaciones
con cobertura espacial global, en particular sobre extensiones vastas en el
océano, los desiertos, los bosques, las montañas, etc. Podemos realizar
observaciones únicas acerca de la cobertura de vegetación, la biomasa en los
océanos, el ozono en la atmósfera, la distribución de gases con efecto
invernadero, el nivel del mar, las condiciones del estado del mar y del estado
del tiempo, la precipitación en los trópicos, etc. Además, las aplicaciones no se
reducen a la meteorología, la oceanografía y el clima, sino que es posible
obtener información de gran utilidad en una gama amplia de sectores tales
como: uso de suelo, estadística y salud de las cosechas, estimación de cantidad
de lluvia, identificación de recursos, detección de zonas de desastres y riesgos,
cobertura de inundaciones, definición de rutas marítimas comerciales óptimas,
evaluación del potencial energético del oleaje, etc.
PREVENCIÓN Y ATENCIÓN A DESASTRES
Si bien existen a nivel internacional plataformas espaciales para la observación
de la Tierra a diferentes escalas y en diferentes regiones del espectro, el acceso
a la información es primeramente de alto costo y su disponibilidad es
frecuentemente limitada, sobretodo cuando se requiere en condiciones de
urgencia, como en el caso de atención a desastres causados por fenómenos
naturales o por actividades humanas. Nuevamente, nuestro país tiene
especificidades en tipo y diversidad de recursos naturales, y en vulnerabilidad a
desastres, que requieren de implementación de plataformas espaciales con las
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características necesarias: las órbitas, las bandas espectrales, las frecuencias
de revisita, la distribución de la infraestructura terrestre, los sistemas de
información geográfica que correspondan, etc. Esto constituye entonces un
• nicho para posibles desarrollos mexicanos en los tipos de instrumentos y
e sensores para teledetección de tierra, océano y atmósfera de interés a nuestro
país, lo que podría realizarse con alianzas estratégicas con la comunidad
internacional.
e
e MOVILIDAD
le La creciente demanda en movilidad de personas y de bienes por aire, tierra y
e agua, constituye un reto en diversos aspectos: en las necesidades de
e infraestructura, en la seguridad en el transporte; en la "brecha de la
movilidad"; en las emisiones de carbono y otros efectos sobre el medio
e ambiente. Sectorizada en la SCT, es importante que la Agencia Espacial
e Mexicana atienda también estos aspectos del sector "transportes": las
e soluciones espaciales, particularmente las basadas en los sistemas GNSS
ot complementados con satélites de telecomunicaciones y redes terrestres,
e contribuyen a atender estos retos de la movilidad.
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C EL ESPACIO: OPORTUNIDAD PARA MÉXICO
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13

4. EL ESPACIO Y LAS OPORTUNIDADES EN MÉXICO
DESARROLLO INDUSTRIAL AEROESPACIAL
México es uno de los principales países proveedores de componentes
aeroespaciates en el mercado de los EUA, y también uno de los primeros en
inversión extranjera directa en este sector. Los costos bajos de operación, la
experiencia en manufactura avanzada, la cercanía al mercado de EUA, los
programas de coinversión y las experiencias con empresas internacionales, así
como nuestras fortalezas en las industrias automotriz y eléctrico-electrónica,
son un importante habilitador de desarrollo de este sector. México está
estableciendo su posición en la cadena mundial de suministro con una base de
alta calidad en ingeniería y manufactura, con organizaciones certificadas en
estándares aeroespaciales.
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Figura 2. La distribución de la industria aeroespacial en México.
En efecto, en el sector aeroespacial, que experimenta un vigoroso crecimiento a
nivel mundial, México es uno de los principales países proveedores al mercado
de los EUA, y también uno de los primeros en inversión extranjera directa.
Actualmente existen más de 250 empresas en el sector, generando más de
31,000 empleos directos en 17 estados de México. Las exportaciones estimadas
para 2012 serán de 5,150 millones de dólares de EUA, representando un
crecimiento de 14% respecto a 2011. Muchas empresas ya presentan
importantes avances investigación y desarrollo tecnológico, propiciado en gran
medida por los apoyos que el gobierno federal y los gobiernos estatales.
Instituciones de educación superior en las regiones de México están orientando
sus programas hacia ingenierías y ciencias aeroespaciales.
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Figura 3. Evolución de la cifra de exportaciones de la industria aeroespacial en
México
Habiendo iniciado con funciones de ensamble, algunas ya presentan
importantes avances en integración e incluso en aspectos de diseño,
investigación y desarrollo tecnológico (I+D), empleando numerosos
profesionales, incluso Maestros en Ciencias y Doctores.
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