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Estudio y diseño de multiplexores por división en longitud de onda (WDM) mediante efectos electroópticos, termoópticos y acustoópticos

Autor: Ramón Jesús Millán Tejedor

Motivo: Proyecto Fin de Carrera - Ingeniero de Telecomunicación ETSIT Valladolid

Fecha: Julio 1998 (lectura en Septiembre 1998)



Resumen ejecutivo

Se ha demostrado cómo los dispositivos WDM permiten incrementar enormemente la capacidad de los sistemas de transmisión actuales sin requerir de desarrollos tecnológicos significativos y sin alterar las arquitecturas de red implantadas. Resumidamente, multiplexar por división en longitud de onda consiste en la transmisión por una misma fibra óptica de varios canales de información, cada uno a una longitud de onda distinta.

Actualmente la tecnología WDM es ampliamente utilizada en redes de cable de fibra óptica submarinos internacionales, consiguiendo unas capacidades y funcionalidad inimaginables hace tan sólo cinco años. Además, la investigación y desarrollo de la WDM en redes regionales y metropolitanas ha madurado considerablemente en los últimos años, habiéndose incrementado el número de prototipos experimentales que en estos momentos están siendo probados en todo el mundo.

En efecto, utilizando dispositivos WDM se podrán alcanzar anchos de banda del orden de los 50 THz, pero el éxito final depende mucho de los componentes ópticos utilizados en las redes. En este proyecto, se ha realizado una somera revisión del estado del arte de la tecnología óptica, vislumbrando las características más relevantes de los distintos dispositivos, a tener presente al tratar con señales multiplexadas por división en longitud de onda.

Existen en el mercado diversos multiplexores y demultiplexores por división en longitud de onda, siendo especialmente atractivos los basados en acopladores y una rejilla de guiaondas en forma de matriz, por su resolución en longitudes de onda y su versatilidad.

Este proyecto fin de carrera, buscaba principalmente, estudiar dispositivos WDM activos basados en la teoría de autoimágenes. Este fenómeno sucede cuando se obtiene a una determinada distancia una imagen del campo presente a la entrada de un bloque guiaondas multimodo. Las ventajas de estos dispositivos, conocidos por dispositivos MMI se pueden resumir en:

  • Gran ancho de banda óptico.
  • Insensibilidad a la polarización.
  • Dimensiones aceptables.
  • Buenas tolerancias de fabricación.
  • Bajo coste en su fabricación a gran escala.

El dispositivo está compuesto por un divisor, un phasar y un combinador, requiriendo éste último de una determinada diferencia de fase entre las señales ópticas a su entrada, para que mediante interferencia constructiva presente en una sola de sus salidas la suma de todas sus entradas. Para poder desarrollar operaciones de conmutación, interconexión e inserción/extracción de longitudes de onda, además de la multiplexación/demultiplexación de señales, el phasar ha de incluir componentes para controlar electrónicamente el desfase relativo inducido a las señales que viajan a su través.

Se han estudiado los distintos efectos físicos susceptibles de producir variaciones en el índice de refracción de un material cristalino, en concreto, los efectos electroóptico, termoóptico y acustoóptico. Las razones por las que finalmente se eligió el efecto termoóptico son:

  • Menor sensibilidad a la polarización, lo cual es totalmente necesario pues las señales ópticas que entran a los distintos componentes de las redes ópticas WDM tienen una polarización aleatoria.
  • Más posibilidades en la selección del material a utilizar como substrato.
  • Necesidad de procesos de fabricación más baratos.
  • Menores pérdidas por absorción por portadores libres.
  • Rangos más amplios de independencia de la variación del índice respecto a la longitud de onda.

Para poder simular el efecto termoóptico mediante el paquete informático comercial disponible, ha sido necesario estudiar la transmisión del calor en una guiaondas, determinando que el perfil que adquiere el índice de refracción en el núcleo de la guiaondas es gaussiano. La herramienta de simulación se basa en los sistemas de cálculo llamados BPM, que se podría traducir por métodos de propagación de haz. Además, utiliza el método del índice efectivo, que transforma un problema de índice de refracción en una estructura tridimensional en otro susceptible de ser manejado por un BPM que trabaja con dos dimensiones.

El mecanismo analítico derivado para simular el efecto termoóptico, ha permitido además obtener información relevante acerca de las dimensiones idóneas de la guiaondas y el calentador, de modo que se disminuyan las pérdidas por disipación de potencia, y la distancia mínima entre calentadores, para que éstos no interaccionen.

Se ha demostrado que utilizando desplazadores de fase controlados electrónicamente en el phasar de un multiplexor MMI, no se mejora la ganancia en su integración, y es necesario seguir utilizando guías con tramos curvos. Las soluciones encontradas para reducir las dimensiones del dispositivo son, el utilizar materiales con alto índice de refracción, y guiaondas con saltos de índice muy bruscos.

Las ventajas del multiplexor activo se reducen de esta forma, a la posibilidad de tener mayores tolerancias de fabricación y a su funcionalidad añadida. También se ha diseñado un nuevo dispositivo basado en la teoría de interferencia multimodal, un conmutador termoóptico MMI que, aunque presenta la desventaja de su baja velocidad, es muy interesante como conmutador de bypass o de protección.

Capítulos del proyecto


Capítulo Título Resumen
0 Índice Es el índice del documento.
1 Introducción Se presenta el concepto de multiplexación por división en longitud de onda (WDM).
2 Redes y tecnología WDM Se hace un breve repaso a las redes WDM actualmente en desarrollo y a los proyectos relacionados con la WDM más relevantes a corto plazo. Así mismo, se aprovecha para estudiar el estado del arte de la tecnología óptica, centrándose en los cambios que han tenido que soportar los diferentes componentes para adecuarse a las características de las señales multiplexadas en longitud de onda.
3 Dispositivos WDM no MMI Se presentan los multiplexores más relevantes, en estado de investigación o disponibles comercialmente. Todos ellos tienen en común que no se basan en la teoría de interferencia multimodal, pues este tipo de multiplexores constituyen el centro de estudio del presente proyecto y serán tratados con más profundidad en el sexto capítulo.
4 Desfasamiento de una señal óptica Trata detalladamente los mecanismos físicos más interesantes para desfasar, con control electrónico, una señal óptica. Se estudian en concreto los efectos electroóptico, termoóptico y acustoóptico.
5 Métodos de simulación Se aplican los conceptos presentados en el cuarto capítulo, para seleccionar el efecto más interesante para producir el desfasaje en las guiaondas que conformarán el phasar del multiplexor por división en longitud de onda a diseñar. En el resto del capítulo se tratan diversos métodos para simular el efecto seleccionado, en concreto el termoóptico, y su integración con los métodos de propagación de haz, mediante los que se estudian los distintos modos que viajan en una estructura de óptica integrada.
6 Diseño de dispositivos WDM MMI Se esboza el diseño teórico de un multiplexor activo y el de un conmutador basados en la teoría de la interferencia multimodal o MMI. Se demuestra que es posible conseguir un multiplexor MMI 1x2 activo, más grande pero con mayores tolerancias de fabricación y mayor funcionalidad que la de un multiplexor MMI 1x2 pasivo. Este multiplexor tiene tres etapas claramente diferenciadas: la primera y la última son dispositivos MMI, de interferencia multimodal, y la segunda es, una etapa desfasadora. Dicha etapa desfasadora la conforman una serie guías con tramos curvos y rectos, y de calentadores controlados electrónicamente, a través de los cuales se induce el cambio de fase requerido a la entrada del tercer dispositivo MMI, en las señales que salen del primer dispositivo MMI. Se diseña también un conmutador termoóptico MMI 1x2, un dispositivo muy interesante para la conmutación en redes ópticas a tasas de transmisión moderadas.
7 Resultados Se muestran los mecanismos derivados para simular los dispositivos en el sexto, utilizando el software comercial disponible. Por ciertas limitaciones del mismo, resultó finalmente imposible comprobar el diseño teórico del conmutador y del multiplexor.
8 Conclusiones Enumera las conclusiones obtenidas tras el trabajo realizado, así como las posibles futuras líneas de investigación.

Proyecto Fin de Carrera


Presentación del proyecto


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