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Resumen:
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[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, ...[+]
[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.
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[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, ...[+]
[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.
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[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 ...[+]
[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.
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Macho Ortiz, Andrés
