Few-Mode Transmission Technology for Ultra-High Capacity Optical Networks

Abstract

[ES] En esta Tesis Doctoral, se propone diferentes técnicas de acoplo y conversión modal destinadas a aumentar la capacidad de transporte en sistemas de telecomunicaciones sobre fibra óptica. En particular, el objetivo principal es el desarrollo de la tecnología necesaria para conseguir una multiplexación modal utilizando un número limitado de modos, de manera controlada. Para ello, se estudian dos escenarios MDM con dos longitudes de onda distinta. Por un lado, usando la longitud de onda de 850 nm sobre SSMF favoreciendo la utilización de componentes ópticos y electro-ópticos de coste mucho menor que sus equivalentes en la banda C+L. Esta novedosa tecnología de transmisión permitirá una nueva generación de interconexiones ópticas de muy alta capacidad aplicable a enlaces chip-a-chip, a backplanes ópticos y también a clústeres de computación de altas prestaciones y centros de conmutación de red. Por otro lado, usando la longitud de onda de 1550 nm sobre guías ópticas basadas en SOI, es decir, Si (silicio) sobre sustrato de SiO2 (óxido de silicio) favoreciendo la utilización de dispositivos basados en tecnología integrada que ofrecen un menor tamaño, mejor repetibilidad y robustez que los dispositivos basados en fibra óptica.

Para ello, se propone el uso de acopladores ópticos fusionados siendo un elemento indispensable a la hora de multiplexar y demultiplexar los distintos modos ópticos en un enlace MDM a 850 nm. Esta técnica permite multiplexar/demultiplexar los modos ópticos cuando el tipo de acoplador óptico utilizado es simétrico (DC, del inglés directional coupler), siendo necesario la utilización de un conversor de modos. También se estudia la posibilidad de convertir el modo óptico mediante la utilización de un acoplador óptico asimétrico (ADC, del inglés asymmetrical directional coupler), no siendo necesario utilizar un conversor de modos y simplificando el esquema MDM.

Además, en esta tesis doctoral también se propone y evalúa el diseño de un conversor de modos mecánico basado en SSMF. Esta técnica permite obtener el primer modo de orden superior con una alta calidad y sin la necesidad de utilizar un ADC.

Después de esto, se propone y evalúa la posibilidad de utilizar acopladores comerciales (diseñados a 1550 nm) a la longitud de onda de 850 nm permitiendo de esta forma reducir la necesidad de utilizar acopladores ópticos y conversores modales específicamente diseñados en dicha longitud de onda. Esta técnica reduciría los costes del sistema al necesitar un menor número de dispositivos y aprovechar los dispositivos diseñados a 1550 nm, siendo más económicos que los diseñados a 850 nm.

En esta Tesis también se propone el uso de ADCs en guías strip basadas en SOI para la conversión y multiplexación de los modos ópticos desde la guia fundamental a la guia de dos modos, a la longitud de onda de 1550 nm. Para ello se estudia y demuestra experimentalmente diferentes diseños con el fin de obtener el diseño más robusto frente a las tolerancias de fabricación consiguiendo un rendimiento óptimo.

Además, el uso de DCs sobre guías ridge es comúnmente utilizado y ofrece mejores prestaciones que el basado en guías strip, por ese motivo esta Tesis estudia y evalúa el uso de ADCs sobre guías ridge mediante el método de análisis de los índices efectivos de los supermodos par e impar. De esta forma se realiza una comparación entre los diseños óptimos de ambas estructuras (strip y ridge) con el objetivo de averiguar qué diseño ofrece mejores prestaciones.

Por último, se propone y estudia el diseño de un acoplador grating capaz de multiplexar y demultiplexar los modos ópticos del modo fundamental y del primer orden superior desde la guia óptica a la fibra óptica y viceversa. Para ello se proponen diferentes diseños con el objetivo de conseguir un diseño más tolerante y eficiente frente a los errores por desalineamiento obteniendo un acoplo óptimo.

[CA] En aquesta Tesi Doctoral, es proposen diferents tècniques d'acoblament i conversió modal destinades a augmentar la capacitat de transport en sistemes de telecomunicacions sobre fibra òptica. En particular, l'objectiu principal és el desenrotllament de la tecnologia necessària per a aconseguir una multiplexació modal utilitzant un número limitat de modes, de manera controlada. Per a això, s'estudien dos escenaris MDM amb dos longituds d'onda distinta. D'una banda, usant la longitud d'ona de 850 nm sobre SSMF afavorint la utilització de components òptics i electro-òptics de cost molt menor que els seus equivalents en la banda C+L. Aquesta nova tecnologia de transmissió permetrà una nova generació d'interconnexions òptiques de molt alta capacitat aplicable a enllaços chip-a-chip, a backplanes òptics i també a clústers de computació d'altes prestacions i centres de commutació de xarxa. D'altra banda, usant la longitud d'ona de 1550 nm sobre guies òptiques basades en SOI, és a dir, Si (silici) sobre substrat de SiO2 (òxid de silici) afavorint la utilització de dispositius basats en tecnologia integrada que ofereixen una menor grandària, millor repetibilitat i robustesa que els dispositius basats en fibra òptica.

Per a això, es proposa l'ús d'acobladors òptics fusionats sent un element indispensable a l'hora de multiplexar i demultiplexar els distints modes òptics en un enllaç MDM. Aquesta tècnica permet multiplexar/demultiplexar els modes òptics quan el tipus d'acoblador òptic utilitzat és simètric (DC, de l'anglès directional coupler), sent necessari la utilització d'un convertidor de modes. També s'estudia la possibilitat de convertir el mode òptic per mitjà de la utilització d'un acoblador òptic asimètric (ADC, de l'anglès asymmetrical directional coupler), no sent necessari utilitzar un convertidor de modes i simplificant l'esquema MDM.

Es mes, en aquesta tesi doctoral també es proposa i avalua el disseny d'un convertidor de modes mecànic basat en SSMF. Aquesta tècnica permet obtindre el primer mode d'orde superior amb una alta qualitat sense la necessitat d'utilitzar un ADC.

Després d'açò, es proposa i avalua la possibilitat d'utilitzar acobladors comercials (dissenyats a 1550 nm) a la longitud d'ona de 850 nm permetent d'esta manera reduir la necessitat d'utilitzar acobladors òptics i convertidors modals específicament dissenyats en la dita longitud d'ona. Aquesta tècnica reduiria els costos del sistema al necessitar un menor nombre de dispositius i aprofitant els dispositius dissenyats a 1550 nm, sent més econòmics que els dissenyats a 850 nm.

En aquesta Tesi també es proposa l'ús de ADCs en guies strip basades en SOI per a la conversió i multiplexació dels modes òptics des de la guia fonamental a la guia de dos modes, a la longitud d'ona de 1550 nm. Per a això s'estudia i demostra experimentalment diferents dissenys a fi de obtindré el disseny més robust enfront les toleràncies de fabricació aconseguint un rendiment òptim.

A més, l'ús de DCs sobre guies ridge és comunament utilitzat i ofereix millors prestacions que el basat en guies strip, per eixe motiu aquesta Tesi estudia i avalua l'ús de ADCs sobre guies ridge per mitjà del mètode d'anàlisi dels índexs efectius dels supermodes parell i imparell.

D'aquesta manera es realitza una comparació entre els dissenys òptims de les dos estructures (strip i ridge) amb l'objectiu d'esbrinar quin disseny ofereix millors prestacions.

Finalment, es proposa i estudia el disseny d'un acoblador grating capaç de multiplexar i demultiplexar els modes òptics del mode fonamental i del primer orde superior des de la guia òptica a la fibra òptica i viceversa. Per a això es proposen diferents dissenys amb l'objectiu d'aconseguir un disseny més tolerant i eficient enfront dels errors per desalineament obtenint un acoblament òptim.

[EN] In this Ph.D. thesis, different mode coupling and mode conversion techniques with the aim to increase the transport capacity in telecommunications systems over optical fiber are proposed. Concretely, the main aim is the development of the technology to achieve MDM using a limited controlled number of modes. Two different MDM scenarios based on two distinct wavelengths have been considered. On one hand, using the 850 nm wavelength over SSMF favors the use of optical and electro-optical devices with costs much lower than their equivalent in the C+L band. This novel transmission technology enables a new generation of very high capacity optical interconnections applicable to chip-to-chip links, to optical backplanes, and also to high-performance computing clusters and network switching centre interconnections. On the other hand, using the 1550 nm wavelength over optical waveguides based on SOI, i.e., Si (Silicon) above SiO2 substrate (silicon oxide), allows the use of integrated devices offering a less size, better repeatability and robustness in comparison with the optical fiber devices.

Fused fiber couplers are proposed as key elements to (de)multiplex different fiber modes in a MDM link at 850 nm. The use of a symmetric directional coupler (DC) as a (de)multiplexer requires the use of an additional mode converter. The use of an asymmetrical directional coupler (ADC) as optical (de)multiplexer and mode converter is proposed, avoiding the necessity of an additional mode converter and simplifying the MDM scheme.

Furthermore, in this Ph.D. thesis it is also proposed and evaluated the design of a mechanical mode converter at 850 nm using a SSMF. This technique permits to obtain the first high order mode with high quality and without the necessity of using an ADC.

After that, it is analyzed and investigated the employment of commercial optical couplers (designed at 1550 nm) at 850 nm wavelength operation, thus avoiding the use of optical couplers and mode converters specifically designed at 850 nm wavelength. The MDM system costs are reduced as fewer devices are required and commercial components designed at 1550 nm are cheaper than the counterparts at 850 nm.

In this Ph.D. thesis it is also considered the employment of ADCs over strip waveguides based on SOI technology for the conversion and multiplexing of the optical modes, from single-mode waveguide to high order mode waveguide at the 1550 nm wavelength. Thus, it has been studied and experimentally investigated different designs aimed to achieve the most robust configuration, in which the yield is less affected by the fabrication tolerances.

Furthermore, the use of DCs over ridge waveguides is commonly employed and it offers better performance than strip waveguides. For this reason, the Ph.D. thesis studies and evaluates the use of ADCs with ridge waveguides by considering the effective refractive indexes of the even and odd supermodes analysis. In this way, a comparison between strip and ridge structures is done in order to find the optimum design that offer the best features.

Finally, it is analyzed the design of a grating coupler capable of multiplexing and demultiplexing the fundamental and the high order mode from the waveguide to the optical fiber and vice versa. Thus, different designs are evaluated in order to achieve a design more robust and efficient to the coupling misalignments.