Desarrollo de un sistema de acople de modos a una fibra de pocos modos para la multiplexación por división modal usando un modulador espacial de luz de microespejos

Abstract

RESUMEN: Las comunicaciones a fibra óptica son la base de las telecomunicaciones actuales gracias a que permiten transmitir una gran cantidad de datos entre largas distancias con pocas pérdidas. Para su aplicación, se han explotado los grados de libertad físicos o dominios de la luz, como el tiempo, la frecuencia, la polarización, la cuadratura y el espacio. En los últimos diez años, este último dominio ha sido foco de numerosas investigaciones porque ha permitido superar el límite físico de las comunicaciones actuales. Las dimensiones de la luz han sido aprovechadas a través de diferentes métodos. Así pues, en el caso de la dimensión temporal, se han implementado técnicas de Multiplexación por División de Tiempo Óptico (OTDM, Optical Time Division Multiplexing), donde se lograron transmitir 160 Gbit/s en un tren intercalado de bits. En la frecuencia, se han aplicado como Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), la cual permite el envío de múltiples canales en paralelo en un ancho de banda definido en el espectro electromagnético, logrando la transmisión de 2.64 Tbit/s a través de 132 canales cada uno con una capacidad de 20 Gbit/s. Esta última es la más común en los sistemas de comunicaciones ópticas actuales. Por otro lado, la implementación de los diferentes dominios de la luz de forma simultánea, ha logrado la transferencia de grandes tasas de información, como es el caso de la combinación entre el dominio del tiempo y la frecuencia, usando las técnicas OTDM/WDM; o la frecuencia y el espacio, con las técnicas WDM y Multiplexación por División de Modos (MDM, Mode-Division Multiplexing). La implementación de estas técnicas también ofrece soluciones a problemas fundamentales, tales como la Asignación de Enrutamiento y Longitudes de Onda o RWA (Routing and Wavelength Assignement), donde se pueden enviar dos longitudes de onda por el mismo cable físico separadas por modos. El aumento en la demanda de transmisión de datos en las comunicaciones por fibra óptica ha mostrado un crecimiento exponencial desde sus inicios, que se ha logrado satisfacer a través de diferentes tecnologías y/o técnicas. Sin embargo, en la última década la cantidad de datos transmitidos está alcanzando el límite de Shannon, también conocido como límite físico en estos sistemas, lo que implica que la capacidad de crecimiento irá disminuyendo hasta el punto de no poder sostener la creciente demanda de transmisión de bits. Las técnicas de Multiplexación por División Espacial (SDM, Spatial Light Modulation) han sido foco de múltiples estudios, porque han demostrado superar el límite físico, donde estas se implementan utilizando Fibras de Pocos Modos (FMF, Few Mode Fiber), Fibra Monomodo (SMF, Single Mode Fiber), Fibras Multinúcleo (MCF, Multi-Core Fiber), Fibras de cristal fotónico, entre otras. La MDM es una de las técnicas de SDM, en la que, los canales son modos de propagación que viajan por el núcleo de la fibra óptica, que suele ser una FMF. Esta técnica ha permitido transmisiones de 0.19 Tbits/s a una distancia de 1200 km, transmitiendo 3 modos en una FMF, multiplexando cada uno a su vez con WDM. También, ha permitido transmisiones de 9.6 Tbits/s a una distancia de 900 km utilizando, igualmente, 3 modos en una FMF. Utilizar la técnica MDM requiere la implementación de un proceso de conversión modal, que consiste en transformar un modo óptico incidente en otro modo, a través de modificaciones de fase y amplitud. Se han desarrollado varios métodos para la conversión modal, entre ellos la utilización de Elementos Ópticos Difractivos (DOE, Diffractive Optical Elements), máscaras de fase, Rejillas de fibra de Bragg (FGB, Fiber Bragg Fiber), actuadores mecánicos y térmicos; y Moduladores Espaciales de Luz (SLM, Spatial Light Modulator). De acuerdo con el dispositivo que se implemente, la conversión puede ser estática o dinámica. La conversión modal dinámica permite la construcción de redes ópticas flexibles, o reconfigurables, que integren MDM con las demás técnicas tradicionales, y que posibiliten un fácil escalamiento sin demasiadas modificaciones de hardware. Para este fin, los conversores modales basados en moduladores espaciales de luz se destacan por su facilidad para convertir entre cualquier modo y tener la capacidad de insertarse fácilmente en los sistemas actuales. En términos generales, hay dos clases de SLM, principalmente. Los SLM basados en cristal líquido (LC-SLM), modulan un frente de onda a través de retardos de fase producidos por cambios de birrefringencia en el cristal líquido, y que son controlados a través de voltajes en un arreglo de electrodos. Se han usado ampliamente en electrónica de consumo, conformación de haces y pulsos, así como también en metrología y formación de imágenes. Los LC-SLM pueden modular directa y puntualmente la fase sobre un frente de onda. Sin embargo, la alta viscosidad del cristal líquido implica que tiene ratas de refrescamiento de solo unas decenas de Hertz. Además, como operan por retardos por cambios de birrefringencia, son altamente dependientes del estado de polarización de la luz y de su longitud de onda. Es decir, el rango de modulación de fase y amplitud es función de la longitud de onda y del estado de polarización. Adicionalmente, el cristal líquido no solo cambia la polarización, sino que también depolariza. Por otro lado, se está popularizando el uso de moduladores espaciales de luz basados en dispositivos digitales de microespejos (DMD, Digital Micromirror Devide), de Texas Instruments. Los DMD son dispositivos microeletromecánicos que consisten en un arreglo de microespejos, dispuestos de forma similar a los pixeles de una pantalla digital. Cada microespejo puede inclinarse controladamente entre dos estados discretos. De esta forma, al operar por reflexión, los dos estados de inclinación de cada microespejo producen reflectancias binarias de 1 y 0 (Estados digitales On y Off). Desplegando distribuciones espaciales de reflectancias, es posible conformar frentes de onda a través de procesos difractivos, como la reconstrucción de hologramas de amplitud binaria. Este dispositivo se ha utilizado en tecnología de procesamiento digital de luz y, en comunicaciones ópticas, se ha usado en MDM usando haces Laguerre-Gauss con Momento Angular Orbital (OAM, Orbital Momentum Angular), en la que se realizó una optimización de los modos utilizando un algoritmo de difusión de error que permitió obtener modos ópticos de alta fidelidad. A diferencia de los LC-SLM, los DMD pueden tener una tasa de refrescamiento superior a los 10 KHz. Además, al operar por reflexión en microespejos, su desempeño es independiente del estado de polarización de la luz. Por otra parte, como operan a través del efecto global de difracción, la longitud de onda no afecta el rango de modulación, y es solo un factor de escala. Los límites en longitud de onda de operación están definidos por los rangos espectrales de las películas antirreflectivas que se aplican en la lámina de vidrio que protege el DMD, y en los materiales de la matriz microelectromecánica que sostiene los microespejos. El método más simple para modular luz con un DMD utiliza hologramas de reflectancia binaria, llamados hologramas de Lee. En este trabajo realizó un montaje simulado (todas las simulaciones de este trabajo se realizaron en Python 3.0) y parte experimental de la multiplexación y demultiplexación modal, de modos Linealmente Polarizados (LP), mediante un conversor modal utilizando un DMD con máscaras de fase desplegadas. Todo proceso de conversión modal con este dispositivo se realizó en el espacio libre, por lo tanto, se presentaron diferencias con los modos que viajan por dentro de una fibra óptica debido a las condiciones de frontera. Para obtener modos semejantes a los que viajan dentro del núcleo de una fibra, se construyó un algoritmo que optimizara las máscaras de fase desplegadas en el DMD, de manera que se obtuvieran modos parecidos a los deseados. Para medir la similitud entre los modos se utilizó una ecuación de correlación conocida como función espacial de frecuencia. En el estado del arte no se encontró un trabajo en el que se usara el DMD como conversor modal entre modos LP, por tal motivo nuestro trabajo es novedoso. La implementación de este dispositivo hizo resaltar numerosas ventajas como: construcción de un montaje sencillo sin requerir muchos dispositivos; lo que reduciría también el costo de bit transmitido, es fácil de usar; no requiere de una calibración en cada uso, como es el caso de los SLM-LC, independiente de la polarización, la variación de la longitud de onda no afecta la modulación, posee una tasa de refrescamiento alta, se adapta fácilmente a las técnicas de multiplexación actuales, y permite tener un control de la conversión modal. Como trabajo a futuro queda la construcción de un montaje de comunicación completo de conversión modal en el que se acoplen nuevamente a una de FMF los modos convertidos, de tal forma, que se pueda medir como mejora la eficiencia de acople entre los obtenidos con máscaras sin optimizar y optimizadas. Adicionalmente, la construcción de la técnica MDM, donde se acoplen al mismo tiempo varios modos convertidos a diferentes FMF y sean demultiplexados en el receptor.