Novel Multicore Optical Fibers for Signal Distribution and Processing

Abstract

[ES] Las fibras de multiplexación por división espacial surgieron en la última década como solución al cuello de botella en la capacidad en las redes de comunicación de fibra óptica monomodo. Utilizan el espacio, la última técnica de multiplexación en comunicaciones ópticas, para aumentar la capacidad total en comunicaciones digitales al tiempo que reducen las necesidades de espacio. Las fibras multinúcleo, un tipo de fibras de multiplexación por división espacial compuestas por varios núcleos individuales dentro de la misma cubierta, son prometedoras para las comunicaciones de largo alcance por su compatibilidad inmediata con las redes de fibra actuales. Además, las fibras multinúcleo han despertado interés en otros campos de aplicación, como las interconexiones de centros de datos, las comunicaciones cuánticas, las redes de acceso radio y la Fotónica de Microondas. Además, estas fibras presentan un gran potencial no sólo para la distribución de señales, sino también para su procesado. Las funcionalidades de procesado de señal pueden beneficiarse significativamente del uso de estas fibras en términos de compacidad y peso, garantizando al mismo tiempo versatilidad, reconfigurabilidad y rendimiento estable de banda ancha. En esta Tesis, proponemos la explotación del paralelismo inherente que se encuentra en las fibras multinúcleo para implementar el procesado distribuido de señales ópticas y de microondas. En primer lugar, estudiamos la realización de un componente óptico clave en el procesado de señales en Fotónica de Microondas, la línea de retardo en tiempo real muestreada, con fibras multinúcleo heterogéneas. Esto comprende la validación del rendimiento de una fibra heterogénea de 7 núcleos previamente fabricada, la demostración experimental de las funcionalidades de procesado de señales de microondas; incluyendo el filtrado de señales, la conformación óptica de haces y la generación de formas de onda arbitrarias; y el diseño y fabricación de una fibra heterogénea de 19 núcleos que se comporta como una línea de retardo en tiempo real sintonizable. Esta fibra se fabricó escalando 3 preformas diferentes, cada una con un perfil de índice refractivo específico, para obtener núcleos con unas características de propagación determinadas. Por último, proponemos diferentes diseños de fibras multinúcleo heterogéneas específicos para aplicaciones novedosas de distribución y procesado de señales ópticas, incluyendo la distribución de claves cuánticas, la compensación paralela de la dispersión cromática y los efectos Talbot temporales paralelos.

[CA] Les fibres de multiplexació per divisió espacial van sorgir en la darrera dècada per a solucionar el coll de botella en la capacitat de les xarxes de comunicació de fibra òptica monomode. Utilitzen l'espai, l'última tècnica de multiplexació en comunicacions òptiques, per a incrementar la capacitat total en comunicacions digitals al mateix temps que redueixen les necessitats espacials. Les fibres multinucli, un tipus de fibres de multiplexació per divisió espacial compostes per diversos nuclis individuals situats dins la mateixa coberta, són prometedores per a les comunicacions de llarg abast per la immediata compatibilitat amb les xarxes de fibra òptica actuals. Per aquest motiu, les fibres multinucli han despertat interès en altres àmbits d'aplicació, com les interconnexions de centres de dades, les comunicacions quàntiques, les xarxes d'accés radio i la Fotònica de Microones. A més, aquestes fibres presenten un gran potencial no només per a la distribució de senyals, sinó també per al seu processament. Les funcionalitats de processament de senyals poden beneficiar-se significativament del seu ús en relació a la compacitat i al pes, mentre garanteixen versatilitat, reconfigurabilitat i rendiment estable de banda ampla. En aquesta Tesi, proposem l'explotació del paral·lelisme inherent de les fibres multinucli per a implementar processament distribuït de senyals òptiques i de microones. En primer lloc, estudiem la realització d'un component òptic clau en el processament de senyals en la Fotònica de Microones, la línia de retard en temps real mostrejada, amb fibres multinucli heterogènies. Això comprèn la validació del rendiment d'una fibra de heterogènia 7 nuclis fabricada prèviament, la demostració experimental de les funcionalitats de processament de senyals de microones sobre aquesta mateixa fibra; la qual cosa inclou el filtrat de senyals, la conformació òptica de feixos i la generació de formes d'ona arbitràries; i el disseny i fabricació d'una fibra heterogènia de 19 nuclis que es comporta com una línia de retard en temps real sintonitzable. Aquesta fibra es va fabricar escalant 3 preformes diferents, cadascuna amb un perfil d'índex refractiu específic, per obtindre nuclis amb característiques de propagació determinades. Per últim, proposem diversos dissenys específics de fibres multinucli heterogènies per a aplicacions innovadores de distribució i processament de senyals òptiques, incloent la distribució de claus quàntiques, la compensació paral·lela de la dispersió cromàtica i els efectes Talbot temporals en paral·lel.

[EN] Space-division multiplexing fibers emerged in the last decade as a solution to the capacity bottleneck in single-mode optical fiber communication networks. They utilize space, the last multiplexing technique in optical communications, to increase the total capacity in digital communications whilst reducing space needs. Multicore fibers, a type of space-division multiplexing fibers comprised of multiple individual cores within the same cladding, are promising for long-reach communications because of their immediate compatibility with current fiber networks. Moreover, multicore fibers have raised interest in other fields of application such as data-center interconnects, quantum communications, radio access networks and Microwave Photonics. Apart from that, these fibers exhibit great potential not only for signal distribution but also for signal processing. Signal processing functionalities can benefit significantly from using these fibers in terms of compactness and weight, while assuring broadband versatility, reconfigurability, and performance stability. In this Thesis, we propose the exploitation of the inherent parallelism found in multicore fibers to implement distributed signal processing for optical and microwave signals. First, we study the realization of a key optical component in Microwave Photonics signal processing, the sampled true-time delay line, with heterogeneous multicore fibers. This comprises the performance validation of a previously fabricated heterogeneous 7-core fiber, the experimental demonstration of microwave signal processing functionalities including signal filtering, optical beamforming, and arbitrary waveform generation, and the design and fabrication of a heterogeneous 19-core fiber that behaves as a tunable true-time delay line. This fiber was fabricated by scaling down 3 different preforms, each with a specific refractive index profile, with a different ratio to obtain cores with determined propagation characteristics. Lastly, we propose different custom heterogeneous multicore fiber designs for novel optical signal distribution and processing applications, including quantum key distribution, parallel chromatic dispersion compensation and parallel temporal Talbot effects.