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iii
A minha m˜ae Luiza — pilar desta conquista. A minha
namorada Luciana. Aos meus irm˜aos Sˆamya e Rodrigo.
Ao meu pai Verani. Ao amigo Soares.
AGRADECIMENTOS
Ao professor Anderson, pela orienta¸c˜ao e compreens˜ao em diversos momentos em que
precisei.
Ao Stefan, presen¸ca fundamental para que este trabalho fosse desenvolvido. Por todo
ensinamento que me foi passado, e por toda a paciˆencia durante esses dois anos, onde foi
sempre presente quando precisei.
Ao Jo˜ao, pela ajuda inicial na entrada do laborat´orio e por todas as discuss˜oes.
Ao Mike, por todas as discuss˜oes que muito me engrandeceram.
Aos demais colegas de laborat´orio: Fernando, Bernardo, Mariana, Renato Barbosa,
Renato Ara´ujo, Carlos, Betson e Diego, pela convivˆencia.
Aos professores do grupo de ´optica pela demonstra¸c˜ao de competˆencia, e por todos
os ensinamentos passados durante os semin´arios de grupo. Aos professores com quem fiz
disciplinas: Fl´avio, Rios, S´ergio Coutinho e Cid. A todos os professores e funcion´arios
do DF, que fazem deste departamento um centro de excelˆencia.
Aos professores Leonardo e Cristiano por terem aceitado participar da banca exami-
nadora.
Ao CNPQ e `a Ericsson pelo apoio financeiro.
Aos amigos do DF: Gerson (Capivara), Fernando (Neg˜ao), Douglas (Uh, Uh...), Fred-
son (Cˆe ta pensando), Vladimir (N´e—al´em da moradia) , Antˆonio (Nano), Miguel
(Migueeeeeeely), Maxwell (Fuleragem — al´em da moradia) pelo conv´ıvio e pela ajuda.
Especial agradacimento aos amigos Vladimir, Antˆonio e Miguel, que muito me aju-
daram nesse suspiro final, per´ıodo em que escrevi a minha disserta¸c˜ao. Al´em dos estudos
em grupo para as disciplinas.
A todos os amigos de Fortaleza.
v
agradecimentos vi
`
A amiga Rejane, pelo apoio e amizade sempre presentes durante esses dois anos.
A minha m˜ae Luiza, exemplo de for¸ca e coragem, por toda a luta que ela travou para
que tudo isso fosse poss´ıvel. A sua presen¸ca constante em todos os momentos da minha
vida foi e sempre ser´a fundamental.
A minha namorada Luciana, por me ajudar em todos os momentos, sendo grande
motiva¸c˜ao para meu esfor¸co. Pelo exemplo de determina¸c˜ao e capacidade. Por se tornar
parte da minha vida, tornando tudo mais belo.
Somente duas coisas s˜ao infinitas, o universo e a estupidez humana, mas
n˜ao estou certo quanto `aprimeira.
—ALBERT EINSTEIN
RESUMO
Aregi˜ao de comprimento de onda do espectro eletromagn´etico usado nas telecomu-
nica¸c˜oes ´opticas s˜ao definidas pela International Telecommunications Union (ITU) como,
banda C (Conventional Band, 1530-1565 nm), banda L (Long Wavelength Band, 1565-
1625 nm), banda S (Short Wavelength Band, 1450-1530 nm), e bandas mais distantes de
ambos os lados da banda C. Atualmente, a ´unica banda utilizada comercialmente para
telecomunica¸c˜oes ´opticas ´e a banda C. O constante crescimento de tr´afico de dados, voz
e internet requerem solu¸c˜oes para expans˜ao da capacidade de transmiss˜ao. Expans˜ao
para bandas de comprimentos de onda curtos e longos ´eop¸c˜ao promissora. Para estas
bandas, componentes passivos e ativos tem sido desenvolvidos, em particular amplifi-
cadores ´opticos. O amplificador a fibra dopada com
´
Erbio, usado na banda C, pode
tamb´em amplificar sinais na banda L. Para a banda S, novos tipos de amplificadores s˜ao
necess´arios.
Os amplificadores candidatos para a banda S s˜ao o amplificador Raman, amplificador a
fibra dopada com T´ulio e amplificador param´etrico a fibra ´optica (FOPA). O FOPA, al´em
de amplificar sinais, ele ´e conversor de comprimento de onda. Amplificadores h´ıbridos,
combinando amplificadores individuais em s´erie ou paralelo, tem sido explorados nos
recentes anos para expandir a banda de ganho.
Neste trabalho, apresentamos o estudo de um novo tipo de amplificador e conversor
de coprimento de onda h´ıbrido, acoplando em s´erie os m´odulos individuais do TDFA e
FOPA. Inicialmente, os m´odulos individuais dos TDFA e FOPA s˜ao constru´ıdos e os seus
desempenho caracterizado. Ap´os, a configura¸c˜ao h´ıbrida ´e constru´ıda, e seu desempenho
investigado. Amplifica¸c˜ao em toda a banda S ´e observada, bem como convers˜ao de
comprimento de onda da banda S para as bandas C e L. A figura de ru´ıdoparaabanda
viii
resumo ix
S´e dominada pela contribui¸c˜ao do TDFA. Para este h´ıbrido em particular, convers˜ao de
comprimento de onda das bandas C e L para a banda S n˜ao ´eposs´ıvel, pois o TDFA n˜ao
fornece ganho nesta regi˜ao do espectro.
ABSTRACT
The regions of the electromagnetic spectrum used in optical telecommunications are
defined by the International Telecommunications Union (ITU) as C-band (Conventional
Band, 1530-1565nm), L-band (Long Wavelength Band, 1565-1625nm), S-band (Short
Wavelength Band, 1450-1530nm), and further bands to both sides of the C-band. Cur-
rently, the only band commercially used for optical telecommunications is the C-band.
The ever-increasing data, voice, and internet traffic requires solutions for expansion of
the transmission capacity. Expansion towards the short and long wavelength ranges is a
promising option. For these bands, active and passive devices have to be developed, in
particular optical amplifiers. The Er
3+
-doped fiber amplifier, used in the C-band, can
also amplify L-band signals. For the S-band, on the other hand, novel types of amplifiers
are needed.
S-band amplifier candidates are Raman fiber amplifiers, Tm
3+
-Doped Fiber Amplifiers
(TDFA), and Fiber Optic Parametric Amplifiers (FOPA). The latter do not only offer
the signal amplification, but also the ability to simultaneously convert signal wavelengths.
Hybrid amplifiers, combining individual amplifier modules in series or parallel, have been
explored in recent years to expand the gain bandwidth.
In this thesis work, we present the study of a novel type of hybrid amplifier and
wavelength converter, coupling a TDFA and a FOPA module in series. In a first step,
the individual TDFA and FOPA modules are constructed and their optical performance
characterized. In a second step, hybrid configurations are built, and their performance
investigated. Amplification of the entire S-band is observed, and wavelength conversion of
S-band signals into the C- and L-band. The noise figure for S-band signals is dominated
by the TDFA contribution. For this particular hybrid, wavelength conversion from the
x
abstract xi
C- and L-band into the S-band is not possible, as the TDFA module does not offer gain
in this spectral region.
SUM
´
ARIO
Cap´ıtulo 1—Introdu¸c˜ao Geral e Componentes para Comunica¸c˜ao
´
Optica 1
1.1 Um pouco da hist´oria............................. 1
1.2 Fontes para comunica¸c˜ao ´optica....................... 4
1.3 Fibras ´opticas................................. 4
1.4 Componentes passivos para comunica¸c˜oes ´opticas ............. 8
1.4.1 Conectores ´opticos .......................... 8
1.4.2 Isoladores ´opticos........................... 10
1.4.3 Filtros ´opticos............................. 12
1.4.4 Grades de Bragg em fibra ´optica................... 12
1.4.5 Circuladores ´opticos ......................... 13
1.4.6 Acopladores ´opticos.......................... 15
1.4.7 Multiplexadoresedemultiplexadores ................ 16
1.4.8 Receptores ´opticos .......................... 16
1.5 Componentes ativos para comunica¸c˜ao ´optica ............... 17
1.5.1 Amplificadores ´opticos ........................ 17
Cap´ıtulo 2—Amplificadores
´
Opticos 19
2.1 Introdu¸c˜ao................................... 19
2.2 Amplificador a fibra dopada com
´
Erbio................... 20
2.2.1 Introdu¸c˜ao............................... 20
2.2.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜aodoEDFA ............... 23
2.2.3 Resultados............................... 26
xii
sum
´
ario xiii
2.3 Amplificador a fibra dopada com T´ulio ................... 30
2.3.1 Introdu¸c˜ao............................... 30
2.3.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜aodoTDFA ............... 32
2.3.2.1 Esquemasdebombeamento ................ 32
2.3.2.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do TDFA com bombeamento
806 nm e 1059 nm ..................... 34
2.3.2.3 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do TDFA com ´unico bombea-
mento em 1050 nm ..................... 41
2.4 Amplificador param´etrico a fibra ´optica................... 43
2.4.1 Introdu¸c˜ao............................... 43
2.4.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜aodoFOPA ............... 51
2.4.2.1 FOPA com o bombeamento acoplado ao sinal por meio
de um acoplador 90/10 ................... 51
2.4.2.2 FOPA com o bombeamento acoplado ao sinal por meio
docirculadoregradedeBraggafibra .......... 57
2.5 Outros amplificadores ´opticos ........................ 61
2.5.1 AmplificadorRamanafibra ..................... 61
2.5.2 Amplificador ´optico de semicondutor ................ 65
2.5.3 Amplificador a fibra dopada com Praseod´ımio ........... 66
2.5.4 Amplificador a fibra dopada com Neod´ımio............. 67
Cap´ıtulo 3—Amplificador H´ıbrido TDFA/FOPA 69
3.1 Introdu¸c˜ao................................... 69
3.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do h´ıbridoTDFA/FOPA ........... 71
3.2.1 H´ıbridocomsinaisnabandaS.................... 71
3.2.2 H´ıbridocomsinaisnabandaL.................... 81
3.2.3 H´ıbrido com o FOPA precedendo o TDFA ............. 82
Cap´ıtulo 4—Conclus˜oes e Perspectivas 86
sum
´
ario xiv
Bibliografia 90
LISTA DE FIGURAS
1.1 Estrutura b´asicadeumafibra´optica com seus n´ucleo e casca indicados,
bem como os perfis de ´ındice de refra¸c˜ao gradual do tipo parab´olico e
descont´ınuodotipodegrau. ......................... 6
1.2 Gr´afico da atenua¸c˜ao em fun¸c˜ao do comprimento de onda, mostrando
tamb´em as bandas de comunica¸c˜ao ´optica. ................. 7
1.3 Ilustra¸c˜ao de conectores ´opticos e uma luva que acopla os conectores. . . 9
1.4 Estrutura de um isolador ´optico com o sinal propagante na dire¸c˜ao de
interesse do sistema de comunica¸c˜ao. .................... 11
1.5 Estrutura de um isolador ´optico com o sinal propagante na dire¸c˜ao de
isola¸c˜ao. .................................... 12
1.6 GradedeBraggemfibrafuncionandocomoumfiltro............ 13
1.7 Esquema de um circulador, mostrando as 4 portas e o redirecionamento
docanais. ................................... 14
1.8 Estrutura de um circulador ´optico com os componentes lentes de GRIN,
placas birrefringentes (BP),Divisor de feixe `a polariza¸c˜ao (PBS), prismas
refletores (RP), girador de Faraday, e um girador opticamente ativo. . . . 14
1.9 Esquema de um acoplador ´optico, onde dois sinais s˜ao acoplados em uma
´unicafibra. .................................. 15
1.10 Aplica¸c˜ao de amplificadores ´opticos: amplificador de linha, pr´e-amplificador
eamplificadordepotˆencia........................... 18
2.1 Estrutura dos n´ıveis de energia relevantes do Er
3+
. ............ 21
xv
LISTA DE FIGURAS xvi
2.2 Esquema b´asico de um amplificador ´optico (sinal sendo acoplado ao bombea-
mento). .................................... 23
2.3 Esquema experimental do EDFA com seus componentes: lasers de sinal e
bombeamento, ISO - isolador, WDM - acoplador, FDE - fibra dopada com
´
Erbio e o OSA - analisador de espectro ´optico................ 24
2.4 Indica¸c˜ao das vari´aveis para o c´alculo do ganho e figura de ru´ıdo (P
ASE
,
P
SSE
, P
saida
, P
entrada
)............................. 25
2.5 Espectros de entrada e sa´ıdadoamplificador. ............... 27
2.6 Ganho e figura de ru´ıdo do EDFA em fun¸c˜ao do comprimento de onda. A
potˆencia do laser de bombeamento (em 980 nm) foi de 110 mW, enquanto
que a potˆencia de entrada do laser sinal foi de 50 µW............ 28
2.7 (a) Ganho e figura de ru´ıdodoEDFAemfun¸c˜ao da potˆencia de entrada.
(b) Ganho e potˆencia de sa´ıdadoEDFAemfun¸c˜ao da potˆencia de entrada.
O comprimento de onda do sinal foi fixado em 1552 nm eapotˆencia do
laserdebombeamentofoi110mW. ..................... 29
2.8 N´ıveis de energia relevantes do Tm
3+
emfibrasfluoradas.......... 31
2.9 (a) Exemplos de dois bombeamentos por convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia.
(b) Bombeamentos a partir do estado fundamental ............ 33
2.10
´
Ions de Tm
3+
com o esquema de bombeamento duplo 1050 nm - 800 nm.34
2.11 Esquema experimental do TDFA com bombeamentos 806 nm e 1059 nm.36
2.12 Espectros de entrada e de sa´ıdadoTDFA. ................. 36
2.13 Ganho e figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao do comprimento de onda do TDFA.
As potˆencias de bombeamento em 806 nm e 1059 nm foram 30 mW e 120
mW, respectivamente, enquanto que a potˆencia do sinal foi fixa em 5 µW.37
2.14 (a) Ganho e figura de ru´ıdodoTDFAemfun¸c˜ao da potˆencia de entrada.
(b) Ganho e potˆencia de sa´ıdadoTDFAemfun¸c˜ao da potˆencia de entrada.
O comprimento de onda do sinal ´e 1470 nm. ................ 38
2.15EsquemaexperimentaldoTDFAcomoitocanaisdeentrada........ 39
LISTA DE FIGURAS xvii
2.16 Espectros de entrada e sa´ıda do amplificador TDFA com oito canais de
entrada. .................................... 40
2.17 (a) Ganho dos canais 1448 nm, 1468,85 nm e 1517,17 nm em fun¸c˜ao do
n´umero de canais adicionais. (b) Supress˜ao do ganho. As potˆencias de
bombeamento em 806 nm e 1050 nm foram 30 mW e 120 mW, respecti-
vamente..................................... 41
2.18 Esquema experimental do TDFA com bombeamento 1050 nm. ...... 42
2.19 Ganho e figura de ru´ıdo do TDFA em fun¸c˜ao do comprimento de onda,
com ´unico bombeamento em 1050 nm.Apotˆencia de bombeamento e do
sinal foram de 300 mW e-23dBm (5 µW ),respectivamente........ 43
2.20 (a) Esquema de n´ıveis de energia da intera¸c˜ao param´etrica. (b) Esquema
do bombeamento com sinal amplificado e idler gerado. .......... 45
2.21 Esquema simplificado de um amplificador param´etrico. .......... 48
2.22 Esquema experimental do FOPA, onde vemos: PC - controladores de po-
lariza¸c˜ao; ISO - isoladores; Acc - acoplador 90/10; PM - modulador de fase;
RF - r´adio freq¨uˆencia; ARF - amplificador de r´adio freq¨uˆencia; EDFA -
amplificador a fibra dopada com
´
Erbio; BPF (1 nm) - filtro passa banda
de 1 nm; HNLF - fibra altamente n˜ao linear; OSA - analisador de espectro
´optico...................................... 52
2.23 Espectro caracter´ıstico de sa´ıdadoFOPA ................. 54
2.24 Ganho da fibra e figura de ru´ıdo do FOPA em fun¸c˜ao do comprimento de
onda para v´arias potˆencias de bombeamento: (a) 430 mW, (b) 540 mW e
(c) 680 mW. O comprimento de bombeamento foi de 1535 nm,eapotˆencia
de sinal na entrada de 0,3 µW......................... 55
2.25 Na figura (a) temos os ganhos em v´
arias potˆencias de bombeamento (430
mW, triˆangulos; 540 mW, quadrados; 680 mW,c´ırculos) sobrepostos, e
em (b) vemos a eficiˆencia de convers˜ao para estas mesmas potˆencias de
bombeamento. O comprimento de onda de bombeamento utilizado foi de
1535 nm,eapotˆencia do sinal de entrada foi de 0,3 µW. ......... 56
LISTA DE FIGURAS xviii
2.26 Ganho em fun¸c˜ao do comprimento de onda, para diversos comprimentos de
onda de bombeamento (λ
s ⇒ 1535 nm, 1538 nm e 1542 nm), a potˆencia
de bombeamento foi P
p
=540 mW.Om´ınimo de dispers˜ao da fibra ´eem
torno de 1531 nm................................ 57
2.27 Acoplamento sinal - bombeamento, por meio de um circulador e uma FBG. 58
2.28 Esquema experimental, onde vemos que o acoplamento sinal e bombea-
mento ´e feito atrav´esdaFBGeocirculador................. 59
2.29 Na figura (a) temos ganho e figura de ru´ıdo, e em (b) vemos a eficiˆencia
de convers˜ao e a sua figura de ru´ıdo. O comprimento de onda e a potˆencia
de bombeamento s˜ao respectivamente, λ
p
= 1534, 86nm e P
p
=560 mW,a
potˆencia do sinal de entrada ´e-37dBm (0,18 mW )............. 60
2.30 A esquerda temos os esquemas simplificados dos FOPA’s, e a direita mostramos
acompara¸c˜aodosganhosdoamplificadores ................ 61
2.31EsquemailustrandooespalhamentoRamanestimulado.......... 62
2.32 Ganho Raman para s´ılica. .......................... 63
2.33 Esquema de amplifica¸c˜ao Raman com bombeamentos co-propagante e contra-
propagante. .................................. 64
2.34 N´ıveis de energia do Pr
3+
, onde ocorre a emiss˜ao em 1300 nm....... 67
2.35 N´ıveis de energia do Nd
3+
, onde indicamos as transi¸c˜oes em 1050 e 1340
nm........................................ 68
3.1 Esquema b´asico de amplificador h´ıbridoemparalelo. ........... 70
3.2 Esquema b´asico de um amplificador h´ıbrido em s´erie. ........... 70
3.3 Esquema experimental do h´ıbridoTDFA/FOPA............... 72
3.4 Desempenho do TDFA no h´ıbrido, ganho e figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao do
comprimento de onda. O comprimento de onda de bombeamento foi de
1050 nm, enquanto que a potˆencia de bombeamento foi de 300 mW.Para
o laser sinal, a potˆencia foi ajustada em 5 µW................ 73
LISTA DE FIGURAS xix
3.5 Ganho e figura de ru´ıdo s˜ao mostrados na figura (a). Em (b) temos a
eficiˆencia de convers˜ao e a figura de ru´ıdo. O comprimento de onda de
bombeamento foi de 1534,86 nm,epotˆencia de bombeamento foi de 590
mW.Apotˆencia do sinal de entrada foi de 5 µW. ............. 74
3.6 Perdas inseridas pela fibra de T´ulio e pelo acoplador 1470/1050. ..... 75
3.7 Ganho do h´ıbrido em fun¸c˜ao do comprimento de onda. Tamb´em s˜ao
mostradososdesempenhodosamplificadoresindividualmente. ...... 76
3.8 Figura ru´ıdo do h´ıbrido em fun¸c˜ao do comprimento de onda, bem como a
figura de ru´ıdo para os m´odulosfuncionandoindividualmente. ...... 77
3.9 Em (a), temos a evolu¸c˜ao da figura de ru´ıdo ao londo do amplificador.
Em (b), mostramos a figura de ru´ıdo do amplificador calculada atrav´es da
equa¸c˜ao 2.35, com e sem o fator 2, que multiplica a P
PF
. ......... 78
3.10 Eficiˆencia de convers˜ao do h´ıbrido, e figura de ru´ıdo calculada para os
idlers em fun¸c˜aodocomprimentodeonda.................. 79
3.11 Ilustra¸c˜ao do processo de convers˜ao de freq¨uˆencia do h´ıbrido........ 80
3.12 Esquema simplificado do h´ıbridocomumlaserde8canais......... 80
3.13 8 anais amplificados e simultaneamente convertidos. A potˆencia de cada
canal foi de -26 dBm.............................. 81
3.14 Ganho e eficiˆencia de convers˜ao com sinais na banda L. A potˆencia do laser
sinal foi de 4 dBm. .............................. 82
3.15 N´ıveis de energia do Tm
3+
, onde indicamos o esquema de bombeamento
paraoTDFAnoh´ıbridoFOPA/TDFA.................... 83
3.16 Esquema experimental do h´ıbridocomoFOPAantesdoTDFA. ..... 84
3.17 (a) ASE do h´ıbrido FOPA/TDFA. (a) ASE do h´ıbrido e contribui¸c˜oes
individuaisdosamplificadoresparaaASE.................. 85
4.1 Esquema do h´ıbrido com bombeamento adicional em 800 nm para o TDFA. 87
4.2 Esquema do h´ıbrido com bombeamento do TDFA contra-propagante ao
sinal....................................... 87
LISTA DE TABELAS
2.1 Temposdevidadon´ıvel
4
I
13/2
do Er
3+
[1]................. 22
2.2 Caracter´ısticas da fibra de T´ulio utilizada neste experimento. ....... 35
2.3 Caracter´ısticas da fibra de T´ulio utilizada neste experimento ....... 42
2.4 Caracter´ısticas da fibra altamente n˜ao linear (HNLF )............ 54
xx
CAP
´
ITULO 1
INTRODUC¸
˜
AO GERAL E COMPONENTES PARA
COMUNICAC¸
˜
AO
´
OPTICA
1.1 UM POUCO DA HIST
´
ORIA
A necessidade de o homem comunicar-se `adistˆancia fez com que, desde muito tempo,
ele procurasse maneiras mais eficientes de fazˆe-la. A comunica¸c˜ao ´optica ´eumadelas,e
quesedesenvolvemuitoat´e os dias atuais. Diferente do que se possa pensar, as comu-
nica¸c˜oes ´opticas n˜ao s˜ao um privil´egio contemporˆaneo, pois h´amuitotempoohomem
se utiliza de fontes luminosas para se comunicar, como por exemplo, utilizando de luz
solar e manipulando-se a fuma¸ca, espelhos e outros objetos transportavam-se informa¸c˜oes
instantaneamente para distˆancias limitadas [2]. Tivemos o sistema inventado pelo francˆes
Claude Chappe em 1791 chamado sem´aforo [2, 3, 4, 5], sistema este formado por linhas
de torres de comunica¸c˜ao com bra¸cos mecˆanicos operados manualmente de forma a enviar
mensagens atrav´es de sinais decodificados e reproduzidos na torre posterior. Com a uti-
liza¸c˜ao do sem´aforo, podia-se transmitir mensagens a distˆancia de 200 quilˆometros em 15
minutos. Com o invento do tel´egrafo [2, 4] em 1835, pelo americano Morse, rapidamente
osem´aforo desapareceu. Outro sistema de suma importˆancia foi o Photophone [2, 4],
inventado por Graham Bell em meados de 1880, iniciando, assim, os sistemas de comu-
nica¸c˜oes ´opticas anal´ogicas. O ´unico impasse era que a tecnologia dispon´ıvel na ´epoca
limitava o alcance do sistema a 200 metros. Al´em disso, o Photophone n˜ao funcionava
sem a luz solar direta.
Toda a descri¸c˜ao feita dos sistemas acima tinha como meio f´ısico de transmiss˜ao da luz
a atmosfera. Somente em 1930 foram realizadas as primeiras experiˆencias de transmiss˜ao
da luz em fibras de vidro, e na d´ecada de cinq¨uenta as fibras de vidro passaram a ser usadas
1
1.1 um p ouco da hist
´
oria 2
em aplica¸c˜oes m´edicas [2]. At´emeadosdad´ecada de sessenta era considerado imposs´ıvel
utilizar fibras de vidro como meio f´ısico de transmiss˜ao, principalmente devido aos altos
n´ıveis de perdas inseridos pelos vidros existentes na ´epoca, capazes de atingir milhares
de dB/km de atenua¸c˜ao na transmiss˜ao da luz. Foi ent˜ao que, em 1966, os pesquisadores
Kao e Hockman apresentaram um trabalho mostrando que os altos n´ıveis de perdas
introduzidos pelas fibras ´opticas era devido principalmente `apresen¸ca de impurezas e
n˜ao devido ao material do vidro utilizado, podendo, assim, atrav´es da purifica¸c˜ao do
material b´asico da fibra, chegar a perdas de 20 dB/km [2, 4]. Com a id´eia da utiliza¸c˜ao de
fibras ´opticas como guias de sinais ´opticos, come¸cou uma corrida em busca da purifica¸c˜ao
do vidro e o estudo dos problemas de transmiss˜ao em fibras ´opticas. Assim, em 1972,
a Corning Glass Works anunciou a fabrica¸c˜ao de fibras ´opticas multimodo com perdas
inferiores a 4 dB/km,ej´a no ano seguinte, a Bell Laboratories alcan¸ca perdas menores
que 2,5 dB/km. No fim dos anos setentas, fibras com perdas pr´oximas do limite das
perdas intr´ınsecas foram reportadas, perdas estas em torno de 0,46 dB/km na regi˜ao de
1200 nm. Em 1979 foi anunciada, no Jap˜ao, uma fibra monomodo com atenua¸c˜ao de 0,2
dB/km na regi˜ao de 1550 nm [2].
Paralelamente `as pesquisas em fibras ´opticas, surgiu, no in´ıcio da d´ecada de sessenta, o
processo de gera¸c˜ao de luz coerente que tornaria vi´aveis as comunica¸c˜oes ´opticas. Primeiro
veio o MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation), inven-
tado pelo americano C. H. Townes e colaboradores. Depois veio o LASER (Light Amplifi-
cation by Stimulated Emission of Radiation), primeiramente constru´ıdo por T. Maiaman
em 1960, usando um bast˜ao de rubi. Mas foi M. Nathan, R. N. Hall e seus colaboradores,
que, em 1962, anunciaram a gera¸c˜
ao de luz coerente usando diodos de GaAs, operados
sobre polariza¸c˜ao direta. O problema foi que estes primeiros lasers de diodo, chamados
de lasers de homojun¸c˜ao, s´o funcionavam a temperaturas muito baixas. Ap´os, veio a
tecnologia de camadas epitaxiais sobre um substrato, dando in´ıcio, assim, a uma nova
gera¸c˜ao de lasers de diodo, os chamados lasers de heteroestrutura, que funcionava a cor-
rente de opera¸c˜ao baixa. Z. I. Alferov foi o pai dos lasers de heteroestrutura [2, 4, 6].
Estes lasers de heteroestrutura s˜ao os lasers utilizados atualmente nas telecomunica¸c˜oes,
1.1 um p ouco da hist
´
oria 3
e em geral, pertencem a duas fam´ılias: a fam´ılia do GaAs e suas ligas (Ga
x
Al
1-x
As)
geram luz com comprimento de onda na faixa de 800 nm a 880 nm,eafam´ılia do InP e
suas ligas (In
x
Ga
1-x
As
y
P
1-y
) funcionam de 1000 nm a 1600 nm [4].
Para sistemas de comunica¸c˜ao de longa distˆancia, existe a necessidade de se intro-
duzir nos enlaces de comunica¸c˜ao amplificadores para regenerar o sinal que ´e degradado
durante a sua transmiss˜ao. Inicialmente, utilizavam-se amplificadores opto-eletrˆonicos,
depois vieram os amplificadores ´opticos, estes muito mais eficientes. Entre os anos de
1987 e 1989 foi constru´ıdo e desenvolvido o EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier - am-
plificador a fibra dopada com
´
Erbio) [1]. Juntamente com o amplificador de
´
Erbio veio
a tecnologia de multiplexa¸c˜ao por comprimento de onda (WDM, Wavelength Division
Multiplexing), onde se transmitem v´arios comprimentos de onda em uma ´unica fibra,
aumentando significativamente a taxa de transmiss˜ao de informa¸c˜ao.
O crescimento no tr´afego de informa¸c˜ao traz a necessidade do aumento da capacidade
de transmiss˜ao. Algumas das formas de se alcan¸car esta meta s˜ao aumentar a taxa de
transmiss˜ao de cada canal de 2,5 Gb/s a40Gb/s, reduzir o espa¸camento entre os canais,
dos atuais 100 GHz para 25 GHz, ou ainda podemos utilizar outras bandas de telecomu-
nica¸c˜ao pouco exploradas atualmente, como por exemplo as bandas S e L [7]. Para que
se possam explorar estas bandas, ´e necess´ario que se desenvolvam amplificadores ´opticos
para elas, como, por exemplo, o TDFA (Thulium-Doped Fiber Amplifier - amplificador
a fibra dopada com T´ulio), e outros como o SOA (Semicondutor Optical Amplifier -
amplificador ´optico de semicondutor), amplificador Raman e o param´etrico. As normas
da Uni˜ao Internacional de Telecomunica¸c˜oes (ITU) definem as bandas de comunica¸c˜oes
´opticas como: Banda S (Short wavelength band - Banda de comprimentos de onda curtos)
como a regi˜ao espectral de 1460 nm a 1530 nm; Banda C (Conventional band - Banda
convencional) como a regi˜ao espectral de 1530 nm a 1565 nm; Banda L (Long wavelength
band - Banda de comprimentos de onda longos)comoaregi˜ao espectral de 1565 nm a
1625 nm [6, 7, 8], al´em de outras. O amplificador a fibra dopada com
´
Erbio (EDFA)am-
plifica apenas sinais nas bandas C e L, e pesquisas est˜ao sendo feitas em amplificadores
para a banda S, e o amplificador a fibra dopada com T´ulio ´e um dos candidatos.
1.2 fontes para comunicac¸
˜
ao
´
optica 4
1.2 FONTES PARA COMUNICAC¸
˜
AO
´
OPTICA
O processo de comunica¸c˜ao ´optica tem seu in´ıcio nos transmissores ´opticos. O trans-
missor ´optico tem a fun¸c˜ao de modular a fonte ´optica com a informa¸c˜ao a ser transmitida
e acoplar o sinal ´optico na fibra. O transmissor ´optico convencional modula a fonte ´optica
na sua intensidade, atrav´es da varia¸c˜ao da corrente injetada na fonte ´optica, modula¸c˜ao
esta chamada de modula¸c˜ao direta, utilizada para taxas abaixo de 10GHz. Para altas
taxas de modula¸c˜ao, utiliza-se modula¸c˜ao externa, esta modula¸c˜ao ´e feita diretamente na
luz. Os emissores de luz utilizados nos transmissores, s˜ao: o LED (Light Emitting Diode)
e o sistema LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).
Os LED’s s˜ao dispositivos geralmente feitos a base de semicondutor, apesar de j´a
existirem LED’s feitos com outros materiais. O mecanismo de gera¸c˜ao de luz dos LED’s
´e a emiss˜ao espontˆanea, gerando luz incoerente. A largura espectral da luz emitida pelo
LED est´a entre 30 e 60 nm e a eficiˆencia de acoplamento da luz gerada pelo LED na
fibra ´e muito baixa, em torno de 4% para uma abertura num´erica t´ıpica de AN=0,2,
al´em de ter baixa capacidade de modula¸c˜ao. Devido a estas caracter´ısticas, os LED’s s˜ao
geralmente utilizados em redes locais de comunica¸c˜ao, com taxas de transmiss˜ao menores
que 10 Mb/s [2, 9].
Os LASERS utilizados em comunica¸c˜oes ´opticas s˜ao feitos a base de semicondutores.
O mecanismo de gera¸c˜ao de luz dos LASERS ´e a emiss˜
ao estimulada, gerando, assim, luz
coerente. A largura espectral t´ıpica dos LASERS com cavidades Fabry-Perot ´ede1nm
emenorque0,1nm para emiss˜ao laser com realimenta¸c˜ao distribu´ıda. Os LASERS tˆem
boa eficiˆencia de acoplamento em compara¸c˜ao aos LED’s, com valores m´aximos em torno
de 30% e 50% [6, 9]. A resposta a altas freq¨uˆencias ´e melhor que os LED’s (at´e40GHz ).
1.3 FIBRAS
´
OPTICAS
A fibra ´optica ´eomeiof´ısico de transmiss˜ao, no qual a luz se propaga num sistema
de comunica¸c˜ao ´optica. A fibra ´optica ´e composta basicamente de material diel´etrico
(em geral, s´ılica ou pl´astico), segundo uma longa estrutura cil´ındrica, transparente e
1.3 fibras
´
opticas 5
flex´ıvel, com dimens˜oes compar´aveis `a de um fio de cabelo. A sua estrutura ´e basicamente
formada por uma regi˜ao central, chamada n´ucleo, e uma regi˜ao em volta do n´ucleo,
chamada casca, cujo o ´ındice de refra¸c˜ao ´emenorqueodon´ucleo. Em termos de ´optica
geom´etrica, o mecanismo de propaga¸c˜ao da luz numa fibra ´e o da reflex˜ao interna total.
[2,4,6,9,10,11].
Nas telecomunica¸c˜oes, as fibras ´opticas utilizadas s˜ao feitas com vidro de alta pureza
(SiO
2
), exibindo baixa perda ´optica. Nas fibras de pl´asticos, as perdas ´opticas possuem
valores mais elevados. A diferen¸ca de ´ındice de refra¸c˜ao entre o n´ucleoeacasca´e
conseguida durante o processo de fabrica¸c˜ao atrav´es da dopagem com outros materiais
(GeO
2
,P
2
O
5
,B
2
O
3
etc.) na s´ılica SiO
2
[2, 1].
A diferen¸ca entre os ´ındices de refra¸c˜ao do n´ucleo e da casca ´e definida segundo o
perfilradialde´ındices refra¸c˜ao, ou seja, a varia¸c˜ao do ´ındice de refra¸c˜ao ao longo raio da
fibra ´optica pode ser feita de modo gradual ou de modo descont´ınuo [2, 9]. Na figura 1.1,
vemos a estrutura b´asica de uma fibra ´optica, bem como os perfis de ´ındice de refra¸c˜ao
gradual do tipo parab´olicoeoperfilde´ındice de refra¸c˜ao descont´ınuo do tipo degrau,
como exemplos.
Durante a propaga¸c˜ao da luz na fibra ´optica, o sinal ´
optico sofre processos b´asicos
de degrada¸c˜ao: a atenua¸c˜ao, que causa perda de potˆencia do sinal transmitido; a dis-
pers˜ao, que causa o alargamento do pulso ´optico, e efeitos n˜ao-lineares que acontecem
principalmente em sistemas WDM.
Aatenua¸c˜ao [2, 6, 9, 10, 12] ´erespons´avel pela perda ´optica, fazendo, assim, com
que o sinal ´optico transmitido perca intensidade, dificultando a sua detec¸c˜ao e limitando
o comprimento dos enlaces ´opticos. Se P
i
,´eapotˆencia do sinal na entrada da fibra,
apotˆencia transmitida em uma distˆancia L ser´a dada pela equa¸c˜ao 1.1. Desta forma,
arela¸c˜ao que expressa, em decib´eis por quilˆometro (dB/km)aatenua¸c˜ao, ´edadapela
equa¸c˜ao 1.2, onde a atenua¸c˜ao α ´e a medida total das perdas na fibra.
P
f
= P
i
exp(−αL)(1.1)
1.3 fibras
´
opticas 6
Figura 1.1. Estrutura b´asica de uma fibra ´optica com seus n´ucleo e casca indicados, bem como
os perfis de ´ındice de refra¸c˜ao gradual do tipo parab´olico e descont´ınuo do tipo degrau.
α
dB
= −
10
L
log
10
(P
f
/P
i
)=4, 343α (1.2)
Aatenua¸c˜ao em fibras ´opticas varia com o comprimento de onda da luz propagante,
tendo um m´ınimo de perdas em torno de 1550 nm,como´e mostrado na figura 1.2. Na
figura tamb´em s˜ao mostradas as janelas de comunica¸c˜oes 2, 3 e 4, faltando a janela de
comunica¸c˜ao 1, que se localiza em 800 nm.
Os principais mecanismos de perdas por atenua¸c˜ao em fibras ´opticas s˜ao[2,6,9,10]:
absor¸c˜ao intr´ınseca do material que comp˜oe a fibra, que decorre da banda de absor¸c˜ao
eletrˆonica, resultando de transi¸c˜oes estimuladas de el´etrons na regi˜ao do ultravioleta e
da banda de vibra¸c˜ao atˆomica, na regi˜ao do infravermelho; absor¸c˜ao pelos ´ıons que s˜ao
depositados durante o processo de fabrica¸c˜ao da fibra, ´ıons estes met´alicos, ou radicais
OH
−
(´agua dissolvida no vidro); espalhamento Rayleigh, causado por varia¸c˜oes de na-
tureza aleat´oria na densidade do material da fibra. Atrav´es de processos mais sofisticados
de fabrica¸c˜ao tˆem-se diminu´ıdo em muito as perdas na fibra ´optica com rela¸c˜ao aos casos
acima mencionados, chegando pr´oximo a limites te´oricos.
1.3 fibras
´
opticas 7
Figura 1.2. Gr´afico da atenua¸c˜ao em fun¸c˜ao do comprimento de onda, mostrando tamb´em as
bandas de comunica¸c˜ao ´optica.
Adispers˜ao [2, 6, 4, 9, 12] que provoca o alargamento do sinal ´optico, pode ser
essencialmente de tipos: modal ou intermodal e crom´atica ou intramodal. A dispers˜ao do
tipo modal ou intermodal ocorre por que os diferentes modos propaga¸c˜ao para um mesmo
comprimento de onda propagante numa fibra ´optica possuem velocidades diferentes de
propaga¸c˜ao. Este tipo de dispers˜ao afeta somente as fibras multimodo, onde podemos ter
diferentes modos de propaga¸c˜ao na fibra. Utilizando fibras monomodo n˜ao existir´aeste
tipo de dispers˜ao, pois temos apenas um modo propagante na fibra.
Adispers˜ao crom´atica ou intramodal ´e resultado da dependˆencia da velocidade de
propaga¸c˜ao de um modo individual com rela¸c˜ao ao comprimento de onda, efeito este
aumentado com a largura espectral da fonte luminosa. Os componentes que s˜ao utilizados
como compensadores de dispers˜ao s˜ao as fibras compensadoras de dispers˜ao, fibras com
rede de Bragg, compensadores de modo espacial de mais alta ordem, ou ainda por t´ecnicas
de invers˜ao espectral [6, 1]. Os compensadores de dispers˜ao s˜ao normalmente empregados
nos receptores, transmissores, ou, ainda, periodicamente ao longo do enlace.
Os efeitos n˜ao-lineares [9, 13] s˜ao outro processo de degrada¸c˜ao que o sinal sofre
ao longo da propaga¸c˜ao em fibras ´opticas. Mesmo a s´ılica n˜ao sendo um material in-
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 8
trinsecamente n˜ao-linear, a geometria do guia de onda que confina a luz para longos
comprimentos de fibra pode gerar efeitos n˜ao-lineares importantes em sistemas de comu-
nica¸c˜oes ´opticas. Entre os efeitos n˜ao-lineares que ocorrem geralmente, temos: a SPM
(Self-Phase Modulation - automodula¸c˜ao de fase), que faz com que os pulsos transmi-
tidos acumulem uma fase ao longo do comprimento da fibra, induzindo penalidades na
transmiss˜ao; XPM (Cross-Phase Modulation - modula¸c˜ao de fase cruzada), que seria a
acumula¸c˜ao de fase n˜ao linear por um canal, devido `apotˆencia de outros canais, tendo o
mesmo efeito da SPM, mas sendo duas vezes mais intenso; FWM (Four Wave Mixing -
mistura de quatro ondas), que ´e um processo param´etrico de mistura de ondas, que cria
novas ondas em diferentes comprimentos de onda, sendo este efeito o que causa a maior
penalidade em sistemas WDM, pois o comprimento de onda destas novas ondas criadas
pode coincidir com o de outras j´a transmitidas. Podemos citar ainda efeitos como o SBS
(Stimulated Brillouin scattering - espalhamento Brillouin estimulado)eSRS(Stimulated
Raman scattering - espalhamento Raman estimulado).
1.4 COMPONENTES PASSIVOS PARA COMUNICAC¸
˜
OES
´
OPTICAS
Nesta se¸c˜ao, descreveremos alguns componentes passivos muito utilizados em sistemas
de comunica¸c˜oes ´opticas. A maioria dos componentes aqui apresentados tem sua aplica¸c˜ao
em componentes ativos, como em amplificadores ´opticos. Os dispositivos aqui descritos
foram utilizados na constru¸c˜ao dos amplificadores que ser˜ao mostrados nesta disserta¸c˜ao.
1.4.1 Conectores ´opticos
Os conectores ´opticos [2, 1, 10] s˜ao dispositivos passivos, que conectam duas fibras
´opticas, levando a luz proveniente de uma para outra, ou fazem a conex˜ao de uma fi-
bra ´optica e outros dispositivos, como o transmissor e o receptor ´optico. Para juntar
dois conectores de fibra utiliza-se, em geral, uma luva de conex˜ao, sendo esta uma pe¸ca
sim´etrica dupla, fˆemea-fˆemea, capaz de alinhar corretamente os conectores. Na figura
1.3, vemos a conex˜ao de duas fibras atrav´es de seus conectores, onde estes s˜ao acoplados
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 9
pela luva.
Figura 1.3. Ilustra¸c˜ao de conectores ´opticos e uma luva que acopla os conectores.
Os conectores ´opticos inserem perdas, este sendo um importante parˆametroaser
levado em considera¸c˜ao. As perdas inseridas pelos conectores ´opticos s˜ao devidas prin-
cipalmente a: diferen¸cas entre geometria dos n´ucleos, diferen¸ca de aberturas num´ericas,
diferen¸cas de perfil de ´ındices de refra¸c˜ao, deslocamento lateral, deslocamento longitu-
dinal, desalinhamento angular, qualidade da superf´ıcie, al´em das perdas inseridas pela
refletividade (reflex˜oes de Fresnel) [2].
As perdas inseridas por refletividade ocorrem porque, na interface fibra-ar-fibra, o
´ındice de refra¸c˜ao do ar n
2
´e diferente do ´ındice da fibra n
1
. Nestas regi˜oes, a refletividade
´e dada por [14]:
R =
n
1
− n
2
n
1
+ n
2
2
(1.3)
Usando gel entre as fibras, aproxima-se o ´ındice de refra¸c˜ao n
2
de n
1
, diminuindo
assim a refletividade. Conectores mais modernos, onde existe contato f´ısico entre as
extremidades das fibras, apresentam refletividades baixas [2, 1]. Os conectores atuais
apresentam perdas t´ıpicas menores que 0,2 dB e refletividades t´ıpicas variando entre -14
e-60dB [1].
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 10
1.4.2 Isoladores ´opticos
Nos sistemas de comunica¸c˜oes ´opticas, muitos fatores podem influenciar negativa-
mente para o desempenho do mesmo. Um destes fatores ´e o retorno de luz refletida ou
espalhada, tanto na entrada como na sa´ıda de amplificadores ´opticos, por exemplo. O
retorno da luz ocorre principalmente devido `a reflex˜ao de Fresnel que ocorre nos conec-
tores, reflex˜ao em emendas, espalhamento Rayleigh e outros [6, 1]. Al´em de degradar
o desempenho em ru´ıdo do amplificador, as reflex˜oes podem prejudicar componentes,
particularmente o laser. Em amplificadores a fibra dopada, as reflex˜oes da ASE (Am-
plified Spontaneous Emission - emiss˜ao espontˆanea amplificada) diminuem a invers˜ao de
popula¸c˜ao no in´ıcio da fibra [6, 1]. Isoladores ´opticos s˜ao utilizados para resolver este
problema, pois s˜ao componentes que permitem a passagem da luz em apenas uma dire¸c˜ao,
n˜ao permitindo, assim, que luz indesejada deteriore o sistema.
Isoladores ´opticos independentes da polariza¸c˜ao consistem em isoladores magneto-
´opticos feitos com cristais YIG (Yttrium Iron Garnet - Y
3
Fe
5
O
12
). A figura 1.4 mostra
a estrutura de um isolador ´optico com a luz se propagando na dire¸c˜ao de interesse.
Primeiramente, os raios provenientes da fibra s˜ao colimados usando uma lente de GRIN
(Gradient Index)), incidindo em uma cunha birrefringente. Na sa´ıda da cunha, um par
de raios ordin´ario e extraordin´ario segue atrav´es de um girador de Faraday, que consiste
de um cristal (YIG) cercado por um im˜a, resultando em uma rota¸c˜ao de 45
◦
dos dois
eixos de polariza¸c˜ao. Esta rota¸c˜ao ocorre, pois, o efeito Faraday muda o estado de
polariza¸c˜ao da luz. Lembrando que o efeito Faraday n˜ao ´erec´ıproco, pois a mudan¸ca
no estado de polariza¸c˜ao s´o depende da dire¸c˜ao do campo magn´etico e n˜ao da dire¸c˜ao
de propaga¸c˜ao da luz. Saindo do girador de Faraday, os raios passam por uma segunda
cunha birrefringente que os recombinam. Uma segunda lente de GRIN os insere na fibra.
A figura 1.5 mostra o isolador ´optico com a luz se propagando no sentindo inverso, no qual
o sinal reverso primeiro sofre a separa¸c˜ao em raios ordin´arios e extraordin´arios, seguindo
atrav´es do girador de Faraday, de onde saem com um ˆangulo de 90
◦
da polariza¸c˜ao de
entrada. Depois s˜ao enviados por trajetos divergentes pela segunda cunha. Estes trajetos
divergentes n˜ao focalizam na fibra de entrada, n˜ao conseguindo, assim, serem acoplados
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 11
[1].
Existem tamb´em, isoladores dependentes da polariza¸c˜ao. Nestes, a luz na dire¸c˜ao de
interesse ´e primeiramente ´e colimada por uma lente GRIN. Ap´os, a luz passa por um
polarizador saindo verticalmente polarizada. Seguindo por um girador de Faraday, a luz
sofre uma rota¸c˜ao no plano de polariza¸c˜ao de um ˆangulo de 45
◦
no sentindo hor´ario.
Assim, ela passa por um segundo polarizador, que est´a inclinado 45
◦
comparado com
o primeiro. Transmitindo desta forma a luz, que ent˜ao ´e focalizada na fibra por uma
segunda lente de GRIN. No sentido contr´ario, a luz primeiramente colimada pela lente
de GRIN, incide no polarizador que est´ainclinado45
◦
, como foi dito. A luz sai com a
polariza¸c˜ao girada de 45
◦
.Ap´os, ela passa pelo girador de Faraday, que gira novamente
o plano de polariza¸c˜ao da luz no sentido hor´ario de 45
◦
. Como resultado, temos a luz
polarizada horizontamente. Deste modo, ela ´e totalmente bloqueada pelo polarizador,
que somente permite a passagem de polariza¸c˜ao vertical [15].
Figura 1.4. Estrutura d e um isolador ´optico com o sinal propagan te na dire¸c˜ao de interesse do
sistema de comunica¸c˜ao.
As principais caracter´ısticas que descrevem um isolador ´optico s˜aoaisola¸c˜ao e perdas
por inser¸c˜ao. Isola¸c˜ao t´ıpica de 30 a 40 dB e perda por inser¸c˜ao de 0.5 dB.
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 12
Figura 1.5. Estrutura de um isolador ´optico com o sinal propagante na dire¸c˜ao de isola¸c˜ao.
1.4.3 Filtros ´opticos
Os filtros ´opticos s˜ao componentes ´opticos passivos com a fun¸c˜ao de filtrar uma faixa
estreita de comprimentos de onda. Em amplificadores a fibra dopada (EDFA, TDFA etc.),
os filtros ´opticos podem ser utilizados para melhorar o seu desempenho, suprimindo a ASE
(emiss˜ao espontˆanea amplificada), seja ele colocado dentro do amplificador ou colocado
na extremidade do sistema antes da detec¸c˜ao [1]. Os filtros ´opticos tamb´em podem ser
usados para melhorar o desempenho de componentes dentro de um amplificador [1]. Al´em
disso, empregando estes filtros ´opticos, pode-se reduzir a figura de ru´ıdo de amplificadores
´opticos. Entre os filtros, temos os filtros de interferˆencia fabricados com revestimentos
diel´etricos m´ultiplos em um substrato de vidro, esta estrutura gera efeitos de interferˆencia
que dependem da camada, do comprimento de onda da luz e o ˆangulo de incidˆencia.
Estes filtros tem tipicamente 1 nm de largura de largura espectral. Al´em do filtro de
interferˆencia, existem os filtros de Fabry-Perot, filtros de Fourier e filtros de grades de
Bragg em fibra.
1.4.4 Grades de Bragg em fibra ´optica
Expondo fibras de s´ılica a intensa radia¸c˜ao de um laser operando na regi˜ao do azul ou
ultravioleta, podem-se mudar permanentemente as propriedades ´opticas da fibra. Este
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 13
efeito pode ser utilizado para induzir mudan¸cas peri´odicas no ´ındice de refra¸c˜ao ao longo
da fibra, e assim, obtermos grade de Bragg dentro do n´ucleo da fibra [15].
Grades de Bragg em fibra ´optica (FBG, Fiber Bragg Gratings), geralmente, referem-se
adispositivoscom´ındice de refra¸c˜ao espa¸cados no m´aximo, na ordem de 1/2 a 1 vez o
comprimento de onda do modo do guia (500 nm a 1000 nm para fibras monomodo em
1550 nm).
Na figura 1.6 vemos uma onda propagante sendo refletida, por uma grade de Bragg.
Utilizando a FBG como filtros refletores, elas podem ser aplicadas como: compensadores
de dispers˜ao; adi¸c˜ao e remo¸c˜ao de canais; refletores da potˆencia de bombeamento [1]. Jun-
tamente com o circulador ´optico, sobre o qual falarei na pr´oxima se¸c˜ao, utilizei uma FBG
com reflex˜ao em torno de 1534,86 nm, para acoplar sinal e bombeamento no amplificador
param´etrico, como veremos na se¸c˜ao 2.4.2.
Figura 1.6. Grade de Bragg em fibra funcionando como um filtro.
1.4.5 Circuladores ´opticos
O circulador ´optico [1, 11] ´e um componente que age de forma a rotear sinais de uma
fibra para outra. O sinal proveniente de uma determinada fibra entra na porta 1 de um
circulador ´optico, de modo que este sinal ´eent˜ao direcionado para a porta 2. Um sinal
que entra na porta 2 do circulador ´e direcionado para a porta 3, um sinal da porta 3 ´e
roteado para porta 4, e por ´ultimo da porta 4 para porta 1, como mostra a figura 1.7.
Este ´eumesquemacomumdeumcirculador´optico t´ıpico, mas existem circuladores com
diversos n´umeros de portas.
A estrutura de um ciculador ´optico independente da polariza¸c˜ao ´e mostrada na figura
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 14
Figura 1.7. Esquema de um circulador, mostrando as 4 portas e o redirecionamento do canais.
1.8. Nela vemos que um circulador ´e composto de elementos ´opticos similares `aum
isolador. Nele o sinal de entrada ´e inicialmente separado em duas polariza¸c˜oes ortogo-
nais por uma placa birrefrigente (CaCO
3
). As duas componentes s˜ao ent˜ao, refletida e
transmitida para caminhos separados, em dire¸c˜ao ao girador de Faraday e um girador op-
ticamente ativo (cristal de SiO
2
), arranjados em s´erie. Finalmente, as duas componentes
s˜ao recombinadas atrav´es de um divisor de feixe `a polariza¸c˜ao e uma placa birrefrigente
[1].
Figura 1.8. Estrutura de um circulador ´optico com os componentes lentes de GRIN, placas
birrefringentes (BP),Divisor de feixe `a polariza¸c˜ao (PBS), prismas refletores (RP), girador de
Faraday, e um girador opticamente ativo.
Os circuladores ´opticos tˆem v´arias aplica¸c˜oes, entre as quais o uso para acoplar sinal
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 15
e bombeamento numa ´unica fibra em amplificadores ´opticos e do uso como elemento de
compensa¸c˜ao de dispers˜ao. Um circulador t´ıpico tem perda pelo roteamento de 0,9 dB e
perda por isola¸c˜ao de 50 dB.
1.4.6 Acopladores ´opticos
Os acopladores ´opticos [2, 6, 1, 11] s˜ao componentes usados para combinar mais de um
sinal em uma ´unica fibra ´optica. A figura 1.9 mostra um esquema b´asico de um acoplador
´optico, contendo quatro portas, lembrando que um acoplador ´optico pode conter v´arias
portas,comumm´ınimo de quatro. Vemos na figura 1.9 que os sinais 1 e 2, provenientes
de fibras diferentes, s˜ao acoplados, passando a se propagar numa mesma fibra.
Figura 1.9. Esquema de um acoplador ´optico, onde dois sinais s˜ao acoplados em uma ´unica
fibra.
Os acopladores ´opticos s˜ao geralmente feitos atrav´es de fibras fundidas ou de filtros
refletores por interferˆencia. Os acopladores tˆem como principais propriedades perdas de
inser¸c˜ao e a isola¸c˜ao. A perda por inser¸c˜ao ´e caracterizada pela rela¸c˜ao entre a potˆencia
em uma porta de sa´ıda e a potˆencia em uma determinada porta de entrada. J´aaisola¸c˜ao
´e determinada pela raz˜ao da potˆencia de um comprimento de onda fora da faixa de
opera¸c˜ao em determinada porta, com rela¸c˜ao `apotˆencia de entrada neste comprimento
de onda.
Uma aplica¸c˜ao freq¨uente destes acopladores ocorre em amplificadores ´opticos, quando
1.4 componentes passivos para comunicac¸
˜
oes
´
opticas 16
se quer acoplar numa mesma fibra ´optica um sinal ´optico e um sinal de bombeamento,
para que possa haver a amplifica¸c˜ao do sinal desejado.
1.4.7 Multiplexadores e demultiplexadores
Podem-se acoplar v´arios comprimentos de onda em uma ´unica fibra, atrav´es de multi-
plexadores de comprimento de onda. Assim, como se podem acoplar v´arios comprimentos
de onda em uma ´unica fibra, tamb´em ´eposs´ıvel desacoplar, e isto ´e feito com demultiple-
xadores de comprimento de onda. Estes componentes tornam poss´ıvel o uso da tecnologia
WDM.
Os multiplexadores e demultiplexadores [6, 1] podem ser feitos com filtros ´opticos,
com matrizes de redes de guias de onda e tamb´em com a combina¸c˜ao de acopladores
com grade de difra¸c˜ao. Baixas perdas por inser¸c˜ao e baixa interferˆencia entre canais
(crosstalk)s˜ao caracter´ısticas de suma importˆancia para estes dispositivos.
1.4.8 Receptores ´opticos
O receptor ´optico[2,6,1,9,10]´erespons´avel pela recep¸c˜ao do sinal. O fotodetector
´e o principal componente do receptor ´optico, sendo ele respons´avel por transformar o
sinal ´optico em sinal el´etrico. Al´em do fotodetector, temos o pr´e-amplificador, que ´eum
circuito eletrˆonico respons´avel por amplificar a corrente gerada pelo fotodetector. Por
´ultimo, temos o equalizador, com a finalidade de filtrar o sinal eliminado assim o m´aximo
de ru´ıdo.
Os fotodetectores s˜ao diodos de jun¸c˜ao p-n, feitos com trˆes materiais b´asicos: sil´ıcio,
germˆanio e InGaAs. Existem dois tipos de fotodetectores mais usados, s˜ao eles o p-i-
neoAPD(Avalanche Photodiodo - fotodiodo tipo avalanche). O fotodetector p-i-n ´e
uma jun¸c˜ao p-n rodeando uma regi˜ao com uma camada de material intr´ınseco inserido,
obtendo-se um elevado campo el´etrico da jun¸c˜ao devido `a maior resistividade da regi˜ao
n˜ao dopada, obtendo-se, assim, a corrente el´etrica. Na regi˜ao de 850 nm, os detectores
usados s˜ao os de sil´ıcio. J´anaregi˜ao de 1300 a 1550 nm, os detectores usados s˜ao os de
1.5 componentes ativos para comunicac¸
˜
ao
´
optica 17
Germˆanio ou liga de InGaAS.
O fotodetector APD opera com uma tens˜aomaiorqueadop-i-n,conseq¨uentemente
tendo um elevado campo el´etrico. Desta forma, os portadores ter˜ao energia suficiente
para que colis˜oes com el´etrons na rede cristalina gerem novos pares el´etron-buraco, e
estes tamb´em colidir˜ao com outros el´etrons, gerando um processo de avalanche. Esta
gera¸c˜ao de pares em avalanche tem como a vantagem de gerar um fator multiplicativo
na responsividade, sendo, assim, o fotodetector APD mais sens´ıvel que o p-i-n. Entre-
tanto, eles tem as desvantagens de introduzirem um maior n´ıvel de ru´ıdoeumaresposta
temporal menor.
Para sistemas de comunica¸c˜oes ´opticas, os receptores ´opticos tˆem que ter como carac-
ter´ısticas alta sensibilidade, baixo ru´ıdo, resposta r´apida, boa confiabilidade, dimens˜oes
compat´ıveis com o diˆametro do n´ucleo das fibras ´opticas, al´em de baixo custo.
1.5 COMPONENTES ATIVOS PARA COMUNICAC¸
˜
AO
´
OPTICA
1.5.1 Amplificadores ´opticos
Aatenua¸c˜ao, perturba¸c˜ao que j´a foi discutida na se¸c˜ao de fibras ´opticas, ´e um processo
que causa perda de potˆencia ´optica do sinal propagante na fibra. Os amplificadores
´opticos [6, 1, 8, 9] s˜ao dispositivos que solucionam este problema, dando ganho ao sinal
´optico, aumentando, assim, a sua potˆencia. Os amplificadores ´opticos s˜ao importantes
principalmente em sistemas de longa distˆancia, pois assim o sinal ´optico chega ao detector
de forma que possa ser processado.
Os amplificadores ´opticos podem ser utilizados de v´arias formas. Entre elas est˜ao:
amplificador de linha, amplificador de potˆencia e pr´e-amplificador, como mostra a figura
1.10.
A fibra ´optica, que antes era usada somente como meio de transmiss˜ao, passou a
ter novas aplica¸c˜oes. Entre elas, est˜ao os amplificadores ´opticos a fibra. Entres os am-
plificadores, temos os dopados com terras raras: EDFA (Er
3+
-Doped Fiber Amplifier -
amplificador a fibra dopada com
´
Erbio), TDFA (Tm
3+
- Doped Fiber Amplifier - ampli-
1.5 componentes ativos para comunicac¸
˜
ao
´
optica 18
Figura 1.10. Aplica¸c˜ao de amplificadores ´opticos: amplificador de linha, pr´e-amplificador e
amplificador de potˆencia.
ficador a fibra dopada com T´ulio), PDFA (PR
3+
- Doped Fiber Amplifier - amplificador
a fibra dopada com Praseod´ımio)eNDFA(Nd
3+
- Doped Fiber Amplifier - amplificador
a fibra dopada com Neod´ımio), al´em de outros. Temos tamb´em amplificadores que uti-
lizam efeitos n˜ao-lineares: amplificador Raman a fibra e amplificador param´etrico a fibra
´optica . Al´em, dos amplificadores ´opticos de semicondutor (SOA - Semicondutor Optical
Amplifier ), que s˜ao amplificadores que consistem em lasers de diodo sem as reflex˜oes de
realimenta¸c˜ao.
Com a necessidade de aumentar a capacidade de transmiss˜ao, faz-se necess´ario explo-
rar bandas de comunica¸c˜ao al´em da j´a estabelecida banda C (Conventional Band), como
por exemplo a banda S (Short Wavelength Band). Com isso, torna-se necess´ario desen-
volver amplificadores para estas novas bandas, e os amplificadores TDFA, SOA, ARF e
FOPA s˜ao bons candidatos.
Neste cap´ıtulo descrevemos componentes essenciais para sistemas de comunica¸c˜oes
´opticas. Al´em da fibra ´optica, componentes passivos e ativos foram descritos. OS com-
ponentes apresentados nesta se¸c˜ao foram utilizados nesta disserta¸c˜ao.
CAP
´
ITULO 2
AMPLIFICADORES
´
OPTICOS
2.1 INTRODUC¸
˜
AO
Como vimos na se¸c˜ao 1.5, a atenua¸c˜ao, perturba¸c˜ao que causa grande penalidade aos
sistemas de comunica¸c˜ao ´optica, limitando, assim, o comprimento de enlaces ´opticos, pode
ser compensada utilizando-se amplificadores ´opticos. O EDFA foi o primeiro amplificador
´optico utilizado comercialmente, isto na d´ecada de 90, definindo, assim, a Banda C, banda
esta onde se encontra o m´ınimo de perdas para as fibras ´opticas. Com a necessidade
do aumento da atual taxa de transmiss˜ao de informa¸c˜oes, o uso de novas bandas de
comunica¸c˜ao se faz necess´ario. Al´em da Banda C, outras bandas s˜ao de interesse, como
por exemplo, a Banda L e a Banda S. O EDFA pode fornecer ganho nas Bandas C e L,
assim se faz necess´ario o desenvolvimento de amplificadores para a Banda S.
Neste cap´ıtulo, falaremos sobre diversos amplificadores ´opticos, bem como o princ´ıpio
f´ısico de funcionamento dos mesmos, al´em de fazer a caracteriza¸c˜ao de alguns. Nos
amplificadores EDFA [1, 9, 12, 16], TDFA [6, 8, 17, 18] e FOPA [7, 19, 20], al´em de
descrever o processo f´ısico de funcionamento, caracterizarei-os. A caracteriza¸c˜ao do FOPA
e TDFA se faz necess´aria, pois ambos formaram o amplificador h´ıbrido apresentado nesta
disserta¸c˜ao. A caracteriza¸c˜ao de EDFA ´e apresentada, pois no FOPA ´e utilizado um
EDFA comercial. Assim, ´e interessante obter a caracteriza¸c˜ao de um EDFA para um
melhor entendimento do sistema, lembrando que o EDFA que caracterizarei n˜ao ´eo
mesmo que utilizarei no FOPA. Ser´a apresentada uma breve introdu¸c˜ao dos amplificadores
SOA [9, 21], FRA (Am plificador Raman `aFibra) [9, 19, 22], PDFA [1] e NDFA [1].
19
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 20
2.2 AMPLIFICADOR A FIBRA DOPADA COM
´
ERBIO
2.2.1 Introdu¸c˜ao
Nos amplificadores a fibra dopada, os principais dopantes s˜ao os Lantan´ıdeos, ele-
mentos estes conhecidos como terras-raras. Os elementos terras-raras se dividem em dois
grupos: os Lantan´ıdeos com o n´umero atˆomico variando de 57 at´e 71, e Actin´ıdeos com
n´umero atˆomico de 89 a 103 [1, 8]. As interessantes propriedades dos Lantan´ıdeos s˜ao de-
vido as particularidades na sua estrutura atˆomica, pois eles possuem camadas eletrˆonicas
internas incompletas.
´
Erbio, T´ulio, Neod´ımio, Praseod´ımio e It´erbio s˜ao alguns dos ele-
mentos dos Lantan´ıdeos que podem ser utilizados na fabrica¸c˜ao de amplificadores e lasers,
pois quando presentes em hospedeiro adequado e excitados corretamente, podem sofrer
invers˜ao de popula¸c˜ao entre determinados n´ıveis energ´eticos, podendo fluorescer [8].
O EDFA foi desenvolvido em 1987 simultaneamente pela Universidade de Southamp-
ton e por AT&T Bell Laboratories [6, 1, 23]. Permitiu, juntamente com a confirma¸c˜ao da
propaga¸c˜ao de v´arios canais numa mesma fibra ´optica, o desenvolvimento dos sistemas
WDM (Wavelength Division Multiplexing)edepoisDWDM(Dense Wavelength Division
Multiplexing).
Nos amplificadores ´opticos a fibra dopada, o meio de ganho ´e obtido dopando o n´ucleo
da fibra ´optica durante o processo de fabrica¸c˜ao. No caso do EDFA, o n´ucleo ´e dopado
com os ´ıons Er
3+
[1, 9, 16, 15]. Os EDFA atra´ıram mais aten¸c˜ao porque eles operavam
na regi˜ao de 1550 nm, onde se encontra regi˜ao de m´ınimo de perdas nas fibras ´opticas.
Na figura 2.1, n´os vemos a estrutura dos n´ıveis de energia relevantes dos ´ıons Er
3+
dopados em vidros de s´ılica. A natureza amorfa da s´ılica alarga os n´ıveis de energia das
bandas do Er
3+
. No eixo da direita, temos a escala em comprimentos de onda para
absor¸c˜ao a partir do estado fundamental, e no da esquerda vemos a nomenclatura dos
n´ıveis [6, 1, 8, 9, 15].
Aregi˜ao de amplifica¸c˜ao dos EDFA’s ´e a aquela entre 1530 e 1570 nm, que corresponde
`a transi¸c˜ao entre os n´ıveis
4
I
13/2
e
4
I
15/2
. Para que possamos obter amplifica¸c˜ao de sinal, ´e
preciso obter invers˜ao de popula¸c˜ao entre os n´ıveis
4
I
15/2
e
4
I
13/2
, ou seja, a popula¸c˜ao do
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 21
Figura 2.1. Estrutura dos n´ıv eis de energia relevantes do Er
3+
.
n´ıvel superior tem que ser maior que a do inferior. Para isso, faz-se necess´ario um esquema
de bombeamento eficiente. Inicialmente, utilizou-se luz na regi˜ao do vis´ıvel (lasers de
argˆonio, Nd:YAG) como bombeamento, mas estes se mostraram ineficientes. Para se obter
bombeamento eficiente, utilizam-se lasers semicondutores operando na regi˜ao pr´oxima de
980 nm e 1480 nm [1,8,9,15,19].
O vidro hospedeiro desempenha um papel fundamental nos tempos de vida dos n´ıveis
dos estados excitados do Er
3+
. Na tabela 2.1, vemos os tempos de vida do n´ıvel
4
I
13/2
do Er
3+
em v´arias matrizes hospedeiras [1]. Vemos que, para s´ılica, o tempo de vida do
n´ıvel
4
I
13/2
est´a em torno de 10,8 ms,oque´e suficientemente longo para obten¸c˜ao de
invers˜ao de popula¸c˜ao.
´
E necess´ario tamb´em potˆencia de bombeamento suficiente para
que a invers˜ao de popula¸c˜ao aconte¸ca. Al´em disso, outro problema que pode ocorrer ´e
odaESA(Excited State Absortion - Absor¸c˜ao de estado excitado), que ´eaabsor¸c˜ao de
f´otons de bombeamento entre estados excitados. Entretanto para os comprimentos de
onda de 980 nm ela ´e desprez´ıvel.
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 22
Vidro hospedeiro Tempodevida(ms)
Na-K-Ba-silicato 14
ED-2(silicato) 12
Silicato 14,7
Silicato L-22 14,5
Al-P silica 10,8
Na-Mg-fosfato 8,2
Fosfato 10,7
Fluoreto de fosfato 8
Fluoreto 10,3
Tabela 2.1. Tempos de vida do n´ıvel
4
I
13/2
do Er
3+
[1]
Na figura 2.2, temos um esquema b´asico de amplificador ´optico a fibra dopada, onde
sinal e bombeamento s˜ao acoplados em uma ´unica fibra e o processo de amplifica¸c˜ao
ocorre na fibra dopada. No caso do EDFA, a amplifica¸c˜ao ocorrente na fibra dopada com
Er
3+
se d´a entre os n´ıveis
4
I
13/2
e
4
I
15/2
, como se observa na figura 2.1. Na figura 2.1,
vemos dois esquemas de bombeamento, um com 980 nm e outro com 1480 nm.Nocaso
do bombeamento em 1480 nm,os´ıons de ´erbio s˜ao excitados para o n´ıvel superior do
tripleto
4
I
13/2
e relaxam rapidamente para o n´ıvel inferior dessa banda. O tempo de vida
do n´ıvel
4
I
13/2
´e de aproximadamente 10,8 ms,oque´efavor´avel para obter invers˜ao de
popula¸c˜ao. No caso do bombeamento de 980 nm,os´ıons s˜ao excitados para o n´ıvel
4
I
11/2
,
de onde decaem rapidamente para o n´ıvel
4
I
13/2
, em alguns microsegundos [1, 8, 24].
De forma simplificada, a amplifica¸c˜ao do sinal em um EDFA ocorre da seguinte forma:
estabelecida a invers˜ao de popula¸c˜ao entre os n´ıveis
4
I
15/2
e
4
I
13/2
, atrav´es do bombea-
mento, o sinal propagante quando presente na fibra dopada, estimula o decaimento de
´ıons do n´ıvel superior para o n´ıvel inferior, emitindo, assim, um f´oton de mesmo compri-
mento de onda do sinal. Estes novos f´otons gerados v˜ao estimular novos decaimentos por
toda a fibra dopada, de forma que obtemos o sinal amplificado.
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 23
Figura 2.2. Esquema b´asico de um amplificador ´optico (sinal sendo acoplado ao bombeamento).
Juntamente com o processo de amplifica¸c˜ao de sinal, ocorre o processo de emiss˜ao
espontˆanea amplificada (ASE-Am plified Spontaneous Emission), que deteriora o sistema,
pois ´e o principal respons´avel pelo ru´ıdo do amplificador. Este processo ocorre, pois ´ıons
de toda a banda do n´ıvel superior decaem espontaneamente. Este decaimento espontˆaneo
gera f´otons em todos os comprimentos de onda da banda do n´ıvel
4
I
13/2
.Estesf´otons
gerados espontaneamente estimulam o decaimento de ´ıons, e assim, s˜ao emitidos novos
f´otons, isto ocorrendo por toda a fibra dopada, fazendo com que haja a amplifica¸c˜ao da
emiss˜ao espontˆanea (na figura 2.5 temos a ASE gerada pelo EDFA).
2.2.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do EDFA
Como dito no in´ıcio deste cap´ıtulo, ser´afeitaacaracteriza¸c˜ao do EDFA, pois um
EDFA comercial ser´a utilizado como um dos componentes para gerar o bombeamento
do FOPA. Na figura 2.3, mostramos a montagem experimental, onde temos um laser
semicondutor sintoniz´avel que ser´a a fonte do sinal, logo ap´os temos um isolador para
proteger o laser sinal de poss´ıveis ondas contrapropagantes, que danificariam o nosso
laser. O acoplamento sinal e bombeamento ´e feito atrav´es de um acoplador WDM. O
bombeamento consiste de um laser de diodo com comprimento de onda em 980 nm.Por
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 24
´ultimo, temos a fibra dopada com ´erbio. O sinal na sa´ıda ´e coletado no analisador de
espectro ´optico (OSA - Optical Spectrum Analyzer).
Figura 2.3. Esquema experimental do EDFA com seus componen tes: lasers de sinal e bombea-
mento, ISO - isolador, WDM - acoplador, FDE - fibra dopada com
´
Erbio e o OSA - analisador
de espectro ´optico.
Duas grandezas s˜ao essenciais para termos a caracteriza¸c˜ao de um amplificador ´optico:
Ganho (G) e a Figura de Ru´ıdo (NF - Noise Figure). Para o c´alculo do ganho geralmente
expresso em dB usamos a equa¸c˜ao 2.1 [1]. A medida da potˆencia da ASE (emiss˜ao
espontˆanea amplificada-P
ASE
), assim como da potˆencia da SSE (emiss˜ao espontˆanea do
sinal-P
SSE
), foram feitas atrav´es da interpola¸c˜ao entre os extremos da base do sinal,
como vemos na figura 2.4. As potˆencias de sa´ıda (P
Saida
) e de entrada do sinal (P
Entrada
)
foram obtidas atrav´es da medida do pico de ambas.
G
dB
=10log
10
P
Saida
− P
ASE
P
Entrada
− P
SSE
(2.1)
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 25
Figura 2.4. Indica¸c˜ao das vari´aveis para o c´alculo do ganho e figura de ru´ıdo (P
ASE
, P
SSE
,
P
saida
, P
entrada
)
A figura de ru´ıdo ´e definida atrav´es da equa¸c˜ao 2.2, onde SNR
entrada,saida
s˜ao as rela¸c˜oes
entre o sinal e ru´ıdo (Signal to Ratio Noise) na entrada e sa´ıda do amplificador, respec-
tivamente. Vemos, pela equa¸c˜ao 2.2, que a figura de ru´ıdo ´e sempre maior que 1, pois o
amplificador adiciona ru´ıdo durante o processo de amplifica¸c˜ao. Assim, a rela¸c˜ao sinal
ru´ıdo na entrada ´e sempre maior do que na sa´ıda. Uma figura de ru´ıdo de 3 dB ´e o limite
quˆantico para um amplificador ´optico [1].
NF =
(SNR)
entrada
(SNR)
saida
(2.2)
As principais fontes de ru´ıdo de um amplificador ´optico s˜ao: batimento sinal-espontˆaneo
(signal-spontaneous), que ´eobatimentodosinalcomaASE ; batimento espontˆaneo-
espontˆaneo (spontaneous-spontaneous), que ´e o batimento de componentes de ASE ;eo
ru´ıdo bal´ıstico (shot noise), devido a natureza quantizada dos f´otons.
Oc´alculo da Figura de Ru´ıdo em dB,´e feito atrav´es da equa¸c˜ao 2.3 [1]. Esta equa¸c˜ao
adv´em da defini¸c˜ao de figura de ru´ıdo, que ´earaz˜ao entre a rela¸c˜ao sinal ru´ıdonaentrada
earela¸c˜ao sinal ru´ıdo na sa´ıda do amplificador, como mostra a equa¸c˜ao 2.2.
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 26
De acordo com [1], n´os podemos escrever a equa¸c˜aoparaoc´alculo da figura de ru´ıdo
como:
NF
dB
=10log
10
P
ASE
hν∆νG
+
1
G
(2.3)
Onde foi considerado que G>>1. Sendo batimento sinal-espontˆaneo como o ru´ıdo
de excesso mais importante. Na equa¸c˜ao 2.3, o primeiro termo refere-se ao batimento
sinal-espontˆaneo, e o segundo termo ao ru´ıdo bal´ıstico [1].
• P
ASE
-Potˆencia da emiss˜ao espontˆanea amplificada;
• ν -Freq¨uˆencia do sinal;
• h - Constante de Planck;
• ∆ν -Resolu¸c˜ao do instrumento de medida (OSA);
• G - Ganho do sinal.
2.2.3 Resultados
Utilizamos para o bombeamento, como foi dito anteriormente, um laser com um com-
primento de onda de 980 nm, com uma corrente de 250 mA, o que equivale a uma potˆencia
de sa´ıda de 148 mW,eumapotˆencia na entrada na fibra dopada com Er
3+
de 110 mW.
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 27
Na figura 2.5, vemos o espectro de entrada e sa´ıda do amplificador, onde sinal de
entrada foi medido antes do isolador (ver figura 2.3). O espectro da sa´ıda, al´em de
mostrar o sinal amplificado, mostra a ASE gerada, que ´e fonte de ru´ıdo.
Figura 2.5. Esp ectros d e entrada e sa´ıda do amplificador.
Os gr´aficos do ganho e a figura de ru´ıdo s˜ao encontrados a partir das equa¸c˜oes 2.1 e
2.3. Primeiramente, encontramos o ganho e a figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao do comprimento
de onda, variando o comprimento de onda do sinal mantendo a potˆencia do mesmo em
-13 dBm, o que equivale a 50 µW.
Na figura 2.6, temos os gr´aficos do ganho e da figura de ru´ıdo, onde s˜ao inclu´ıdas
as perdas inseridas por todos os componentes (isoladores e acopladores). A medida do
sinal de entrada foi feita antes do isolador, como foi dito anteriormente. Ent˜ao, dizemos
que o ganho calculado foi o ganho do amplificador, e n˜ao o ganho da fibra, que seria
feito se tiv´essemos medido a potˆencia do sinal de entrada imediatamente antes da fibra
dopada. Na respectiva figura, observamos um ganho m´aximo e m´ınimo de 28 e 21 dB,
respectivamente, em uma regi˜ao de 1525 a 1565 nm .Tamb´em obtivemos uma figura de
ru´ıdo com um m´ınimo em 5,2 dB em´aximo em torno de 7,0 dB. Vemos que, de acordo com
aequa¸c˜ao 2.3, a figura de ru´ıdo ´e inversamente proporcional ao ganho, o que nos daria
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 28
uma simetria entre os gr´aficos de ambos, conseq¨uentemente, onde o ganho fosse m´aximo,
a figura de ru´ıdo seria m´ınima. Entretanto, isso n˜ao acontece devido `a dependˆencia da
NF (ver equa¸c˜ao 2.3) com a potˆencia da ASE (P
ASE
).
Figura 2.6. Ganho e figu ra de ru´ıdo do EDFA em fun¸c˜ao do comprimento de onda. A potˆencia
do laser de bombeamento (em 980 nm) foi de 110 mW, enquanto que a potˆencia de entrada do
laser sinal foi de 50 µW.
Agora, com um comprimento de onda do sinal fixo, n´os variamos a potˆencia do sinal
de entrada, e medimos o ganho e a figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao da potˆencia do sinal de
entrada. O ganho e a figura de ru´ıdo s˜ao calculados a partir das equa¸c˜oes 2.1 e 2.3.Nesta
experiˆencia, utilizamos um comprimento de onda do sinal em 1552 nm.Obombeamento
´eomesmodaexperiˆencia anterior (λ
p
=980 nm epotˆencia de 110 mW ). Pela figura 2.7a,
vemos que at´e aproximadamente -20 dBm (10 µW ) para a potˆencia de entrada o ganho
permanece praticamente o mesmo, assim como a figura de ru´ıdo. A partir deste ponto,
o ganho come¸ca diminuir e a figura de ru´ıdo come¸ca a aumentar. Isto ocorre porque
quandoosinaltemumapotˆencia alta ele destr´oi a invers˜ao de popula¸c˜ao, pois estimula
mais decaimentos de ´ıons entre os n´ıveis de amplifica¸c˜ao. Conseq¨uentemente, diminui-se
o ganho e aumenta-se a figura de ru´ıdo, de acordo com a equa¸c˜ao 2.3. Assim, quando o
2.2 amplificador a fibra dopada com
´
erbio 29
ganho ´e calculado utilizando uma potˆencia de sinal pequena, dizemos que temos o ganho
de pequeno sinal. Vemos tamb´em, no gr´afico da figura 2.7a, que os valores do ganho e
figura de ru´ıdo na potˆencia -13 dBm, assim como os valores para os mesmos no gr´afico
da figura 2.6 com o comprimento de onda em 1552 nm, concordam entre si.
Figura 2.7. (a) Ganho e figura de ru´ıdo do EDFA em fun¸c˜ao da potˆencia de entrada. (b)
Ganho e potˆencia de sa´ıda do EDFA em fun¸c˜ao da potˆencia de entrada. O comprimento de
onda do sinal foi fixado em 1552 nm eapotˆencia do laser de bom beamento foi 110 mW.
Do gr´afico da figura 2.7b, analisamos que, inicialmente, para baixas potˆencias do sinal
de entrada, a potˆencia de sa´ıda cresce com a de entrada. At´e que, com o aumento da
potˆencia de entrada, a potˆencia de sa´ıda n˜ao cresce mais, e conseq¨uentemente o ganho
diminui.
Os comportamentos do ganho e figura de ru´ıdo foram analizados, tanto em fun¸c˜ao do
comprimento de onda, como em fun¸c˜ao da potˆenciadeentrada. Nocasodaexperiˆencia
de ganho e figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao do comprimento de onda, a potˆencia de entrada de
-13 dBm (50 µW )j´aest´anaregi˜ao em que come¸ca a satura¸c˜ao do bombeamento (figura
2.7a). Assim, poder´ıamos ter maiores valores para o ganho em fun¸c˜ao do comprimento de
onda (figura 2.6) se tiv´essemos utilizado uma potˆencia menor no sinal de entrada. Este
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 30
estudo foi interessante, pois al´em de ter um car´ater introdut´orio, utilizaremos um EDFA
no FOPA, e este, far´a parte do h´ıbrido. O EDFA, como vimos, amplifica em torno de
1535 nm.
´
E em torno deste comprimento de onda que utilizaremos o bombeamento do
FOPA, como veremos na se¸c˜ao 2.4.
2.3 AMPLIFICADOR A FIBRA DOPADA COM T
´
ULIO
2.3.1 Introdu¸c˜ao
O amplificador a fibra dopada com T´ulio, ou TDFA, ´e um dos candidatos a amplificar
sinais na Banda S. O T´ulio ´e mais um dos elementos da s´erie dos lantan´ıdeos, que tem
propriedades interessantes para a fabrica¸c˜ao de lasers e amplificadores, como foi dito na
se¸c˜ao 2.2. Primeiramente proposta no ano de 1982 por B. M. Antipenko e coloboradores,
a transi¸c˜ao laser entre os n´ıveis
3
H
4
−→
3
F
4
dos ´ıons de Tm
3+
, dopados em cristais de
BaY b
2
F
8
edeLiY bF
4
, foi verificada em torno de 1470 nm [25]. Outros trabalhos foram
desenvolvidos sobre os ´ıons de Tm
3+
, como um laser de fibra fluorada multimodo dopada
com t´ulio emitindo em torno de 1480 nm, em que foi utilizado um bombeamento em 676
nm,al´em de outros [26].
Para utilizar o T´ulio como dopante na fibra ´optica, e obter conseq¨uentemente ampli-
fica¸c˜ao ´optica, dois problemas teriam que ser solucionados. O primeiro est´a relacionado
com a matriz hospedeira, pois a mesma tem que ter baixa energia de fˆonons, a fim de
evitar o decaimento n˜ao-radiativo. O outro problema est´a nos tempos de vida dos n´ıveis
de interesse
3
H
4
-
3
F
4
[6,7,8,18].
O primeiro problema, citado no par´agrafo anterior, est´a relacionado `a energia de
fˆonons da matriz onde o Tm
3+
ser´a dopado. A transi¸c˜ao de interesse ocorre entre os
n´ıveis
3
H
4
−→
3
F
4
.Os´ıons de Tm
3+
, quando excitados para o n´ıvel
3
H
4
,podemrelaxar
rapidamente para o n´ıvel
3
H
5
(ver figura-2.8) por uma relaxa¸c˜ao multifonˆonica, cobrindo
um gap de energia de 4400 cm
−1
. Assim, em matrizes hospedeiras onde a energia de
fˆonons ´e alta, a transi¸c˜ao n˜ao-radiativa passa a competir com a transi¸c˜ao radiativa de
interesse. Em fibras de s´ılica, em que a energia m´axima de fˆonons ´e da ordem de 1100
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 31
cm
−1
,s˜ao necess´arios apenas 4 fˆonons para que ocorra a relaxa¸c˜ao multifonˆonica. Desta
forma, a s´ılica n˜ao ´e uma boa matriz hospedeira para este fim. Utiliza-se a matriz de vidro
ZBLAN (ZrF
4
− BaF
2
− LaF
3
− AlF
3
− NaF
3
), em que a energia m´axima de fˆonons ´eda
ordem de 500 cm
−1
,oquerequer8fˆonons para que o decaimento n˜ao-radiativo aconte¸ca
[6,7,8,27].
Figura 2.8. N´ıveis de energia relevantes do Tm
3+
em fibras fluoradas.
As fibras de vidro ZBLAN apresentam alguns inconvenientes, dentre os quais: a n˜ao
compatibilidade com as fibras usadas em comunica¸c˜oes ´opticas (fibras de s´ılica); elas s˜ao
higrosc´opicas (sens´ıveis `a´agua); quebram-se mais facilmente que as fibras de s´ılica; seu
ponto de fus˜ao ´e da ordem de 450
◦
C, o que faz com que elas queimem facilmente se a
luz n˜ao for bem acoplada. Algumas empresas vendem o m´odulo pronto, onde as fibras
ZBLAN dopadas com T´ulio j´avˆem acopladas a fibras de s´ılica em suas extremidades
[8, 28].
O outro problema, j´a citado, est´a relacionado com os tempos de vida dos n´ıveis de
interesse e ser´a agora detalhado. Para que haja amplifica¸c˜ao entre os n´ıveis de energia
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 32
de interesse mostrados na figura 2.8, ´e necess´ario que haja invers˜ao de popula¸c˜ao entre
ambos. O tempo de vida do n´ıvel superior (
3
H
4
)´edaordemde1ms, e o tempo de vida
do n´ıvel inferior (
3
F
4
)´edaordemde10ms. Assim, se excitarmos diretamente o n´ıvel
superior a partir do estado fundamental, n˜ao haver´aainvers˜ao de popula¸c˜ao, pois como
o tempo de vida do n´ıvel superior ´emenor,os´ıons decaem rapidamente para o n´ıvel
3
F
4
,n˜ao estabelecendo-se invers˜ao de popula¸c˜ao. Em 1993, foi proposto o processo de
convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia para obter a invers˜ao de popula¸c˜ao entre os n´ıveis,
utilizando um bombeamento em 1064 nm. O processo acontece da seguinte maneira:
o bombeamento em 1064 nm excita ´ıons do estado fundamental (
3
H
6
)paraoestado
excitado (
3
H
5
), que ent˜ao decaem n˜ao-radiativamente para o estado
3
F
4
(figura 2.8). A
partir deste n´ıvel, os ´ıons s˜ao excitados para o n´ıvel
3
F
2
, de onde decaem para o n´ıvel
3
H
4
.
Assim, a invers˜ao entre o n´ıveis
3
H
4
e
3
F
4
´e satisfeita, atrav´es da absor¸c˜ao n˜ao simultˆanea
de dois f´otons. Outras propostas de bombeamento foram feitas nos anos seguintes para
se ter o processo de convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia (ex. 1410 nm). Outra t´ecnica
para se obter invers˜ao de popula¸c˜ao entre os n´ıveis seria co-dopar a fibra com ´ıons de
Ho
3+
, que por transferˆencia de energia diminuiria o tempo de vida do n´ıvel
3
F
4
dos ´ıons
de Tm
3+
[6,7,8,29].
2.3.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do TDFA
2.3.2.1 Esquemas de bombeamento :
V´arias propostas de bombeamento foram testadas para o TDFA, com um ou dois com-
primentos de onda, todas elas utilizando o processo de convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia.
Na figura 2.9a, vemos dois comprimentos de onda que podem ser utilizados como bombea-
mento no processo de convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia, 1050 nm e 1410 nm.J´ana
figura 2.9b, vemos poss´ıveis bombeamentos que podem ser utilizados juntamente com os
bombeamentos da figura 2.9a. Este bombeamento adicional, mostrado na figura 2.9b,
tem como objetivo aumentar a eficiˆencia do amplificador, pois devido `ase¸c˜ao de choque
de absor¸c˜ao do estado fundamental para 1050 nm e 1410 nm ser pequena, poucos ´ıons s˜ao
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 33
excitados para o n´ıvel superior de amplifica¸c˜ao (
3
H
4
), fazendo com que o uso de apenas
um destes bombeamentos n˜ao seja t˜ao eficiente, precisando, assim, de altas potˆencias de
bombeamento [6, 7, 8].
O processo de invers˜ao de popula¸c˜ao utilizando o bombeamento em 1050 nm ´eo
mesmo para 1064 nm, que foi explicado na se¸c˜ao anterior. Para o bombeamento em
1410 nm, a diferen¸ca com rela¸c˜ao aos bombeamentos em 1050 nm e 1064 nm ´e que n˜ao
existe a absor¸c˜ao do estado excitado a partir do n´ıvel
3
H
4
.
Figura 2.9. (a) Exemplos de dois bombeamentos por convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia. (b)
Bombeamentos a partir do estado fundamental
Para o esquema utilizando o 1550 nm como bombeamento adicional, a eficiˆencia do
TDFA ´e aumentada, pois a se¸c˜ao de choque da absor¸c˜ao do estado fundamental ´e maior
que para 1050 nm e para 1410 nm. Assim, temos mais ´ıons sendo excitados para o n´ıvel
3
F
4
e, conseq¨uentemente, mais ´ıons sendo excitados para o n´ıvel
3
H
4
. Foi mostrado que ´e
mais eficiente utilizar o bombeamento de 1410 nm do que 1050 nm,devido´aabsor¸c˜ao do
estado excitado para 1050 nm entre os n´ıveis
3
H
4
e
1
G
4
, apesar do amplificador se tornar
mais ruidoso [8, 30]. Mesmo melhorando o desempenho, os dois esquemas (1550 nm-1050
nm e 1550 nm-1410 nm) ainda possuem baixa absor¸c˜ao do estado fundamental. Usando
o bombeamento em 1240 nm no lugar do 1550 nm ,aabsor¸c˜ao do estado fundamental ´e
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 34
melhorada [6, 8, 31, 32].
Outro esquema de bombeamento que melhora a absor¸c˜ao do estado fundamental,
mantendo a popula¸c˜ao do n´ıvel
3
F
4
,´eaadi¸c˜ao do bombeamento em 800 nm aos bom-
beamentos em 1050 nm ou 1410 nm. O esquema de bombeamento duplo 800 nm-1050
nm, foi originalmente desenvolvido pelo nosso grupo de pesquisa [33, 34]. Na figura 2.10
temos o esquema de bombeamento duplo 1050 nm - 800 nm,queser´a um dos esquemas
que utilizarei para fazer a caracteriza¸c˜ao do TDFA (utilizaremos comprimentos de onda
de bombeamento em 1059 nm - 806 nm).
Figura 2.10.
´
Ions de Tm
3+
com o esquema de bombeamento duplo 1050 nm - 800 nm.
2.3.2.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do TDFA com bombeamento 806 nm e
1059 nm .
Os TDFA’s j´as˜ao amplificadores bem desenvolvidos e v´arias caracteriza¸c˜oes foram
feitas, pois ´e um amplificador muito promissor para atuar na banda S. O amplificador
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 35
Caracter´ısticas da fibra dopada com T´ulio Valores
Material hospedeiro ZBLAN
Concentra¸c˜ao de ´ıons Tm
3+
2000 ppm
Comprimento da fibra 10 m
Diˆametro do n´ucleo 2,8 µm
Diˆametro da casca 125 µm
NA–Abertura num´erica 0,238
Comprimento de onda de corte 0,88 µm
Tabela 2.2. Caracter´ısticas da fibra de T´ulio utilizada neste experimento.
TDFA constru´ıdo neste experimento se utilizou de dois bombeamentos, um em 1059 nm,
este respons´avel pelo processo de convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia, e outro em 806 nm,
que aumenta a absor¸c˜ao do estado fundamental, aumentando a eficiˆencia do mesmo.
Na figura 2.11, vemos o esquema experimental do TDFA com duplo bombeamento.
Vemos que o esquema consiste de: um laser semicondutor sintoniz´avel, utilizado como
laser sinal; dois lasers semicondutores, utilizados como bombeamentos (806 nm e 1059
nm); dois isoladores, o primeiro vindo logo ap´os o laser sinal (com o objetivo de protegˆe-lo
de poss´ıveis ondas contrapropagantes provenientes de reflex˜oes, o que poderia danificar
o laser), e outro colocado depois da fibra dopada, evitando que ondas contrapropagantes
piorassem a eficiˆencia do sistema; dois acopladores WDM, um acoplando sinal e bombea-
mento em 806 nm e o outro acoplando estes dois ao bombeamento de 1050 nm;omeio
de ganho, que ´e a fibra dopada com t´ulio, cuja caracter´ısticas est˜ao na tabela 2.2; e o
analisador de espectro ´optico (OSA), com o qual coletamos os dados.
Na figura 2.12, vemos os sinais na entrada (medidos antes do primeiro isolador - ver
figura 2.11) e sa´ıda do TDFA. Na figura tamb´em percebemos a ASE, da mesma forma
como j´a foi explicado na se¸c˜ao 2.2. A ASE tamb´em indica a banda de amplifica¸c˜ao do
sinal, cujo pico ocorre em torno de 1470 nm.
Para os c´alculos do ganho e figura de ru´ıdo, como no EDFA, foram utilizadas as
equa¸c˜oes 2.1 e 2.3.Osparˆametros das equa¸c˜oes para o c´alculo destas grandezas s˜ao
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 36
Figura 2.11. Esquema experimental do TDFA com bombeamentos 806 nm e 1059 nm.
Figura 2.12. Esp ectros d e entrada e d e sa´ıda do TDFA.
obtidos da mesma forma como descrito na se¸c˜ao 2.2, atrav´es da figura 2.4. Na figura
2.13, vemos o gr´afico do ganho e figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao do comprimento de onda,
onde todas as perdas est˜ao inclu´ıdas, pois a medida do sinal ´e feita antes e depois do
amplificador, ou seja, ´e feita a medida do ganho do amplificador, desta forma, as perdas
inseridas por todos os componentes s˜ao consideradas.
Observamos, pela figura 2.13, que o TDFA caracterizado teve um pico de ganho de
20 dB em torno de 1470 nm, com um ganho m´ınimo de 6,5 dB na regi˜ao de 1440 nm a
1515 nm. A figura de ru´ıdo teve valores que variaram entre 4,7 dB e6,8dB nessa mesma
regi˜ao.
´
E interessante notar, na mesma figura, que o comprimento de onda de m´ınimo
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 37
valor para figura de ru´ıdo n˜ao coincide com aquele do m´aximo de ganho, pois a figura de
ru´ıdo depende da potˆencia da ASE (equa¸c˜ao 2.3).
Figura 2.13. Ganho e figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao do comprimento de onda do TDFA. As
potˆencias de bombeamento em 806 nm e 1059 nm foram 30 mW e 120 mW, respectivamen te,
enquanto que a potˆencia do sinal foi fixa em 5 µW.
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 38
Depois de encontrarmos o ganho e figura de ru´ıdo para toda a banda de amplifica¸c˜ao
do TDFA, tomamos o sinal onde tivemos o pico de ganho (1470 nm) e variamos a potˆencia
de entrada para estudar a satura¸c˜ao do amplificador. Na figura 2.14a, vemos o comporta-
mento do ganho e figura de ru´ıdo com a potˆencia de entrada do sinal. Nela, percebemos
queapartirde-13dBm (50 µW ) o ganho come¸ca a saturar, pois o sinal forte destr´oi
ainvers˜ao de popula¸c˜ao, como j´a foi explicado na se¸c˜ao 2.2. A medida em que o ganho
diminui, a figura de ru´ıdo aumenta, como pode ser verificado pela equa¸c˜ao 2.3.J´ana
figura 2.14b, observamos que, assim como o EDFA, inicialmente a potˆencia de sa´ıda
cresce com a potˆencia de entrada, at´e que o ganho come¸ca a diminuir e a potˆencia de
sa´ıda satura.
Figura 2.14. (a) Ganho e figura de ru´ıdodoTDFAemfun¸c˜ao da potˆencia de entrada. (b)
Ganho e p otˆencia de sa´ıdadoTDFAemfun¸c˜ao da pot ˆencia de entrada. O comprimento de
onda do sinal ´e 1470 nm.
Fizemos tamb´em a experiˆencia com oito canais. Introduzimos na entrada do amplifi-
cador oito sinais, ou seja, oito comprimentos de onda diferentes, e estudamos o compor-
tamento de alguns canais com a presen¸ca dos outros canais adicionais. Esta experiˆencia ´e
relevante, pois ´e de interesse das comunica¸c˜oes ´opticas a multiplexa¸c˜ao por comprimento
de onda (WDM ), em que v´arios canais s˜ao inseridos em uma mesma fibra ´optica. Na
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 39
figura 2.15, vemos o esquema experimental do TDFA. O esquema experimental visto na
figura ´e diferente daquele utilizado na figura 2.11 somente no laser de entrada, pois no
presente caso temos um laser com 8 canais. Os comprimentos de onda dos canais de
entrada s˜ao 1448,00 nm, 1458,00 nm, 1468,85 nm, 1478,27 nm, 1487,8 nm, 1497,47 nm,
1507,25 nm e 1517,17 nm.
Figura 2.15. Esquema experimental do TDFA com oito canais de entrada.
Nesta experiˆencia, o esquema de bombeamento foi o mesmo da experiˆencia passada
(ver figura 2.10), assim como as potˆencias de bombeamento utilizadas foram as mesmas,
e a fibra dopada com T´ulio tem as caracter´ısticas indicadas na tabela 2.2. A figura 2.16
mostra o espectro de entrada e sa´ıda do amplificador TDFA com oito canais de entrada,
onde os oitos canais est˜ao sendo amplificados. A potˆencia de cada sinal de entrada foi
32 µW (-15 dBm).
Este experimento, tem por fim analisar a satura¸c˜ao cruzada do ganho, que ´e a mudan¸ca
do estado de satura¸c˜ao do amplificador observada em um dado canal, devida `aadi¸c˜ao de
outros canais. Atrav´es do esquema mostrado, n´os fizemos a seguinte experiˆencia: ligamos
apenas um canal (canal 1), ent˜ao calculamos, atrav´es da equa¸c˜ao 2.1, o ganho do canal
1. A seguir, adicionamos outro canal e novamente medimos o ganho do canal 1. Depois,
ligamos um terceiro canal e repetimos o procedimento, e assim sussessivamente at´eque
houvesse 8 canais ligados. Esse estudo foi feito com os canais em 1448 nm, 1468,85 nm
e 1517,17 nm.Ap´os obtermos o ganho para os canais citados, n´os fizemos o c´alculo para
obter a supress˜ao do ganho em fun¸c˜ao do n´umero de canais adicionais, ou seja, tomamos
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 40
Figura 2.16. Espectros de entrada e sa´ıda do amplificador TDFA com oito canais de entrada.
o ganho de cada um dos canais (1448 nm, 1468,85 nm e 1517,17 nm), quando t´ınhamos
de um a sete canais adicionais e subtra´ımos pelo ganho do mesmo quando n˜ao t´ınhamos
nenhum canal adicional, como pode ser visto na figura 2.17b. Vemos, pelas figuras 2.17a
e 2.17b, que a supress˜ao do ganho ´e mais acentuada para o comprimento de onda menor
(1448 nm) e menos acentuada para o maior comprimento de onda (1517,17 nm). Vemos
que, para o comprimento de onda em 1448 nm, tivemos at´equase3dB de supress˜ao
quando t´ınhamos sete canais adicionais.
Estes efeitos s˜ao causados porque quando t´ınhamos apenas um canal, o amplificador
estava no regime n˜ao saturado.
`
A medida em que aumentamos o n´umero de canais,
temos o aumento da potˆencia de entrada, e assim o amplificador passa a operar no
regime saturado, pois, como foi visto na figura 2.14a, o ganho diminui com a potˆencia de
entrada. O fato de o ganho diminuir est´a relacionado com a diminui¸c˜ao da invers˜ao de
popula¸c˜ao, pois quanto mais potˆencia mais ´ıons s˜ao estimulados para deca´ırem do n´ıvel
superior para o n´ıvel inferior [6]. O efeito ´e mais acentuado para comprimentos de onda
menores, pois estes correspondem ao n´ıvel superior da banda. Assim, quando a invers˜ao
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 41
Figura 2.17. (a) Ganho dos canais 1448 nm, 1468,85 nm e 1517,17 nm em fun¸c˜ao do n´umero
de canais adicionais. (b) Supress˜ao do ganho. As potˆencias de bombeamento em 806 nm e 1050
nm foram 30 mW e 120 mW, respectivamente.
de popula¸c˜ao ´e destru´ıda, os ´ıons da banda se redistribuem de forma que os ´ıons dos
n´ıveis mais altos da banda decaem para os n´ıveis mais baixos.
2.3.2.3 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do TDFA com ´unico bombeamento em
1050 nm :
Neste esquema do TDFA, temos apenas um bombeamento no comprimento de onda
de 1050 nm, cujo mecanismo ´e o de convers˜ao ascendente de freq¨uˆencia. Na figura
2.18, mostramos o esquema experimental do TDFA com ´unico bombeamento. Os outros
componentes s˜ao os mesmos do TDFA com bombeamento duplo, mostrado na se¸c˜ao
2.3.2.2.
Para este experimento, utilizamos uma potˆencia de bombeamento de 300 mW euma
potˆencia de sinal de -23 dBm (5 µW ). Na tabela 2.3, vemos as caracter´ısticas da fibra
dopada com Tm
3+
.
2.3 amplificador a fibra dopada com t
´
ulio 42
Figura 2.18. Esquema experimental do TDFA com bombeamento 1050 nm.
Caracter´ısticas da fibra dopada com T´ulio Valores
Material hospedeiro ZBLAN
Concentra¸c˜ao de ´ıons Tm
3+
5000 ppm
Comprimento da fibra 6 m
Diˆametro do n´ucleo 2,8 µm
Diˆametro da casca 125 µm
NA–Abertura num´erica 0,238
Comprimento de onda de corte 0,95 µm
Tabela 2.3. Caracter´ısticas da fibra de T´ulio utilizada neste experimento
Na figura 2.19, mostramos o ganho e a figura de ru´ıdo para o amplificador, para cujos
c´alculos foram utilizadas as equa¸c˜oes 2.1 e 2.3. Lembramos que o ganho encontrado
foi o ganho do amplificador, em que as potˆencias de entrada e sa´ıda foram medidas na
entrada e sa´ıda do amplificador, respectivamente. Este esquema do TDFA ser´a utilizado
no h´ıbrido, descrito no cap´ıtulo 3. Para este esquema, obtivemos um ganho m´aximo de
14 dB em torno de 1470 nm.Figuraderu´ıdo variando entre 4 dB e5dB na faixa de
1445 nm a 1510 nm,eumm´ınimo de ganho de 4,7 dB nessa mesma regi˜ao.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 43
Figura 2.19. Ganho e figura de ru´ıdodoTDFAemfun¸c˜ao do comprimento de onda, com ´unico
bombeamento em 1050 nm.Apotˆencia de bombeamento e do sinal foram de 300 mW e-23
dBm (5 µW ), respectivamente.
2.4 AMPLIFICADOR PARAM
´
ETRICO A FIBRA
´
OPTICA
2.4.1 Introdu¸c˜ao
O amplificador param´etrico a fibra ´optica, como o pr´oprio nome diz, s˜ao amplificadores
que se utilizam de processos param´etricos. Estes s˜ao desenvolvidos quando o meio n˜ao
linear age de forma passiva, mediando intera¸c˜oes entre ondas eletromagn´eticas atrav´es
da sua resposta n˜ao linear, no qual a luz induz uma modula¸c˜ao de um parˆametro do
material. A polariza¸c˜ao induzida no meio ´en˜ao linear no campo aplicado e sua magnitude
´e governada pelas suscetibilidades, conforme mostra a equa¸c˜ao 2.4, adiante. Os processos
param´etricos podem ser classificados em processos de segunda e terceira ordens. Para
as fibras ´opticas, os efeitos de segunda ordem n˜ao existem, pois, como as fibras ´opticas
s˜ao feitas de vidros de s´ılica, e esta sendo um material isotr´opico, apresenta simetria de
invers˜ao. Na pr´atica, os processos de segunda ordem (soma de freq¨uˆencia e gera¸c˜ao de
segundo harmˆonico) ocorrem devido aos efeitos de quadrupolo el´etrico e dipolo-magn´etico,
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 44
mas a eficiˆencia ´e muito baixa [7, 8, 19].
Os processos param´etricos dominantes em fibras ´opticas s˜ao os de terceira ordem, e
estes podem ser: gera¸c˜ao de terceiro harmˆonico, mistura de quatro ondas (FWM - Four
Wave Mixing) e amplifica¸c˜ao param´etrica, todos em geral envolvendo intera¸c˜ao de quatro
ondas [19]. FWM em fibras ´opticas pode ser muito eficiente para gerar novas ondas, onde
suas caracter´ısticas podem ser entendidas a partir do termo ∈
0
χ
(3)
.
.
.
E
E
E da equa¸c˜ao 2.4.
P
NL
=∈
0
χ
(1)
E + χ
(2)
:
E
E + χ
(3)
.
.
.
E
E
E
(2.4)
FWM s´o ocorre significativamente se o descasamento de fase for pr´oximo de zero.
Existem basicamente dois tipos de termos de FWM nas equa¸c˜oes para
P
NL
, um corres-
ponde ao caso onde trˆes f´otons transferem energia para um ´unico f´oton na freq¨uˆencia
ω
4
= ω
1
+ ω
2
+ ω
3
, em que este termo ´erespons´avel pela gera¸c˜ao de terceiro harmˆonico
(com ω
1
= ω
2
= ω
3
), por´em sendo pouco eficientes, pois em geral ´edif´ıcil satisfazer `a
condi¸c˜ao de casamento de fase. E o outro, dois f´otons de bombeamento s˜ao aniquilados
e outros dois f´otons s˜ao criados (ω
1
+ ω
2
= ω
3
+ ω
4
), e ´e relativamente f´acil satisfazer `a
condi¸c˜ao de casamento de fase para o caso degenerado, ou seja, ω
1
= ω
2
[19].
No FWM degenerado h´a transferˆencia de energia de uma onda de bombeamento
intensa para outras duas ondas deslocadas simetricamente no espectro, uma com a
freq¨uˆencia mais baixa e outra com freq¨uˆencia mais alta. Se apenas uma onda de bombea-
mento estiver presente na fibra ´optica, e a condi¸c˜ao de casamento de fase for satisfeita,
as novas ondas v˜ao ser geradas a partir do ru´ıdo. Mas se n´os tivermos, al´em do bombea-
mento, um sinal fraco, este vai ser amplificado ao mesmo tempo em que uma nova onda
(idler)´e gerada, processo em que o ganho respons´avel pela amplifica¸c˜ao ´eoparam´etrico
[19].
No caso de interesse, como vemos na figura 2.20 (caso degenerado), os dois f´otons de
bombeamento, ambos com freq¨uˆencia ω
p
,s˜ao aniquilados, gerando novos f´otons sinal e
idler com freq¨uˆencias ω
s
e ω
i
, respectivamente. Na intera¸c˜ao, a energia (2ω
p
= ω
s
+ ω
i
)e
omomentos˜ao conservados (2β
p
= β
s
+ β
i
). Assim, um amplificador pode ser constru´ıdo
acoplando sinal e bombeamento, ambos interagindo em uma fibra n˜ao linear, obtendo-se
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 45
amplifica¸c˜ao do sinal e convers˜ao de freq¨uˆencia.
Figura 2.20. (a) Esquema de n´ıv eis de energia da intera¸c˜ao param´etrica. (b) Esquema do
bombeamento com sinal amplificado e idler gerado.
Do ponto de vista do eletromagnetismo, podemos considerar a intera¸c˜ao entre quatro
ondas copolarizadas com freq¨uˆencias ω
1
, ω
2
, ω
3
e ω
4
. Assim, a partir das equa¸c˜oes de
Maxwell, encontramos para campos intensos:
∇
2
E −
1
c
2
∂
2
E
∂t
2
= µ
0
∂
2
P
L
∂t
2
+ µ
0
∂
2
P
NL
∂t
2
(2.5)
onde consideramos o vetor densidade de corrente
J e a densidade de carga ρ
f
sendo zero,
pois a fibra ´optica ´e um meio com ausˆencia de cargas livres, e a polariza¸c˜ao total ´edada
por:
P =
P
L
+
P
NL
(2.6)
Como os campos s˜ao copolarizados e estamos tratando de mistura de quatro ondas,
o campo total pode ser escrito como [7, 19, 20]:
E =
1
2
x
4
j=1
E
j
e
i(β
j
z−ω
j
t)
+ c.c. (2.7)
com os quatros campos sendo escritos da forma:
E
j
= A
j
(z) F
j
(x, y)(2.8)
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 46
Na equa¸c˜ao 2.8,temosqueA
j
(z)s˜ao as amplitudes complexas dos campos, F
j
(x, y)
nos fornecem os modos transversais dos campos, e ambas as equa¸c˜oes de A
j
(z)eF
j
(x, y)
s˜ao totalmente separ´aveis [7]. Assim, para simplificar, vamos omitir a parte que nos d´a
os modos dos campos.
Da mesma forma que para o campo el´etrico, escrevemos a polariza¸c˜ao n˜ao linear como
sendo [7, 19]:
P
NL
=
1
2
x
4
j=1
P
j
e
i(β
j
z−ω
j
t)
+ c.c. (2.9)
Agora, usando a equa¸c˜ao
P
L
=∈
0
χ
(1)
E, juntamente com as rela¸c˜oes ∈
0
µ
0
=1/c
2
e
n
2
=1+χ
(1)
,aequa¸c˜ao 2.5 pode ser reescrita como:
∂
2
E
∂z
2
−
n
2
c
2
∂
2
E
∂t
2
= µ
0
∂
2
P
NL
∂t
2
(2.10)
Com as equa¸c˜oes 2.8 (n˜ao considerando a parte modal (F
j
(x, y)) e 2.10,ecomarela¸c˜ao
P
NL
=∈
0
χ
(3)
.
.
.
E
E
E, e se fizermos as seguintes considera¸c˜oes: aproxima¸c˜ao de que a
amplitude dos campos el´etricos variam lentamente [7, 20]; definir que γ =
3ω
2
4
χ
(3)
8β
4
c
2
= n
2
ω
4
/c
[7]. Obtemos as equa¸c˜oes
1
para as amplitudes longitudinais dos quatros campos [7]:
dA
1
dz
= iγ
|A
1
|
2
+2
|A
2
|
2
+ | A
3
|
2
+ |A
4
|
2
A
1
+2iγA
∗
2
A
3
A
4
e
i∆βz
(2.11)
dA
2
dz
= iγ
|A
2
|
2
+2
|A
1
|
2
+ | A
3
|
2
+ |A
4
|
2
A
2
+2iγA
∗
1
A
3
A
4
e
i∆βz
(2.12)
dA
3
dz
= iγ
|A
3
|
2
+2
|A
1
|
2
+ | A
2
|
2
+ |A
4
|
2
A
3
+2iγA
∗
4
A
1
A
2
e
i∆βz
(2.13)
dA
4
dz
= iγ
|A
4
|
2
+2
|A
1
|
2
+ | A
2
|
2
+ |A
3
|
2
A
4
+2iγA
∗
3
A
1
A
2
e
i∆βz
(2.14)
onde A
1
e A
2
s˜ao as amplitudes de bombeamento e A
3
e A
4
s˜ao as amplitudes do sinal e do
idler, ao longo da fibra. Ter´ıamos γ =
ω
4
n
2
cA
ef f
,setiv´essemos inclu´ıdo os modos transversais
dos campos F
j
(x, y). Assim, a ´area efetiva modal ´e A
eff
= 1 quando n˜ao inclu´ımos a
parte modal [7]. Tamb´em aparece nas equa¸c˜oes para as amplitudes dos campos o valor
∆β,que´eocasamentodefaselinear.
1
Os termos de atenua¸c˜ao n˜ao foram considerados, mas po dem ser facilmente inclu´ıdos introduzindo
(α/2) A
j
nas equa¸c˜oes, com j =1, 2, 3 , 4.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 47
No caso de interesse, caso degenerado, como foi dito anteriormente, temos dois f´otons
de bombeamento com a mesma freq¨uˆencia, que s˜ao aniquilados e sendo outros dois f´otons
sinal e idler criados. Desta maneira, ω
1
= ω
2
= ω
p
, mas para encontrar as equa¸c˜oes para
as amplitudes n˜ao basta simplesmente fazer A
1
= A
2
= A
p
, A
3
= A
s
e A
3
= A
i
. Isso
porque nas equa¸c˜oes 2.11-2.14, quando estamos considerando o caso degenerado, ou seja,
ω
1
= ω
2
= ω
p
, novos termos de mistura de quatro ondas, antes negligenciados, passam a
ser relevantes pois degeneram. Assim, as equa¸c˜oes para as amplitudes dos campos para
o caso degenerado s˜ao, de acordo com [7, 20, 35], dadas por:
dA
p
dz
= iγ
|A
p
|
2
+2
|A
s
|
2
+ |A
i
|
2
A
p
+2iγA
∗
p
A
s
A
i
e
i∆βz
(2.15)
dA
s
dz
= iγ
|A
s
|
2
+2
|A
p
|
2
+ |A
i
|
2
A
s
+ iγA
2
p
A
∗
i
e
−i∆βz
(2.16)
dA
i
dz
= iγ
|A
i
|
2
+2
|A
p
|
2
+ | A
s
|
2
A
i
+ iγA
2
p
A
∗
s
e
−i∆βz
(2.17)
Os primeiros dois termos do membro direito das equa¸c˜oes 2.15-2.17 s˜ao respons´aveis
pela automodula¸c˜ao de fase (SPM ) e modula¸c˜ao de fase cruzada (XPM ), respectiva-
mente. O ´ultimo termo ´erespons´avel pela transferˆencia de energia entre as ondas inte-
ragentes [20].
Nas equa¸c˜oes 2.15-2.17 as amplitudes s˜ao grandezas complexas. Mas podemos escrever
as equa¸c˜oes em termos das potˆencias, que s˜ao quantidades reais. Deste modo, escrevendo
A
p,s,i
= |A
p,s,i
| e
iφ
p,s,i
=(P
p,s,s
)
1/2
e
iφ
p,s,i
e fazendo manipula¸c˜oes matem´aticas, n´os obtemos
[7, 20, 35]:
dP
p
dz
= −4γP
p
P
1/2
s
P
1/2
i
senθ (2.18)
dP
s
dz
=2γP
p
P
1/2
s
P
1/2
i
senθ (2.19)
dP
i
dz
=2γP
p
P
1/2
s
P
1/2
i
senθ (2.20)
dθ
dz
=∆β + γ
2P
p
− P
s
− P
i
+
P
p
P
1/2
i
P
1/2
s
+
P
p
P
1/2
s
P
1/2
i
− 4P
1/2
s
P
1/2
i
cosθ
(2.21)
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 48
onde
θ(z)=∆βz +2φ
p
(z) − φ
s
(z) − φ
i
(z)(2.22)
´e a diferen¸ca de fase relativa entre as quatros ondas, e φ
j
(z) inclui a fase inicial (z =0)
eafasen˜ao linear adquirida durante a propaga¸c˜ao.
O primeiro termo do membro direito da equa¸c˜ao 2.21 ´erelativo`a fase linear, e os
termos restantes descrevem a fase n˜ao linear. O termo ∆φ(t)=2ω
p
t − ω
s
t − ω
i
t,repre-
sentando a diferen¸ca de fase dependente do tempo, n˜ao aparece na equa¸c˜ao 2.22,poisele
anula-se devido `a conserva¸c˜ao de energia 2ω
p
= ω
s
+ ω
i
e`aaproxima¸c˜ao de amplitude
lentamente vari´avel [20].
Observando as equa¸c˜oes 2.18-2.21,conclu´ımos que atrav´es do controle de θ podemos
ter um amplificador param´etrico ou um atenuador param´etrico. Isso porque se θ = π/2,
o bombeamento ter´aasuapotˆencia reduzida, com a conseq¨uente transferˆencia de energia
para sinal e o idler.J´aseθ = −π/2 o contr´ario acontece, energia do sinal e idler ´e
transmitida para o bombeamento [7, 20, 35]. Um amplificador onde n´os pud´essemos
controlar a fase seria um amplificador sens´ıvel `a fase [36], o que n˜ao ´e o nosso caso, pois
n˜ao controlamos a fase, ou seja, temos um amplificador insens´ıvel `afase,pois´edif´ıcil
construir um sistema que possamos controlar e manter a fase.
Um esquema b´asico de um amplificador insens´ıvel `a fase, que ser´a o que n´os utilizare-
mos ´e visto na figura 2.21. Neste esquema, sinal e bombeamento s˜ao acoplados, e a
amplifica¸c˜ao param´etrica acontece na fibra n˜ao linear.
Figura 2.21. Esquema simplificado de um amplificador param´etrico.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 49
No amplificador insens´ıvel `afase,temosqueoidler ´e assumido como sendo zero
para z = 0. Deste modo, inicialmente teremos θ = π/2, e conseq¨uentemente, pelas
equa¸c˜oes 2.19 e 2.20,osinaleoidler come¸caram a crescer imediatamente no in´ıcio da
fibra [7, 20, 35]. Este resultado pode ser obtido atrav´es da equa¸c˜ao 2.17, onde temos que
A
i
=0paraz = 0. Desta forma obtemos,
dA
i
= iγA
∗
s
A
2
p
e
−i∆βz
dz (2.23)
ou seja, temos que o idler ´e gerado depois de uma distˆancia de propaga¸c˜ao infinitesimal
na fibra. Agora, analisando as fases da equa¸c˜ao 2.23, obtemos que:
dA
i
= iγA
∗
s
A
2
p
e
−i∆βz
dz ⇒ (2.24)
d |A
i
| e
iφ
i
= e
iπ/2
γ |A
s
| e
−iφ
s
A
2
p
e
2iφ
p
e
−i∆βz
dz ⇒ (2.25)
φ
i
= π/2 − φs +2φ
p
− ∆βz (2.26)
comparando a equa¸c˜ao 2.26 com 2.22,n´os obtemos que θ(0) = π/2. Conseq¨uentemente,
osinaleoidler come¸caram a crescer imediatamente na fibra, como j´a foi dito [7, 20, 35].
Operando na condi¸c˜ao de casamento de fase, θ(z) permanece pr´oximo de π/2. Desta
forma, o quinto termo do membro direito da equa¸c˜ao 2.21 pode ser negligenciado, e
obtemos [20, 35]:
dθ
dz
≈ ∆β + γ (2P
p
− P
s
− Pi) ≈ ∆β +2γP
p
= κ (2.27)
onde a aproxima¸c˜ao ∆β + γ (2P
p
− P
s
− Pi) ≈ ∆β +2γP
p
´e feita quando o amplificador
est´a operando no regime de n˜ao deprecia¸c˜ao do bombeamento (P
p
>> P
s
), e κ ´eo
descasamento de fase total. Assim, se κ estiver sempre pr´oximo de zero, θ fica pr´oximo
de π/2eapotˆencia ´e transferida do bombeamento para o sinal e o idler [35].
Podemos escrever ∆β da equa¸c˜ao 2.27 como em [20, 35], obtendo:
κ =∆β +2γP
p
⇒ (2.28)
κ = −
2πc
λ
2
0
dD
dλ
(λ
p
− λ
0
)(λ
p
− λ
s
)
2
+2γP
p
(2.29)
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 50
onde λ
p
,λ
s
,λ
0
s˜ao os comprimentos de onda de bombeamento, sinal e do m´ınimo de
dispers˜ao da fibra, respectivamente, e dD/dλ ´e a derivada da dispers˜ao no comprimento
de onda de dispers˜ao zero.
Analisando a equa¸c˜ao 2.29, observamos que quando λ
p
<λ
0
,∆β ser´a positivo (regi˜ao
de dispers˜ao normal). Como 2γP
p
´esemprepositivoparaafibrades´ılica, temos que o
descasamento de fase total nunca se anular´a(κ = 0), e a eficiˆencia do processo ´ebaixa. No
caso em que λ
p
>λ
0
,∆β ser´a negativo (regi˜ao de dispers˜ao anˆomala), e assim ∆β pode
compensar 2γP
p
,paratermosκ =0. Paraumλ
p
fixo, o ganho em fun¸c˜ao do comprimento
de onda do sinal ser´a formado por duas bandas laterais, uma correspondendo `a banda
sinal e a outra `a banda idler, onde o pico de cada banda acontece quando κ = 0 [7, 20, 35].
Podemos analisar tamb´em, atrav´es de 2.29, que quanto mais pr´oximo λ
p
estiver de λ
0
,
mais distante λ
s
vai estar de λ
p
para compensar 2γP
p
, deste modo teremos as bandas
laterais t˜ao mais alargadas quanto tivermos λ
p
pr´oximo do comprimento de onda de
dispers˜ao m´ınima (λ
0
).
´
E mostrado em [7, 20, 37, 38], que a partir das equa¸c˜oes 2.15-2.17, considerando um
bombeamento forte e um sinal fraco (|A
p
| >> |A
s
| , |A
i
|)
2
, podemos obter as seguintes
express˜oes:
P
s
(L)=P
s
(0)
1+
γP
p
g
sinh (gL)
2
(2.30)
P
i
(L)=P
s
(0)
γP
p
g
sinh (gL)
2
(2.31)
onde L ´e o comprimento de intera¸c˜ao da fibra e g ´e o coeficiente ganho param´etrico, dado
por g
2
=(γP
p
)
2
−
κ
2
4
= −∆β
∆β
4
+ γP
p
[7, 19, 20, 37].
Agora, escrevendo o ganho como foi escrito em ?? e utilizando 2.30:
G
s
(L)=
P
s
(L)
P
s
(0)
(2.32)
G
s
(L)=1+
γP
p
g
sinh (gL)
2
(2.33)
2
Regime de n˜ao deprecia¸c˜ao do bombeamento
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 51
onde vemos atrav´es desta equa¸c˜ao, como j´a foi discutido por interm´edio das equa¸c˜oes
2.18-2.21 e 2.27, que quando κ for zero teremos m´aximo ganho, pois quando κ =0,
teremos g m´aximo, assim G
s
tamb´em ser´am´aximo.
2.4.2 Constru¸c˜ao e caracteriza¸c˜ao do FOPA
Definida a teoria de amplifica¸c˜ao param´etrica, tanto do ponto de vista quˆantico como
do ponto de vista do eletromagnetismo cl´assico, vamos construir e caracterizar o am-
plificador param´etrico a fibra ´optica (FOPA). Amplificadores param´etricos no regime
cont´ınuo (CW )s˜ao estudados desde o final da d´ecada de 1980, mas somente em 2001
que um amplificador param´etrico a fibra ´optica no regime CW com ganho da fibra de
49 dB foi obtido [39]. Com o objetivo de conseguir amplificadores param´etricos com
ganho elevado e plano, al´em de uma banda mais larga, v´arias pesquisas vˆem sendo feitas
com diversas configura¸c˜oes destes amplificadores, com esquema de duplo bombeamento e
v´arios segmentos de fibra [40, 41]. Os FOPA’s tˆem, como grande vantagem, o fato de que
a amplifica¸c˜ao pode ser feita em qualquer banda, a depender do comprimento de onda
do bombeamento e do comprimento de onda de dispers˜ao zero da fibra.
Para caracterizar o FOPA, foi utilizado um ´unico bombeamento. N´os caracterizamos
dois FOPA’s, diferenciados pela forma de acoplamento entre sinal e o bombeamento.
No caso do primeiro FOPA mostrado, acoplamos o sinal ao bombeamento por meio
de um acoplador 90/10. No segundo caso, o acoplamento foi feito por meio de um
circulador e uma grade de Bragg a fibra. Mostraremos a caracteriza¸c˜ao de ambos, ou seja,
encontraremos ganho e figura de ru´ıdo para ambos, e depois faremos uma compara¸c˜ao.
2.4.2.1 FOPA com o bombeamento acoplado ao sinal por meio de um acoplador
90/10 :
O esquema experimental est´a mostrado na figura 2.22. O bombeamento ´e produzido
da seguinte forma: um laser sintoniz´avel (laser semente), emite um sinal no comprimento
de onda pr´oximo ao comprimento de onda de dispers˜ao nula da fibra. Depois de gerado o
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 52
sinal, ele passa por um modulador de fase, que o alarga espectralmente, com o objetivo de
diminuir o espalhamento Brillouin estimulado (SBS ). O modulador de fase ´e alimentado
por dois sinais el´etricos peri´odicos de r´adio freq¨uˆencia, que s˜ao amplificados por um
amplificador de r´adio freq¨uˆencia (ARF ). Depois do modulador de fase, o sinal passa
por um EDFA comercial, como o descrito na se¸c˜ao 2.2, onde o sinal ´eent˜ao amplificado,
saindo com potˆencias que podem chegar a 1 W.Ap´os a amplifica¸c˜ao, o sinal passa por um
filtro passa banda sintoniz´avel de 1 nm para remo¸c˜ao da ASE gerada pelo EDFA (BPF
-1nm). Desta forma, obtemos o bombeamento do FOPA, e assim sinal e bombeamento
s˜ao acoplados por um acoplador 90/10, ou seja, noventa por cento do bombeamento
s˜ao acoplados, e dez por cento do sinal s˜ao acoplados. Vemos tamb´em na figura PC’s
(controladores de polariza¸c˜ao), com o intuito maximizar a eficiˆencia do processo, pois o
processo ´e mais eficiente quando sinal e bombeamento s˜ao co-polarizados. Os isoladores
´opticos s˜ao utilizados para suprimir a luz contra-propagante proveniente de reflex˜oes.
Figura 2.22. Esquema experimental do FOPA, onde vemos: PC - controladores de polariza¸c˜ao;
ISO - isoladores; Acc - acoplador 90/10; PM - modulador de fase; RF - r´adio freq¨uˆencia; ARF -
amplificador de r´adio freq¨uˆencia; EDFA - amplificador a fibra dopada com
´
Erbio; BPF (1 nm)
- filtro passa banda de 1 nm; HNLF - fibra altamente n˜ao linear; OSA - analisador de espectro
´optico.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 53
Primeiramente, no experimento ajustamos as r´adio freq¨uˆencias para termos um m´ınimo
de SBS, pois ele faz com que o bombeamento seja retroespalhado, afetando o processo
de amplifica¸c˜ao param´etrica. O ajuste ´e feito da seguinte forma: com o laser sinal desli-
gado, ligamos o laser semente, o EDFA e o modulador de fase, juntamente com as r´adio
freq¨uˆencias e seus amplificadores. Ent˜ao, medimos onde a seta vermelha est´a indicando
(figura 2.22), a potˆencia que retorna. Assim, vamos mudando os valores para as r´adio
freq¨uˆencias, de modo a obter o m´ınimo de potˆencia retroespalhada por SBS.Valeapena
salientar que o sinal proveniente do laser semente ´e alargado pelo modulador de fase,
inserindo no sinal uma fase adicional. Alargando espectralmente o sinal, aumentamos o
limiar de SBS [7, 42].
Encontradas as freq¨uˆencias que minimizam o SBS, obteremos o ganho e a figura de
ru´ıdo para o amplificador. As equa¸c˜oes utilizadas para o c´alculo do ganho e figura de
ru´ıdo s˜ao [43, 44]:
G
dB
=10log
10
P
saida
− P
PF
P
entrada
− P
SSE
(2.34)
onde vemos que a equa¸c˜ao para o ganho do FOPA ´e igual a dos EDFA e TDFA (2.1), a
menos do subscrito PF, que significa fluorescˆencia param´etrica em vez da ASE (emiss˜ao
espontˆanea amplificada). A figura de ru´ıdo ´e dada por [43, 44]:
NF
dB
=10log
10
2P
PF
hν∆νG
+
1
G
(2.35)
onde vemos que a diferen¸ca para o c´alculo da figura de ru´ıdodoEDFAeTDFA´eque
agora, al´em da ASE passar a ser PF (fluorescˆencia param´etrica)
3
,n´os temos um fator
de 2 multiplicando a potˆencia da fluorescˆencia param´etrica. Isso se deve ao fato de que
agora, diferentemente dos amplificadores a fibra dopada, o ru´ıdo ´e predominantemente
co-polarizado com sinal e o bombeamento [43].
Na tabela 2.4, temos as principais caracter´ısticas da fibra altamente n˜ao linear. E na
figura 2.23 vemos o espectro do FOPA, onde vemos sinal amplificado e idler gerado. O
3
AFP´e medida da mesma forma que a ASE, como foi mostrado na se¸c˜ao 2.2.1.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 54
Caracter´ısticas da fibra altamente n˜ao linear (HNLF ) Valores
Coeficiente n˜ao linear - γ 11,9 W
−1
km
−1
Comprimento da fibra - L 0,480 km
´
Area modal effetiva - A
eff
10,3 µm
2
Atenua¸c˜ao - α 0,55 dB/km
Comprimento de onda de dispers˜ao nula - λ
0
1531 nm
Tabela 2.4. Caracter´ısticas da fibra altamente n˜ao linear (HNLF ).
sinal forte no centro ´e o bombeamento. Tamb´em s˜ao mostradas as bandas de amplifica¸c˜ao
sim´etricas ao bombeamento.
Figura 2.23. Espectro caracter´ıstico de sa´ıda do FOPA
Na figura 2.24, temos o ganho da fibra
4
, bem como a figura de ru´ıdo, para v´arias
potˆencias de bombeamento
5
. O comprimento de onda de bombeamento utilizado foi λ
p
=
1535nm,pr´oximo do comprimento de onda de dispers˜ao nula da fibra (λ
0
= 1531nm),
4
Lembrando que o ganho da fibra ´e o ganho calculado a partir das potˆencias de entrada e sa´ıda da
fibra (HNLF ).
5
As medidas das potˆencias de bo mbeamento foram feitas na entr ada da fibra altamente n˜ao linear
(HNLF ), com o laser sinal desligado.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 55
como mostra a tabela 2.4. Utilizamos uma potˆencia de sinal, medida na entrada da fibra
altamente n˜ao linear (HNLF ), de -35 dBm (0,3 µW ). As r´adio freq¨uˆencias utilizadas para
este experimento foram aproximadamente de 600 MHz e 1700 MHz.
Figura 2.24. Ganho da fibra e figura de ru´ıdo do FOPA em fun¸c˜ao do comprimento d e onda
para v´arias potˆencias de bombeamento: (a) 430 mW, (b) 540 mW e (c) 680 mW. O comprimento
de bom beamento foi de 1535 nm,eapotˆencia de sinal na entrada de 0,3 µW.
Observamos, atrav´es das figuras 2.24(a), (b) e (c), que o FOPA fornece um ganho
n˜ao planar. O pico de ganho ocorre onde temos casamento de fase total (κ =0). Vemos
tamb´em, que a figura de ru´ıdo ´ebemsim´etrica ao ganho. Ganho de at´e30dB foi
observado, al´em de figura de ru´ıdo com um m´ınimo em torno de 4,5 dB.
Para o FOPA, al´em de encontrarmos ganho e figura de ru´ıdo (como feito nos EDFA e
TDFA), ´e importante encontrarmos a eficiˆencia com que ele gera o idler. Essa eficiˆencia
´e chamada de eficiˆencia de convers˜ao, e ´earaz˜ao da potˆencia do idler sobre a potˆencia
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 56
do sinal de entrada, sendo calculada a partir da equa¸c˜ao 2.36:
E
dB
=10log
10
P
idler
− P
PF
P
entrada
− P
SSE
(2.36)
Na figura 2.25(b), mostramos a eficiˆencia de convers˜ao para v´arias potˆencias de
bombeamento. Na figura 2.25(a) ´e mostrado, a t´ıtulo de compara¸c˜ao, o ganho para
essas mesmas potˆencias de bombeamento (como j´a foi mostrado na figura 2.24). Ve-
mos uma boa correspondˆencia entre os gr´aficos de ganho e eficiˆencia de convers˜ao, o que
mostra que, al´em de bom amplificador, o FOPA ´e um bom conversor de comprimento de
onda.
Figura 2.25. Na figura (a) temos os ganhos em v´arias potˆencias de bombeamento (430 mW,
triˆangulos; 540 mW, quadrados; 680 mW,c´ırculos) sobrepostos, e em (b) vemos a eficiˆencia de
con vers˜ao para estas mesmas potˆencias de bomb eamento. O comprimento de onda de bombea-
mento utilizado foi de 1535 nm,eapotˆencia do sinal de entrada foi de 0,3 µW.
Outra experiˆencia realizada foi a de variar o comprimento de onda de bombeamento.
Como dito anteriormente, atrav´es da equa¸c˜ao 2.29, quando aproximamos o comprimento
de onda de bombeamento do comprimento de onda de dispers˜ao nula da fibra, a banda
de amplifica¸c˜ao fica cada mais vez alargada. Assim, atrav´es do esquema experimental
mostrado na figura 2.22, variamos o comprimento de onda de bombeamento, calculando
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 57
o ganho da fibra em fun¸c˜ao do comprimento de onda do sinal para cada comprimento
de onda de bombeamento (λ’s ⇒ 1535 nm, 1538 nm e 1542 nm). Vemos, pela figura
2.26, que quanto mais nos afastamos do comprimento de onda de dispers˜ao nula, a banda
de ganho diminui, ou seja, a banda de ganho ´e maior para λ
p
= 1535nm emenorpara
λ
p
= 1542nm.
Figura 2.26. Ganho em fun¸c˜ao do comprimento de onda, para diversos comprimentos de onda
de bombeamento (λ
s ⇒ 1535 nm, 1538 nm e 1542 nm), a potˆencia de bombeamento foi P
p
=540
mW.Om´ınimo de dispers˜ao da fibra ´e em torno de 1531 nm.
2.4.2.2 FOPA com o bombeamento acoplado ao sinal por meio do circulador
e grade de Bragg a fibra :
Agora, caracterizamos um FOPA com um esquema experimental muito parecido com
o anterior, com a diferen¸ca na forma do acoplamento do sinal ao bombeamento. Neste
esquema, o sinal ´e acoplado ao bombeamento atrav´es de um circulador ´optico e uma
grade de Bragg a fibra. O acoplamento ocorre da seguinte forma (ver figura 2.27): o sinal
de bombeamento (sintozinado em torno do m´aximo de reflex˜ao da FBG) ´e rotacionado
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 58
pelo circulador da porta 1 para a 2. Assim, o bombeamento ´e refletido pela FBG (reflex˜ao
em torno de 1534,86 nm), e ent˜ao ´e enviado pelo circulador da porta 2 para a 3. Como a
FBG tem uma largura de reflex˜ao em torno de 0,2 nm, em torno de 1534,86 nm, qualquer
comprimento de onda de sinal fora desta faixa passar´a totalmente pela FBG, e ent˜ao ser´a
rotacionado pelo circulador da porta 2 para a 3, de forma que sinal e bombeamento s˜ao
acoplados.
Figura 2.27. Acoplamento sinal - bombeamento, por meio de um circulador e uma FBG.
O esquema experimental deste novo FOPA est´a mostrado na figura 2.28, onde vemos
o acoplamento que foi descrito acima. Os outros componentes, bem como sua fun¸c˜ao,
j´a foram descritos anteriormente.
´
E importante lembrar que, antes de fazer as medi-
das, devemos ajustar as freq¨uˆencias de modo que tenhamos o m´ınimo de SBS.Asr´adio
freq¨uˆencias encontradas neste experimento foram 500 MHz e 1900 MHz.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 59
Figura 2.28. Esquema experimental, onde vemos que o acoplamen to sinal e bombeamento ´e
feito atrav´es da FBG e o circulador.
Paraoc´alculo do ganho, figura de ru´ıdo e eficiˆencia de convers˜ao, utilizamos as
equa¸c˜oes 2.34, 2.35 e 2.36, respectivamente. Na figura 2.29(a), vemos o ganho da fibra e
a figura de ru´ıdo, e na figura 2.29(b) temos a eficiˆencia de convers˜ao e a figura de ru´ıdo.
Aqui, a figura de ru´ıdo foi calculada para a eficiˆencia de convers˜ao, ou seja, na equa¸c˜ao
2.35, em vez do ganho colocamos a eficiˆencia de convers˜ao, e no lugar da P
PF
do sinal
amplificado, usamos a P
PF
do idler gerado.
Ganho m´aximo e m´ınimo em torno 22 dB e3,3dB, respectivamente, foram observados
na regi˜ao entre 1510 nm e 1530 nm,Al´em de figura de ru´ıdo m´ınima de 4 dB.
2.4 amplificador param
´
etrico a fibra
´
optica 60
Figura 2.29. Na figura (a) temos ganho e figura de ru´ıdo, e em (b) vemos a eficiˆencia de
con vers˜ao e a sua figura de ru´ıdo. O comprimento de onda e a potˆencia de bombeamento s˜ao
respectivamen te, λ
p
= 1534, 86nm e P
p
=560 mW,apotˆencia do sinal de entrada ´e-37dBm
(0,18 mW ).
Vamos calcular agora o ganho do amplificador para ambos os FOPA’s. O ganho do
amplificador ´etamb´em calculado pela equa¸c˜ao 2.34, com a diferen¸ca que antes, no ganho
da fibra, n´os medimos o sinal de entrada, na entrada da fibra n˜ao linear, e agora para o
ganho do amplificador a potˆencia do sinal de entrada ´e medida imediatamente na sa´ıda do
laser sinal, ou seja, potˆencia na entrada do amplificador. Na figura 2.30, vemos `aesquerda
as figuras simplificadas de ambos os amplificadores, onde o FOPA com o acoplamento
pormeiodocirculadoredaFBG´e chamado de FOPA1, e o com acoplamento feito com
o acoplador 90/10 ´e chamado de FOPA2. Nesta figura, vemos claramente que o FOPA1
tem um ganho do amplificador maior (em torno de 10 dB) que o FOPA2, isso se devendo
ao fato de que no FOPA2, quando o sinal ´e acoplado ao bombeamento por meio do
acoplador 90/10, somente dez por cento do sinal s˜ao acoplados.
2.5 outros amplificadores
´
opticos 61
Figura 2.30. A esquerda temos os esquemas simplificados dos FOPA’s, e a direita mostramos
acompara¸c˜ao dos ganhos do amplificadores
2.5 OUTROS AMPLIFICADORES
´
OPTICOS
Al´em dos amplificadores ´opticos descritos acima, existem outros amplificadores de-
senvolvidos. Nesta se¸c˜ao, descreverei alguns amplificadores.
2.5.1 Amplificador Raman a fibra
OSRS(espalhamento Raman estimulado)´eoprinc´ıpio b´asico para a amplifica¸c˜ao dos
ARF (Amplifcador Raman a Fibra). A diferen¸ca entre o SRS e a emiss˜ao estimulada dos
amplificadores a fibra dopada com terra raras, ´e que na emiss˜ao estimulada, um f´oton
sinal incidente ´e capaz de gerar outro f´oton com a mesma energia, enquanto que para o
espalhamento Raman estimulado, um f´oton de bombeamento incidente pode gerar um
f´oton com energia reduzida e criar um fˆonon ´optico (ver figura 2.31).
Na figura 2.32, temos o espectro de ganho Raman em fun¸c˜ao da freq¨uˆencia, para um
fibra de s´ılica com um bombeamento em 1000 nm.OdeslocamentoRaman´e a diferen¸ca
entre a freq¨uˆencia de bombeamento e a de sinal, tamb´em chamada de deslocamento
2.5 outros amplificadores
´
opticos 62
Figura 2.31. Esquema ilustrando o espalhamento Raman estimulado
Stokes. Em geral, o ganho Raman depende da composi¸c˜ao do n´ucleo da fibra, podendo
variar significativamente com diferentes dopantes. O ganho Raman em fibras de s´ılica se
estende por quase 40 THz, com pico pr´oximo a 13,2 THz [9, 45].
Umas das vantagens do ARF ´e que o ganho Raman pode ocorrer em qualquer fibra, e
escolhendo um comprimento de onda de bombeamento apropriado podemos obter ganho
Raman para qualquer comprimento de onda, pois o f´oton de bombeamento excita o
sistema para um n´ıvel virtual. Os amplificadores Raman diferem dos amplificadores
a fibra dopada com terras raras, porque nestes ´e necess´ario a fabrica¸c˜ao de uma fibra
especial, e os comprimentos de onda do sinal e bombeamento s˜ao determinados pelos
n´ıveis de energia ressonantes do
´
Erbio [45].
Na figura 2.33, temos um esquema de amplificadores Raman, em que vemos o sinal se
propagando do transmissor at´e o receptor. Observamos dois tipos de bombeamento, o co-
propagante, ou seja, o bombeamento na mesma dire¸c˜ao do sinal, e o contra-propagante,
no qual o bombeamento viaja na dire¸c˜ao contr´ariaadosinal. Este´ultimo ´eomais
empregado. A amplifica¸c˜ao ocorre da seguinte forma: com sinal e bombeamento presentes
na fibra, um f´oton de bombeamento ´e aniquilado, e outro f´oton com freq¨uˆencia menor
2.5 outros amplificadores
´
opticos 63
Figura 2.32. Ganho Raman para s´ılica.
juntamente com um fˆonon, ´e gerado. Para o sinal ser amplificado, a diferen¸ca entre as
freq¨uˆencias de bombeamento e sinal tem que estar dentro da largura de banda de ganho
Raman, como mostra a figura 2.32.
Existem basicamente dois tipos de amplificadores Raman a fibra: os amplificadores
discretos e os distribu´ıdos. Nos amplificadores discretos, o processo de amplifica¸c˜ao ocorre
tipicamente em alguns quilˆometros de fibra (5 km), utilizando unidades discretas de
fibras empacotadas. Estas fibras s˜ao geralmente fibras compensadoras de dispers˜ao, com
n´ucleos menores do que os de uma fibra padr˜ao, e maior coeficiente de n˜ao linearidade.
J´a os amplificadores distribu´ıdos utilizam de parte da linha de transmiss˜ao para efetuar
a amplifica¸c˜ao do sinal, usando em torno de 40 km [45].
2.5 outros amplificadores
´
opticos 64
Figura 2.33. Esquema de amplifica¸c˜ao Raman com bombeamentos co-propagante e contra-
propagante.
As equa¸c˜oes que governam a propaga¸c˜ao da potˆencia do sinal e bombeamento ao longo
da fibra para amplifica¸c˜ao Raman podem ser escritas como [45]:
dP
s
dz
= g
R
P
p
P
s
− α
s
P
s
(2.37)
±
dP
p
dz
= −
w
p
w
s
g
R
P
p
P
s
− α
p
P
p
(2.38)
onde P
p,s
s˜ao as potˆencias de bombeamento e sinal, α
p,s
s˜ao as atenua¸c˜oes do bombea-
mento e sinal, ω
p,s
s˜ao as freq¨uˆencias do bombeamento e sinal e g
R
´e o ganho Raman.
Um dos problemas dos amplificadores Raman ´e a necessidade de alta potˆencia de
bombeamento, mas com o desenvolvimento de lasers de diodo de alta potˆencia eles pas-
saram a ser mais explorados [8]. Os amplificadores Raman s˜ao muito utilizados para
complementar os amplificadores a fibra dopada com terras raras [6].
2.5 outros amplificadores
´
opticos 65
2.5.2 Amplificador ´optico de semicondutor
Desde 1962, com a inven¸c˜ao dos lasers de semicondutor, pesquisa-se sobre amplifi-
cadores ´opticos semicondutores, mas somente da d´ecada de 80 eles foram desenvolvidos
[9, 15]. Com o advento dos amplificadores a fibra dopada com terras raras e Raman, os
amplificadores ´opticos semicondutores (SOA)s˜ao raramente usados para compensa¸c˜ao
de perdas [15].
Os amplificadores ´opticos de semicondutores podem funcionar de duas formas. Uma
forma, ´e considerando que, a partir de lasers semicondutores, s˜ao retiradas as suas re-
flex˜oes de realimenta¸c˜ao. E isso pode ser feito colocando superf´ıcies antirefletoras nas
faces do semicondutor. Outra forma de obter amplificadores ´opticos de semicondutor ´e
utilizando as m´ultiplas reflex˜oes nas faces, trabalhando logo abaixo do limiar de potˆencia,
sendo, assim, ele considerado um amplificador Fabry-Perot [6, 8].
Devido a sua sensibilidade `a polariza¸c˜ao, o ganho destes amplificadores ´e diferente para
os modos transversais el´etrico (TE) e magn´etico (TM), sendo estas diferen¸cas tipicamente
entre 5 e 8 dB. Muitos esquemas vˆem sendo desenvolvidos para reduzir a sensibilidade
`a polariza¸c˜ao. Com a largura e espessura da regi˜ao ativa compar´aveis, pode-se reduzir
a sensibilidade `a polariza¸c˜ao, e uma diferen¸ca de menos de 1,3 dB entre as polariza¸c˜oes
TE e TM foi conseguida. O uso de dois amplificadores, ou duas passagens atrav´es do
mesmo amplificador s˜ao esquemas que tamb´em reduzem a sensibilidade dos SOA’s com
a polariza¸c˜ao. Nos esquemas de uso de dois amplificadores, os mesmos s˜ao posicionados
de forma que estejam fazendo um ˆangulo de 90
◦
entre si, e s˜ao colocados em s´erie ou em
paralelo [9, 15].
Os SOA’s podem ser usados como pr´e-amplificador (ver figura 1.10), desde que se
permita integra¸c˜ao monol´ıtica do SOA com o receptor. Apesar de n˜ao serem pr´e-
amplificadores ideais, pois tamb´em degradam a rela¸c˜ao sinal ru´ıdo, eles podem ser usados
para melhorar sensibilidade dos receptores. Os SOA’s podem ser usados como amplifi-
cadores de potˆencia para elevar a potˆencia de transmiss˜ao. E tˆem sido empregados para
superar perdas de distribui¸c˜oes em redes locais (LAN). Os SOA’s tamb´em s˜ao usados
como conversores de comprimento de onda, atuando como chaveador para roteamento de
2.5 outros amplificadores
´
opticos 66
comprimentos de onda. Al´em dos problemas j´a citados, os SOA’s tˆem baixa capacidade
de suportar v´arios canais, devido ao seu tempo de resposta [8, 9].
2.5.3 Amplificador a fibra dopada com Praseod´ımio
Os amplificadores a fibra dopada com Praseod´ımio (PDFA) funcionam na regi˜ao de
1300 nm. Antes do desenvolvimento de lasers semicondutores que emitissem na regi˜ao
de 1550 nm,v´arios sistemas foram implantados na regi˜ao de 1300 nm. Assim, amplifi-
cadores foram desenvolvidos para operar nesta regi˜ao [6], mais que ainda n˜ao obtiveram
o sucesso comercial do EFDA, sendo um dos fatores para tal, o fato de que eles tˆem baixa
eficiˆencia, ou seja, s˜ao necess´arias altas potˆencias de bombeamento para se obter ganhos
consider´aveis [1].
Na figura 2.34, mostramos alguns dos n´ıveis de energia do Pr
3+
, onde a transi¸c˜ao
em 1300 nm ocorre entre os n´ıveis
1
G
4
e
3
H
5
. Para fibras de s´ılica, o tempo de vida do
n´ıvel superior de amplifica¸c˜ao (
1
G
4
)´e muito curto, e n˜ao ´eobtidainvers˜ao de popula¸c˜ao
suficiente entre os n´ıveis
1
G
4
e
3
H
5
.Istosedevearelaxa¸c˜oes n˜ao-radiativas do n´ıvel
1
G
4
para os n´ıveis
3
F
4
,
3
F
3
e
3
F
2
.Umasolu¸c˜ao ´e utilizar fibras de composi¸c˜ao ZBLAN, como
utilizado nos TDFA’s (2.3.1). O primeiro PDFA foi demonstrado por Ohishi e colabo-
radores. Ganhos que variam de 28 a 40 dB foram demonstrados com alguns esquemas de
bombeamento [1].
2.5 outros amplificadores
´
opticos 67
Figura 2.34. N´ıveis de energia do Pr
3+
, onde o corre a emiss˜ao em 1300 nm.
2.5.4 Amplificador a fibra dopada com Neod´ımio
Os amplificadores a fibra dopada Neod´ımio (NDFA) foram os primeiros candidatos
para amplificar na regi˜ao de 1300 nm, mas os NDFA tˆem alguns problemas. Eles nunca
forneceram ganhos apropriados na regi˜ao de comprimento de onda de interesse, apesar
de poderem ser bombeados com comprimento de onda de 800 nm, onde existem diodos
de alta potˆencia [1].
Outro problema dos NDFA’s ´e a competi¸c˜ao entre a transi¸c˜ao em 1050 nm (
4
F
3/2
-
4
I
11/2
) e a transi¸c˜ao de interesse
4
F
3/2
-
4
I
13/2
, como mostrado na figura 2.35, pois a se¸c˜ao
de choque para a transi¸c˜ao em 1050 nm ´e maior que a da transi¸c˜ao de interesse. Desta
forma, o ganho em 1050 nm pode suprimir a transi¸c˜ao desejada [1]. Utilizando t´ecnicas
de supress˜ao do ganho em 1050 nm,pode-seobterat´e10dB de ganho em 1300 nm [46].
2.5 outros amplificadores
´
opticos 68
Figura 2.35. N´ıveis de energia do Nd
3+
, onde indicamos as transi¸c˜oes em 1050 e 1340 nm.
Neste cap´ıtulo, foram apresentados diversos tipos de amplificadores. Amplificadores
individuais que v˜ao compor o h´ıbrido foram descritos e caracterizados. A caracteriza¸c˜ao
do EDFA foi importante, pois apesar de n˜ao ser este o EDFA que utilizei no FOPA,
ela nos d´a um maior entendimento do processo. Fiz a caracteriza¸c˜ao de dois esquemas
do TDFA, uma com duplo bombeamento e outra com ´unico bombeamento, sendo este
´ultimo o que utilizarei no h´ıbrido. No FOPA, tamb´em fiz a caracteriza¸c˜ao de dois esque-
mas, a diferenciar pela forma de acoplamento entre sinal e bombeamento. Vimos que o
acoplamento por meio do circulador e a FBG tem um melhor desempenho que o 90/10,
eser´a este que utilizarei. Uma breve introdu¸c˜ao tamb´em foi apresentada a respeito de
outros amplificadores.
CAP
´
ITULO 3
AMPLIFICADOR H
´
IBRIDO TDFA/FOPA
3.1 INTRODUC¸
˜
AO
Diversas pesquisas est˜ao sendo feitas para o desenvolvimento de amplificadores para
a banda S. Entre os amplificadores ´opticos promissores para esta banda utilizando como
meio ativo uma fibra, destacamos os amplificadores Raman, amplificadores com fibra
dopada com T´ulio (Tm
3+
), TDFA e os amplificadores param´etricos a fibra ´optica, FOPA.
Os amplificadores param´etricos a fibra ´optica (se¸c˜ao 2.4) s˜ao amplificadores que, al´em de
amplificar o sinal ´optico, tamb´em possibilitam a convers˜ao de comprimento de onda.
Para alargar a banda de ganho de amplificadores ´opticos, amplificadores h´ıbridos tˆem
sido estudados [47, 48, 49]. Amplificadores h´ıbridos consistem da combina¸c˜ao em s´erie ou
paralelo de diferentes amplificadores ´opticos, como os que foram descritos no cap´ıtulo 2.
Cada amplificador gera ganho numa regi˜ao de comprimento de onda diferente, fornecendo
uma regi˜ao espectral mais larga para amplifica¸c˜ao.
Os amplificadores h´ıbridos em paralelo operam atrav´es da demultiplexa¸c˜ao e mul-
tiplexa¸c˜ao dos canais das diversas bandas. Nesta configura¸c˜ao, os sinais s˜ao separa-
dos atrav´es do demultiplexador e s˜ao enviados para amplificadores espec´ıficos para cada
banda. Depois de amplificados, os sinais de todas as bandas s˜ao multiplexados. A figura
3.1 mostra este processo, para a amplifica¸c˜ao em trˆes bandas diferentes, chamadas arbi-
trariamente de A, B e C. Largura de banda de ganho acima de 100 nm ´e demonstrada
para este tipo de configura¸c˜ao [50].
Os amplificadores h´ıbridos em s´erie s˜ao constru´ıdos a partir de amplificadores ´opticos
simples, como os descritos no cap´ıtulo 2. O arranjo experimental ´e basicamente como
ilustra a figura 3.2: amplificadores s˜ao dispostos em s´erie de forma que cada amplificador
69
3.1 introduc¸
˜
ao 70
Figura 3.1. Esquema b´asico de amplificador h´ıbrido em paralelo.
opera em uma regi˜ao de comprimento de onda diferente, representadas por A,B e C. Os
amplificadores h´ıbridos em s´erie tˆem a vantagem de se utilizarem de um menor n´umero
de componentes com rela¸c˜ao aos amplificadores h´ıbridos em paralelo.
Figura 3.2. Esquema b´asico de um amplificador h´ıbrido em s´erie.
Neste cap´ıtulo, apresentamos um amplificador h´ıbrido e conversor de comprimento
de onda operando simultaneamente, consistindo dos m´odulos TDFA e FOPA colocados
em s´erie. Estudamos os m´odulos individuais, suas contribui¸c˜oes no sistema h´ıbrido, e o
desempenho de todo o amplificador.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 71
3.2 CONSTRUC¸
˜
AO E CARACTERIZAC¸
˜
AO DO H
´
IBRIDO TDFA/FOPA
3.2.1 H´ıbrido com sinais na banda S
O amplificador h´ıbrido TDFA/FOPA constru´ıdo e caracterizado neste trabalho, como
j´a foi dito, consiste da configura¸c˜ao em s´erie dos amplificadores TDFA e FOPA. O
esquema utilizado para TDFA foi o descrito na se¸c˜ao 2.3.2.3, onde temos apenas um
bombeamento em 1050 nm,poisainten¸c˜ao ´e construir um amplificador com um m´ınimo
de componentes. O FOPA utilizado foi o descrito na se¸c˜ao 2.4.2.2.
Vimos que o TDFA da se¸c˜ao 2.3.2.3 tem uma banda de amplifica¸c˜ao compreendida
entre 1445 a 1505 nm.J´anase¸c˜ao 2.4.2.2, vimos que o FOPA tem uma banda de
amplifica¸c˜ao de aproximadamente 1510 a 1560 nm. O interessante de juntar estes dois
amplificadores ´e que a banda ganho do TDFA termina quando a banda de ganho do FOPA
come¸ca, como vimos nas se¸c˜oes 2.3.2.3 e 2.4.2.2. Al´em disso, como o FOPA possibilita
aconvers˜ao de comprimento de onda, como visto na se¸c˜ao 2.4, podemos estudar como o
h´ıbrido vai se comportar com rela¸c˜ao `aconvers˜ao de comprimento de onda.
O esquema experimental para o h´ıbrido TDFA/FOPA est´a mostrado na figura 3.3,
e consiste das seguintes etapas: a radia¸c˜ao proveniente do laser sinal ´e primeiramente
acoplada por um WDM (1470/1050) ao bombeamento em 1050 nm do TDFA, onde
ocorre a primeira etapa de amplifica¸c˜ao; ap´os o sinal ser amplificado pelo TDFA, ele ´e
acoplado ao bombeamento do FOPA, atrav´es do circulador e da FBG. Ent˜ao, o sinal e
o bombeamento do FOPA s˜ao acoplados na fibra n˜ao linear. As caracter´ısticas da fibra
dopada com T´ulio e a fibra n˜ao linear est˜ao mostradas nas tabelas 2.3 e 2.4, respectiva-
mente. O c´alculo do ganho, figura de ru´ıdo e eficiˆencia de convers˜ao ser˜ao feitos atrav´es
das equa¸c˜oes 2.34, 2.35 e 2.36, respectivamente, exceto no caso em que teremos apenas
o TDFA ligado, onde calcularemos ganho e a figura de ru´ıdo atrav´es das equa¸c˜oes 2.1 e
2.3.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 72
Figura 3.3. Esquema experimental do h´ıbrido TDFA/FOPA.
Primeiramente, obtemos os desempenhos individuais dos amplificadores TDFA e FOPA
no h´ıbrido. Assim, primeiro ligamos somente o bombeamento do TDFA. A potˆencia de
bombeamento utilizada foi P
p
= 300 mW em 1050 nm eapotˆencia do sinal foi de -23
dBm (5 µW ), medida antes do isolador, logo ap´os do laser sinal. Nessa situa¸c˜ao, basi-
camente temos o TDFA da se¸c˜ao 2.3.2.3, acrescido das perdas inseridas pelos circulador,
FBG e fibra n˜ao linear, de forma que estas perdas s˜ao de aproximadamente 2 dB.Na
figura 3.4 mostramos o desempenho do TDFA no h´ıbrido, ganho e figura de ru´ıdo s˜ao
mostrados. Nela vemos que, um ganho m´aximo de aproximadamente 12 dB em torno de
1470 nm foi obtido, al´em de uma figura de ru´ıdo de 4 dB neste mesmo comprimento de
onda.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 73
Figura 3.4. Desempenho do TDFA no h´ıbrido, ganho e figura de ru´ıdo em fun¸c˜ao do com-
primen to de onda. O comprimento de onda de bom beamen to foi de 1050 nm, enquanto que a
potˆencia de bombeamento foi de 300 mW. Para o laser sinal, a potˆencia foi ajustada em 5 µW.
O desempenho do FOPA no h´ıbrido ´e mostrado na figura 3.5, onde somente o bombea-
mento do FOPA foi ligado. A potˆencia de bombeamento utilizada foi P
p
= 590 mW em
1534,86 nm,apotˆencia do sinal foi de -23 dBm (5 µW ). Lembrando que antes devemos
ajustar as freq¨uˆencias que alimentam o modulador de fase, para minimizar os efeitos do
espalhamento Brillouin. Neste experimento, as freq¨uˆencias utilizadas foram 500 e 1900
MHz.
Observamos, pela figura 3.5a, que na regi˜ao onde o TDFA amplifica (aproximadamente
1450 a 1500 nm) o ganho foi negativo, pois nesta regi˜aooFOPAn˜ao gera ganho e como
os componentes s˜ao fontes de perdas, a potˆencia de sa´ıda ´emenorqueadeentrada.
Vale ressaltar que o c´alculo da figura de ru´ıdo para a eficiˆencia de convers˜ao mostrada na
figura 3.5b foi feito a partir da equa¸c˜ao 2.35 com as devidas modifica¸c˜oes, como descrito
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 74
na se¸c˜ao 2.4.2.2.
Figura 3.5. Ganho e figura de ru´ıdo s˜ao mostrados na figura (a). Em (b) temos a eficiˆencia
de convers˜ao e a figura de ru´ıdo. O comprimento de onda de bombeamento foi de 1534,86 nm,
epotˆencia de bom beamento foi de 590 mW.Apotˆencia do sinal de entrada foi de 5 µW.
Vemos, pela figura 3.5a que na regi˜ao de 1410 a 1505 nm, tivemos perdas em torno
de 10 dB, isto se deve aos componentes (acoplador 1470/1050, fibra dopada com T´ulio,
isoladores). Nesta mesma figura, vemos que na regi˜ao de ganho do FOPA (em torno de
1518 nm) tivemos um ganho m´aximo pr´oximo de 10 dB, o que indica que tivemos perdas
em torno de 10 dB nesta regi˜ao, pois na se¸c˜ao 2.4.2.2 obtivemos um ganho pr´oximo de
20 dB para o FOPA. Sabemos que o FOPA, al´em de amplificar o sinal, possibilita a
convers˜ao de freq¨uˆencia (comprimento de onda). Vemos, pela figura 3.5b, que o processo
de convers˜ao de comprimento de onda, quando temos somente o FOPA ligado, s´o´e
eficiente numa regi˜ao de aproximadamente 20 nm (1510 a 1530 nm).
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 75
Na figura 3.6, vemos as perdas inseridas pelo acoplador 1470/1050 e pela fibra dopada
com T´ulio. Estas perdas, juntamente com as perdas dos outros componentes, nos d˜ao
um bom entendimento do comportamento da figura 3.5a.
Figura 3.6. Perdas inseridas pela fibra de T´ulio e pelo acoplador 1470/1050.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 76
Ap´os ver o desempenho individual de cada amplificador (TDFA - FOPA) no h´ıbrido,
vamos observar o desempenho do h´ıbrido com os dois amplificadores ligados. Aqui foi
utilizada uma potˆencia de bombeamento de P
p
= 300 mW para o TDFA em 1050 nm,
eparaoFOPAapotˆencia de bombeamento foi de P
p
= 590 mW em 1534,86 nm.
Apotˆencia do sinal de entrada do amplificador foi de P
sinal
= −23 dBm (5 µW). Na
figura 3.7, temos o ganho do h´ıbrido. Mostramos tamb´em o desempenho individual dos
amplificadores a t´ıtulo de compara¸c˜ao, como j´a foi mostrado nas figuras 3.4 e 3.5. Vemos
uma banda de ganho de aproximadamente 78 nm com um m´ınimo de 5 dB para o h´ıbrido,
indo de 1450 a 1528 nm. O ganho do h´ıbrido teve um pico de ganho de 20 dB em torno
de 1518 nm.
Figura 3.7. Ganho do h´ıbrido em fun¸c˜ao do comprimento de onda. Tamb´em s˜ao mostrados os
desempenho dos amplificadores individualmente.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 77
Na figura 3.8, ´e mostrada a figura de ru´ıdo para cada amplificador individualmente
edoh´ıbrido. Vemos que a figura de ru´ıdo de h´ıbrido ´e dominada pela figura de ru´ıdo
TDFA. Um m´ınimo de figura de ru´ıdo de 6,3 dB foi obtido em torno de 1517 nm ,pois
neste comprimento de onda tivemos alto ganho do h´ıbrido. Na regi˜ao de 1450 a 1520 nm,
a figura de ru´ıdo variou entre um m´ınimo de 6,3 dB eumm´aximo de 9,5 dB.
Figura 3.8. Figura ru´ıdo do h´ıbrido em fun¸c˜ao do comprimento de onda, bem como a figura
de ru´ıdoparaosm´odulos funcionando individualmente.
Para sabermos se o c´alculo da figura de ru´ıdo (atrav´es da equa¸c˜ao 2.35)´e realista,
calculamos a evolu¸c˜ao da figura de ru´ıdo ao longo do amplificador. O c´alculo ´efeitoa
partir da equa¸c˜ao 3.1:
NF = NF
1
+
NF
2
− 1
G
1
+
NF
3
− 1
G
1
G
2
+ ... +
NF
k
− 1
G
1
G
2
...G
k−1
(3.1)
onde NF
1
´e a figura de ru´ıdo inserida pelo primeiro componente do amplificador,
NF
2
´e a figura de ru´ıdo inserida pelo segundo componente do amplificador, e assim
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 78
sucessivamente. Os G
k
s˜ao os ganho inseridos pelos componentes, lembrando que alguns
componentes inserem ganhos menores que um, ou seja, inserem perdas.
Na figura 3.9
Figura 3.9. Em (a), temos a evolu¸c˜ao da figura de ru´ıdo ao londo do amplificador. Em (b),
mostramos a figura de ru´ıdo do amplificador calculada atrav´es da equa¸c˜ao 2.35,comesemo
fator 2, que m ultiplica a P
PF
.
Vemos atrav´es das figuras 3.9(a) e (b), que para a regi˜ao onde temos um m´aximo de
ganho do TDFA (aproximadamente 1475 nm), a figura de ru´ıdo calculada sem o fator
2concordacomoc´alculo feito para a evolu¸c˜ao da figura de ru´ıdo. J´anaregi˜ao onde o
FOPAtemumm´aximo de ganho (1517,5 nm), o c´alculo da figura de ru´ıdo com o fator
2 (figura 3.9(b)) e o c´alculo para a evolu¸c˜ao do ru´ıdo (figura 3.9(a)), concordam entre si.
Desta forma, esse resultado indica que na regi˜ao de ganho do TDFA, o c´alculo da figura
de ru´ıdo deve ser feito desconsiderando o fator multiplicativo 2. E n´aregi˜ao de ganho do
FOPA, a figura de ru´ıdo deve ser calculada com o fator 2.
A figura 3.10 nos mostra a eficiˆencia de convers˜ao do h´ıbrido e sua figura de ru´ıdo
1
,
onde vemos convers˜ao de comprimento de onda eficiente para uma regi˜ao que vai de
1542 a 1630 nm. Na mesma figura, apresentamos, para uma melhor explana¸c˜ao dos
1
Figura de ru´ıdo calculada para a eficiˆencia, como descrito na se¸c˜ao 2.4.2.2.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 79
resultados, o ganho do h´ıbrido e sua figura de ru´ıdo, ambos j´a mostrados nas figuras
3.7 e 3.8.
´
E interessante notar que o h´ıbrido fornece ganho em toda a banda S, al´em
de converter comprimentos de onda da banda S para as bandas C e L.
´
E importante
explicarmos porque a banda de eficiˆencia de convers˜ao do h´ıbrido ´e maior que a banda
de eficiˆencia do FOPA. O que acontece ´e que na regi˜ao fora da banda de ganho do
FOPA (aproximadamente 1440 - 1500 nm), onde a eficiˆencia de convers˜ao ´e negativa
2
,
primeiramente o sinal recebe ganho do TDFA, e depois a convers˜ao de comprimento de
onda acontece na fibra n˜ao linear. Assim, se calcularmos eficiˆencia de convers˜ao que
ocorre no FOPA, temos que considerar o sinal na entrada do mesmo e idler gerado na
sa´ıda. Mas quando calculamos a eficiˆencia de convers˜ao do h´ıbrido, consideramos o sinal
na entrada do h´ıbrido e o idler gerado na sa´ıda. A figura 3.11 ilustra o que acabamos de
dizer.
Figura 3.10. Eficiˆencia de convers˜ao do h´ıbrido, e figura de ru´ıdo calculada para os idlers em
fun¸c˜ao do comprimento de onda.
2
Eficiˆencia de convers˜ao negativa (em dB ) significa que h´agera¸c˜ao de idler, mas com potˆencia menor
que a do sinal que o gerou.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 80
Figura 3.11. Ilustra¸c˜ao do processo de con vers˜ao de freq¨uˆencia do h´ıbrido.
Um experimento muito interessante consiste em inserir no amplificador mais de um
canal (mais de um sinal com comprimentos de ondas diferente). Para tecnologia WDM,
´eimportanteamplificarv´arios canais simultaneamente em uma larga banda. O esquema
experimental ´e o mesmo da figura 3.3, com a ´unica diferen¸ca que agora temos oito sinais
na entrada do amplificador. Na figura 3.12 vemos o esquema simplificado do mesmo.
Figura 3.12. Esquema simplificado do h´ıbrido com um laser de 8 canais.
Oito canais amplificados e simultaneamente convertidos s˜ao mostrados na figura 3.13.
Identificamos o bombeamento para o FOPA em 1534,86 nm e os oitos canais (1448,00
nm, 1458,00 nm, 1468,85 nm, 1478,27 nm, 1487,8 nm, 1497,47 nm, 1507,25 nm e 1517,17
nm). Vemos os sinais na banda S sendo amplificados, e sinais nas bandas C e L sendo
gerados. O comprimento de onda de bombeamento tanto para o TDFA como para o
FOPA neste experimento s˜ao os mesmos que foram utilizados para caracterizar o h´ıbrido,
assim como as potˆencias de bombeamento. Como n˜ao podemos controlar a polariza¸c˜ao
para todos os sinais simultaneamente, as potˆencias dos sinais e os idlers s˜ao menores do
que se tiv´essemos apenas um sinal.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 81
Figura 3.13. 8 anais amplificados e simultaneamente con vertidos. A potˆencia de cada canal
foi de -26 dBm.
3.2.2 H´ıbrido com sinais na banda L
Utilizando o mesmo esquema experimental da figura 3.3, agora inserimos sinais na
banda L. A figura 3.14 mostra o ganho e eficiˆencia de convers˜ao para o h´ıbrido com sinais
na banda L. Os comprimentos de onda de bombeamento, bem como as potˆencias, s˜ao
as mesmas do h´ıbrido com sinais na banda S. A potˆencia do sinal de entrada foi 4 dBm
(2,51 mW ). Utilizamos uma potˆencia alta de sinal de entrada, pois foi a m´ınima potˆencia
que t´ınhamos no laser com sinais na banda L.
Na figura 3.14, vemos que o h´ıbrido n˜ao ´e um bom amplificador para a banda L. Isto
ocorre, pois o TDFA n˜ao gera ganho nesta banda. O h´ıbrido com sinais na banda L
age como um FOPA acrescido das perdas inseridas pelos componentes do TDFA (fibra
dopada, acoplador 1470/1050). As perdas inseridas pela fibra dopada com Tm
3+
para
sinais nas bandas C e L s˜ao relativamente altas, como podemos observar a partir do
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 82
comportamento da figura 3.6. A n˜ao existˆencia de ganho na banda L no h´ıbrido resulta
que n˜ao ´eposs´ıvel converter sinais das bandas C-L para a S utilizando este amplificador.
Figura 3.14. Ganho e eficiˆencia de convers˜ao com sinais na banda L. A potˆencia do laser sinal
foi de 4 dBm.
3.2.3 H´ıbrido com o FOPA precedendo o TDFA
Outra montagem experimental feita para o h´ıbrido foi com FOPA precedendo o TDFA.
O interesse desta montagem est´a em aproveitar o bombeamento do FOPA, utilizando-o
tamb´em como bombeamento adicional no TDFA. Na figura 3.15, mostramos os n´ıveis dos
´ıons (Tm
3+
) com bombeamento duplo, um em 1050 nm j´a utilizado e um em 1535 nm.
Nesta montagem experimental temos um FOPA como descrito na se¸c˜ao 2.4.2.1, onde
osinaleobombeamentodomesmos˜ao acoplados por meio de um acoplador 90/10. E
ap´os, o sinal amplificado pelo FOPA ´eacopladoaoTDFAporinterm´edio do circulador
e a FBG, como podemos ver na figura 3.16. Neste esquema, parte do bombeamento do
FOPA chega `a fibra dopada com T´ulio, o que permite utiliz´a-lo.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 83
Figura 3.15. N´ıveis de energia do Tm
3+
, onde indicamos o esquema de bombeamento para o
TDFA no h´ıbrido FOPA/TDFA.
Entretanto, ao medirmos a ASE gerada pelo h´ıbrido nesta configura¸c˜ao, verificamos
queobombeamentodoFOPAdestr´oi a invers˜ao de popula¸c˜ao do TDFA, pois ele intro-
duz muita popula¸c˜ao no n´ıvel inferior de amplifica¸c˜ao (
3
F
4
). Na figura 3.17a, observamos
como a potˆencia de bombeamento do FOPA destr´oi a ASE de amplifica¸c˜ao na regi˜ao
de amplifica¸c˜ao do TDFA, pois `a medida em que aumentamos a potˆencia de bombea-
mentodoFOPA,apotˆencia ASE diminui. Valores do bombeamento do FOPA entre
aproximadamente 30 e 50 mW foram medidos na entrada da fibra dopada com T´ulio.
Tamb´em nesta configura¸c˜ao, sinais na banda S n˜ao s˜ao convertidos para as bandas
L. Isto ´edevido`aconvers˜ao de comprimento de onda ocorrer antes da amplifica¸c˜ao de
sinais na banda S, pois o FOPA precede o TDFA. Na figura 3.17b, a ASE do h´ıbrido e
as contribui¸c˜oes individuais (FOPA e TDFA) para a ASE s˜ao mostradas.
Esta configura¸c˜ao n˜ao se mostrou eficiente, tanto para amplificar canais na banda S,
como para convertˆe-losparaasbandasCeL.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 84
Figura 3.16. Esquema experimental do h´ıbrido com o FOPA antes do TDFA.
Neste cap´ıtulo, foi apresentado um amplificador h´ıbrido e conversor de comprimento
de onda operando simultaneamente, consistindo dos m´odulos TDFA e FOPA colocados
em s´erie. Estudamos os m´odulos individuais, suas contribui¸c˜oes no sistema h´ıbrido, e o
desempenho de todo o amplificador. Amplifica¸c˜ao em toda a banda S foi observada, bem
como convers˜ao de comprimento de onda da banda S para as bandas C e L. A figura de
ru´ıdo medida para a banda S ´e dominada pela contribui¸c˜ao do TDFA. Verificamos, neste
trabalho que para este sistema h´ıbrido em particular, a convers˜ao de comprimento de
onda de sinais da banda L para a banda S n˜ao ´eposs´ıvel, visto que o TDFA n˜ao fornece
ganho na banda L. E a configura¸c˜ao do h´ıbrido com o FOPA precedendo o TDFA n˜ao ´e
eficiente para amplificar e converter sinais.
3.2 construc¸
˜
ao e caracterizac¸
˜
ao do h
´
ıbrido tdfa/fopa 85
Figura 3.17. (a) ASE do h´ıbrido FOPA/TDFA. (a) ASE do h´ıbrido e contribui¸c˜oes individuais
dos amplificadores para a ASE.
CAP
´
ITULO 4
CONCLUS
˜
OES E PERSPECTIVAS
Neste trabalho, apresentamos um amplificador h´ıbrido consistindo de uma configura¸c˜ao
em s´erie dos amplificadores TDFA (amplficador a fibra dopada com Tm
3+
)eFOPA(am-
plificador param´etrico a fibra ´optica) [51, 52, 53].
Inicialmente apresentamos os amplificadores que compuseram o h´ıbrido. A caracter-
iza¸c˜ao individual dos amplificadores EDFA, TDFA e FOPA foi apresentada. Estudo de
satura¸c˜ao foi feito, para os amplificadores EDFA e TDFA. Tamb´em estudamos a satura¸c˜ao
cruzada de ganho para o TDFA com duplo bombeamento.
Para o h´ıbrido apresentado no cap´ıtulo 3, observamos amplifica¸c˜ao de sinais na banda
S foi verificada, com 78 nm de banda de ganho com um m´ınimo de 5 dB,al´em de bom
desempenho em figura de ru´ıdo. Vimos que o h´ıbrido TDFA/FOPA possibilita convers˜ao
de comprimento de onda positiva, da banda S para as bandas C e L (1450-1530 nm −→
1540-1635 nm).
Para este esquema de h´ıbrido em particular, amplifica¸c˜ao na banda L n˜ao ´eposs´ıvel,
pois sinais nesta banda s˜ao muito afetados pela absor¸c˜ao do TDFA (Tm
3+
,
3
H
6
−→
3
F
4
).
Conseq¨uentemente, convers˜ao de comprimento de onda das bandas C e L para a S n˜ao ´e
poss´ıvel.
A capacidade do dispositivo para amplifica¸c˜ao de canais em um sistema WDM e
convers˜ao de comprimento de onda destes canais simultaneamente foi mostrada na ex-
periˆencia de oito canais.
Vimos tamb´em que uma configura¸c˜ao com o FOPA precedendo o TDFA n˜ao tem
um bom desempenho, pois o bombeamento do FOPA que chega `a fibra dopada com
t´ulio destr´oi a invers˜ao de popula¸c˜ao entre os n´ıveis de amplifica¸c˜ao do TDFA, pois
apotˆencia que chega na FDT ´e muita alta. Esta mesma configura¸c˜ao tamb´em n˜ao
86
conclus
˜
oes e perspectivas 87
possibilita convers˜ao de comprimento de onda, pois os sinais amplificados no TDFA n˜ao
recebem a convers˜ao de comprimento de onda do FOPA.
Para melhorar o desempenho h´ıbrido TDFA/FOPA, podemos inserir um bombea-
mento adicional em 800 nm, como mostrado na se¸c˜ao 2.3.2.2, melhorando o desempenho
do TDFA, e assim, o desempenho do h´ıbrido (ver figura 4.1). Outra proposta seria a
de colocar o bombeamento em 1050 nm contra-propagante ao sinal (figura 4.2), e junta-
mente com parte do bombeamento do FOPA, que chega na FDT, ter´ıamos um processo
de amplifica¸c˜ao mais eficiente.
Figura 4.1. Esquemadoh´ıbrido com bombeamento adicional em 800 nm para o TDFA.
Figura 4.2. Esquema d o h´ıbrido com bombeamento do TDFA contra-propagan te ao sinal.
Para conseguirmos um ganho mais planar, podemos aumentar a banda de ganho
do FOPA, inserindo um bombeamento com um comprimento de onda mais pr´oximo
conclus
˜
oes e perspectivas 88
do m´ınimo de dispers˜ao nula da fibra, pois, como vimos na se¸c˜ao 2.4.2.1, quanto mais
pr´oximo o comprimento de onda de bombeamento estiver do comprimento de onda do
m´ınimo de dispers˜ao nula da fibra, mais larga ser´a a banda de ganho.
Oh´ıbrido desenvolvido neste trabalho tem como poss´ıveis aplica¸c˜oes em sistemas de
comunica¸c˜oes ´opticas:
- Amplificador ´optico para banda larga;
- Conversor de comprimento de onda entre bandas;
- Compensador de dispers˜ao crom´atica;
- Limitador de ru´ıdo.
conclus
˜
oes e perspectivas 89
Trabalhos referentes `a disserta¸c˜ao
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2006.
2 S.R.L¨uthi, G. F. Guimar˜aes, J. F. L. Freitas and A. S. L. Gomes. TDFA-FOPA hy-
brid for S-band amplification and S-to-C, S-to-L band wavelength. CLEO/QUELS,
Long Beach - CWM Waveguide-Based Telecommunication, 2006.
3S.R.L¨uthi, G. F. Guimar˜aes, B. B. C. Kyotoku, J. F. L. Freitas, M. B. Costa e
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