Thursday, May 21, 2015

Transmiten 1,6 Tbit/s con OAM-MDM en una fibra óptica de vórtices


Para incrementar el ancho de banda, la cantidad de información que se puede propagar, en una fibra óptica se utilizan técnicas de multiplexado en frecuencia, tiempo, amplitud, fase, polarización y momento angular orbital (OAM-MDM). Esta última técnica, la más reciente y menos utilizada, consiste en enviar “vórtices” de luz por una fibra óptica con un diseño especial que se denomina “fibra de vórtices” (“vortex fibre”). Se publica en Science el envío de 400 Gb/s en 1,1 km de fibra óptica de vórtices utilizando OAM-MDM en una sola longitud de onda y de 1,6 Tb/s combinando OAM-MDM y 10 longitudes de onda con WDM (multiplexado en longitud de onda). Se trata del récord de ancho de banda en tecnología OAM-MDM en fibra óptica y demuestra que esta tecnología pronto tendrá que formar parte de los libros de texto. El artículo técnico es Nenad Bozinovic et al., “Terabit-Scale Orbital Angular Momentum Mode Division Multiplexing in Fibers,” Science 340: 1545-1548, 28 Jun 2013.

Dibujo20130628 Terabit-Scale Orbital Angular Momentum Mode Division Multiplexing in Fibers
La técnica de multiplexación por división de momento angular orbital (OAM-MDM) se basa en el uso combinado del momento angular ℓ y del espín s de los modos fundamentales en una fibra multimodo; recuerda que se llama espín en este contexto a la dirección de rotación en la polarización circular (sus valores pueden ser s = ± 1). Como muestra esta figura, en la técnica OAM-MDM se utilizan cuatro modos, dos con ℓ = 0 y espín opuesto s = ± 1, y dos con cargas topológicas opuestas ℓ = ± 1 (y s = ℓ). Por supuesto, esta técnica requiere una fibra óptica diseñada de forma especial (con simetría circular perfecta y cuyo índice de refracción está diseñado para minimiza el acoplamiento entre estos modos), a la que se suele llamar “fibra de vórtices.”
Recuerda que las fibras convencionales son monomodo y permiten propagar dos polarizaciones para el modo fundamental, llamadas LP01± (con espín s = ± 1); los números “0” y “1” en el subíndice “01” se refieren al número de líneas nodales (cuyo valor es nulo) en el campo eléctrico en las dos direcciones ortogonales de la sección circular de la fibra, es decir, “0” sería el índice azimutal y “1” el radial. En la “fibra de vórtice” también se propagan los modos transversal magnético (TM01) y transversal eléctrico (TE01). Los dos modos OAM± (denotados por su carga topológica ℓ = ± 1) corresponden a los modos TM01.
A diferencia de las fibras multimodo convencionales, en la fibra de vórtice se rompe la degeneración entre los modos OAM± para minimizar su acoplamiento mutuo y evitar efectos parásitos utilizando un perfil de índice de refracción con un anillo alrededor del núcleo de la fibra con su mismo índice de refracción (recuerda que en la fibra óptica la luz se propaga por reflexión total interna y que el núcleo tiene un índice de refracción un poco mayor que la región que le rodea). La figura que abre esta entrada, arriba a la derecha, muestra una microfotografía del perfil del índice de refracción utilizando. Por supuesto, la birrefringencia de la fibra (que su sección circular no puede ser perfecta a lo largo de muchos kilómetros) acaba mezclando de forma inevitable los dos modos OAM±, por ello sólo se ha podido lograr la propagación por OAM-MDM en una distancia de 1,1 km (muy poco comparado con los récords obtenidos para otros tipos de multiplexado). Se espera que en un futuro se desarrollen métodos pasivos de compensación del acoplamiento entre estos modos debido a la birrefringencia.
Dibujo20130628 Data-transmission experiments
Quizás nunca haya fibras de vórtices comerciales que utilicen la técnica OAM-MDM, pero para los que somos aficionados a los vórtices en óptica no lineal nos resulta muy atrayente este tipo de realizaciones experimentales en óptica lineal. El nuevo artículo de Science promete ser citado un gran número de veces (en óptica no lineal hay varias opciones para compensar el acoplamiento debido a la birrefringencia que habrá que estudiar en detalle)

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