La Unificación de la Física

Aunque a lo largo de la historia de la Física hemos avanzado construyendo una serie de teorías parciales que expliquen diferentes fenómenos de nuestra naturaleza aparentemente independientes entre sí, sería muy difícil construir en un solo paso una teoría unificada completa de todo lo que ocurre en el universo. En este trabajo presentamos un breve resumen de la evolución de las diferentes teorías parciales y el intento de unificación por parte de la comunidad científica de todas esas teorías en la denominada Teoría del Todo

Estudio y Caracterización de un Modulador Electroóptico Mach-Zehnder

Medida y caracterización de la respuesta de los moduladores electroópticos con estructura interferométrica Mach-Zehnder. Introducción teórica y recopilación de resultados simulados con la herramienta de diseño computacional OptiSyste

Multi-Core Fiber and Optical Supersymmetry: Theory and Applications

[ES] A día de hoy, las redes de comunicaciones de fibra óptica están alcanzando su capacidad límite debido al rápido crecimiento de la demanda de datos en la última década, generado por el auge de los teléfonos inteligentes, las tabletas, las redes sociales, la provisión de servicios en la nube, las transmisiones en streaming y las comunicaciones máquina-a-máquina. Con el fin de solventar dicho problema, se ha propuesto incrementar la capacidad límite de las redes ópticas mediante el reemplazo de la fibra óptica clásica por la fibra óptica multinúcleo (MCF, acrónimo en inglés de multi-core fiber), la cual es capaz de integrar la capacidad de varias fibras ópticas clásicas en su estructura ocupando prácticamente la misma sección transversal que éstas. Sin embargo, explotar todo el potencial de una fibra MCF requiere entender en profundidad los fenómenos electromagnéticos que aparecen en este tipo de fibras cuando guiamos luz a travésde ellas. Así pues, en la primera parte de la tesis se analizan teóricamente estos fenómenos electromagnéticos y, posteriormente, se estudia la viabilidad de la tecnología MCF en distintos tipos de redes ópticas de transporte, específicamente, en aquellas que hacen uso de transmisiones radio-sobre-fibra. Estos resultados pueden ser de gran utilidad para las futuras generaciones móviles 5G y Beyond-5G en las próximas décadas. Adicionalmente, con el fin de expandir las funcionalidades básicas de las fibras MCF, esta tesis explora nuevas estrategias de diseño de las mismas utilizando la analogía existente entre las ecuaciones que rigen la mecánica cuántica y el electromagnetismo. Con esta idea en mente, en la segunda parte de la tesis se propone diseñar una nueva clase de fibras MCF usando las matemáticas de la supersimetría, surgida en el seno de la teoría de cuerdas y de la teoría cuántica de campos como un marco teórico de trabajo que permite unificar las interacciones fundamentales de la naturaleza (la nuclear fuerte, la nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad). Girando en torno a esta idea surgen las fibras MCF supersimétricas, las cuales nos permiten procesar la información de los usuarios durante la propia propagación de la luz a través de ellas, reduciendo así la complejidad del procesado de datos del usuario en recepción. Finalmente, esta tesis se completa introduciendo un cambio de paradigma que permite diseñar dispositivos fotónicos disruptivos. Demostramos que la supersimetría de mecánica cuántica no relativista, propuesta como una serie de transformaciones matemáticas restringidas al dominio espacial, se puede extender también al dominio del tiempo, al menos dentro del marco de trabajo de la fotónica. Como resultado de nuestras investigaciones, demostramos que la supersimetría temporal puede convertirse en una plataforma prometedora para la fotónica integrada ya que nos permite diseñar nuevos dispositivos ópticos versátiles y ultra-compactos que pueden jugar un papel clave en los procesadores del futuro. Asimismo, con el fin de hacer los resultados principales de esta tesis doctoral lo más generales posibles, se detalla cómo poder extrapolarlos a otros campos de la física como acústica y mecánica cuántica.[CA] Avui en dia, les xarxes de comunicacions de fibra òptica estan aconseguint la seua capacitat límit a causa del ràpid creixement de la demanda de dades duante l'última dècada, generat per l'auge dels telèfons intel·ligents, les tablets, les xarxes socials, la provisió de servicis en la núvol, les transmissions en streaming i les comunicacions màquina-a-màquina. Per a resoldre el dit problema, s'ha proposat incrementar la capacitat límit de les xarxes òptiques per mitjà del reemplaçament de la fibra òptica clàssica per la fibra òptica multinúcleo (MCF, acrònim en anglés de multi-core fiber), la qual és capaç d'integrar la capacitat de diverses fibres òptiques clàssiques en la seua estructura ocupant pràcticament la mateixa secció transversal que estes. Tanmateix, explotar tot el potencial d'una fibra MCF requereix entendre en profunditat els fenòmens electromagnètics que apareixen en aquestes fibres quan guiem llum a través d'elles. Així, doncs, en la primera part de la tesi analitzem teòricament aquests fenòmens electromagnètics i, posteriorment, estudiem la viabilitat de la tecnologia MCF en distints tipus de xarxes òptiques de transport, específicament, en aquelles que fan ús de transmissions ràdio-sobre-fibra. Estos resultats poden ser de gran utilitat per a les futures generacions mòbils 5G i Beyond-5G en les pròximes dècades. Addicionalment, a fi d'expandir les funcionalitats bàsiques de les fibres MCF, esta tesi explora noves estratègies de disseny de les mateixes utilitzant l'analogia existent entre les equacions que regixen la mecànica quàntica i l'electromagnetisme. Amb aquesta idea en ment, en la segona part de la tesi proposem dissenyar una nova classe de fibres MCF usant les matemàtiques de la supersimetria, sorgida en el si de la teoria de cordes i de la teoria quàntica de camps com un marc teòric de treball que permet unificar les interaccions fonamentals de la natura (la nuclear forta, la nuclear feble, l'electromagnetisme i la gravetat). Al voltant d'aquesta idea sorgeixen les fibres MCF supersimètriques, les quals ens permeten processar la informació dels usuaris durant la pròpia propagació de la llum a través d'elles, reduint així la complexitat del processament de dades de l'usuari a recepció. Finalment, esta tesi es completa introduint un canvi de paradigma que permet dissenyar dispositius fotónicos disruptius. Demostrem que la supersimetria de mecànica quàntica no relativista, proposta com una sèrie de transformacions matemàtiques restringides al domini espacial, es pot estendre també al domini del temps, almenys dins del marc de treball de la fotónica. Com resultat de les nostres investigacions, demostrem que la supersimetria temporal pot convertir-se en una plataforma prometedora per a la fotònica integrada ja que ens permet dissenyar nous dispositius òptics versàtils i ultracompactes que poden jugar un paper clau en els processadors del futur. Per tal de fer els resultats principals d'aquesta tesi doctoral el més generals possibles, es detalla com poder extrapolar-los a altres camps de la física com ara la acústica i la mecànica quàntica.[EN] To date, communication networks based on optical fibers are rapidly approaching their capacity limit as a direct consequence of the increment of the data traffic demand in the last decade due to the ubiquity of smartphones, tablets, social networks, cloud computing applications, streaming services including video and gaming, and machine-to-machine communications. In such a scenario, a new class of optical fiber which is able to integrate the capacity of several classical optical fibers approximately in the same transverse section as that of the original one, the multi-core fiber (MCF), has been recently proposed to overcome the capacity limits of current optical networks. However, the possibility of exploiting the full potential of an MCF requires to deeply understand the electromagnetic phenomena that can be observed when guiding light in this optical medium. In this vein, in the first part of this thesis, we analyze theoretically these phenomena and, next, we study the suitability of the MCF technology in optical transport networks using radio-over-fiber transmissions. These findings could be of great utility for 5G and Beyond-5G cellular technology in the next decades. In addition, the close connection between the mathematical framework of quantum mechanics and electromagnetism becomes a great opportunity to explore ground-breaking design strategies of these new fibers that allow us to expand their basic functionalities. Revolving around this idea, in the second part of this thesis we propose to design a new class of MCFs using the mathematics of supersymmetry (SUSY), emerged within the context of string and quantum field theory as a means to unify the basic interactions of nature (strong, electroweak, and gravitational interactions). Interestingly, a supersymmetric MCF will allow us, not only to propagate the light, but also to process the information of users during propagation. Finally, we conclude this thesis by introducing a paradigm shift that allows us to design disruptive optical devices. We demonstrate that the basic ideas of SUSY in non-relativistic quantum mechanics, restricted to the space domain to clarify unsolved questions about SUSY in string and quantum field theory, can also be extended to the time domain, at least within the framework of photonics. In this way, it is shown that temporal supersymmetry may serve as a key tool to judiciously design versatile and ultra-compact optical devices enabling a promising new platform for integrated photonics. For the sake of completeness, we indicate how to extrapolate the main results of this thesis to other fields of physics, such as acoustics and quantum mechanics.Macho Ortiz, A. (2019). Multi-Core Fiber and Optical Supersymmetry: Theory and Applications [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124964TESI

Optical Supersymmetry in the Time Domain

Originally emerged within the context of string and quantum field theory, and later fruitfully extrapolated to photonics, the algebraic transformations of quantum-mechanical supersymmetry were conceived in the space realm. Here, we introduce a paradigm shift, demonstrating that Maxwell's equations also possess an underlying supersymmetry in the time domain. As a result, we obtain a simple analytic relation between the scattering coefficients of a large variety of time-varying optical systems and uncover a wide new class of reflectionless, three dimensional, all-dielectric, isotropic, omnidirectional, polarization-independent, non-complex media. Temporal supersymmetry is also shown to arise in dispersive media supporting temporal bound states, which allows engineering their momentum spectra and dispersive properties. These unprecedented features define a promising design platform for free-space and integrated photonics, enabling the creation of a number of novel reconfigurable reflectionless devices, such as frequency-selective, polarization-independent and omnidirectional invisible materials, compact frequency-independent phase shifters, broadband isolators, and versatile pulse-shape transformers

Pulse-Shape Analysis of PDM-QPSK Modulation Formats for 100 and 200 Gb/s DWDM transmissions

Advanced optical modulation format polarization-division multiplexed quadrature phase shift keying (PDM-QPSK) has become a key ingredient in the design of 100 and 200-Gb/s dense wavelength-division multiplexed (DWDM) networks. The performance of this format varies according to the shape of the pulses employed by the optical carrier: non-return to zero (NRZ), return to zero (RZ) or carrier-suppressed return to zero (CSRZ). In this paper we analyze the tolerance of PDM-QPSK to linear and nonlinear optical impairments: amplified spontaneous emission (ASE) noise, crosstalk, distortion by optical filtering, chromatic dispersion (CD), polarization mode dispersion (PMD) and fiber Kerr nonlinearities. RZ formats with a low duty cycle value reduce pulse-to-pulse interaction obtaining a higher tolerance to CD, PMD and intrachannel nonlinearities

Comunicaciones Ópticas de Banda Ancha con Fase Modulada: "Estudio de la Degradación de la Señal Óptica"

En el presente proyecto final de carrera se lleva a cabo un estudio de los sistemas de comunicaciones ópticas de 100 Gb/s. En la primera parte del proyecto se repasan las principales técnicas de modulación y de recepción de la portadora óptica, se presentan los diferentes formatos avanzados de modulación digital empleados para transmisiones de banda ancha y se discute por qué las modulaciones QPSK y DQPSK ofrecen mejores prestaciones que el resto a 100 Gb/s. La segunda parte compone el grueso del proyecto. Se centra en el estudio y la optimización de los sistemas ópticos de 100 Gb/s que hacen uso de los formatos de fase en cuadratura anteriores. De dicho análisis se pretende conocer cómo se degradan este tipo de señales a medida que se propagan por la fibra a estas velocidades. Intentaremos descubrir además cómo controlar ciertos parámetros de diseño como el ciclo de trabajo de la portadora óptica, el mapa de dispersión del enlace, la potencia inyectada a la fibra, la longitud de los vanos de amplificación …, para conseguir reducir la penalización sufrida por las limitaciones anteriores. La detección óptica coherente, la multiplexación en polarización, fibras de gran área efectiva y elevado coeficiente de dispersión cromática, unidas al uso de los formatos de fase en cuadratura, componen la mejor solución tecnológica para conseguir hacer realidad las transmisiones ópticas a 100 Gb/s de larga y ultra-larga distancia. Con el objetivo de completar el estudio teórico anterior, se diseñará una red óptica de banda ancha sobre la que se aplicarán las técnicas de diseño desarrolladas a lo largo del proyecto

Multi-Core Optical Fibers: Theory, Applications and Opportunities

Multi-core fibers (MCFs) have sparked a new paradigm in optical communications, as they can significantly increase the Shannon capacity of optical networks based on single-core fibers. In addition, MCFs constitute a useful platform for testing different physical phenomena, such as quantum or relativistic effects, as well as to develop interesting applications in various fields, such as biological and medical imaging. Motivated by the potential applications of these new fibers, we will perform a detailed review of the MCF technology including a theoretical analysis of the main physical impairments and new dispersive effects of these fibers, and we will discuss their emerging applications and opportunities in different branches of science

Wavelets in High-Capacity DWDM Systems and Modal-Division Multiplexed Transmissions

Optical communications receivers using wavelet signals processing is proposed in this paper for dense wavelength-division multiplexed (DWDM) systems and modal-division multiplexed (MDM) transmissions. The optical signal-to-noise ratio (OSNR) required to demodulate polarization-division multiplexed quadrature phase shift keying (PDM-QPSK) modulation format is alleviated with the wavelet denoising process. This procedure improves the bit error rate (BER) performance and increasing the transmission distance in DWDM systems. Additionally, the wavelet-based design relies on signal decomposition using time-limited basis functions allowing to reduce the computational cost in Digital-Signal-Processing (DSP) module. Attending to MDM systems, a new scheme of encoding data bits based on wavelets is presented to minimize the mode coupling in few-mode (FWF) and multimode fibers (MMF). The Shifted Prolate Wave Spheroidal (SPWS) functions are proposed to reduce the modal interference

Next-Generation Optical Fronthaul Systems Using Multicore Fiber Media

(c) 2016 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other users, including reprinting/ republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted components of this work in other works.This paper proposes and investigates the use of multicore fiber (MCF) media performing space-division multiplexed transmission for next-generation optical fronthaul systems. We report the experimental demonstration of combined radio-over-fiber (RoF) transmission of full-standard LTE-Advanced (LTE-A) and WiMAX signals providing fronthaul connectivity in 150m of 4-core fiber (4CF), transmitting simultaneously fully independent wireless services. Operating in linear and nonlinear optical power regimes, the experimental evaluation verifies that the error vector magnitude (EVM) is not degraded when intercore and intracore Kerr nonlinearities are excited in MCF with high input power levels. As a result, nonlinear regime is proposed as a key factor to reduce the temporal EVM fluctuation induced by the random nature of the intercore crosstalk in MCF. In addition, MCF fronthaul applied to converged fiber-wireless polarization multiplexed passive optical networks is demonstrated to transmit LTE-A and WiMAX signals over two orthogonal optical polarizations. The polarization-multiplexed signal is transmitted in RoF over 25.2 km of standard single-mode fiber and then demultiplexed and injected in different cores of the 4CF to provide fronthaul connectivity. Finally, the extension of multicore optical fronthaul capacity is proposed using MIMO LTE-A signals. The tolerance of the MIMO LTE-A RoF transmissions to in-band crosstalk is reported and compared to single-input single-output (SISO) configuration. The experimental results indicate that MIMO configuration is more tolerant than SISO to in-band crosstalk considering both internal and external interferences. MIMO and SISO configurations are compared when transmitted in RoF over a 4CF operating in linear and nonlinear regimes and core interleaving nonlinear stimulation is proposed to reduce the temporal and spectral EVM fluctuation when the same wireless standard is propagated in each core.This work was supported in part by Spain the National Plan Project XCORE TEC2015-70858-C2-1-R and RTC-2014-2232-3 HIDRASENSE. The work of A. Macho was supported by BES-2013-062952 F.P.I. Grant. The work of M. Morant was supported in part by UPV postdoc PAID-10-14 program.Macho-Ortiz, A.; Morant Pérez, M.; Llorente Sáez, R. (2016). Next-Generation Optical Fronthaul Systems Using Multicore Fiber Media. Journal of Lightwave Technology. 34(20):4819-4827. https://doi.org/10.1109/JLT.2016.2573038S48194827342