Estudio del comportamiento de dispositivos optoelectrónicos mediante técnicas de elementos finitos

Brea Ruiz, Pedro Enrique (2021). Estudio del comportamiento de dispositivos optoelectrónicos mediante técnicas de elementos finitos. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM), Madrid.

Description

Title: Estudio del comportamiento de dispositivos optoelectrónicos mediante técnicas de elementos finitos
Author/s:
  • Brea Ruiz, Pedro Enrique
Contributor/s:
  • Casar Tenorio, Miguel Ángel del
Item Type: Final Project
Degree: Grado en Ingeniería de Sistemas de Telecomunicación
Date: February 2021
Subjects:
Freetext Keywords: Optoelectrónica
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La industria de las comunicaciones ópticas abarca un amplio campo de dispositivos con multitud de aplicaciones comerciales, las cuales se encuentran en constante desarrollo y evolución. Centrándonos en el desarrollo de dispositivos de aplicaciones en comunicaciones ópticas, existen multitud de softwares con capacidad de diseño y simulación de componentes. El objetivo principal de este trabajo se centra en la aplicación práctica de un software comercial orientado al diseño y simulación de sistemas optoelectrónicos para diseñar componentes ampliamente extendidos en la industria de las comunicaciones ópticas y estudiar su comportamiento. Para ello nos centraremos en dos ejemplos prácticos de simulación y análisis: resonador Fabry-Perot y fibra óptica monomodo comercial. Previo a las simulaciones a llevar a cabo, se realiza un estudio teórico para facilitar el entendimiento de los diferentes parámetros importantes a la hora de simular cualquier componente. De esta forma adoptaremos una base teórica sólida con el fin de poder aprovechar al máximo las posibilidades prácticas que nos ofrece el software en cuestión. Entre los diferentes softwares de diseño y simulación de componentes, se ha seleccionado un software intuitivo a la hora de diseñar sistemas o elementos, y muy potente de cara a obtener resultados en las simulaciones llevadas a cabo, ya sea en el propio software o en diferentes formatos exportables. El software objeto de estudio en este trabajo fin de grado será Lumerical Solutions, el cual nos ofrece varios productos de diseño de componentes dependiendo del tipo de análisis o diseño a llevar a cabo. Lumerical es la empresa desarrolladora del software de simulación. Recientemente ha sido adquirida por Ansys, principal fabricante de software de ingeniería avanzada para la simulación del comportamiento de productos manufacturados y procesos industriales. Se trata de una empresa puntera con desarrollo de software vanguardista y con presencia sólida en el sector de software de simulación involucrada en numerosas universidades de investigación. Nos centraremos en dos paquetes de software dentro del catálogo que ofrece la compañía, concretamente Lumerical INTERCONNECT Solutions y Lumerical MODE Solutions. El presente trabajo se encuentra dividido en dos capítulos diferenciados por el software empleado y por el tipo de estudio en cuestión llevado a cabo. Al inicio de cada capítulo se desarrollan teóricamente los principales parámetros y conceptos involucrados a lo largo del mismo. De esta forma se pretende obtener un alto grado de profundización en los diversos conceptos teórico-prácticos requeridos en un laboratorio de cara al diseño o simulación. En el primer capítulo se emplea el software de simulación a nivel de sistemas, Lumerical INTERCONNECT Solutions el cual nos permite simular y optimizar el rendimiento de circuitos integrados fotónicos de una manera muy intuitiva. Simularemos el comportamiento de un resonador Fabry-Perot para entender los diferentes resultados obtenidos variando los diferentes parámetros del sistema. El contenido de este primer capítulo tiene como finalidad la comprensión de uno de los elementos principales y más extendidos en el diseño de láseres empleados en comunicaciones ópticas en la actualidad. Por otra parte, en el segundo capítulo nos centraremos en el empleo del software Lumerical MODE Solutions para simular el comportamiento de uno de los elementos indispensables en comunicaciones ópticas, la fibra óptica. La principal aplicación del software Lumerical MODE Solutions sería la optimización del diseño de guías onda, acopladores y fibras ópticas. Se lleva a cabo un estudio del comportamiento de una sección de fibra óptica comercial monomodo, utilizada en comunicaciones ópticas de grandes distancias. El trabajo finaliza con las conclusiones de las simulaciones y análisis de software resultantes realizados a lo largo del mismo y con las futuras líneas de trabajo de cara a ampliar el conocimiento y el desarrollo práctico con diferentes componentes. Como principales conclusiones se podrían destacar las amplias posibilidades de diseño que nos ofrece el software elegido, así como la claridad en la obtención de resultados en los diferentes parámetros estudiados. Con el desarrollo del diseño de varios elementos de comunicaciones ópticas, extraemos una visión clara de cómo diseñar un componente y cuáles son sus principales parámetros. Tras estudiar teóricamente las características y comportamiento de las ondas electromagnéticas, se aplica dicho conocimiento a casos prácticos de diseño, facilitando el aprendizaje en su aplicación en un entorno académico. Abstract: Optical communications industry encompasses a broad field of devices with multitude of commercial applications, which are constantly evolving. Focusing on the development of application devices in optical communications, there are many softwares with the ability to design and simulate components. The main objective of this project is focused on practical application of commercial software directed to design and simulate optoelectronic systems and components widely used in the optical communications industry and study their behavior. We will focus on two practical simulation and analysis examples: Fabry-Perot resonator and commercial single-mode fiber optics. First of all it is necessary to carry out a theoretical study in order to facilitate the knowledge of different parameters to simulate any component. In this way we will adopt a solid theoretical base in order to take full advantage of practical possibilities offered by the software. Among the different component design and simulation softwares, we have been selected an intuitive software to design systems. This software is very powerful in order to obtain simulations results, either in software itself or in different exportable formats. The software will be Lumerical Solutions, which offers different component design products depending on the type of analysis or design to be carried out. Lumerical is the developer of this software. It has been acquired recently by Ansys, a leading manufacturer of advanced engineering. It is a leading company with cutting-edge software development and a strong presence in simulation software sector, involved in numerous research universities. We will focus on two software packages within the list offered, specifically Lumerical INTERCONNECT Solutions and Lumerical MODE Solutions. This project is divided in two chapters differentiated by software and the study in carried out. At the beginning of each chapter we develop theoretically main parameters used in this project. In the first chapter, we are going to use Lumerical INTERCONNECT Solutions software. This software is a system-level simulation which allows us to simulate and optimize the performance of photonic integrated circuits. We will simulate the behavior of Fabry-Perot resonator to understanding different results obtained by changing different parameters of system. The content of this chapter is intended to understand one of the most widespread elements in the design of lasers that is used in optical communications today. In the second chapter we will focus on Lumerical MODE Solutions software to simulate the behavior of a typical fiber optic used in long distance optical communications. The main application of Lumerical MODE Solutions software would be the optimization of the design of waveguides, couplers and optical fibers. We will carry out a study of the behavior of a single-mode commercial fiber optic section, used in long-distance optical communications. The project ends with conclusions of the software´s results simulations and analysis and adding new lines of works in order to expand knowledge and practical development with different components. As main conclusions, we can stand out the great design possibilities offered by this software and the facility to obtain results in different parameters of many components. With the design of diferents optical communication elements, we extract a clear vision of how to design a component and what are its main parameters. After theoretically studying of characteristics and behavior of electromagnetic waves, this knowledge is applied to practical design cases. In this way, learning is facilitated in its application in an academic way.

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Item ID: 69142
DC Identifier: https://oa.upm.es/69142/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69142
Deposited by: Biblioteca Universitaria Campus Sur
Deposited on: 29 Nov 2021 17:52
Last Modified: 29 Jan 2022 23:30
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