Desarrollo de un simulador interactivo de señales en fibra óptica con aceleración por GPU.
| dc.contributor.advisor | Saavedra Mondaca, Gabriel Alejandro | es |
| dc.contributor.author | Romo Stockle, Benjamín Andrés | es |
| dc.date.accessioned | 2026-08-24T18:29:11Z | |
| dc.date.available | 2026-08-24T18:29:11Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description | Tesis presentada para optar al título de Ingeniero/a Civil en Telecomunicaciones. | es |
| dc.description.abstract | Este trabajo presenta el desarrollo de un simulador numérico de propagación de señales ópticas en fibra monomodo, implementado en Python con aceleración por GPU mediante CuPy. El simulador resuelve la ecuación de Schrödinger no lineal mediante el método de división en pasos de Fourier de segundo orden simétrico, modelando dispersión cromática, efectos no lineales Kerr, atenuación, y amplificadores EDFA con ruido ASE. El desarrollo siguió una estrategia estructurada en cinco fases progresivas: (i) prototipo inicial en MATLAB para validación de conceptos físicos y modelos de propagación; (ii) migración a Python con arquitectura modular separando componentes de propagación, amplificación, modulación/demodulación, procesamiento digital y visualización; (iii) integración de aceleración GPU mediante CuPy con capa de abstracción que permite ejecución transparente en CPU o GPU; (iv) desarrollo de interfaz gráfica interactiva con Streamlit para configuración visual de enlaces multi-tramo y análisis de resultados; (v) validación exhaustiva mediante comparación con literatura científica y herramientas de referencia. El simulador soporta modulaciones BPSK, QPSK y 16-QAM con conformación de pulsos RRC, ecualización adaptativa, y visualización de constelaciones 2D/3D, diagramas de ojo y evolución espacial de métricas de desempeño, implementando trazabilidad completa mediante archivos JSON validados con Pydantic y logs de simulación con timestamp. Como limitación principal, el modelo considera propagación escalar mono-polarización y resolución de BER limitada por número finito de símbolos simulados (∼ 1,5 × 10−5 para 65,536 símbolos). La validación física incluyó comparación de OSNR con simulador GNPy (desviación sistemática de 1.07 dB con acumulación lineal correcta), reproducción de curvas BER versus potencia de transmisión del trabajo de Ip & Kahn (2008) capturando forma parabólica con punto óptimo entre −2 y 0 dBm, y validación de compensación de dispersión mediante fibras DCF. El desempeño computacional demostró speedup de 46,7×–49,5× respecto al prototipo MATLAB en benchmark de 250 km, reduciendo tiempo de ejecución de 6.1 horas a 7.5 minutos en hardware GPU de gama media (RTX 3060/4060 Laptop). El trabajo cumplió satisfactoriamente los objetivos planteados, desarrollando un simulador funcional de código abierto con capacidad de aceleración GPU que facilita experimentación académica sin restricciones de licenciamiento, transformando simulación de proceso computacionalmente prohibitivo en herramienta interactiva viable para exploración paramétrica. El simulador contribuye a la democratización del acceso a simulación avanzada en comunicaciones ópticas, demostrando que hardware de gama media es suficiente para ejecutar simulaciones de enlaces realistas en tiempos interactivos. Se propone como trabajo futuro la implementación de polarización dual completa, compensación digital de dispersión, y sistemas WDM multicanal. | es |
| dc.description.abstract | This work presents the development of a numerical simulator for optical signal propagation in single-mode fiber, implemented in Python with GPU acceleration via CuPy. The simulator solves the nonlinear Schrödinger equation using the symmetric second-order split-step Fourier method, modeling chromatic dispersion, Kerr nonlinear effects, attenuation, and EDFA amplifiers with ASE noise. The development followed a structured five-phase strategy: (i) initialMATLABprototype for physical concept validation and propagation model verification; (ii) migration to Python with modular architecture separating propagation, amplification, modulation/demodulation, digital signal processing, and visualization components; (iii) GPU acceleration integration via CuPy with abstraction layer enabling transparent execution on CPU or GPU; (iv) interactive graphical interface development with Streamlit for visual multi-span link configuration and results analysis; (v) comprehensive validation through comparison with scientific literature and reference tools. The simulator supports BPSK, QPSK, and 16-QAM modulations with RRC pulse shaping, adaptive equalization, and visualization of 2D/3D constellations, eye diagrams, and spatial evolution of performance metrics, implementing full traceability through Pydantic-validated JSON configuration files and timestamped simulation logs. As main limitation, the model considers scalar singlepolarization propagation and BER resolution limited by finite simulated symbol count (∼ 1,5×10−5 for 65,536 symbols). Physical validation included OSNR comparison with GNPy simulator (1.07 dB systematic deviation with correct linear accumulation), reproduction of BER versus transmission power curves from Ip & Kahn (2008) capturing parabolic shape with optimal point between −2 and 0 dBm, and dispersion compensation validation using DCF fibers. Computational performance demonstrated 46,7×–49,5× speedup compared to MATLAB prototype in 250 km benchmark, reducing execution time from 6.1 hours to 7.5 minutes on mid-range GPU hardware (RTX 3060/4060 Laptop). The work successfully fulfilled the proposed objectives, developing a functional open-source simulator with GPU acceleration capability that facilitates academic experimentation without licensing restrictions, transforming simulation from computationally prohibitive process into viable interactive tool for parametric exploration. The simulator contributes to democratizing access to advanced optical communications simulation, demonstrating that mid-range hardware is sufficient to execute realistic link simulations in interactive times. Future work is proposed including full dual-polarization implementation, digital dispersion compensation, and multi-channel WDM systems. | en |
| dc.description.campus | Concepción | es |
| dc.description.departamento | Departamento de Ingeniería Eléctrica | es |
| dc.description.facultad | Facultad de Ingeniería | es |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.udec.cl/handle/11594/14429 | |
| dc.language.iso | es | es |
| dc.publisher | Universidad de Concepción | es |
| dc.rights | CC BY-NC-ND 4.0 DEED Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Fibras ópticas | es |
| dc.subject | Unidades de procesamientos gráficos | es |
| dc.subject | Telecomunicaciones | es |
| dc.title | Desarrollo de un simulador interactivo de señales en fibra óptica con aceleración por GPU. | es |
| dc.type | Thesis | en |