Modelado de pérdidas de inserción y conectorizado en enlaces de fibra óptica mediante el uso de cristales fotónicos

Resumen

Vivimos inmersos en lo que se ha denominado la “sociedad de la información”, la cantidad de datos que generamos es realmente abrumadora: desde bibliotecas digitales a dispositivos de cuantificación personal como pulsómetros y pulseras de actividad pasando por bases de datos corporativas, contenido de entretenimiento audiovisual y un largo etcétera. Pero no solamente generamos datos, también los consumimos, por lo que existe la necesidad de transportar ingentes cantidades de información. Hace décadas que la fibra óptica constituye el medio de transmisión por excelencia para el transporte de datos gracias a su gran ancho de banda y baja atenuación. La tecnología óptica se halla plenamente asentada en el nivel de transporte pero ¿qué ocurre en la capa de conmutación, enrutamiento y, en definitiva, procesado de la información?. Actualmente esto supone un importante cuello de botella, pues todo el procesado se hace con tecnología electrónica, siendo necesario procesos de conversión óptico-eléctrico y eléctrico-óptico antes y después de cada etapa de tratamiento de la información. Se lleva tiempo trabajando en la creación de dispositivos ópticos integrados que sean capaces de substituir a sus homólogos electrónicos";" es en este marco donde se enclavan los cristales fotónicos. Los cristales fotónicos son estructuras dieléctricas periódicas que, mediante el adecuado diseño de su geometría permiten alterar las propiedades de la señal luminosa que circula a su través pudiendo “moldearla”' según nuestras necesidades. Se presenta en esta tesis el marco teórico que constituye la herramienta fundamental para trabajar con este tipo de dispositivos, partiendo del análisis de las propiedades de las redes periódicas por un lado y de las ecuaciones de Maxwell en medios dieléctricos por otro para finalmente fusionar ambas disciplinas con el estudio de conceptos como los diagramas de bandas, la banda fotónica prohibida y la posibilidad de confinar la luz mediante la introducción de defectos en las estructuras periódicas. Como la gran mayoría de los problemas electromagnéticos de interés práctico, no es viable emplear métodos analíticos para el diseño y estudio de estructuras de cristal fotónico, por lo que se presenta una descripción de los métodos numéricos implementados en las herramientas de simulación computacional utilizadas en este trabajo: MIT Photonic Bands (MPB) y BandSOLVE para el cálculo de bandas y parámetros de dispersión mediante la técnica de expansión en ondas planas (PWE) y Lumerical FDTD Solutions para el cálculo de propiedades de transmisión y reflexión mediante el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD). Con el soporte de la teoría y el software mencionados, se diseña una guía onda de cristal fotónico al crear un defecto lineal en una red de cilindros de aire sobre un substrato de SiO2 mediante la eliminación de una hilera de cilindros. Mediante la aplicación de un método sistemático de optimización y el empleo de distintas geometrías de taper, se alcanza una estructura óptima en términos de potencia transmitida para longitudes de onda de la tercera ventana de transmisión. Finalmente se propone una nueva estructura de guía onda de PC eliminando una hilera de una celosía cuadrada de cilindros huecos de Si. La luz que se propaga a través de esta guía experimentará un importante descenso en su velocidad de propagación, velocidad que además se mantendrá estable a lo largo de un importante ancho de banda (esto es, con mínima dispersión). Se demuestra como además, mediante el rellenado de este dispositivo con una suspensión coloidal de partículas de MnFe2O4 con distintas concentraciones, es posible sintonizar las frecuencias a las cuales se introduce este retardo.