A multiplexagem espacial (SDM) tem sido vista como uma boa aposta para acompanhar o contínuo crescimento da capacidade dos sistemas de comunicações, que se deve ao uso de cada vez mais tecnologias que estão constantemente a trocar informações e a manter-nos conectados. Para além de aumentar a capacidade dos sistemas de comunicações, a SDM também pode reduzir o seu consumo e aumentar a sua eficiência. Assim, espera-se que a SDM contribua para o desenvolvimento de redes óticas de alta capacidade mais sustentáveis e economicamente acessíveis. A maneira mais simples de implementar a SDM usando fibras especializadas é através de fibras de múltiplos núcleos (MCFs). Daí que o principal objetivo desta tese seja contribuir para o desenvolvimento de acopladores baseados em MCFs, que têm a capacidade de distribuir eficientemente potência ótica por todos os núcleos da fibra ou transferir luz entre pares de núcleos em certos comprimentos de onda, sem a necessidade de dispendiosos fan-in/fan-outs. Vários acopladores e interruptores foram propostos ao longo dos anos, mas o seu desempenho ainda precisa de ser melhorado devido à sua baixa eficiência e/ou elevado número de componentes necessários, complexidade e, consequentemente, elevado custo de operação. As redes de período longo (LPGs) têm sido propostas para o desenvolvimento de dispositivos para sistemas de comunicações óticas. As LPGs promovem o acoplamento entre os modos óticos que se propagam na mesma direção o que, nas MCFs, leva à transferência de potência entre os seus núcleos através dos modos da bainha. Por isso, nesta tese, foram propostos e numericamente analisados três componentes em MCFs baseados em LPGs, que mostraram eficiências maiores que 90% na distribuição de potência ótica entre os núcleos da fibra e na transferência de luz entre pares de núcleos. Para a realização experimental destes componentes é necessária a otimização de técnicas para a gravação de LPGs nos núcleos da MCF. Para isso, foram abordadas três técnicas de gravação permanente de LPGs nas MCFs: irradiação por laser UV, CO2 e femtosegundo. Foi obtido acoplamento entre pares de núcleos com a técnica de irradiação por laser CO2. A irradiação por laser femtosegundo permitiu gravar redes seletivamente em cada núcleo. As LPGs induzidas por pressão também foram analisadas, pois permitem a transferência temporária de potência entre núcleos da MCF, e assim serem “desligadas” quando pretendido. Esta tese termina com a avaliação do impacto de um acoplador baseado em LPGs num sistema de transmissão 400G ótico e coerente, o que mostrou que este tipo de componentes não afetam a modulação dos sinais que se propagam nas fibras.

The demand for data has been increasing exponentially due to the increase in the use of applications that are constantly exchanging data and keeping us connected. Space-division multiplexing (SDM) has been proven to be the ideal solution to deal with the need for higher capacity. Besides increasing the capacity of the optical networks, SDM can also reduce their power consumption and increase their efficiency. Therefore, it is expected to contribute to the development of more sustainable and affordable high capacity optical networks. There are different types of SDM fibers, but the easier one to implement is the weakly-coupled multi-core fiber (MCF). Thus, the main goal of this thesis was to contribute to the development of MCF couplers, that can distribute optical power to all the cores of an MCF in an efficient way and to support the routing of any wavelength from any input core to any output core, without the need of expensive fan-in/fan-out devices. There were already proposed SDM based couplers and switches, but their performance still has room for improvement as they present low efficiency and/or high number of components, complexity, and, consequently, high cost of operation. Long-period gratings (LPGs) were already proposed to develop devices for optical communication systems. LPGs promote the coupling between co-propagating optical modes, which in the case of MCFs can be translated into power transfer between its cores through the cladding modes. Thus, in this work, three novel MCF components based on LPGs were proposed and numerically analyzed, showing efficiencies higher than 90% for power distribution and power transfer between cores. For the development of these devices, it is needed to optimize the techniques to inscribe LPGs in MCFs. For that, three techniques to permanently inscribe LPGs in the MCF were addressed: UV laser, CO2 laser, and femtosecond laser irradiation. Coupling between pairs of cores was achieved using the CO2 laser irradiation technique. The femtosecond laser irradiation allowed the selective inscription of gratings in the cores of the MCFs. Lastly, pressureinduced LPGs were also analyzed because they are temporary, which allows to “turn on” power transfer between cores and, when needed, “turn off” the power transfer. This thesis ends with the evaluation of the impact of an LPG based coupler on a 400G coherent optical transmission system. It is shown that the LPG based devices have a low impact on the modulation of the signals traveling in the fibers.

Programa Doutoral em Engenharia Física