Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem:
http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/254| Plataforma multiplicadora totalmente óptica All-optical multiplier platform | |
| Francisco Javier Ortiz Alcalá | |
| HORACIO SOTO ORTIZ | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Teoría de bifurcación | |
| En este trabajo de tesis se diseñó, modeló y construyó una plataforma que permite la multiplicación digital totalmente óptica de dos palabras de dos o tres bits, basada en el fenómeno no lineal de la mezcla de cuatro ondas (FWM) en un ampli?cador óptico de semiconductor (AOS) masivo. El principio de operación de la plataforma consiste en introducir, en copropagación, dentro de un AOS, un haz de onda continua (CW) semilla y los haces que representan a los bits del multiplicando y del multiplicador. Estos haces de diferentes longitudes de onda interactúan entre sí, generando múltiples batimientos que oscilan a la diferencia de sus frecuencias ópticas (frecuencia de desacuerdo). Sin embargo, para los ?nes que se persiguen en este trabajo, los batimientos de interés son únicamente aquellos que provienen de la interacción de un bit del multiplicando y uno del multiplicador. En particular, estos batimientos modulan a la ganancia y al índice de refracción de la región activa del AOS en cuestión, produciendo que la amplitud y la fase del haz CW se modulen. Lo anterior provoca que se generen, alrededor del haz CW, diversos armónicos de modulación separados espectralmente de este más/menos la frecuencia de desacuerdo que existe entre los bits que produjeron a los batimientos que les dieron nacimiento. A la salida del AOS, los armónicos de modulación de primer orden, que se encuentran con una longitud de onda inferior a la del haz CW, son los más visibles y representan a los bits de la palabra que da el resultado parcial de la multiplicación. Efectivamente, cada uno de estos armónicos es el resultado de la multiplicación digital de dos bits. No obstante, como en toda multiplicación, para calcular el resultado ?nal es necesario hacer la suma digital (operación XOR para sumar y operación AND para generar el acarreo) de los productos parciales, la plataforma propuesta presenta errores. Especí?camente, si los bits del multiplicador y los del multiplicando son separados espectralmente a la misma distancia e introducidos, dentro del AOS, en espejo de acuerdo a su peso, habrá armónicos de salida que eventualmente se traslapen en función del valor de los bits presentes. Los armónicos superpuestos representan la operación OR, o bien, la suma digital sin acarreo, de los productos parciales que se necesitan adicionar para calcular el resultado ?nal. Por esta razón, los bits de salida del sistema propuesto son capaces de proporcionar el resultado correcto de la multiplicación de una gran cantidad de palabras, pero producen errores en aquellas donde el resultado está constituído por sumas de productos parciales que requieren acarreos. Aunque dentro de los alcances de esta tesis no se encuentra el realizar la corrección de estos errores, al ?nal del presente trabajo se plantean algunas posibles soluciones. Para poder predecir la amplitud de los bits de salida de la plataforma multiplicadora, se implementó un modelo semi-clásico de la FWM basado en el formalismo de la matriz de densidad. En el modelo, los mecanismos no lineales del hoyo espectral y del calentamiento de portadores fueron incluídos de manera fenomenológica en las ecuaciones de evolución de los elementos de la matriz de densidad, las cuales derivaron en las ecuaciones de tasa de la densidad y energía de los portadores. La solución a este sistema de ecuaciones permitió calcular las susceptibilidades no lineales de tercer orden que rigen la manifestación de las FWMs que se suscitan dentro del AOS por los batimientos que producen los bits de las palabras por multiplicar. Con estas susceptibilidades, fue entonces posible calcular las polarizaciones inducidas en el medio y los campos eléctricos radiados que dan origen a los armónicos de modulación de los bits de salida. Posteriormente, la operación de la plataforma multiplicadora fue demostrada experimentalmente de manera estática (cambiando manualmente el valor de los bits de entrada) y dinámicamente a diferentes tasas de bits. En particular, la operación de la plataforma para dos palabras de entrada de dos bits, se demostró experimentalmente de manera estática y dinámicamente con los dígitos de entrada ?uctuando a 5, 10, 12.5, 15 y 20 Gb/s. El experimento se repitió para un multiplicando de tres bits y un multiplicador de dos bits, pero la demostración se hizo únicamente en forma dinámica con los bits de entrada ?uctuando a 12.5 Gb/s. Finalmente, se hizo una demostración de la operación de la plataforma en estado estático, para dos palabras de entrada por multiplicar de tres bits. In this thesis work, a platform that allows the all-optical digital multiplication of two words of two or three bits, was designed, modeled and built, based in the the four wave mixing (FWM) nonlinear phenomenon in a bulk semiconductor optical ampli?er (SOA). The operation principle of the platform consists in to introduce, in co-propagation, into a SOA, a seed continous wave (CW) beam and the beams representing the multiplicand and the multiplier bits. These beams of different wavelength interact between them, generating multiple beatings that vary at the difference of their optical frequencies (detuning frequency). Nevertheless, for the purposes pursued in this work, the beatings of interest are only those that come from the interaction between one multiplicand bit and one multiplier bit. Particularly, these beatings modulate the gain and the refractive index of the active layer of the involved SOA, producing the modulation of the amplitude and the phase of the CW beam. This leads to the generation of different modulation harmonics, around the CWbeam, spectrally separated from this CW beamplus-minus the detuning frequency that exist between the bits that produced the beatings which give rise to these harmonics. At the SOA output, the ?rst order modulation harmonics, which are found with a lower wavelenght than that of the CW beam, are the most visible and represent the bits of the word that gives the partial result of the multiplication. Effectively, each of these harmonics are the result of the digital multiplication of two bits. However, as in all multiplication, to compute the ?nal result, the digital sum (XOR operation for adding and AND operation for generating the carry) of the partial products is needed, the proposed platform presents errors. Speci?cally, if the multiplier bits and the multiplicand bits are spectrally separated at the same distance and introduced, into the SOA, in mirror according to their weight, there will be harmonics that eventually will overlap in function of the value of the present bits. The overlapped bits represent the OR operation, or the digital sum without carry, of the partial products that need to be added to compute the ?nal result. For this reason, the output bits of the proposed system are capable to provide the right multiplication result of a larger number of words, but errors occur in those cases where the result is constituted by sums of partial products requiring carry. Although performing the correction of these errors is not in the scope of this thesis, some possible solutions are presented at the end of this work. In order to predict the amplitude of the output bits of the multiplier platform, a semiclassical model of the FWM, based in the density matrix formalism, was implemented. In the model, the nonlinear mechanisms of the spectral hole burning and the carrier heating were included phenomenologically in the evolution equations of the density matrix elements, which allowed establishing the rate equations for the carrier density and the carrier energy. The solution to this system of equations allows to calculate the third order nonlinear susceptibilities governing the manifestation of the FWMs occuring into the SOA, due to the beatings produced by the bits of the words to multiply. With these susceptibilities, it was then possible to compute the induced polarizations in the medium and the radiated electric ?elds which give rise to the modulation harmonics of the output bits. Subsequently, the operation of the multiplier platform was demonstrated experimentally either, statically (changing manually the value of the input bits) and dynamically, at different bit rates. Particularly, the operation of the platform for two input words of two bits, was experimentally demonstrated, statically and dynamically with the input digits ?uctuating at 5, 10, 12.5, 15 and 20 Gb/s. The experiment was repeated for a three-bit multiplicand and a two-bit multiplier, but the demonstration was only dynamically performed with the input bits ?uctuating at 12.5 Gb/s. Finally, a demonstration of the platform operation was performed in static state, for two input words of three bits to multiply. | |
| CICESE | |
| 2014 | |
| Tesis de maestría | |
| Español | |
| Ortiz Alcalá, F. J. 2014.Plataforma multiplicadora totalmente óptica. Tesis de Maestría en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California. 125 pp. | |
| TECNOLOGÍA DE LAS TELECOMUNICACIONES | |
| Aparece en las colecciones: | Tesis - Electrónica y Telecomunicaciones |
Cargar archivos:
| Fichero | Descripción | Tamaño | Formato | |
|---|---|---|---|---|
| 238031.pdf | Versión completa de la tesis | 2.39 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir |