Propuesta de curso Escuela Ingeniería Eléctrica

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones
PROGRAMA DEL CURSO IE1020
TEMAS ESPECIALES I EN SISTEMAS DE ELECTRÓNICA (CIRCUITOS INTEGRADOS OPTICOS)
Profesor: Luis Diego Marín Naranjo M.Sc. Catedrático – Coordinador LAFTLA
Requisitos: IE0323 Circuitos Digitales I, IE0413 Electrónica 2, IE0527 Ingeniería de Comunicaciones.
Créditos: 3
Horas: tres (3) horas por semana: 3 horas teoría y práctica.
III. Objetivos
Objetivo General: comprender los conceptos de los circuitos ópticos integrados aplicados en redes ópticas
Objetivos específicos: al finalizar el curso los estudiantes comprendrán:
 Temas avanzados de óptica moderna,
 Las guías de onda óptica,
 Aplicaciones de láser en óptica de redes WDM y conmutación óptica,
 Circuitos integrados ópticos y fotónicos.
Metodología
Clases magistrales con base en un material preparado por el profesor y reforzado con prácticas experimentales en
laboratorio e investigación de especificaciones de productos. Los estudiantes estudian la materia y desarrollan
trabajos adicionales, y se evalua el aprendizaje con exámenes parciales, tareas y reportes. Se pueden estudiar
sólo partes de los temas que sean relevantes.
Evaluación
3 exámenes parciales (25 % c/u), tareas y reportes de prácticas de laboratorio (25 %).
Bibliografía utilizada en la preparación del material para el curso
 Hecht. J. (2006). Undertanding fiber optics. New Jersey: Pearson Prentice-Hall.
 Pearsall T. (2010). Photonics essentials, New York: McGraw Hill.
 Hunsperger R. G. (2009). Integrated Optics: theory and technology, New York: Springer.
 Senior. J. M. (2009). Optical fiber communications, New Jersey: Pearson Prentice-Hall.
 Palais J. C. (2005). Fiber optic communications. New Jersey: Pearson Prentice Hall.
 Kasap S. O. (2013). Optoelectronics and photonics. Pearson: Essex.
Temario
1 Naturaleza de onda de luz
1.1 Onda electromagnética plana en un medio homogéneo
1.2 Índice de refracción y dispersión
1.3 Velocidad de grupo e índice de grupo
1.4 Campo electromagnético e irradiancia
1.5 Ley de Snell y reflexión interna total
1.6 Ecuaciones de Fresnel
1.7 Revestimientos anti reflexión y espejos dieléctricos
1.8 Absorción de luz e índice de refracción complejo
1.9 Coherencia temporal y espacial
1.10 Superposición e interferencia de ondas
1.11 Interferencia múltiple y resonadores ópticos
1.12 Principios de la difracción
1.13 Interferómetros
1.14 Óptica de películas delgadas: reflexiones múltiples en películas delgadas
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DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
1.15 Reflexiones múltiples en placas y ondas incoherentes
1.16 Esparcimiento de la luz
1.17 Cristales fotónicos
2 Guías de onda dieléctricas
2.1 Guía de onda de tarjeta dieléctrica plana simétrica
2.2 Dispersión de guía de onda y distorsión modal en guías de onda planares
2.3 Modos en guía de onda óptica planar
2.4 Fibra óptica de índice en escalón
2.5 Abertura numérica AN
2.6 Fibra óptica de índice gradual (GRIN)
2.7 Multiplexación por división de longitud de onda (WDM)
2.8 Fibras ópticas de Bragg
2.9 Fibras ópticas de cristal – fibras ópticas agujereadas
2.10 Rejilla de Bragg de fibra óptica y sensores
3 Conceptos de óptica y fotónica integrada (alternativo)
3.1 Introducción
3.2 Ventajas de la óptica integrada
3.3 Comparación de fibras ópticas con otras interconexiones
3.4 Comparación de circuitos integrados ópticos con circuitos integrados eléctricos
3.5 Técnica híbrida contra monolítica
3.6 Sistemas ternarios III-V y II-VI
3.7 OICs en sustratos LiNbO3
3.8 Generalidades de óptica y fotónica integrada
3.9 Revisión de la historia de electrónica
3.10 Avances paralelos en fotónica
3.11 Paralelismo de tecnologías
3.12 Microelectrónica y fotónica
3.13 Integración óptica
3.14 Moduladores ópticos integrados
4 Dispositivos integrados ópticos y fotónicos (alternativo)
4.1 Introducción a óptica y fotónica integrada
4.2 Tecnologías aplicadas para óptica y fotónica integrada
4.3 Guías de onda planares
4.4 Algunos dispositivos ópticos integrados
4.5 Integración optoelectrónica
4.6 Circuitos integrados fotónicos
Prácticas de laboratorio propuestas:
 Práctica de laboratorio 1: lentes e imagenes.
 Práctica de laboratorio 2: expansión de haz láser gaussiano.
 Práctica de laboratorio 3: láser HeNe, interferencia y difracción.
 Práctica de laboratorio 4: láser y coherencia.
 Práctica de laboratorio 5: láser y polarización de la luz.
 Práctica de laboratorio 6: mediciones de potencia óptica de láser.
 Práctica de laboratorio 7: mediciones con diodos láser de flujo óptico e irradiancia.
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TEMAS ESPECIALES I EN SISTEMAS DE ELECTRÓNICA (CIRCUITOS INTEGRADOS OPTICOS)
 Práctica de laboratorio 8: láser y medición con amplificador óptico SOA.
 Práctica de laboratorio 9: mediciones en sistema WDM y selectividad de longitud de onda.
 Práctica de laboratorio 10: mediciones espectrales con filtros selectivos en longitud de onda.
 Práctica de laboratorio 11: mediciones en circuito óptico discreto de potencia óptica o fase.
 Práctica de laboratorio 12: mediciones en guía de onda planar o similar.
Presentación del curso: esta una materia electiva para estudiantes de Bachillerato en Ingeniería Eléctrica en que
se profundiza en el estudio de la transmisión y procesamiento de datos y señales por medios ópticos.
La transmisión y el procesamiento de datos y señales se pueden realizar por medio de corrientes eléctricas de
baja frecuencia u ondas de radio.
El uso de un haz óptico para estas aplicaciones ha sido un tema de interés desde inicios de los años 1960, con el
desarrollo del primer láser que brindó una fuente estable de luz coherente.
Un haz láser puede transmitirse por el aire, pero las variaciones de la atmósfera causan cambios no deseables en
las características ópticas de la trayectoria.
El haz láser puede ser propagado y manipulado para procesamiento de señales, pero requiere componentes
ópticos como guías de onda óptica, prismas, lentes, espejos, acopladores, aisladores, multiplexores, rejillas de
difracción, moduladores electro-ópticos y fotodetectores.
Todo este equipo ocuparía normalmente una mesa óptica en un laboratorio que debería además estar suspendida
en un montaje a prueba de vibración. Esto puede ser tolerable para experimentación en laboratorio, pero no es
útil en aplicaciones prácticas comerciales.
A finales de los años 1960 surgió el concepto de óptica integrada, donde los alambres y enlaces de radio se
reemplazan por guías de onda óptica en vez de trayectos por el aire, y los circuitos integrados eléctricos se
reemplazan por circuitos integrados ópticos miniatura (OIC) o circuitos integrados fotónicos (PIC).
En los últimos años de la década de los 1970 se combinaron tres factores para llevar a la óptica integrada fuera
del laboratorio y dentro de aplicaciones prácticas: el desarrollo de fibras ópticas y conectores de baja pérdida, la
fabricación de diodos láser CW de GaAlAs y GaInAsP y la realización de técnicas de fabricación fotolitográfica
de anchos de guías de sub micrómetros.
En los años 1980 las fibras ópticas reemplazaron en gran medida a los alambres metálicos en las
telecomunicaciones, y se empiezan a producir circuitos de óptica integrada para uso en ciertas aplicaciones.
En los años 1990 la incorporación de fibras ópticas en redes de telecomunicaciones y de transmisión de datos, se
extendió hasta el lazo de abonado.
Esto brindó un enorme ancho de banda para transmisión multicanal de voz, vídeo y señales de datos. El acceso
a bancos de datos y comunicaciones globales ha sido provisto por redes de computadores como Internet.
Para inicios del siglo 21 el montaje de esta tecnología ha brindado el continuo desarrollo de dispositivos y
sistemas de óptica integrada, actualmente desarrollando la llamada “superautopista de información” con base en
redes WDM.
Estas redes inicialmente usan componentes convencionales por fibra óptica de canal simple como
interconectores, acopladores direccionales y otros componentes pasivos, pero luego se incorporarán en óptica
integrada.
Para entender redes ópticas es fundamental aprender las técnicas ópticas de los sistemas WDM denso o grueso,
que combinan señales ópticas a diferentes longitudes de onda y son transmitidas simultáneamente a través de una
guía de onda óptica, además de analizar la modulación y la conmutación óptica para el desarrollo de redes todo
óptica.
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Otro avance tecnológico fundamental que ha impulsado el desarrollo de nuevos dispositivos ópticos integrados,
ha sido la disponibilidad de métodos mejorados de fabricación.
La microtecnología que involucra dimensiones del orden de micrómetros ha evolucionado en la nanotecnología,
donde los tamaños namométricos son rutinariamente producidos.
Surge así la nanofotónica como una nueva área que involucra la fabricación de cristales fotónicos.
La óptica integrada es un campo muy amplio, pero se consideran a las guías de onda óptica y los OIC como dos
áreas de estudio separadas, a pesar de estar muy relacionadas.
La óptica integrada aplicada a la transmisión y procesamiento de señales, ofrece ventajas en desempeño y costo
comparado con métodos eléctricos.
Por eso se deben analizar las etapas de desarrollo de la óptica integrada, el tipo de material para el sustrato más
ventajoso para fabricación de OICs, y las técnicas más apropiadas ya sea monolítica o híbrida.
Para que los estudiantes asimilen y aprovechen el contenido del curso, se siguen los siguientes aspectos para una
enseñanza efectiva:
1. En el tema 1 se repasan detallen de óptica clásica y moderna, los cuales no se han estudiado a profundidad en
otros cursos de la carrera, con el fin de entender la radiación óptica y sus formas de manipulación por
componentes ópticos discretos. Esta parte se presta para diversas prácticas en laboratorio para motivar y
generar conocimiento en óptica aplicada.
2. El tema 2 es clave para entender la propagación de ondas ópticas de manera confinada en guías planares y en
fibras ópticas, y se analizan parámetros que permiten la interconexión a altas velocidades. Se realizan ciertas
prácticas en laboratorio.
4. En los temas 3 y/o 4 se estudian las tecnologías y las aplicaciones para un OIC, PIC y OEIC.
Son
fundamentales para entender las funciones de redes toda óptica. Tambien se pueden realizar algunos ensayos
con equipos y componentes en el laboratorio y se hacen estudios de productos comerciales ya existentes y sus
especificaciones. Con base en todos los conocimientos adquiridos, se cuestiona y se resuelven posibilidades de
integración en OIC, PIC y OEIC. Es fundamental para comprender temas avanzados no cubiertos en este curso
como computación óptica. No hay todavía equipos ni componentes en el laboratorio en este tema avanzado,
pero se hacen estudios de productos comerciales y sus especificaciones.