Procesado de señal fotónica mediante tratamientos duales en redes de difracción en fibra

Abstract

El presente trabajo de tesis doctoral versa, fundamentalmente, sobre la aplicación de redes de difracción fotoinducidas en el núcleo de fibras ópticas al procesamiento de señal fotónica. Las redes de difracción en fibra resultan especialmente atractivas de cara a tal aplicación en tanto que los recientes avances tecnológicos permiten el crecimiento de perfiles de índice prácticamente "a medida", capaces de proporcionar las características de filtrado y/o dispersión que en cada caso se requieran. Se trata además de componentes pasivos en fibra óptica, muy compactos, que introducen muy bajas pérdidas de inserción, y resultan actualmente baratos y fáciles de fabricar. El desarrollo del trabajo descansa sobre dos herramientas físico - matemáticas: las distribuciones de señal tiempo - frecuencia (TF) y las dualidades ópticas espacio - tiempo. La primera parte de la tesis introduce la red de difracción en fibra como potencial candidato para la implementación práctica de las técnicas de procesado óptico de señal requeridas en las futuras de redes de comunicación óptica por fibra (Capítulo 1), presenta las principales aportaciones de este trabajo en este campo (Capítulo 2) y discute los modelos teóricos de redes de difracción en fibra de que se hace uso a lo largo del mismo (Capítulo 3). En una segunda parte, se introduce la representación de señal TF y se aplica al análisis de las propiedades ópticas y dispersivas de redes de difracción en fibra (Capítulo 4). El análisis TF permite acceder al comportamiento físico, a nivel microscópico, de estos componentes, revelando detalles no accesibles por ningún otro método. Es más, sobre la base de la información proporcionada por este tipo de análisis, se propone una nueva técnica para la reconstrucción de parámetros físicos importantes de una red de difracción (período de red local y longitud) a partir de la medida de sus características en reflexión (Capítulo 5). La técnica, sus ventajas y limitaciones se estudian en detalle tanto analítica como numéricamente, y se proporciona, además, demostración experimental de la misma. Finalmente, se propone, discute y demuestra su aplicabilidad para el sensado de esfuerzo o temperatura distribuidos a lo largo de una red de difracción en fibra. En la tercera parte de la tesis, se define y formaliza una dualidad matemática entre las ecuaciones que describen la difracción espacial de haces de luz coherentes y la dispersión temporal de pulsos ópticos reflejados en redes de difracción en fibra de "chirp" lineal (RDCLs). Dicha dualidad permite diseño de este tipo de componentes en muy diversas aplicaciones en el campo de procesamiento óptico de pulsos temporales. En particular, haciendo uso de una formulación equivalente, en el dominio temporal, a la de Fraunhofer o campo lejano de la difracción espacial, las RDCLs se diseñan para su aplicación como transformadores de Fourier en tiempo real (Capítulo 6). La validez de la formulación Fraunhofer temporal se contrasta tanto numérica como experimentalmente. Utilizando, de nuevo, distribuciones TF, se profundiza en la física del régimen Fraunhofer temporal. Como resultado, se demuestra que la técnica de transformación de Fourier en tiempo real, además de constituir una atractiva alternativa para el análisis de espectros ópticos, posee otras importantes aplicaciones: nuevos métodos para la medida de dispersión cromática en RDCLs, conformación temporal de pulsos ópticos ("optical pulse shaping"), filtrado espectral en tiempo real, etc. Sobre la base de la citada dualidad espacio - tiempo, se describe también un fenómeno equivalente, que, además, se contrasta numéricamente. El efecto Talbot espacial (Capítulo 7). Se proporciona una teoría analítica general del fenómeno, que, además, se contrasta numéricamente. El efecto Talbot temporal puede aplicarse para la multiplicación de frecuencias de repetición de secuencias periódicas de pulsos ópticos, no afectando las características del pulso individual (duración y forma temporal), y, básicamente, sin pérdida de energía. Las especificaciones de diseño de RDCLs para tal aplicación se discuten en detalle y demustran numéricamente. Finalmente, se proponen y demuestran nuevas estructuras de difracción en fibra (RDCLs superpuestas) para la realización de las técnicas de procesado basadas en dualidad espacio - tiempo sobre varios canales espectrales (canales de comunicación en sistemas WDM), de forma independiente y simultánea. El último capítulo de la tesis (Capítulo 8) resumen las principales conclusiones del trabajo y discute brevemente las líneas abiertas que deja para investigaciones futuras. En forma de apéndices, se incluyen las referencias bibliográficas (Apéndice A-1), un estudio sobre los principios teóricos de operación de filtros basados en acoplo resonante distribuido, tales como RDCLs (Apéndice A-2), y desarrollos matemáticos específicos de apoyo al análisis teórico sobre efecto Talbot temporal (Apéndice A-3). Como anexos, se incluyen una lista de acrónimos (Anexo I) y una reseña con las publicaciones científicas a que ha dado lugar el presente trabajo de investigación (Anexo II).