( PDF ) Amplificadores ópticos para sistemas de comunicação multicanais de alta capacidade

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AMPLIFICADORES ÓPTICOS

PARA SISTEMAS DE

COMUNICAÇÃO MULTICANAIS

DE ALTA CAPACIDADE

Carmelo José Albanez Bastos Filho.

Recife, 14 de setembro de 2005

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

AMPLIFICADORES ÓPTICOS PARA SISTEMAS DE

COMUNICAÇÃO MULTICANAIS DE ALTA

CAPACIDADE

por

CARMELO JOSÉ ALBANEZ BASTOS FILHO

Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade

Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para a obtenção do grau de Doutor em

Engenharia Elétrica.

ORIENTADOR: JOAQUIM FERREIRA MARTINS FILHO, PhD.

CO-ORIENTADOR: ANDERSON STEVENS L. GOMES, PhD.

Recife, 14 de setembro de 2005.

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Dedico esta tese aos meus pais,

Carmelo Bastos e Rachel Rangel,

eternos mestres que não se limitaram

a ensinar-me somente cálculos e lógica,

mas me mostraram o lado humano da vida .

Agradecimentos

Aos professores Joaquim F. Martins Filho e Anderson S. L. Gomes pela co-

orientação sempre realizada de forma presente e atuante. Ao corpo docente do programa de

Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da UFPE, em especial ao professor Joaquim F.

Martins Filho, pela orientação neste doutorado, e pela orientação em todos estes anos de

trabalhos.

À instituição de suporte a pesquisa CNPq, ao Departamento de Eletrônica e

Sistemas da Universidade Federal de Pernambuco, ao Departamento de Física da

Universidade Federal de Pernambuco, pelo apoio financeiro e pela concessão de uso de

suas estruturas durante o desenvolvimento deste trabalho. À Ericsson do Brasil pelo

financiamento da estrutura de pesquisa utilizada no Laboratório de Fotônica e

Optoeletrônica da Universidade Federal de Pernambuco.

Aos meus pais, Carmelo José Albanez Bastos e Rachel Rangel de Farias Albanez

Bastos, pela educação a mim oferecida com dedicação e boa vontade. Aos meus irmãos,

Maria Angélica Rangel Bastos e Petrus Rangel Bastos, pelo convívio agradável e pelo

apoio e ajuda quando necessários. À Silvia Monteiro que soube entender a ausência nas

horas de trabalho, e por ser a âncora que me segurava nas dificuldades. A todos os colegas

e amigos, em especial agradecimentos a Sérgio Campello, Eric de A. Jorge Arantes,

Isnaldo J. S. Coelho e Luciana P. Salles pelo conhecimento compartilhado nas horas de

dúvida. Ao professor Michael L. Sundheimer, Mariana T. Carvalho e Stefan Lüthi pela

colaboração nas atividades realizadas no Departamento de Física da Universidade Federal

de Pernambuco. À Filipe Rech, Daniel A. Chaves e Marcela M. Martins pela ajuda

necessária para realização de alguns dos experimentos contidas neste documento.

Resumo da Tese apresentada à UFPE como parte dos requisitos necessários

para a obtenção do grau de Doutor em Engenharia Elétrica.

AMPLIFICADORES ÓPTICOS PARA SISTEMAS DE

COMUNICAÇÃO MULTICANAIS DE ALTA CAPACIDADE

Carmelo José Albanez Bastos Filho

Setembro / 2005

Orientador: Joaquim Ferreira Martins Filho, PhD.

Co-orientador: Anderson Stevens Leônidas Gomes, PhD.

Área de Concentração: Fotônica

Palavras-chave: Amplificadores ópticos, TDFA, EDFA, Amplificadores Raman.

Número de Páginas: 176

A crescente demanda por tráfego de dados sugere a expansão da capacidade dos

sistemas de comunicações ópticas. Isto pode ser obtido aumentando a quantidade de canais

transmitidos utilizando bandas de transmissão alternativas que demandam diferentes

amplificadores ópticos. Os amplificadores mais comuns nos sistemas atuais são os EDFAs.

Amplificadores Raman e TDFAs são outras possibilidades, principalmente para a banda S.

Neste documento, foi proposto pela primeira vez e demonstrado um esquema de

bombeamento duplo (800 nm + 1050 nm) altamente eficiente para TDFA. A construção de

um protótipo desse TDFA com lasers de diodo para bombeamento caracterizou uma

possibilidade de emprego comercial. A distribuição de ganho ao longo da fibra dopada

para o esquema de bombeamento proposto é abordada. Também é apresentado um TDFA

reflexivo com configuração simples, apresentando 38 dB de ganho de pequenos sinais,

utilizando apenas 400 mW de bombeamento em 1050 nm. O efeito de saturação cruzada de

ganho é discutido para TDFAs e é mostrada pela primeira vez uma dependência com o

comprimento de onda do sinal e do esquema de bombeamento utilizado. Para amenizar o

efeito de saturação cruzada de ganho deve-se utilizar técnicas de travamento de ganho.

Técnicas de travamento de ganho totalmente óptico de baixo ruído em EDFA são

investigadas. São implementados pela primeira vez amplificadores híbridos envolvendo

TDFAs e FRA utilizando um comprimento de onda único para bombeamento.

Abstract of the Thesis presented to UFPE as a partial fulfillment of the

requirements for the PhD degree in Electrical Engineering.

OPTICAL AMPLIFIERS FOR HIGH CAPACITY

MULTICHANNEL COMMUNICATION SYSTEMS

Carmelo José Albanez Bastos Filho

Setember / 2005

Advisor: Joaquim Ferreira Martins Filho, PhD.

Co-advisor: Anderson Stevens Leônidas Gomes, PhD.

Area of concentration: Photonics.

Keywords: Optical amplifiers, TDFA, EDFA, Raman amplifiers.

Number of pages: 176

The ever increasing demand for data traffic suggests the capacity expansion of

optical communication systems. One can obtain this by increasing the number of

transmitted channels in alternative optical bands. To achieve this it is necessary to develop

optical amplifers for each band. The most common amplifiers are EDFA. Nevertheless,

Raman amplifiers and TDFAs are very useful, specially for the S band. In this thesis a

novel and efficient pump scheme for TDFA is proposed for the first time and demonstrated

experimentally, using 800 nm and 1050 nm pump wavelengths. A TDFA pumped by a

single diode laser indicated a real possibility for commercial development. The gain

distribution along the fiber for dual pump is analysed. A TDFA using double pass

configuration is also proposed, featuring gain of 38 dB using only 400 mW of pump power

at 1050 nm. The wavelength dependence of the gain cross-saturation effect for TDFAs is

discussed for single pump schemes (1050 nm and 1426 nm). To reduce the gain cross-

saturation effect one should use gain clamping techniques. Some all-optical gain clamping

techniques are investigated to build low noise EDFAs. Hybrid amplifiers composed of

Raman amplifier and TDFA pumped with a single wavelength are demonstrated for wide

bandwidth amplification in the S band.

Sumário

Lista de figuras.......................................................................................................................1

Lista de tabelas.......................................................................................................................8

Acrônimos e termos utilizados...............................................................................................9

Lista de parâmetros..............................................................................................................13

Capítulo 1 – Sistemas de comunicações ópticas..................................................................16

1.1 – Evolução dos sistemas ópticos...............................................................................17

1.2 – Transmissores ópticos.............................................................................................18

1.3 – Fibras ópticas..........................................................................................................19

1.4 – Receptores ópticos..................................................................................................21

1.5 – Regeneradores e amplificadores ópticos................................................................21

1.6 – Compensadores de dispersão..................................................................................22

1.7 – Multiplexadores / Demultiplexadores ópticos........................................................22

1.8 – Componentes para amplificadores ópticos.............................................................23

1.8.1 – Acopladores direcionais..................................................................................23

1.8.2 – Isoladores........................................................................................................24

1.8.3 – Circuladores ópticos........................................................................................24

1.8.4 – Equalizadores ópticos.....................................................................................25

1.9 – Estrutura da tese......................................................................................................26

1.10 – Referências bibliográficas....................................................................................28

Capítulo 2 – Amplificadores ópticos para comunicações....................................................30

2.1 – Modelagem teórica de ganho em amplificadores ópticos.......................................30

2.2 – Modelagem teórica de figura de ruído de amplificadores ópticos..........................32

2.3 – Aplicações..............................................................................................................35

2.4 – Tipos de amplificadores ópticos.............................................................................36

2.4.1 – Amplificadores ópticos de semicondutor........................................................36

2.4.2 – Amplificadores ópticos paramétricos.............................................................38

2.4.3 – Amplificadores Raman a fibra........................................................................40

2.4.4 – Amplificadores ópticos a fibra dopada...........................................................44

2.4.5 – EDFA..............................................................................................................44

2.4.6 – PDFA e NDFA................................................................................................46

2.4.7 – TDFA..............................................................................................................47

2.5 – Referências bibliográficas.......................................................................................…47

Capítulo 3 – Amplificadores a Fibra Dopada com Túlio, uma Revisão Bibliográfica........50

3.1 – Histórico sobre o processo de amplificação em fibras dopadas com Túlio............50

3.2 – Modelamento teórico do processo de amplificação em TDFA..............................54

3.2.1 - Equações de taxa.............................................................................................55

3.2.2 - Modelo de caixa preta (BBM).........................................................................59

3.3 – Aspectos funcionais................................................................................................62

3.4 – Esquemas de bombeamento mais complexos.........................................................62

3.4.1 - GSA com 1550 nm..........................................................................................63

3.4.2 - GSA com 1240 nm..........................................................................................64

3.4.3 – GSA com 800 nm............................................................................................65

3.5 – Referências bibliográficas......................................................................................66

Capítulo 4 – TDFA com bombeamento duplo em 800 nm e 1050 nm................................71

4.1 – Montagem Experimental do amplificador com bombeamento duplo em 800 nm e

1050 nm...........................................................................................................................72

4.2 – Resultados obtidos para o amplificador com bombeamento duplo em 800 nm e

1050 nm...........................................................................................................................73

4.3 – Reflectometria óptica no domínio da freqüência para medição de Ganho

distribuído........................................................................................................................76

4.4 – Montagem experimental e resultados de ganho distribuído utilizando a técnica de

COFDR............................................................................................................................80

4.5 – Protótipo de TDFA com bombeamento duplo (800 nm + 1050 nm) utilizando

lasers de diodo.................................................................................................................87

4.6 – Conclusões..............................................................................................................89

4.7 – Referências bibliográficas..................................................................................…90

Capítulo 5 – Amplificadores reflexivos a fibra dopada com Túlio......................................92

5.1 – TDFA reflexivo com 38 dB de ganho com bombeamento monocromático...........93

5.2 – TDFA reflexivo compacto com bombeamento monocromático..........................101

5.3 – Conclusões............................................................................................................104

5.4 – Referências bibliográficas....................................................................................105

Capítulo 6 – Medidas de saturação cruzada de ganho em TDFAs.....................................107

6.1 – Dependência espectral da saturação cruzada de ganho em TDFA com

bombeamento monocromático.......................................................................................109

6.2 – Conclusões............................................................................................................114

6.4 – Referências bibliográficas....................................................................................115

Capítulo 7 – Amplificadores a fibra dopada com Érbio com travamento de ganho..........118

7.1 – Técnicas para travamento de ganho óptico...........................................................118

7.2 – Análise do efeito da direção do bombeamento no travamento de ganho óptico em

EDFA com circuladores na malha de realimentação.....................................................122

7.3 – Conclusões............................................................................................................129

7.4 – Referências bibliográficas....................................................................................130

Capítulo 8 – Amplificadores ópticos híbridos para a banda S...........................................132

8.1 – Introdução................................................................. ...........................................132

8.2 – Bombeamento: 1426 nm (FRA) + 1050 nm (TDFA)...........................................137

8.3 – Bombeamento monocromático em 1426 nm........................................................142

8.3.1 –Um estágio Raman e um estágio TDFA utilizando uma Fibra altamente

dopada com Túlio.....................................................................................................142

8.3.2 – Um estágio Raman e um estágio TDFA utilizando uma Fibra dopada com

Túlio de 18 m de comprimento e dopagem 2000 ppm.............................................145

8.3.3 – Configuração com cascateamento serial: FRA, fibra com dopagem padrão de

Túlio e fibra altamente dopada com Túlio................................................................147

8.3.4 – Configuração com cascateamento serial: TDFA com fibra altamente dopada

com Túlio, FRA e TDFA padrão..............................................................................153

8.3.5 – Configuração com cascateamento serial: fibra altamente dopada com Túlio,

fibra com dopagem padrão de Túlio e FRA..............................................................157

8.3.6 – Comparação entre as configurações utilizando duas fibras dopadas com Túlio

e uma fibra Raman....................................................................................................160

8.3.7 – Um estágio TDFA e um estágio Raman utilizando uma Fibra altamente

dopada com Túlio.....................................................................................................162

8.4 – Conclusões............................................................................................................165

8.5 – Referências bibliográficas....................................................................................166

Capítulo 9 – Conclusões, contribuições e trabalhos futuros..............................................170

Publicações referentes à tese..............................................................................................173

Publicações não referentes à tese.......................................................................................174

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

Lista de Figuras

Fig. 1.1 – Foto do Laboratório de Redes Ópticas do Grupo de Fotônica do Departamento

de Eletrônica e Sistemas da Universidade Federal de Pernambuco.....................................27

Fig. 1.2 – Foto do Laboratório de Fotônica e Optoeletrônica do Departamento de Física da

Universidade Federal de Pernambuco..................................................................................27

Fig. 2.1 – Diagrama de energia ilustrando o processo de amplificação paramétrica...........39

Fig. 2.2 – Diagrama de energia ilustrando o processo de amplificação Raman..................41

Fig. 2.3 – Coeficiente de ganho Raman para sílica..............................................................43

Fig. 2.4 – Diagrama de energia ilustrando o processo de amplificação dos EDFAs...........45

Fig. 3.1 – Diagrama de energia dos íons de Tm3+ em vidros fluorados com bombeamento

em 1050 nm..........................................................................................................................52

Fig. 3.2 – Diagrama de energia das possíveis emissões laser dos íons de Tm3+ em vidros

fluorados...............................................................................................................................53

Fig. 3.3 – Diagrama de energia dos íons de Tm

em vidros fluorados com bombeamento

em 1410 nm..........................................................................................................................54

Fig. 3.4 – Diagrama de energia dos íons de Tm3+ em vidros fluorados com bombeamento

único em 1050 nm, apresentando as probabilidades de transição entre os níveis de energia

envolvidos no modelo do Komukai......................................................................................55

Fig. 3.5 – Diagrama de energia das possíveis absorções de estado fundamental dos íons de

em vidros fluorados.....................................................................................................63

Fig. 3.6 – Esquemas de bombeamento duplo para TDFA utilizando 1550 nm para absorção

de estado fundamental. ........................................................................................................64

Fig. 3.7 – Esquema de bombeamento duplo para TDFA utilizando 1240 nm para absorção

de estado fundamental..........................................................................................................65

Fig. 3.8 – Esquemas de bombeamento duplo para TDFA utilizando 800 nm para absorção

de estado fundamental..........................................................................................................66

Fig. 4.1 – Diagrama de energia para bombeamento duplo de fibras ZBLAN dopadas com

Túlio em 1050 nm e 800 nm. ..............................................................................................72

Fig. 4.2 – Esquema de montagem do TDFA com bombeamento duplo em 800 nm e 1050

nm. ......................................................................................................................................73

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

Fig. 4.3 – Espectro de luminescência gerado pelos lasers de bombeamento de: 73mW em

800nm (linha preta), 80mW em 1050nm (linha vermelha) e a combinação dos dois

bombeamentos (linha azul). ................................................................................................74

Fig. 4.4 – Ganho do módulo contendo a TDF para: bombeamento 80 mW em 1050 nm

(quadrados) e para bombeamento duplo em 1050 nm (80 mW) e 800 nm (73 mW)

(círculos) em função do comprimento de onda do sinal......................................................75

Fig. 4.5 – Ganho do módulo contendo a TDF em função da potência de bombeamento de

1050 nm parametrizado pela potência de bombeamento em 794 nm. O comprimento de

onda sinal é 1462 nm e a potência é de -27,2 dBm..............................................................76

Fig. 4.6 – Esquema de funcionamento do OFDR baseado no interferômetro de Michelson.

Fig. 4.7 – Montagem experimental do equipamento que realiza a reflectometria óptica no

domínio da freqüência. ........................................................................................................81

Fig. 4.8 – Foto da Montagem experimental do COFDR, que contém o acoplador

direcional, o oscilador local, o circulador, a fibra com a rede de difração de Bragg e o

fotodetector...........................................................................................................................81

Fig. 4.9 – Fotos dos equipamentos utilizados nas medições com a técnica de COFDR.

Gerador de funções (esquerda acima), laser sintonizável (esquerda abaixo), osciloscópio

(direita acima) e ESA (direita abaixo)..................................................................................82

Fig. 4.10 – Espectros no analisador de espectro elétrico do COFDR com bombeamento

duplo para 60 mW em 800nm e várias potências em 1050nm.............................................83

Fig. 4.11 – Espectros no analisador de espectro elétrico do COFDR com: (a) bombeamento

simples em 1050 nm e (b) bombeamento duplo para várias potências em 1050nm............84

Fig. 4.12 – Ganho distribuído na fibra com bombeamento simples em 1050nm com 140

mW (círculos) e duplo 1050 nm+ 800 nm em regime de baixa potência (45 mW) de

bombeamento em 800 nm (quadrados)................................................................................85

Fig. 4.13 – Ganho distribuído na fibra com bombeamento duplo 1050 nm + 800 nm para

alta potência de bombeamento em 800 nm (100 mW). A potência do sinal é 2,7 mW.......86

Fig. 4.14 – Ganho em função da potência de bombeamento de 1050nm parametrizado para

potência de bombeamento em 802nm de 0 mW (quadrados) e 60 mW (círculos). A

potência de sianl é de 2,7 mW..............................................................................................87

Fig. 4.15 – Ganho da TDF para bombeamento duplo em função da potência de

bombeamento em 1050 nm. A potência de sinal em 1470 nm é de -20 dBm. A potência de

bombeamento em 800 nm é 28 mW.....................................................................................88

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

Fig. 4.16 – Ganho e figura de ruído da TDF com bombeamento simultâneo em 1050 nm

(90 mW) e 800 nm (28 mW) em função do comprimento de onda do sinal. A potência do

sinal é de -20dBm.................................................................................................................89

Fig. 5.1 – Exemplos de configurações de amplificadores ópticos a fibra dopada com Túlio:

(a) única passagem do sinal pela fibra dopada e (b) dupla passagem do sinal pela fibra

dopada com uso de espelho metálico e (c) dupla passagem do sinal pela fibra dopada com

uso de um circulador óptico.................................................................................................95

Fig. 5.2 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função do comprimento de onda do

sinal. A potência de bombeamento é de 300 mW em 1050 nm e a potência do sinal é de -30

dBm......................................................................................................................................97

Fig. 5.3 – Ganho do amplificador em função da potência de bombeamento. O

bombeamento monocromático é realizado em 1050 nm e a potência do sinal é de -37 dBm

em 1462 nm..........................................................................................................................98

Fig. 5.4 – Figura de ruído do amplificador em função da potência de bombeamento. O

bombeamento monocromático é realizado em 1050 nm e a potência do sinal é de -37 dBm

em 1462 nm..........................................................................................................................99

Fig. 5.5 – Ganho do amplificador em função da potência do sinal. O bombeamento

monocromático é realizado com potência de 250 mW em 1050 nm e o comprimento de

onda do sinal é 1462 nm.....................................................................................................100

Fig. 5.6 – Figura de ruído do amplificador em função da potência do sinal. O

bombeamento é realizado com potência de 250 mW em 1050 nm e o comprimento de onda

do sinal é 1462 nm..............................................................................................................101

Fig. 5.7 – Esquemas experimentais de amplificadores a fibra dopada com Túlio nas

configurações: (a) única passagem do sinal e (b) dupla passagem do sinal pela fibra dopada

com Túlio...........................................................................................................................102

Fig. 5.8 – Ganho (símbolos fechados) e Figura de ruído (símbolos abertos) do amplificador

em função da potência de bombeamento em 1050 nm para a técnica de única (quadrados) e

dupla passagem (círculos) do sinal pela fibra dopada. A potência do sinal é de -30dBm 103

Fig. 6.1 – Processo de amplificação utilizando conversão ascendente de energia para

bombeamento monocromático nos comprimentos de onda (a) 1050nm e (b) 1400nm.....107

Fig. 6.2 – Montagem experimental utilizada para medição da dependência espectral da

saturação cruzada de ganho em TDFA com bombeamento monocromático.....................110

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

Fig. 6.3 – Espectro de potência de saída do amplificador para bombeamento em 1426 nm

com potência de 300 mW e potência de -5 dBm por canal de sinal. A área sombreada em

cinza mostra a situação com os sete canais ativos e as curvas com fundo transparente

ilustram o espectro de amplificação para cada um dos canais ativos individualmente......111

Fig. 6.4 - Medidas de saturação cruzada de ganho dependendo do comprimento de onda do

canal sobrevivente quando 6 dos 7 canais do sistema são removidos. Várias potências de

sinal por canal (entre -12.5 dBm e 0 dBm) são utilizadas. A potência de bombeamento é de

300 mW em 1426 nm.........................................................................................................113

Fig. 6.5 – Medidas de saturação cruzada de ganho dependendo do comprimento de onda do

canal sobrevivente quando 6 entre 7 canais do sistema são removidos. Várias potências de

sinal por canal (entre -12.5 dBm e 0 dBm) são utilizadas. A potência de bombeamento é de

300 mW em 1050 nm. .......................................................................................................113

Fig. 6.6 – Medidas de saturação cruzada de ganho dependendo da potência de

bombeamento do amplificador para dois canais sobreviventes com comprimentos de onda

diferentes quando 6 entre 7 canais do sistema são removidos. A potência de sinal por canal

é de 0 dBm.........................................................................................................................114

Fig. 7.1 – Configurações para travamento de ganho totalmente óptico utilizando: (a)

acopladores direcionais, (b) circuladores ópticos, (c) fibras com redes de Bragg e (d)

combinação das técnicas. ..................................................................................................121

Fig. 7.2 – Configurações para travamento de ganho totalmente óptico utilizando

circuladores ópticos com bombeamento no sentido: (a) copropagante e (b)

contrapropagante com o sinal. ...........................................................................................124

Fig. 7.3 – Espectro óptico medido na saída do amplificador para atenuação na malha de

realimentação de (a) 34 dB e (b) 18 dB. A potência de bombeamento é de 65 mW. A

potência de entrada do sinal é de -29 dBm.........................................................................125

Fig. 7.4 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função da perda inserida pelo

atenuador na realimentação para bombeamento no sentido: (A) copropagante e (B)

contrapropagante com o sinal. Três valores de potência de bombeamento foram utilizados:

43 mW (quadrados), 65 mW (círculos) e 75 mW (triângulos). A Potência de entrada do

sinal é de -28,7 dBm..........................................................................................................126

Fig. 7.5 – Ganho do amplificador em função da potência de entrada do sinal para

bombeamento no sentido: (a) copropagante e (b) contrapropagante com o sinal. A potência

de bombeamento é de 75 mW............................................................................................127

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

Fig. 7.6 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função da potência de entrada do

sinal para (a) copropagante e (b) contrapropagante com o sinal. Potência de bombeamento

de 75 mW em 980 nm. Perdas do atenuador da malha de realimentação: 18 dB

(quadrados), 26 dB (círculos) e 34 dB (triângulos)...........................................................128

Fig. 7.7 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função da potência de

bombeamento para perdas do atenuador da malha de realimentação de (a) 34 dB e (b) 18

dB quando o bombeamento está copropagante (triângulos) e contrapropagante (quadrados).

Potência de sinal de -29 dBm.............................................................................................129

Fig. 8.1 – Opções para sistemas de amplificação envolvendo várias bandas

simultaneamente: (a) Amplificação distinta das bandas em questão e (b) amplificação

simultânea de todas as bandas por um amplificador banda larga.......................................133

Fig. 8.2 – Configuração do amplificador óptico híbrido: FRA com bombeamento

copropagante em 1426 nm e o TDFA com bombeamento copropagante em 1050 nm.....138

Fig. 8.3 – Fotos do amplificador híbrido FRA + TDFA. À esquerda acima fibra DCF

(tabela 8.1), à esquerda abaixo TDF (tabela 8.2), e à direita montagem experimental do

sistema................................................................................................................................138

Fig. 8.4 – Espectros de ASE do amplificador híbrido FRA com bombeamento em 1426 nm

e TDFA com bombeamento em 1050 nm..........................................................................139

Fig. 8.5 – Ganho do amplificador híbrido FRA (bombeamento em 1426 nm) + TDFA

(bombeamento em 1050 nm), quando acionado apenas o bombeamento do TDFA. A

potência de sinal é -30 dBm..... ........................................................................................140

Fig. 8.6 – Ganho do amplificador híbrido FRA (bombeamento em 1426 nm) + TDFA

(bombeamento em 1050 nm), quando acionado apenas o bombeamento do FRA. A

potência de sinal é -30 dBm...............................................................................................140

Fig. 8.7 – Ganho do amplificador híbrido FRA em três situações de bombeamento: 600

mW FRA (círculos), 400 mW TDFA (triângulos) e os dois bombeamentos

simultaneamente (quadrados). A potência de sinal é -30 dBm..........................................141

Fig. 8.8 – Ganho do amplificador híbrido FRA em três situações de bombeamento: 1 W

FRA (círculos), 400 mW TDFA (triângulos) e os dois bombeamentos (quadrados). A

potência de sinal é -30 dBm...............................................................................................142

Fig. 8.9 – Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático

em 1426 nm utilizando uma fibra DCF e uma fibra altamente dopada com Túlio...........143

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

Fig. 8.10 - Espectro de perdas do amplificador óptico híbrido com bombeamento

monocromático em 1426 nm utilizando uma fibra DCF e uma fibra altamente dopada com

Túlio...................................................................................................................................144

Fig. 8.11 – Ganho (símbolos fechados) e figura de ruído (símbolos abertos) do

amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático em 1426 nm constituído de

uma fibra DCF e uma fibra altamente dopada com Túlio. Potência de sinal é -23dBm...144

Fig. 8.12– Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento

monocromático em 1426 nm utilizando uma fibra DCF e uma fibra dopada com Túlio de

18 m e dopagem padrão.....................................................................................................145

Fig. 8.13 – Perdas do amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático em

1426 nm utilizando uma fibra DCF e uma fibra dopada com Túlio de 18 m e dopagem

padrão................................................................................................................................146

Fig. 8.14 – Espectro ASE do amplificador híbrido FRA + TDFA com bombeamento

monocromático em 1426 nm para: 298 mW (FRA), 88 mW (TDFA copropagante) e 78

mW (TDFA contrapropagante) (Linha preta) e 520 mW (FRA), 150 mW (TDFA

copropagante) e 134 mW (TDFA contrapropagante) (Linha vermelha)............................146

Fig. 8.15 – Ganho do amplificador FRA + TDFA com bombeamento monocromático em

1426 nm. As potências utilizadas foram 520 mW (FRA), 150 mW (TDFA copropagante) e

134 mW (TDFA contrapropagante)...................................................................................147

Fig. 8.16 – Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento

monocromático em 1426 nm, composto por um FRA construído por uma fibra DCF,

seguido por um TDFA de dois estágios utilizando duas fibras dopadas com Túlio, uma

com dopagem padrão e outra com alta dopagem...............................................................148

Fig. 8.17 – Espectro de ASE junto ao bombeamento remanescente na saída do

amplificador híbrido DCF+TDF1+TDF2 com potência de bombeamento 894 mW.........149

Fig. 8.18 – Espectro de ASE junto ao bombeamento remanescente na saída do

amplificador híbrido DCF + TDF1 + TDF2 com potência de bombeamento total de 566

mW (linha preta), 687 mW (linha vermelha), 806 mW (linha verde) e 894 mW..............150

Fig. 8.19 – Espectro de perdas do amplificador híbrido composto por um FRA seguido por

um TDFA de dois estágios. ...............................................................................................150

Fig. 8.20 – Espectro de ganho interno (a), ganho (b) e figura de ruído (c) do amplificador

DCF + TDF1 + TDF2 para potências de bombeamento totais de 566 mW (quadrados), 687

mW (círculos), 806 mW (triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo).............151

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Fig. 8.21 – Espectros na entrada (em baixo) e na saída (em cima) quando utilizados cinco

canais com potência de – 20 dBm por canal. Potência total bombeamento de 894 mW...153

Fig. 8.22 – Configuração do amplificador óptico híbrido TDF2 + DCF + TDF1 com

bombeamento monocromático em 1426 nm......................................................................154

Fig. 8.23 – Espectro de perdas do amplificador híbrido TDF2 +DCF + TDF1.................154

Fig. 8.24 – Espectro de ganho interno (a), ganho (b) e figura de ruído (c) do amplificador

TDF2 + DCF + TDF1 para potências de bombeamento totais de 566 mW (quadrados), 687

mW (círculos), 806 mW (triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo).............155

Fig. 8.25 – Espectros na entrada (vermelho) e na saída (azul) do amplificador híbrido

TDF2 + DCF + TDF1 com potência de bombeamento total de 894 mW quando utilizados

quatro canais com potência de – 20 dBm por canal...........................................................157

Fig. 8.26 – Configuração do amplificador óptico híbrido TDF2 + TDF1 + DCF com

bombeamento em 1426 nm................................................................................................158

Fig. 8.27 – Espectro de perdas do amplificador híbrido TDF2 + TDF1 + DCF................158

Fig. 8.28 – Espectros de (a) ganho, (b) ganho interno e (b) figura de ruído do amplificador

híbrido TDF2 + TDF1 + DCF, quando as potências de bombeamento total são 566 mW

(quadrados), 687 mW (círculos), 806 mW (triângulos pra cima), 894 mW (triângulos pra

baixo) e 993 mW (losangos).............................................................................................159

Fig. 8.29 – Espectros de (a) ganho e (b) ganho interno para três configurações distintas:

FRA + TDFA + TDFA (TDF 5000 ppm); (TDF 5000 ppm) + FRA + TDFA e TDFA (TDF

5000 ppm) + TDFA + FRA. A potência de bombeamento total é 894 mW......................161

Fig. 8.30 – Espectros de figura de ruído para três configurações distintas: FRA + TDFA +

TDFA (TDF 5000 ppm); (TDF 5000 ppm) + FRA + TDFA e TDFA (TDF 5000 ppm) +

TDFA + FRA. A potência de bombeamento total é 894 mW............................................162

Fig. 8.31 – Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento em 1426 nm

utilizando uma fibra altamente dopada com Túlio e uma fibra DCF.................................163

Fig. 8.32 – Espectros de perdas amplificador óptico híbrido com bombeamento em 1426

nm utilizando uma fibra altamente dopada com Túlio e uma fibra DCF...........................164

Fig. 8.33 – Ganho do TDFA (quadrados) e FRA (círculos) para potência de bombeamento

de 250 mW e 550 mW, respectivamente. A potência de sinal é -20 dBm.........................164

Fig. 8.34 – Ganho (quadrados) e figura de ruído (símbolos abertos) do amplificador

híbrido TDFA + FRA para potência de bombeamento de 200 mW e 510 mW,

respectivamente. A potência de sinal é -20 dBm...............................................................165

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Lista de Tabelas

Tabela 4.1 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #1...............................................73

Tabela 4.2 – Parâmetros experimentais utilizados nas medidas com COFDR...................81

Tabela 4.3 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #2...............................................87

Tabela 5.1 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #3...............................................96

Tabela 5.2 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #4.............................................103

Tabela 6.1 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #5.............................................110

Tabela 7.1 – Dados da fibra dopada com Érbio................................................................123

Tabela 8.1 – Dados da DCF..............................................................................................136

Tabela 8.2 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #3.............................................138

Tabela 8.3 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #5.............................................143

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Acrônimos e termos utilizados

1. ASE (Amplified Spontaneous Emission) – Emissão Espontânea Amplificada.

2. ASON (Automatic Switched Optical Networks) – Redes ópticas transparentes de alta

capacidade utilizando chaveamento automático.

3. APD (Avalanche Photodiode) – Fotodiodo tipo Avalanche.

4. Banda C (Conventional Band) – Região Espectral compreendida entre 1530 nm e 1565

nm, segundo o ITU-T.

5. Banda L (Long Wavelength Band) – Região Espectral compreendida entre 1565 nm e

1625 nm, segundo o ITU-T.

6. Banda S (Short Wavelength Band) – Região Espectral compreendida entre 1460 nm e

1530 nm, segundo o ITU-T.

7. BBM (Black Box Model) – Modelo de caixa preta.

8. BER (Bit Error Rate) – Taxa de Erro por Bit.

9. COFDR (Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry) – Reflectometria Óptica

Coerente no domínio da freqüência.

10. Crosstalk – Interferência entre canais.

11. CW (Continuous Wave) – Onda Contínua.

12. DCF (Dispersion Compensating Fibers) – Fibras ópticas para compensação de

dispersão

13. DEMUX (Demultiplexer) – Demultiplexador.

14. DFB (Distributed Feedback laser) – Laser com Realimentação Distribuída.

15. DRS (Double Rayleigh Scattering) – Espalhamento Rayleigh duplo.

16. DSF (Dispersion Shifted Fibers) – Fibras ópticas de transmissão tipo dispersão

deslocada.

17. DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) – Multiplexação Densa por

Comprimento de Onda.

18. EDF (Erbium Doped Fiber) – Fibra Dopada com Érbio.

19. EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) – Amplificador a fibra dopada com Érbio.

20. ESA (Excited State Absortion) – Absorção de Estado Excitado.

21. ESA (Electrical Spectrum Analyser) – Analisador de espectro Óptico.

22. F – fator de Ruído.

23. FBG (Fiber Bragg Gratings) – Fibras com Redes de Bragg.

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24. FFT (Fast Fourier Transform) – Transformada Rápida de Fourier.

25. FWM (Four Wave Mixing) – Mistura de quatro ondas.

26. FRA (Fiber Raman Amplifiers) – Amplificadores Raman a fibra

27. FWHM (Full Width Half Maximum) – Banda de largura a meia altura

28. GRIN (Graded Refrative Index) – Índice de Refração Gradual.

29. GSA (Ground State Absorsion) – Absorção de Estado Fundamental.

30. GS-TDFA (Gain Shifted - Thulium Doped Fiber Amplifier) – Amplificador a fibra

dopada com Túlio com curva de ganho deslocada em freqüência.

31. IDLER – Banda conjugada ocasionada pelo processo de amplificação paramétrica.

32. IEC (International Engineering Consorcium) – Consórcio Internacional de engenharia.

33. ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization

Sector) – União internacional de telecomunicações, setor de padronização de

telecomunicações.

34. LASER (Light Amplification by stimulated Emission Radiation) –Emissão de Radiação

Estimulada por amplificação de Luz.

35. LED (Light Emitting Diode) – Diodo Emissor de Luz, fonte de luz incoerente.

36. L-EDFA (L-band Erbium doped fiber amplifiers) – Amplificador a fibra dopada com

Érbio para a banda L.

37. LPG (Long Period Gratings) – Fibras com modulação no índice de refração com longo

período.

38. MASER (Microwave Amplification by stimulated Emission Radiation) – Amplificação

de Microondas por Emissão de Radiação Estimulada.

39. MPI (Multipath Interference) – Interferência de múltiplos caminhos.

40. MUX (Multiplexer) – Multiplexador.

41. NDFA (Neodimium Doped Fiber Amplifier) – Amplificador a fibra dopada com

Neodímio.

42. NF (Noise Figure) – Figura de Ruído.

43. NZDSF (Non Zero Dispersion Shifted Fibers) – Fibras ópticas de transmissão tipo

dispersão deslocada não nula.

44. OADM (Optical Add-Drop Multiplexer) – Dispositivos Ópticos que têm a capacidade

de adicionar, acessar ou remover um canal em sistema WDM.

45. OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) – Reflectometria Óptica no domínio

da freqüência.

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46. OL – Oscilador Local

47. OTDM (Optical Time Division Multiplexing) – Multiplexação óptica por divisão de

tempo

48. OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) – Reflectometria Óptica no domínio do

tempo.

49. OPA (Optical Parametric Amplifier) – Amplificador Óptico Paramétrico.

50. OSA (Optical Spectrum Analyser) – Analisador de Espectro Óptico.

51. PCE (Power Conversion Efficiency) – Eficiência de Conversão de Potência.

52. PDFA (Praseodimium Doped Fiber Amplifier) – Amplificador a fibra dopada com

Prasedímio.

53. pin – Fotodiodo com camada intrínseca interna para absorção de fótons.

54. PMD (Polarization Mode Dispersion) – Dispersão do Modo de Polarização.

55. QoS (Quality of Service) – Qualidade de serviço.

56. Regenerador 3R – realiza a reformatação, retemporização e reamplificação do sinal.

57. SBS (Stimulated Brillouin Scattering) – Espalhamento estimulado Brillouin.

58. S-EDFA (S-band Erbium doped fiber amplifiers) – Amplificadores a fibra dopada com

Érbio para funcionar na banda S

59. sig-sp (Signal-Spontaneous Beat) – Batimento Sinal-Espontâneo.

60. SNR (Signal to Noise Ratio) – Relação sinal ruído.

61. SOA (Semiconductor Optical Amplifier) – Amplificador Óptico de Semicondutor.

62. SPM (Self Phase Modulation) – Automodulação de fase.

63. sp-sp (Spontaneous -Spontaneous Beat) – Batimento Espontâneo -Espontâneo.

64. SRS (Stimulated Raman Scattering) – Espalhamento Raman estimulado.

65. SSE (Source Spontaneous Emission) – Emissão Espontânea da Fonte de Luz.

66. TDF (Thulium Doped Fiber) – Fibra dopada com Túlio.

67. TDFA (Thulium Doped Fiber Amplifier) – Amplificador a fibra dopada com Túlio.

68. TE (Transversal Eletric) – Elétrico transversal.

69. TM (Transversal Magnetic) – Magnético transversal.

70. TWA (Travelling Wave Amplifier) – Amplificador de onda propagante.

71. WDM (Wavelength Division Multiplexing) – Multiplexação por Comprimento de

Onda.

72. WXC (Wavelength Cross Conectors) – conectores cruzados de comprimentos de onda.

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73. ZBLAN – Vidros Fluorzirconados (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) na sua composição.

Usados como hospedeiro para terras raras que necessitam de vidros com baixa energia

por fônons, inclusive os íon trivalentes de Túlio (Tm

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Lista de parâmetros

1. a – Raio do núcleo da fibra.

2. a

– Área de seção de choque para o bombeamento na fibra.

3. B

– Largura de banda no domínio elétrico de medida na figura de ruído.

4. c – velocidade da luz.

5. E – Campo elétrico.

6. f – Freqüência elétrica.

7. F – Fator de ruído do amplificador.

8. f

) – Probabilidade de ocupação de um elétron com energia E

na banda de

condução.

9. f

) – Probabilidade de ocupação de um buraco com energia E

na banda de valência.

10. G – Fator de ganho do amplificador.

11. g – Ganho no meio óptico.

12. g

– Máximo de ganho no meio óptico.

13. g

– Coeficiente de ganho Raman.

14. h – Constante de Planck.

15.

SINAL

- Média da fotocorrente gerada no fotodetector.

16. I

– Intensidade do bombeamento.

17. I

– Intensidade do sinal.

18. k – Número de onda.

19. L – Comprimento do meio óptico ativo.

20. L

– Comprimento de coerência.

21. m

– Massa do elétron.

22. N – Densidade eletrônica total.

23. N

– Densidade eletrônica no estado fundamental.

24. N

– Densidade eletrônica no estado excitado.

25. N

– Potência de ruído adicionado pelo amplificador.

26. N

– Potência de ruído na entrada.

27. N

, para j = 0, 1, 2, 3, 4 e 5. – Estado de energia dos íons trivalentes de Túlio.

28. NF – Figura de ruído do amplificador.

29. N

– Densidade eletrônica no estado inferior.

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30. N

– Densidade eletrônica no estado superior.

31. n

– Índice de refração.

32.

– Fator de inversão de população.

33. P – Potência óptica do sinal.

34.

– Polarização elétrica.

35. P

entrada

– Potência de entrada no amplificador.

36. P

– Potência de bombeamento.

37.

saída

– Potência de saída no amplificador.

38.

sat

– Potência de saturação do amplificador.

39. q – Carga fundamental do elétron.

40. R

– Refletividade da face de entrada de um SOA.

41. R

– Refletividade da face de saída de um SOA.

42. r

– Raio modal do bombeamento.

43. r

– Raio modal do sinal.

44. SNR

entrada

– Relação sinal-ruído na entrada do amplificador.

45. SNR

saída

– Relação sinal-ruído na saída do amplificador.

46. S

dBm

(f) – Densidade espectral do ruído na saída do amplificador.

47. S

dBm

(f) – Densidade espectral do ruído na equivalente na entrada do amplificador.

48. S

MPI

(f) – Densidade espectral de potência da interferência por múltiplos caminhos.

49. S

(f) – Densidade espectral de potência elétrica.

50.

shot

(f) – Densidade espectral de potência do ruído de disparo.

51.

sig,sp

(f) – Densidade espectral de potência do batimento do sinal com a emissão

espontânea.

52.

sp,sp

(f) – Densidade espectral de potência do batimento da emissão espontânea com a

emissão espontânea.

53.

– Probabilidade de absorção a partir do nível i.

54. W

– Probabilidade de absorção ou emissão de um fóton de sinal.

55. T – Tempo de relaxação de dipolo.

56.

– Coeficiente de absorção.

57.

– Probabilidades de transição entre os níveis i e j por emissão espontânea ou

decaimento multifonônico.

58.

∆

f – Largura de linha do laser.

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59.

∆

k – Máximo descasamento de fase tolerado em um OPA.

60.

∆

L – Resolução do COFDR.

61.

∆ν

– Varredura total de freqüência na técnica COFDR.

62.

∆ν

– Largura de banda do amplificador.

63.

∆ν

– Largura de banda do ganho do meio.

64.

∆ν

– Intervalo entre os modos longitudinais de uma cavidade Fabry-Perot.

65.

∆

– Variância do ruído no fotodetector.

66. ε

– Permissividade elétrica no vácuo.

67.

– Eficiência quântica.

68.

– Fator de confinamento para o bombeamento.

69.

– Freqüência óptica do sinal.

70.

– Freqüências de ressonância da cavidade Fabry-Perot.

71.

ASE

– Densidade espectral de potência da emissão espontânea amplificada.

72.

total

– Densidade espectral de potência de ruído na saída do amplificador.

73.

SSE

– Densidade espectral de potência de ruído na entrada do amplificador.

74.

– Seção de choque para absorção.

75.

– Seção de choque para emissão.

76.

– Seção de choque para o sinal.

77.

– Tempo de vida do nível i.

78.

(i)

– Susceptibilidade elétrica de ordem i.

79.

– Freqüência angular do sinal.

80.

– Freqüência angular de transição atômica.

81.

ℜ – Responsividade do fotodetetor.

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Capítulo 1 – Sistemas de comunicações ópticas

Com o crescimento acelerado da demanda por tráfego de telecomunicações, as

comunicações por meio de sistemas ópticos estão sendo cada vez mais exploradas.

Atualmente, a tecnologia de transmissão de informação por fibra óptica é a principal

alternativa para estender a banda de transmissão, podendo atingir até aproximadamente 50

Tb/s, preservando algumas características favoráveis como: baixa atenuação do sinal, baixa

distorção do sinal, requerimento de baixa potência para funcionamento, entre outros [1].

Contudo, apesar do estado da arte estar em um estágio bem avançado, tais sistemas ainda

têm grande potencialidade a ser desenvolvida. Com o surgimento da tecnologia de

multiplexação em comprimento de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing), onde

são transmitidos vários canais com comprimentos de onda distintos em uma única fibra

óptica, muitos esforços estão sendo direcionados para o desenvolvimento de

amplificadores ópticos eficientes, confiáveis e de baixo custo, para tornar viável a

utilização de uma faixa mais larga na região espectral de baixas perdas das fibras de sílica

(1450 nm-1630 nm).

As normas do ITU-T (International Telecommunication Union, Telecommunication

Standardization Sector

) definem as seguintes bandas de transmissão para comunicações

ópticas [2]: Banda C (Conventional Band) como a região espectral compreendida entre

1530 nm e 1565 nm;

Banda L (Long wavelengths band) como a região espectral de 1565

nm a 1625 nm e

banda S (Short wavelengths band) como a região espectral de 1460 nm a

1530 nm [3]. O atual estado da arte para máxima capacidade de transmissão em uma única

fibra está em 10,92 Tb/s, utilizando 273 canais de 40 Gb/s nestas três principais bandas de

transmissão por uma distância de 117 km [4]. É importante frisar que, além de usar

amplificadores ópticos a fibra dopada com Érbio (EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifiers)

para amplificar os canais das bandas C e L, foram utilizados amplificadores a fibra dopada

com Túlio (TDFA, Thulium Doped Fiber Amplifiers) para amplificar os 85 canais que

foram alocados na banda S, demonstrando a concreta possibilidade de utilização de

amplificadores ópticos em sistemas comerciais de alta capacidade.

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1.1 – Evolução dos sistemas ópticos

O primeiro a propor teoricamente a construção de um amplificador óptico foi o

engenheiro russo Valentin A. Fabrikant, em 1939, em sua dissertação não publicada. Em

1954, Charles Townes produziu oscilação de microondas utilizando emissão estimulada.

Logo após a invenção do laser em 1958 por Schalow e Tocones [25], Theodore Maiman

construiu o primeiro laser em 1960. Em 1962, M. Nathan e seus colaboradores anunciaram

a geração de luz coerente, usando diodos de homojunção de GaAs, operados sob

polarização direta. Tais componentes funcionavam apenas a temperaturas muito baixas. A

solução do problema viria com a maturação da tecnologia do crescimento de camadas

epitaxiais sobre um substrato. Zh. I. Alferov foi o pai da nova geração de lasers chamados

de heteroestrutura. Neste caso, os dispositivos eram feitos usando-se camadas superpostas

de materiais diferentes. Com tais estruturas os lasers passaram a ter as correntes de

operação reduzidas de forma a permitir o seu uso à temperatura ambiente e regime

contínuo. Em face dos fatos acima citados, os lasers usados nos sistemas atuais de

telecomunicação são construídos com tecnologia a base de semicondutor. Isto, associado à

diminuição da atenuação das fibras ópticas para níveis aceitáveis a partir de 1970, tornou a

comunicação por fibra óptica viável [1].

O sistema de comunicação via fibra óptica mais simples é o ponto a ponto. Esse

sistema é constituído dos seguintes elementos básicos: Transmissores (fontes de luz, ver

seção 1.2

), meio de transmissão (fibra óptica, ver seção 1.3) e receptores (fotodetectores,

ver seção 1.4

). Nestes sistemas, quando a perda aumenta, parâmetro este que geralmente

apresenta uma dependência direta com o comprimento do enlace, é necessária a utilização

de elementos que tornem o sinal capaz de atingir seu destino de forma inteligível. Nesses

casos são utilizados regeneradores ou amplificadores (

seção 1.5).

Atualmente, a grande maioria dos sistemas de comunicações via fibra óptica usa

modulação de intensidade e detecção direta [5], apesar do esforço no desenvolvimento de

sistemas coerentes de modulação e detecção. A maioria dos sistemas ópticos é digital e de

alta performance. Tais sistemas admitem taxas de transmissão altas, podendo chegar a 160

Gb/s em um único canal utilizando tecnologia de multiplexação óptica no domínio do

tempo (OTDM,

Optical Time Domain Multiplexing) com uma baixa taxa de erro por bit

(BER, Bit Error Rate) [6].

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A evolução dos sistemas de comunicações ópticas ocorreu com a implantação da

tecnologia de multiplexação por comprimentos de onda. Novos dispositivos, como

multiplexadores/demultiplexadores ópticos (ver seção 1.7) foram desenvolvidos para esse

propósito. Nesses sistemas, os lasers de sinal, oriundos dos transmissores ópticos, são

agrupados pelo multiplexador e transmitidos em uma mesma fibra óptica. A recepção é

realizada por um conjunto composto do demultiplexador e dos receptores ópticos. O

demultiplexador separa as diversas componentes de sinal e entrega cada faixa de

comprimento de onda a um receptor.

Um outro aspecto que deve ser abordado é a migração para topologias mais

avançadas, constituídas de elementos como componentes ópticos de adição-remoção de

canais (OADM, Optical Add-Drop Multiplexer) e conectores cruzados de comprimento de

onda (WXC,

Wavelength Cross-Conector). Com os OADM é possível a construção de

topologias em barramento ou em anel. Os WXC possibilitam a implementação de redes

com nós com capacidade para roteamento e alocação de comprimentos de onda de formas

diversas, tornando possível a construção de redes ópticas automaticamente chaveadas

(ASON,

Automatic Switched Optical Networks). Maior detalhamento sobre redes ópticas

pode ser encontrado em [7,8].

1.2 – Transmissores ópticos

O transmissor óptico é responsável por converter o sinal elétrico em sinal óptico, de

forma que esse sinal óptico possa ser acoplado a uma fibra óptica. Para sistemas de

comunicações via fibra óptica, os transmissores são dispositivos à base de semicondutor

[9-14]. As vantagens no uso de dispositivos de semicondutor são muitas, entre elas:

tamanho compacto, alta eficiência, boa confiabilidade, área de emissão compatível com as

dimensões do núcleo de fibras ópticas disponíveis comercialmente e possibilidade de

emissão em comprimentos de onda na faixa de baixas perdas das fibras de sílica.

Existem basicamente dois tipos de dispositivo transmissor: o diodo transmissor de

luz (LED,

Light Emitting Diode), que consiste em uma junção p-n polarizada diretamente

gerando luz por emissão espontânea e o Laser (Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation

) de semicondutor, que geralmente é composto de heteroestruturas em

múltiplas camadas cujas faces formam uma cavidade, gerando emissão estimulada.

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As principais características do LED são [11]: emissão incoerente com largura

espectral larga (entre 30 nm e 60 nm), baixa capacidade de modulação (freqüência máxima

de modulação típica 100 MHz para LED de InGaAsP) e divergência angular elevada

gerando dificuldade para acoplamento em fibras ópticas (eficiência de acoplamento

máxima de 1 %). As aplicações mais importantes dos LEDs em telecomunicações são em

redes locais, cujas taxas de transmissão são menores do que 10 Mb/s. O uso de LEDs para

comunicação normalmente é associado ao uso de fibras multimodo [11].

As principais características do laser são [11]: emissão coerente com largura

espectral estreita, tipicamente de 1 nm para cavidades Fabry-Perot e menor que 0,1 nm

para emissão laser com realimentação distribuída (DFB, Distributed Feedback Laser);

capacidade de emissão de alta potência para utilização como sinal em telecomunicações

(da ordem de 10 mW); pequena dimensão lateral permitindo melhor acoplamento em fibras

ópticas monomodo (eficiência de acoplamento máxima entre 30 % e 50 %); e melhor

resposta em altas freqüências (até 40 GHz) [10] devido ao menor tempo de recombinação

associada à emissão estimulada. As aplicações mais importantes em telecomunicações são

em sistemas de longas distâncias principalmente nos que utilizam tecnologia WDM [11].

1.3 – Fibras ópticas

Fibras ópticas são filamentos dielétricos capazes de guiar luz que podem ser usados

como meio de transmissão [5, 7, 9, 11-12, 15-16]. Na maior parte dos casos são estruturas

cilíndricas concêntricas, compostas de materiais amorfos como vidros ou plásticos. A

região central da fibra óptica é chamada de núcleo, enquanto que a região periférica é

chamada de casca. O princípio para propagação utilizado é o efeito de reflexão interna total

que confina a luz no guia de onda criado pela diferença de índice de refração. Para que haja

o efeito de reflexão interna total, o índice de refração do núcleo deve ser maior do que o da

casca.

Os maiores limitantes para a transmissão de informação por uma fibra óptica são a

atenuação e a dispersão [7]. A atenuação [9-12] faz com que haja perdas no sinal

transmitido, prejudicando principalmente o alcance do enlace, e tem várias origens como

[5, 9, 11]: a absorção do material que compõe a fibra na região de infravermelho e de

ultravioleta, o espalhamento de Rayleigh e a absorção pelos íons que são depositados no

material durante o processo de fabricação.

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Recentemente, os processos de fabricação melhoraram bastante fazendo com que as

fibras ópticas tenham diminuído substancialmente os picos de absorção por íons, tornando

o espectro de absorção mais plano, se aproximando muito do limite teórico, e tornando

possível a exploração de uma faixa de comprimentos de onda bem mais extensa por meio

da tecnologia WDM, inclusive na banda S.

A dispersão [5, 7, 9, 11-12, 15-16], que provoca degradação devido à redistribuição

de potência no âmbito espacial e temporal ao longo da propagação, pode ser basicamente

classificada como: intermodal e intramodal.

A dispersão intermodal depende da resposta do meio a diferentes comprimentos de

onda e aparece porque os diferentes modos têm constantes de propagação distintas, ou seja,

viajam com velocidades distintas na fibra. A solução mais prática e interessante para este

caso é a utilização das fibras monomodo, que só admitem a propagação do modo

fundamental (LP01).

A dispersão intramodal ocorre por causa da largura de linha associada à fonte de luz.

Os dois fatores principais que compõem a dispersão intramodal são: a dependência do

índice de refração do material com o comprimento de onda e o perfil de índices de refração

do guia que confina a luz. Atualmente, existem fibras ópticas sofisticadas, como as fibras

de dispersão deslocada não nula (NZDSF, Non zero Dispersion Shifted Fiber), cujo perfil

de índices de refração é mais complexo, permitindo uma dispersão baixa e constante por

uma faixa de comprimentos de onda bem maior em torno de 1550 nm, sendo assim

possível aumentar a capacidade dos sistemas através de tecnologia WDM [9].

A evolução tecnológica das fontes e fibras, o aumento das taxas de repetição e a

capacidade de compensação da atenuação e da dispersão da fibra fizeram com que

aparecessem fatores que não eram importantes, por estarem associados a efeitos de menor

magnitude. Esse é o caso da dispersão por modo de polarização (PMD,

Polarization Mode

Dispersion

) [17] gerada entre as polarizações ortogonais degeneradas que apresentam

velocidades de propagação diferentes decorrentes de imperfeições nas características da

fibra óptica. Para sistemas de longas distâncias com altas taxas de transmissão (acima de

10 Gb/s), a PMD deve ser considerada no projeto.

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1.4 – Receptores ópticos

Os receptores [9-16] são os elementos responsáveis por converter o sinal óptico em

sinal elétrico, capaz de ser processado. O mais importante componente é o fotodetector,

que converte luz em corrente elétrica através da absorção de fótons em uma junção p-n.

Para sistemas de comunicações via fibra óptica, o receptor deve ter alta sensibilidade,

resposta rápida, baixo ruído, baixo custo, boa confiabilidade e dimensões compatíveis com

diâmetro do núcleo das fibras ópticas utilizadas [11]. Dois tipos básicos de fotodetectores

são usados em sistemas de comunicações via fibra óptica: os fotodiodos tipo

pin e os do

tipo

APD.

O pin consiste em uma junção semicondutora p-n com uma camada de material

intrínseco inserido entre as camadas p e n para que o campo elétrico na região de depleção

aumente devido à maior resistividade associada à camada não dopada, melhorando a sua

resposta em freqüência. A principal diferença entre o pin e o fotodiodo é que a componente

que domina a corrente é a de deriva. Também é interessante frisar que a largura de banda

fica limitada pelo longo tempo de trânsito, devido ao comprimento da camada intrínseca

[11].

O fotodiodo tipo avalanche (APD, Avalanche Photodiode) difere do p-i-n na adição

de uma camada onde pares elétron-buraco são multiplicados por meio do processo de

ionização por impacto [10-11]. Tal geração de pares provê um fator multiplicativo na

responsividade, tornando o

APD mais sensível do que o pin [9-11]. É importante

mencionar que o processo de avalanche é intrinsecamente ruidoso [10].

1.5 – Regeneradores e amplificadores ópticos

Antes do aparecimento dos amplificadores ópticos, os regeneradores ópticos eram os

únicos dispositivos que tinham a função de corrigir as degradações impostas ao sinal. Um

regenerador funciona da seguinte forma: toma o sinal óptico a ser regenerado, converte em

sinal elétrico, realiza a reformatação, a retemporização e a reamplificação, e então converte

o sinal regenerado para o âmbito óptico, dando continuidade à transmissão do sinal. A

capacidade de transmissão dos sistemas aumentou, e conseqüentemente a taxa de

transmissão cresceu significativamente e os circuitos eletrônicos responsáveis pela

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regeneração do sinal se tornaram caros e complexos. Com isso, surgiu a necessidade de

que o processo de amplificação acontecesse no âmbito óptico demandando amplificadores

totalmente ópticos (ver capítulo 2).

1.6 – Compensadores de dispersão

O uso de amplificadores ópticos em sistemas de longa distância estendeu o

comprimento dos enlaces até o ponto onde a dispersão se tornou o fator limitante de

desempenho. Para aumentar o alcance do enlace surgiu a necessidade de se construir

elementos compensadores de dispersão. Além disso, a compensação de dispersão tem um

papel fundamental no controle da degradação induzida por não-linearidades [18], pois a

combinação de automodulação de fase (SPM, Self Phase Modulation) e dispersão

cromática pode gerar distorções graves em sistemas de comunicação digital, levando à

perda de informação.

Os componentes que podem compensar dispersão são: fibras compensadoras de

dispersão, fibras com redes de difração de Bragg, compensadores de modo espacial de

mais alta ordem ou por técnicas de inversão espectral [16].

Atualmente, as fibras compensadoras de dispersão constituem o método mais prático,

especialmente quando o espectro para compensação requerido é largo. Para obtenção de

dispersão negativa em fibra, deve-se aumentar a diferença entre os índices de refração do

núcleo e da casca e/ou diminuir o diâmetro do núcleo [9, 16].

1.7 – Multiplexadores / Demultiplexadores ópticos

Para tornar a tecnologia WDM possível são necessários componentes que combinem

sinais de várias fontes com comprimentos de onda diferentes em uma única fibra óptica

(MUX, Multiplexadores de comprimentos de onda), bem como componentes que

distribuam sinais provenientes de uma única fibra em várias saídas distintas de acordo com

o comprimento de onda (DEMUX, Demultiplexador de comprimentos de onda) [16]. É

importante que ambos apresentem baixas perdas de inserção e pequena interferência entre

os canais envolvidos. Existem vários métodos para construção destes dispositivos, entre

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eles: combinação de acopladores com grades de difração, matrizes de redes de guias de

onda, filtros ópticos e divisores de potência com fibras ópticas.

A opção com menor perda de inserção consiste em filtros interferométricos dispostos

em zigzag onde canais com pequena largura de linha podem ser adicionados ou retirados

através de portas com lentes com variação de índice de refração gradual (GRIN, Graded

Refrative Index

) [16].

1.8 – Componentes para amplificadores ópticos

Além do meio ativo, que será explorado posteriormente no capítulo 2, existem

componentes ópticos que constituem as peças fundamentais para o projeto e construção de

amplificadores ópticos. Entre eles podem ser citados os acopladores direcionais,

isoladores, circuladores ópticos e equalizadores.

1.8.1 – Acopladores direcionais

Os acopladores direcionais de comprimentos de ondas [7, 9, 16], também chamados

comumente de WDM, permitem que feixes de luz com diferentes comprimentos de onda

possam ser combinados com uma perda pequena. Os parâmetros mais importantes destes

acopladores são a perda de inserção e a isolação entre as portas de saída. A perda de

inserção é definida como a relação de potência emergindo da porta de saída e a potência

presente em uma dada porta de entrada. Enquanto que a isolação é definida como a razão

de potência óptica de um comprimento de onda fora da faixa de operação de uma certa

porta em relação à potência de entrada neste comprimento de onda.

Estes dispositivos são tipicamente construídos por acopladores de fibras fundidas [9,

7] ou por filtros refletores por interferência. Os dispositivos constituídos por fibras

fundidas têm em geral menor perda de inserção, maior confiabilidade e custo mais baixo.

Enquanto que os baseados em filtros interferométricos têm como vantagens principais

maior banda passante, menor perda dependente da polarização e maior isolação entre os

canais [16].

Divisores de potência são construídos da mesma forma com ajustes de projeto

diferentes para que as curvas de transmissão de potência tenham períodos maiores.

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1.8.2 – Isoladores

Reflexões na entrada e na saída dos amplificadores ópticos podem gerar oscilações

laser, comprometendo o desempenho do amplificador. Estas reflexões podem ser geradas

nos conectores, por espalhamento Rayleigh, ou por outras causas, podendo deteriorar o

desempenho em ruído do amplificador. As reflexões de emissão espontânea amplificada

(ASE, Amplified Spontaneous Emission) contrapropagante diminuem a inversão de

população no início da fibra [7, 16]. Para evitar estes problemas são utilizados isoladores,

que são componentes que permitem transmissão em uma direção, mas que bloqueiam a

propagação no sentido contrário. Os parâmetros-chave que descrevem o desempenho dos

isoladores são: perda de inserção, que consiste na perda quando o sinal é transmitido na

direção direta, e isolação, que consiste na perda quando o sinal é transmitido na direção

reversa. Um isolador típico é construído a partir do efeito de rotação de Faraday em

conjunto com polarizadores [7]. Tipicamente a isolação é de 30 dB a 40 dB e a perda de

inserção é de 0,3 dB a 0,5 dB.

1.8.3 – Circuladores ópticos

O circulador [7, 16] é um componente passivo não recíproco, ou seja, é um

dispositivo cuja operação não é a mesma se a entrada for trocada pela saída. O circulador

funciona tomando o feixe proveniente de uma porta conectada a uma fibra óptica roteando

para outra. O funcionamento se dá da seguinte forma: o sinal proveniente da porta 1 é

direcionado para a porta 2; o da porta 2 para a porta 3 e assim em diante, dependendo do

número de portas do dispositivo. Esses dispositivos têm normalmente 3 ou 4 portas, mas

podem ter até 10 portas. Existem circuladores de 3 portas mais simples e baratos que não

permitem a passagem do sinal da porta 3 para a porta 1. A perda de inserção, definida

como a perda do dispositivo no sentido de roteamento é tipicamente de 0,5 dB, enquanto

que a isolação, definida como a perda do dispositivo no sentido inverso é tipicamente de 50

dB. Os circuladores são construídos com polarizadores e rotacionadores de Faraday [7].

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1.8.4 – Equalizadores ópticos

Um dos principais requisitos para a utilização de amplificadores ópticos em redes

ópticas com tecnologia WDM é que o ganho e a figura de ruído devem ser

aproximadamente o mesmo para cada um dos canais de transmissão [11-12, 19-20].

Quando os canais não são submetidos ao mesmo ganho e figura de ruído, uma diferença na

relação sinal ruído destes canais (SNR, Signal to Noise Ratio) é gerada, tornando diferente

a taxa de erro por bit (BER, Bit Error Rate) de cada canal [9]. Existem várias formas para

tornar o ganho de um amplificador óptico plano sobre toda a faixa de comprimentos de

onda de transmissão necessária. As duas mais importantes estão descritas a seguir. Ambas

consistem na inserção de perdas dependentes do comprimento de onda.

Quando a luz se propaga através de uma fibra óptica com uma modulação espacial

periódica no índice de refração, sob certas condições, pode haver um acoplamento com o

modo de mesma constante de propagação, porém com direção contrária [9]. Isso acontece

sob a condição de Bragg. Tal condição é satisfeita quando a diferença entre as constantes

de propagação dos modos a serem acoplados é igual à freqüência espacial da rede,

formando assim as fibras com redes de Bragg (FBG, Fiber Bragg Gratings). As FBGs

podem ser aplicadas com o auxílio de um circulador para equalização de ganho. Cada rede

de Bragg é responsável pelo controle de um comprimento de onda [21].

Também é possível utilizar fibras com modulação no índice de refração de longo

período (LPG, Long Period Gratings) para equalização de ganho em amplificadores e

outras aplicações [22-24]. O que ocorre é o acoplamento de luz do modo fundamental

guiado (LP01) em modos que se propagam na casca da fibra. Esses modos têm uma perda

associada muito alta devido às perdas por espalhamento na interface casca-ar, curvaturas

na fibra e outras perturbações. Essas redes têm uma grande variedade de aplicações por

conta de sua grande capacidade de selecionar o espectro de perdas e apresentar uma banda

relativamente larga. É possível controlar o pico de perda da rede e seu comprimento de

onda central no processo de fabricação [22].

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1.9 – Estrutura da tese

Esta tese versa sobre a pesquisa e desenvolvimento de métodos e técnicas para

construção de amplificadores ópticos que possibilitem a expansão da capacidade de

transmissão em sistemas ópticos utilizando tecnologia de multiplexação por divisão de

comprimento de onda.

No Capítulo 2 serão abordados os conceitos básicos e parâmetros-chave para os

vários tipos de amplificadores ópticos. No Capítulo 3 será realizada uma exploração mais

ampla do TDFA, abordando aspectos teóricos e apresentando os resultados mais

importantes descritos na literatura referente ao assunto. No Capítulo 4 será descrito o novo

esquema de bombeamento para TDFA (800 nm + 1050 nm) com alta eficiência de

conversão de potência proposto. Também serão apresentados resultados relevantes de

medição de ganho distribuído em fibras dopadas com Túlio utilizando reflectometria óptica

no domínio da freqüência. O trabalho documentado no capítulo 4 foi realizado em conjunto

por um grupo de pesquisadores do Departamento de Eletrônica e Sistemas da Universidade

Federal de Pernambuco (Carmelo J. A. Bastos Filho e Prof. Joaquim F. Martins Filho), do

Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco (Prof. Anderson S. L.

Gomes, Prof. Michael L. Sundheimer e Mariana T. Carvalho) e por Walter Margulis da

ACREO (Suécia). No Capítulo 5, amplificadores de alto ganho de pequenos sinais são

propostos utilizando a técnica de dupla passagem do sinal pelo meio ativo (amplificadores

reflexivos), trabalho este realizado por Carmelo J. A. Bastos Filho, Prof. Joaquim F.

Martins Filho e Prof. Anderson S. L. Gomes. No capítulo 6 serão apresentados resultados

inéditos de medição da dependência espectral do efeito de saturação cruzada de ganho em

TDFA. Estas medidas foram realizadas no Departamento de Física da Universidade

Federal de Pernambuco. No capítulo 7 são abordadas técnicas de travamento de ganho

óptico para utilização de amplificadores em redes transparentes. São discutidos os efeitos

do sentido do bombeamento e do laser de travamento para diferentes configurações. Os

experimentos com travamento de ganho foram realizados no Laboratório de Redes Ópticas

DWDM do Grupo de Fotônica do Departamento de Eletrônica e Sistemas da Universidade

Federal de Pernambuco. Configurações diversas de amplificadores híbridos (FRA +

TDFA) são apresentadas no capítulo 8, inclusive uma solução inédita com um único

bombeamento em 1426 nm. Os resultados pertinentes ao capítulo 8 foram obtidos por um

grupo de pesquisadores do Departamento de Eletrônica e Sistemas da Universidade

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Federal de Pernambuco (Carmelo J. A. Bastos Filho e Prof. Joaquim F. Martins Filho), e

do Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco (Prof. Anderson S. L.

Gomes, Stefan Lüthi e Marcia B. Costa e Silva).

Na figura 1.1 está mostrada uma foto do laboratório de Redes Ópticas do Grupo de

Fotônica do Departamento de Eletrônica e Sistemas da Universidade Federal de

Pernambuco, onde os resultados apresentados no capítulo 7 foram obtidos. Na figura 1.2

está mostrada uma foto do Laboratório de Fotônica e Optoeletrônica do Departamento de

Física da Universidade Federal de Pernambuco, onde foram obtidos os resultados

apresentados no capítulo 4, 5, 6 e 8.

Figura 1.1 – Foto do Laboratório de Redes Ópticas do Grupo de Fotônica do Departamento de

Eletrônica e Sistemas da Universidade Federal de Pernambuco.

Figura 1.2 – Foto do Laboratório de Fotônica e Optoeletrônica do Departamento de Física da

Universidade Federal de Pernambuco.

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1.10 – Referências bibliográficas

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Capítulo 2 – Amplificadores Ópticos para Comunicações

A principal penalidade responsável pela determinação do alcance máximo de

transmissão de um sistema de comunicações por fibra óptica é a atenuação sofrida pelo

sinal. Para compensar as perdas impostas pelo meio de transmissão, e assim aumentar o

alcance, são utilizados dispositivos capazes de recondicionar o sinal. Existem duas

soluções para esse problema: uso de regeneradores optoeletrônicos ou amplificadores

ópticos.

Enquanto que os regeneradores optoeletrônicos utilizam conversão

óptica/elétrica/óptica, onde o tratamento do sinal é realizado eletronicamente, os

amplificadores ópticos executam todo esse processo no domínio óptico. A grande

vantagem na utilização de amplificadores ópticos é que estes são indiferentes ao formato

da informação e à taxa de transmissão. Outro aspecto importante é que no caso de uma

expansão do sistema, muitas vezes não é necessária a troca dos amplificadores contidos no

sistema.

A amplificação óptica é baseada no processo de emissão estimulada entre dois níveis

de energia que mantêm inversão de população. Nesse processo, novos fótons são gerados

com mesma energia, fase, direção e polarização dos fótons incidentes na entrada do

dispositivo. Tais amplificadores utilizam o mesmo mecanismo dos lasers, contudo a

realimentação capaz de criar a cavidade ressonante é suprimida [2,3]. O elemento que

realiza ganho no amplificador é o meio ativo, enquanto que o bombeamento é o

responsável por manter a inversão de população entre os níveis de energia envolvidos no

processo de amplificação.

2.1 – Modelagem teórica de ganho em amplificadores ópticos

Normalmente o ganho óptico depende do comprimento de onda do sinal incidente,

das intensidades do sinal e do bombeamento, comprimento de onda do bombeamento (no

caso de bombeamento óptico), vidro hospedeiro (no caso de amplificadores a fibra), além

de outros parâmetros. O ganho do meio pode ser modelado, em primeira aproximação, por

um sistema com dois níveis de energia alargados homogeneamente, cuja descrição é dada

aproximadamente pela função lorentziana [4]:

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()

sat

+−+

)(

ωω

, (2.1)

onde g

é o valor máximo de ganho, determinado pela intensidade de bombeamento,

é a

freqüência óptica do sinal incidente,

é a freqüência da transição atômica, P é a potência

óptica do sinal a ser amplificado. O parâmetro P

sat

é a potência de saturação para o sinal,

que depende de parâmetros do meio gerador de ganho, como tempo de fluorescência e

seção de choque da transição. O parâmetro T

é conhecido como tempo de relaxação de

dipolo e é tipicamente muito pequeno (0,1 ps a 1 ns) [4].

Para o caso em que a potência de sinal é muito menor que a potência de saturação,

tem-se:

()

)(

ωω

−+

. (2.2)

A equação 2.2 mostra que o ganho máximo ocorre quando a freqüência do sinal

coincide com a freqüência de transição atômica.

Considerando a freqüência do sinal exatamente sintonizada na freqüência de

transição atômica, tem-se a partir de (2.1):













sat

, (2.3)

mostrando claramente que, para um dado bombeamento, o ganho do amplificador diminui

com o aumento da potência óptica do sinal na entrada do amplificador. Este efeito advém

da diminuição do nível de inversão de população à medida que o sinal aumenta.

É importante salientar que para amplificar sinais em diferentes comprimentos de

onda simultaneamente, o efeito de saturação do ganho para um dado canal em um certo

comprimento de onda é determinado pela potência contida em todos os canais. Isso causa

efeitos de saturação cruzada (ver capítulo 6), indesejável em amplificadores de sistemas de

comunicações ópticas. Todavia tal efeito pode ter aplicações bastante interessantes, como

conversão de comprimento de onda.

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2.2 – Modelagem teórica de figura de ruído de amplificadores

ópticos

A figura de ruído é um parâmetro utilizado para quantificar a degradação da

qualidade do sinal devido à inserção de ruído pelo amplificador. As principais fontes de

ruído de um amplificador óptico são as seguintes [5]: Batimento Sinal-Espontâneo (

sig-sp,

Signal-Spontaneous), que é originado da mistura da luz coerente do sinal com a luz

incoerente da emissão espontânea amplificada (

ASE, Amplified Spontaneous Emission),

quando estes têm a mesma polarização; batimento Espontâneo-Espontâneo (

sp-sp,

Spontaneous-Spontaneous), que é o batimento de componentes copolarizadas de ASE;

interferência de múltiplos caminhos (

MPI, Multipath Interference), que aparece devido às

flutuações de fase e freqüência do sinal refletido em vários pontos dentro do amplificador;

e ruído balístico (

sh, Shot Noise), devido à natureza quantizada dos fótons. Em

amplificadores com alto ganho, os espalhamentos estimulados Raman (

SRS, Stimulated

Raman Scattering) e Brillouin (

SBS, Stimulated Brillouin Scattering) podem contribuir de

forma significativa na adição de ruído.

De acordo com a definição clássica, adotada pela ITU-T (International

Telecommunication Union), utilizada em equipamentos de teste, a figura de ruído é

definida por [5]:













saída

entrada

SNR

NF log10

, (2.4)

onde SNR

entrada,saída

são as relações entre sinal e ruído (SNR, Signal to Noise Ratio) na

entrada e na saída do amplificador, respectivamente.

Definindo essas relações em termos de parâmetros envolvendo fotocorrentes em um

fotodetector, tem-se:

>∆<

ruído

Sinal

SNR , (2.5)

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onde,

Sinal

ℜ>=<

é a média da fotocorrente gerada e

∫

ℜ>=∆<

)(

ruídoruído

dffSi

é a

variância do ruído,

ℜ

é a responsividade do fotodetector, B

é a largura de banda do canal

e S

ruído

(f) é a densidade espectral de potência de ruído.

Dessa forma pode-se escrever a SNR na entrada e na saída da seguinte forma:

22 Bh

BPq

SNR

entrada

entruído

entrada

ℜ

∆

= , (2.6)

()

∫

−

+++++ℜ

ℜ

∆

222

...

shotRayleighMPIspspspsig

entrada

saídaruído

saída

dfSSSSSB

SNR

. (2.7)

onde G é o fator de ganho do amplificador, q é a carga fundamental do elétron e

é a

eficiência quântica do fotodetector. O parâmetro S

sig,sp

é a densidade espectral de potência

do batimento Sinal-Espontâneo, S

sp,sp

é a densidade espectral de potência do batimento

Espontâneo-Espontâneo, S

MPI

é a densidade espectral de potência da interferência de

múltiplos caminhos (

MPI, Multipath Interference), S

Rayleigh

é a densidade espectral de

potência por espalhamento Rayleigh e S

Shot

é a densidade espectral de potência de ruído de

disparo.

Agrupando todos os ruídos de excesso e definindo uma densidade espectral de

ruído de excesso, tem-se:

...

RayleighMPIspspspsige

SSSSS

, (2.8)

Com isso pode-se obter:

entrada

shot

entrada

saída

entrada

PGh

SNR

νν

+==

, (2.9)

onde F é chamado de fator de ruído.

Considerando o batimento sinal-espontâneo como o ruído de excesso mais

importante, as densidades de potência de ruído de excesso e balístico são dadas por [5]:

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entradaASEspsige

GPSS

, (2.10)

entradashot

GPhS

. (2.11)

onde

ASE

é a densidade espectral de emissão espontânea amplificada.

Substituindo (2.10) e (2.11) em (2.9), obtem-se:

GGh

ASE

. (2.12)

Outra forma de abordar a figura de ruído a partir da definição clássica, proposta por

H. Friis do Laboratório Bell (EUA) em 1944 [5], considera que o amplificador adiciona

uma potência de ruído independente do sinal (perfeito para o caso, onde a emissão

espontânea amplificada é a fonte de ruído e, a priori, independente da potência do sinal

para situação sem depleção de bombeamento). Considerando nestes termos pode-se

escrever o fator de ruído como:

NNG

























, (2.13)

onde S

é a potência de sinal na entrada, N

é a potência de ruído na entrada e N

é a

potência de ruído adicionado pelo amplificador.

Existem modelagens mais modernas tratando a luz de forma quantizada [6-9] e

atribuindo distribuições probabilísticas diversas às fontes de ruído. Nessas formulações, o

ruído gerado pelo amplificador é modelado como uma distribuição de Bose-Einstein, em

que os fótons de sinal apresentam uma distribuição de Poisson e a média de fótons na saída

é uma função dos polinômios de Laguerre.

A figura de ruído é influenciada de forma dominante pelo fator de inversão de

população

n , que representa a relação entre as taxas de emissão espontânea e estimulada.

O fator de inversão de população é definido como [23]:

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−

, (2.14)

onde

é a densidade eletrônica no estado excitado e N

é a densidade eletrônica no estado

fundamental. É importante frisar que este fator, quando existe inversão de população,

somente assume valores maiores do que 1. Com alto fator de inversão de população uma

menor figura de ruído é obtida [10].

O fator de ruído está relacionado com o fator de inversão de população por [7]

−

. (2.15)

No caso limite, quando se tem alta inversão de população (

n ) e alto ganho (G

>> 1), o fator de ruído assume o valor 2, o que resulta em uma figura de ruído mínima

igual a 3 dB.

2.3 – Aplicações

Dependendo da necessidade, os amplificadores ópticos podem ser empregados de

várias formas em projetos de sistemas de comunicações por fibra óptica. Existem várias

aplicações como [10-12]: amplificador de linha, amplificador de potência, pré-amplificador

e amplificador de distribuição.

Uma importante aplicação é como amplificador de linha em sistemas de longa

distância, onde os amplificadores colocados ao longo do sistema são responsáveis pela

compensação da potência perdida pelo sinal durante a propagação. Neste tipo de

amplificador é importante manter a equalização entre os canais, pois em longos enlaces,

vários destes amplificadores podem ser colocados em série, valorizando diferenças na

resposta espectral. Também é importante que estes apresentem figura de ruído baixa, para

que o sinal não perca a inteligibilidade através da degradação da SNR, e constante, para

conservar a taxa de erro por bit dos canais em um mesmo patamar.

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Outra forma de utilização é como amplificador de potência, para aumentar a potência

transmitida e possibilitar a chegada do sinal aos amplificadores de linha com qualidade

aceitável. Pode-se obter um aumento significativo do alcance do sistema através do uso de

um amplificador de potência (até 100 km) [4]. Também pode ser aplicado em redes

metropolitanas para compensar perdas geradas pelos elementos de redes ópticas.

Pode-se melhorar bastante a sensibilidade do receptor através do emprego de um pré-

amplificador. É necessário que a figura de ruído seja baixa, pois o sinal chega ao receptor

bastante atenuado.

Já os amplificadores de distribuição têm papel fundamental em aplicações onde é

necessária a transmissão de sinais para um grande número de clientes, como em redes de

TV a cabo.

2.4 – Tipos de amplificadores ópticos

Existem vários tipos de amplificadores ópticos que são descritos ao longo desta

seção. Entre eles: amplificadores ópticos de semicondutor (

SOA, Semiconductor Optical

Amplifiers

) [2-4,12-14], amplificadores Raman a fibra (FRA, Fiber Raman Amplifiers) [4,

12-16], amplificadores ópticos paramétricos (

OPA, Optical Parametric Amplifiers) [18,

19], amplificadores ópticos a fibra dopada com Érbio (

EDFA, Erbium Doped Fiber

Amplifiers

) [1,4,10,12,13,15,22-25], amplificadores ópticos a fibra dopada com

Praseodímio (

PDFA, Praseodimium Doped Fiber Amplifiers) [13,23], amplificadores

ópticos a fibra dopada com Neodímio (

NDFA, Neodimium Doped Fiber Amplifiers)

[23,27-29] e os amplificadores ópticos a fibras dopadas com Túlio (

TDFA, Thulium Doped

Fiber Amplifiers

) [30-32].

2.4.1 – Amplificadores ópticos de semicondutor

Os amplificadores ópticos de semicondutor (

SOA, Semiconductor Optical

Amplifiers

) funiconam baseados no conceito de que se pode alterar a intensidade de uma

onda em um meio semicondutor ativo, de acordo com as perdas do meio ou devido à

injeção de portadores no mesmo para obtenção de ganho. A atenuação é devida à absorção

de fótons, fazendo com que um elétron transite da banda de valência para a banda de

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condução. A amplificação ocorre quando, através da injeção de portadores é causada uma

situação de inversão de população entre a banda de valência e a banda de condução com

diferença de energias (GAP) ligeiramente menor do que a energia dos fótons que compõem

a onda propagante. Na verdade, um SOA é um laser de diodo sem realimentação. A

estrutura é polarizada diretamente abaixo do limiar laser. Quando um sinal entra no meio

gerador de ganho, a presença de fótons causa emissão estimulada, então um sinal

amplificado e coerente emerge na outra extremidade.

Existem duas formas de operação de um SOA. Como Amplificador de Onda Viajante

(TWA) ou Amplificador Fabry-Perot. No modo de operação TWA, o sinal atravessa uma

única vez o dispositivo sendo amplificado durante esta passagem. Este modo de operação é

particularmente interessante para aplicações de alta velocidade, onde pulsos com largura

menor que 1 ps podem ser amplificados. Já em uma cavidade Fabry-Perot, o sinal percorre

múltiplos caminhos por causa da reflexão nos semi-espelhos nas extremidades do

dispositivo [3]. Para que o SOA opere como um TWA, deve-se diminuir a refletividade das

faces. O primeiro passo para isto, consiste em depositar camadas anti-refletoras nas duas

interfaces. Além disso, pode-se inclinar a região do guia de ondas em relação à normal da

interface ou inserir uma região transparente entre a região ativa e a interface. Neste caso, o

raio óptico é defocalizado antes de chegar à interface semicondutor-ar. A luz refletida

diverge mais e não consegue ser acoplada satisfatoriamente na região ativa, cuja espessura

é bastante delgada.

Uma característica indesejável do amplificador é a sensibilidade à polarização, ou

seja, o ganho do amplificador é diferente para os modos transversais elétricos (TE) e para

os modos transversais magnéticos (TM). Tal discrepância entre os modos tipicamente pode

alcançar valores entre 5 dB e 8 dB, ocorrendo por causa da diferença entre os fatores de

confinamento e os ganhos diferenciais entre as polarizações. Alguns esquemas foram

desenvolvidos para reduzir a sensibilidade à polarização.

Numa primeira elaboração, os amplificadores foram projetados de forma que a

largura e espessura da região ativa fossem comparáveis. Com esta técnica conseguiu-se que

a diferença de ganho entre os modos TE e TM ficasse menor que 1,3 dB [13]. Outra forma

de diminuir esta diferença foi confeccionar uma estrutura com uma maior cavidade óptica,

tornando a diferença de ganho menor do que 1 dB [13].

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2.4.2 – Amplificadores ópticos paramétricos

Os amplificadores ópticos paramétricos [18,19] são dispositivos baseados na

dependência não linear do índice de refração da sílica com a intensidade do feixe

propagante. Com estes, é possível a geração de freqüências mais altas (

up conversion),

através da geração de fótons anti-Stokes, ou de freqüências mais baixas (

down conversion),

através da geração de fótons Stokes.

Para um meio não linear de natureza amorfa a polarização não linear induzida é dada

por:

()

(

)

(

)

(

)

(

)

trEtrEtrEtrP

;;;;

χε

, (2.16)

onde o

()

é a susceptibilidade elétrica de terceira ordem com sua parte real relacionada

ao ganho paramétrico e a parte imaginária ligada à efeitos Raman. A operação matemática

envolvida em (2.16) é um produto tensorial [18].

A mistura de quatro ondas (

FWM, Four Wave Mixing) é um fenômeno que tem

dependência direta com

()

, onde novas freqüências são criadas combinando as

freqüências dos feixes incidentes. Existem dois tipos de componentes geradas pela mistura

de quatro ondas. No primeiro caso, tem-se a transferência de energia de três fótons para um

único fóton, com freqüência

3214

−

= , responsável pela conversão de freqüência.

No segundo caso, a energia de dois fótons, de freqüências

, é transferida para dois

outros fótons, de freqüências

. Como o processo é paramétrico, este deve ocorrer

de tal forma que

4321

. Para o FWM se tornar um processo eficiente, deve-se

ter casamento de fase, que no caso da transferência de energia de dois fótons para outros

dois fótons, deve obedecer a seguinte equação [18-19]:

(

)

22114433

2143

−

=−−+=∆

nnnn

kkkkk

, (2.17)

onde

k representa o número de onda, n o índice de refração de cada feixe e c é a velocidade

da luz.

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Para o caso degenerado, onde

, é relativamente fácil a obtenção da

condição de casamento de fase. Com a aplicação de um bombeamento intenso, são criadas

duas bandas laterais alocadas simetricamente em relação à freqüência do laser de

bombeamento, uma chamada de banda de sinal e a outra chamada de banda ociosa (

Idler).

Com a incidência de um sinal pouco intenso, através do processo mostrado na figura 2.1,

absorvendo dois fótons de bombeamento pode-se obter ganho com a simultânea geração de

outro fóton na banda ociosa. Este ganho é chamado de ganho paramétrico.

Figura 2.1 – Diagrama de energia ilustrando o processo de amplificação paramétrica.

Para o caso prático da construção de um OPA, as fibras devem apresentar

comprimento menor que o comprimento de coerência













∆

[18,19], onde

∆

é o

máximo descasamento de fase tolerado. Isto ocorre porque em fibras muito longas, a

manutenção do casamento de fase é difícil devido às variações do diâmetro do núcleo. E

também por causa da influência do espalhamento Raman estimulado, que compete com o

processo de amplificação paramétrica.

É importante frisar que o deslocamento do máximo de amplificação, bem como a

largura da banda de amplificação, são altamente dependentes da intensidade do feixe de

bombeamento. Outro aspecto importante é que estes amplificadores, apesar da capacidade

de geração de uma banda de amplificação larga (maior que 100 nm) [20], utilizam

potências de bombeamento muito altas (tipicamente maiores que 1 W) [20].

Para diminuir a potência de bombeamento necessária para gerar ganho compatível

com as necessidades práticas de sistemas de comunicações ópticas, pode-se usar fibras

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com maior coeficiente de não linearidade, como holey fibers que são formadas pela

inserção de microestruturas internas periódicas [21].

2.4.3 – Amplificadores Raman a fibra

O princípio básico de amplificação consiste na utilização do espalhamento Raman

estimulado (

SRS, Stimulated Raman Scattering) em fibras ópticas [18], como mecanismo

de interação da luz com modos vibracionais do material. Nesse processo, durante a

propagação de um feixe de bombeamento intenso, ocorre transferência de energia do

bombeamento para o sinal, envolvendo a emissão de fônons ópticos.

O SRS foi observado pela primeira vez por Ippen e colaboradores em 1970. Neste

experimento, foi utilizada uma fibra de núcleo líquido com seção de choque de

espalhamento espontâneo Raman (

) alta. A primeira demonstração de efeito Raman

estimulado em fibras de vidro foi realizada por Stolen e colaboradores em 1971, utilizando

uma fibra monomodo fabricada pela Corning Glass Works.

A diferença entre o SRS e a emissão estimulada recai em um aspecto fundamental.

Na emissão estimulada, um fóton incidente é capaz de gerar outro fóton com mesma

energia, enquanto que para o espalhamento Raman estimulado os fótons incidentes podem

gerar um fóton com energia reduzida e emitir um fônon óptico que é absorvido por um

estado vibracional do meio (ver figura 2.2).

À medida que o sinal propaga no meio, ele é amplificado devido à transição

eletrônica entre o estado fundamental e um dos estados vibracionais por meio de um estado

virtual. Pode ocorrer a emissão de dois ou mais fônons ópticos para apenas um fóton de

bombeamento absorvido. As diferenças de energia entre o estado virtual e o estado que o

elétron vai decair, emitindo um certo número de fônons ópticos, vão determinar as

freqüências de Stokes [13].

Comparados com líquidos e cristais, os vidros têm seção de choque de espalhamento

Raman menor [18]. Com isto, a diminuição da área efetiva do modo de propagação do

bombeamento é essencial para aumentar o ganho do amplificador (ver equação 2.21).

Vários materiais foram estudados visando descobrir uma opção com maior ganho Raman

para construção de fibras ópticas, entre eles: vidros compostos de um único material,

vidros de sílica dopados e vidros compostos de vários componentes, incluindo vidros

dopados com óxidos de metais pesados. Fibras com baixas perdas fabricadas a partir desses

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vidros dopados com óxidos de metais pesados eram praticamente não-realizáveis, apesar

do alto valor da seção choque de espalhamento Raman.

Estado virtual

Fônon óptico

Estado fundamental

Fóton de

Sinal

Fóton de

bombeamento

Sinal

amplificado

Estado virtual

Fônon óptico

Estado fundamental

Fóton de

Sinal

amplificado

Estado virtual

Fônon óptico

Estado fundamental

Fóton de

Sinal

Fóton de

bombeamento

Sinal

amplificado

Estado virtual

Fônon óptico

Estado fundamental

Fóton de

Sinal

amplificado

Figura 2.2 – Diagrama de energia ilustrando o processo de amplificação Raman.

Por causa da natureza amorfa dos vidros que compõem as fibras ópticas, os níveis

vibracionais se distribuem quase continuamente, gerando uma faixa de ganho homogêneo.

Em fibras de sílica, devido ao grande número de estados vibracionais, a freqüência angular

do sinal (

) pode diferir bastante da freqüência angular do bombeamento (

propiciando um largo espectro de amplificação [13].

A seção de choque de espalhamento espontâneo Raman (

) é a principal

característica de um meio gerador de ganho Raman. A definição de

decorre de uma

equação do número de quanta espalhados espontaneamente (N

) por comprimento de

material (dz) por ângulo sólido (d

Ω

), que para uma polarização é descrita da seguinte

forma:

dzdNNdN

LaS

Ω













Ω∂

∂

, (2.18)

onde N

é o número de moléculas por unidade do volume no estado fundamental de

energia e N

é o número de fótons do laser incidente.

O espalhamento Raman estimulado é caracterizado pela seguinte equação diferencial

que descreve a propagação da onda Stokes:

= , (2.19)

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onde

é o coeficiente de ganho Raman, dado por:

()

abSS

baR

Enc

NNcmg













Ω∂

∂

−=

−

πν

, (2.20)

onde

é a amplitude do campo elétrico da onda de luz do laser de bombeamento, N

é o

número de moléculas por unidade do volume no estado virtual de energia,

e n

são os

índices de refração do meio para as freqüências do bombeamento e da componente

Stokes,

respectivamente, e

é a largura da linha Stokes.

A resposta de ganho de um amplificador utilizando espalhamento Raman estimulado

pode ser aproximada pela seguinte fórmula:













gg .)(

, (2.21)

onde o coeficiente de ganho Raman (

) varia de forma inversamente proporcional com o

comprimento de onda de bombeamento,

é a potência de bombeamento e A

é a área de

seção de choque para o bombeamento na fibra.

Para aplicações utilizando o efeito Raman em fibras ópticas os parâmetros mais

relevantes são: o deslocamento de freqüência e a largura do ganho Raman, a área efetiva

do modo para o bombeamento, o coeficiente de atenuação para o bombeamento e sinal, o

limiar de potência que a fibra e emendas podem suportar e a compatibilidade com outros

elementos de sistemas de comunicações ópticas.

Para a otimização da performance, a diferença entre a freqüência do bombeamento e

a freqüência do sinal deve corresponder ao pico da curva que determina o ganho em função

desta diferença de freqüência. Para fibras de sílica, conforme ilustrado na figura 2.3, a

diferença deve ser de aproximadamente 13 THz, que corresponde a aproximadamente 100

nm para comprimentos de onda em torno de 1550 nm [4, 16, 18]. Fibras compensadoras de

dispersão (

DCF, Dispersion Compensating fibers) são utilizadas por apresentar núcleo

menor, aumentando o ganho Raman 5 a 10 vezes em relação às fibras padrão monomodo

com perfil de índice de refração tipo degrau [18].

Exceto para os picos de absorção de hidroxilila na sílica, pode-se obter amplificação

Raman para qualquer comprimento de onda entre 300 nm e 2000 nm [12]. Utilizando

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vários bombeamentos é possível a geração de espectro de amplificação bastante largo e

com poucas variações de amplitude. Em aplicações de banda larga, o espaçamento típico

entre os bombeamentos varia entre 20 nm e 30 nm, dependendo da uniformidade de ganho

requerida [16]. O perfil de ganho Raman da sílica se concentra em comprimentos de onda

maiores, porém outros materiais têm espectros Raman variados, propiciando a

possibilidade de equalização e expansão da banda utilizando estágios com fibras

compostas de outros materiais [16].

Diferença de comprimento de onda (nm)

Coeficiente de ganho (m/W)

Diferença de comprimento de onda (nm)

Coeficiente de ganho (m/W)

Figura 2.3 – Coeficiente de ganho Raman para sílica.

Estes amplificadores, além de possuírem uma larga banda de amplificação, são

bastante flexíveis em relação ao pico de ganho [16], podendo suprir deficiências de banda

de outros amplificadores, tornando-os atrativos para aplicações em comunicações por fibra

óptica. Porém, ao contrário dos amplificadores construídos a fibra dopada com terras raras

e à base de semicondutor, são pouco eficientes requerendo alta potência de bombeamento e

fibras extremamente longas (na ordem de quilômetros) [15].

Um aspecto importante que deve ser mencionado é a perda e o ruído associados à

transferência de energia de comprimentos de onda na

banda S para comprimentos de onda

banda L, através de processo de espalhamento Raman.

Esses amplificadores são amplamente utilizados para complementar o uso de

Amplificadores a fibras dopadas, provendo um ganho adicional de forma distribuída em

enlaces muito longos [14].

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2.4.4 – Amplificadores ópticos a fibra dopada

Desde 1985, quando na Universidade de Southampton (Inglaterra) [2, 22] foi

demonstrada uma nova técnica para fabricação de fibras ópticas dopadas com terras raras

apresentando baixas perdas, os amplificadores ópticos com constituição baseada nestas

fibras foram imediatamente identificados como dispositivos importantes para aplicações

em comunicações por fibras ópticas, principalmente devido ao alto ganho, baixo ruído

intrínseco, baixa dependência com polarização, transmissão com taxa de erro por bit

(

BER, Bit Error Rate) baixíssima e alta eficiência de conversão de potência (PCE, Power

Conversion Efficiency

) [2].

O primeiro elemento de terra rara a ser utilizado foi o Neodímio, melhor dopante

para lasers de estado sólido. Estes lasers se mostraram eficientes com um baixo limiar de

operação em regime laser. Diante destes resultados encorajadores, outros dopantes foram

utilizados para a construção de amplificadores ópticos, como: Túlio, Itérbio e Érbio [1].

Foram desenvolvidos vários amplificadores a fibra dopada com terras raras

diferentes, aproveitando as propriedades de fluorescência características de cada uma.

Atualmente, o mais importante é o amplificador óptico a fibra dopada com Érbio [1, 4, 10,

12-13, 15, 17, 22-25] que pode prover ganho para as principais bandas de transmissão

óptica. Amplificadores ópticos a fibra dopada com Praseodímio [13, 23] e Neodímio [23,

27-29] podem ser usados para obtenção de ganho na janela de 1300 nm. Enquanto que os

amplificadores ópticos a fibra dopada com Túlio podem prover ganho para toda a

banda S

de transmissão óptica (1460 nm-1530 nm) [30-32].

2.4.5 – EDFA

No final de 1986, O grupo de Southampton construiu o seu primeiro amplificador

óptico a fibra dopada com Érbio [1, 4, 10, 12-13, 15, 22-25]. Em 1986, Emmanuel

Desurvire começou a trabalhar nos laboratórios Bell e imediatamente começou a lidar com

os EDFAs. E. Desurvire realizou medidas detalhadas, desenvolveu o modelo teórico e

realizou a primeira otimização do comprimento da fibra dopada [1]. Os EDFA são os

amplificadores ópticos mais utilizados e mais conhecidos, principalmente por seu espectro

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de amplificação coincidir exatamente com o mínimo de atenuação da sílica, por volta de

1550 nm.

Para EDFA utilizando a sílica como vidro hospedeiro, todas as possíveis transições

entre os níveis de energia do Érbio são altamente não radiativas, devido ao processo de

decaimento por múltipla emissão de fônons, exceto a transição que envolve os níveis

13/2

15/2

que é 100% radiativa. Esta transição exibe um espectro de emissão bastante largo,

com pico em 1530 nm, e propicia a amplificação em toda a

banda C [22]. A amplificação

banda L com EDFAs também é possível.

O tempo de vida do nível superior é de 10 ms [10], que é muito maior do que os

tempos associados às taxas de transmissão de sinal de interesse prático. Isto, além de

facilitar o processo de inversão de população, também torna desprezível a distorção

intersimbólica. Devido à multiplicidade dos níveis de energia, a absorção de alguns

comprimentos de onda de bombeamento pode ocorrer a partir do nível superior de

amplificação diminuindo a eficiência do bombeamento. Este processo é chamado de

absorção de estado excitado (

ESA, Excited State Absortion). Os comprimentos de onda de

bombeamento em 980 nm e 1480 nm estão livres de absorção de estado excitado. Além

disso, estes podem ser gerados a partir de lasers de diodo comerciais [22]. O bombeamento

em 980 nm minimiza a figura de ruído e é mais adequado quando o EDFA é utilizado

como pré-amplificador [15].

Sem bombeamento suficiente para manter uma determinada inversão de população,

os íons de Érbio absorvem o sinal propagante, sendo esta uma característica de um sistema

com três níveis. Um parâmetro importante dos EDFAs é a potência de transparência,

definida como a potência de bombeamento para a qual o sinal não sofre ganho, nem perda.

980nm

1480nm

Sinal amplificado

1530nm-1570nm

11/2

13/2

15/2

980nm

1480nm

Sinal amplificado

1530nm-1570nm

11/2

13/2

15/2

Figura 2.4 – Diagrama de energia ilustrando o processo de amplificação dos EDFAs.

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O EDFA também pode gerar ganho na faixa de comprimentos de onda maiores da

banda S. Um ganho de 36 dB gerado pela fibra em 1512 nm e ganho da fibra maior do que

20 dB entre 1480 nm e 1510 nm, com figura de ruído da fibra menor do que 8 dB foi

mostrado por M. A. Arbore e colaboradores [17]. A amplificação nestes comprimentos de

onda só é possível com a supressão da emissão espontânea amplificada, gerando alto fator

de inversão de população. A supressão de ASE pode ser feita através de filtros entre

múltiplos estágios de amplificação [26], tornando o sistema bastante complexo, ou

utilizando estruturas de fibras especiais com comprimento de onda de corte por volta de

1530 nm, gerando altas perdas para o ASE [17]. A limitação mais importante a destacar é o

não provimento de ganho na faixa de comprimentos de ondas menores da

banda S.

2.4.6 – PDFA E NDFA

É sabido que uma das janelas de baixa atenuação nas fibras ópticas de sílica é a de

comprimento de onda em torno de 1300 nm e antes do desenvolvimento e maturidade da

tecnologia dos lasers de diodo compostos da liga quaternária de semicondutor InGaAsP

que emitem na faixa de 1550 nm [3] (mínimo de atenuação das fibras de sílica) foram

implantados muitos sistemas operando na faixa de 1300 nm. Então, é natural a demanda

por amplificadores ópticos que possam operar nesta faixa. E isso pode ser conseguido

através da utilização de fibras dopadas com algumas terras raras, como Praseodímio [13,

23], Neodímio [23, 27-29] e Disprósio [30]. É importante salientar que o processo de

amplificação nesses materiais funciona como um sistema de quatro níveis com a vantagem

de não existir absorção do sinal a partir do estado fundamental.

O Praseodímio emite fluorescência na região espectral de 1300 nm, permitindo

amplificação nos comprimentos de onda desejados [13, 23], sendo possível a construção de

um amplificador óptico a fibra dopada com Praseodímio. Entretanto, a eficiência de

bombeamento para atingir altos fatores de ganho é extremamente baixa. Enquanto que para

um EDFA, 20 mW de bombeamento é o suficiente para a obtenção de 20 dB de ganho,

para um PDFA são necessárias algumas centenas de mW para atingir o mesmo ganho [13].

O Neodímio, outra terra rara, também emite fluorescência na janela de 1,3

µm [23],

sendo possível a construção de amplificadores ópticos [27-28] e lasers sintonizáveis [29] a

fibras de composição ZBLAN dopadas com Neodímio. O maior problema relacionado a

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estas fibras é a competição com a transição em 1,05

µm (

3/2

11/2

) que pode suprimir a

emissão desejada [29]. Utilizando técnicas para supressão de ganho em 1,05

µm, pode-se

obter amplificadores com até 10 dB de ganho [27] ou lasers com eficiência de até 15,7%

[29].

Existem também citações na literatura de uso de Disprósio para amplificação na

janela de 1,3

µm [30].

2.4.7 – TDFA

Na perspectiva de ampliar a banda de transmissão em sistemas WDM, o amplificador

a fibra dopada com Túlio é um forte candidato a permitir a utilização da

banda S devido à

característica de sua fluorescência. É importante salientar que o processo de amplificação

se dá por absorção de dois fótons em um sistema que pode ser tratado como tendo três

níveis de energia [31, 32]. O próximo capítulo descreve com detalhes as características

básicas dos TDFA. Nos capítulos subseqüentes são apresentados vários resultados obtidos

de relevância para o cenário atual de desenvolvimento na área.

2.5 – Referências bibliográficas

[1] J. Hecht, “History of optical amplifiers”,

Optics & Photonics News, pp. 36-39, Ago.,

2002.

[2] R. Baker, “Optical Amplification”,

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[3] J. Singh,

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. Edição, New York: John

Wiley & Sons, 1994.

[5] D. M. Baney, P. Gallion, and R. S. Tucker, “Theory and Measurement Techniques for

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[6] H. A. Haus, “The Proper Definition of Noise Figure of Optical Amplifiers”,

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[7] H. A. Haus, “Noise Definitions Valid From RF to Optical Frequencies”,

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, vol. 6, n. 2, pp.240-247, 2000.

[8] H. A. Haus, “Optimal Noise Performance of Optical Amplifiers”,

IEEE J. of Quantum

Electronics

, vol. 37, n. 6, pp.813-823, 2001.

[9] H. A. Haus, “The Noise Figure of Optical Amplifiers”,

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vol. 10, n.11, pp.1602-1604, 1998.

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WDM Optical Networks”,

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[11] D. Teed, P. Vella, M. Jamensky, and H. Jahani, “Dynamic elements combine

functions, manage performance”,

WDM solutions, pp. 11-13, Jul, 2002.

[12] D. McCarthy, “Growing by design”,

Photonics Spectra, pp. 88-98, Jul.,2001.

[13] L. Kazovsky, S. Benedetto, and A. Willner,

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[14] R. Ramaswami, and K. N. Sivarajan,

Optical Networks – A pratical perspective, 2

edição, San Diego: Morgan Kaufmann Publishers, 2002.

[15] D. A. Trivedi, T. Strite, and G. Van Der Hoven, “EDFAs pump up the power again

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[16] J. Hecht, “S-band amplification: challenges developers”,

Laser Focus World, pp.79-

84, Jul., 2002.

[17] M. A. Arbore, Y. Zhou, G. Keaton, and T. Kane, “36dB gain in S-band EDFA with

distributed ASE suppression”,

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Applications 2002

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[18] G. P. Agrawal,

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. Edição, New York: Academic Press,

1995.

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[20] M. T. Carvalho, “Caracterização de Amplificadores a fibra dopada com Túlio por

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[21] A. Safaai-Jazi, “Holey Fibers: Fundamentals and Applications”,

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, paper TuD1, pp. 19,

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[22] E. Desurvire, “Erbium-doped fiber amplifiers for new generations of optical

communication systems”,

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[23] P. C. Becker, N. A. Olsson, and J. R. Simpson,

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[24] E. Desurvire,

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[25] A. Ghatak, and K. Thygarajan,

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[26] E. Ishikawa, M. Nishihara, Y. Sato, C. Ohshima, Y. Sugaya, and J. Kumasako,

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, pp. 48-49, Amsterdã, Holanda, 2001.

[27] T. Sugawa, Y. Miyajima, and T. Komukai, “10dB Gain and high saturation power in

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2044, 1990.

[28] Y. Miyajima, T. Sugawa, and T. Komukai, “Efficient 1.3mm-band amplification a

-Doped single-mode Fluoride Fibre”, Electron. Lett., vol. 26, n. 17, pp. 1397–1398,

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[29] T. Komukai, Y. Fukasaku, T. Sugawa, and Y. Miyajima, “Highly Efficient and

tunable Nd

-Doped Fluoride Fibre laser operating in 1.3mm band”, Electron. Lett., vol.

29, n. 9 , pp. 755–757, 1993.

[30] Heo, J. H. Song, S. H. Park and M. H. Do, “Dysprosium and Thulium-doped

chalcolide glass fibers for 1.3

µm and S-band amplification”, In Technical Digest of Optical

Fiber Communication Conference and Exhibit 2002

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2002.

[31] T. Komukai, T. Yamamoto, T. Sugawa, and Y. Miyajima, “Upconvertion pumped

thulium-doped fluoride fiber amplifier and laser operating at 1.47mm”,

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, vol. 31, n. 11, pp. 1880-1889, 1995.

[32] A S. L. Gomes, “Recent progress in Thulium Doped Fiber Amplifiers”,

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Summary Digest of Photonics West 2003 - SPIE

, pp. 361, 2003.

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Capítulo 3 – Amplificadores a Fibra Dopada com Túlio,

uma Revisão Bibliográfica.

Como já foi visto no capítulo anterior, dentre os vários tipos de amplificadores

ópticos, amplificadores a fibra dopada com Túlio (

TDFA, Thulium Doped Fiber

Amplifiers

) se apresentam como uma excelente alternativa para amplificação na banda S

(região espectral de transmissão compreendida entre 1460 nm e 1530 nm). Como no

decorrer deste documento, são apresentados resultados importantes na pesquisa e

desenvolvimento de TDFA, faz-se necessária um revisão bibliográfica minuciosa sobre o

assunto. Na seção 3.1 é apresentado um breve histórico sobre os TDFA. Em seguida são

mostrados os modelos teóricos para prever o comportamento dos amplificadores. Na seção

3.3, aspectos de cunho prático são apresentados. E por fim são apresentadas as conclusões

e referências bibliográficas utilizadas durante a pesquisa.

3.1 – Histórico sobre o processo de amplificação em fibras

dopadas com Túlio

Em 1982, B. M. Antipenko e colaboradores propuseram uma transição laser entre os

níveis de energia

em íons trivalentes de Túlio (Tm

), cujo comprimento de onda

de emissão correspondia a 1,47

µm [1]. Sete anos mais tarde, J. Y. Allain e colaboradores

demonstraram, pela primeira vez, oscilação tipo laser em torno de 1,48

µm. O experimento

utilizava uma fibra multimodo composta de Flúor e dopada com Tm

. Um laser de

Criptônio com comprimento de onda de operação em 0,676

µm foi utilizado como fonte de

bombeamento [1].

Apesar disso, a comunidade científica ressaltava que dois problemas básicos

impediam a utilização prática de íons trivalentes de Túlio. Um dos problemas está

relacionado com o decaimento não radiativo por fônons quando o vidro hospedeiro é

composto de sílica (SiO

) [1-2]. Este problema será abordado mais amplamente na seção

3.3. [1-2].

A dificuldade para manter a inversão de população necessária entre os níveis de

energia responsáveis pela transição em questão era apontada como o outro grande

problema [3]. Isto porque a transição utilizada para amplificação pertence a um sistema de

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quatro níveis de energia, onde o tempo do nível superior (1,35 ms para concentração de

2000 ppm) é menor do que o tempo do nível inferior (9 ms para concentração de 2000

ppm) [1-2]. Isto torna o esquema de bombeamento direto do nível de energia fundamental

(

) para o nível superior de amplificação (

) com o uso de um único laser em 0,676

µm ou 0,79 µm inviável, pois o sistema é auto terminável [1].

O primeiro passo foi o de resolver o problema do vidro hospedeiro, sofisticando as

técnicas de fabricação de fibras a partir de outros vidros. Com a fabricação de fibras

monomodo dopadas com Túlio e à base de outros materiais, como o Flúor, apareceram as

primeiras soluções para manter a inversão de população entre os níveis de amplificação.

As soluções propostas mais importantes são as seguintes: bombeamento da fibra em

1064nm, utilizando a conversão ascendente de energia, onde dois fótons são absorvidos

seqüencialmente [1,2]; co-dopar a fibra com íons de Ho

[4] para diminuir o tempo de

vida do nível inferior de amplificação (

); ou gerar uma emissão laser entre os níveis

, correspondente à emissão em aproximadamente 1,9 µm, diminuindo assim a

população no nível inferior de amplificação (

). Vale ressaltar que é possível a

construção de amplificadores e lasers sintonizáveis operando por volta de 1,9

µm [5,6].

Dentre as três alternativas apresentadas para gerar inversão de população suficiente

para amplificação, a mais viável e comum é a primeira, chamada de conversão ascendente

de energia. O processo ocorre por meio da absorção seqüencial de dois fótons por um

mesmo íon.

Este processo está ilustrado na figura 3.1. Como pode ser observado, ocorre uma

primeira excitação, onde elétrons são transferidos do nível

para o nível de energia

Este primeiro processo é chamado de absorção de estado fundamental (

GSA, Ground State

Absortion

). Em seguida, os elétrons decaem do nível

para

através de emissão de

fônons. Assim, acontece uma segunda absorção que transporta elétrons entre os níveis

, esta é chamada de absorção de estado excitado (ESA, Excited State Absortion).

Então, os elétrons decaem do nível

para

através de emissão de fônons. Com isto,

ocorre inversão de população entre

e o processo de amplificação torna-se

possível. É importante frisar que, para bombeamento em 1050 nm, pode ocorrer a absorção

de fótons a partir do segundo estado excitado (

), diminuindo a eficiência do processo.

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Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Figura 3.1 – Diagrama de energia dos íons de Tm

em vidros fluorados com bombeamento em 1050 nm.

Em 1992, T. Komukai e colaboradores demonstraram lasers de fibra utilizando o

processo de conversão ascendente de energia (bombeamento em 1064 nm) e emitindo em

1470 nm com eficiência de conversão de potência (

PCE, Power Conversion Efficiency) de

27 % após limiar de 200 mW [7]. Também foram demonstrados lasers operando neste

comprimento de onda, com potência de saída de 1 W e PCE de 39 % [8]. PCE é definido

como a razão entre potência utilizada pelo processo de amplificação e a potência de

bombeamento.

Oscilações do tipo laser em vários comprimentos de onda foram observadas

utilizando transições entre os níveis de energia dos íons trivalentes de Túlio em vidros

ZBLAN. São elas (ver Figura 3.2): 0,45

µm [9]; 0,48 µm [9]; 0,8 µm [4, 9-10]; 1,47 µm

[7, 8, 10, 12]; 1,9

µm [5, 6, 9-11] e 2,3 µm [7-9].

Existem fatores que diminuem o PCE, como a emissão espontânea amplificada

(

ASE, Amplified Spontaneous Emission) no infravermelho distante (1,9 µm e 2,3 µm) [1],

infravermelho próximo (0,8

µm), visível (0,48 µm) e ultravioleta (0,36 µm) [13].

Além disso, a probabilidade de emissão espontânea da transição

(0,8 µm) é

maior do que para das transições

(1,47 µm) e

(2,3 µm). As taxas de

emissão espontânea para 0,8

µm, 1,47 µm e 2,3 µm são respectivamente 0,893, 0,083 e

0,024. Como a emissão estimulada depende fortemente da probabilidade de emissão

espontânea [1, 3, 14], espera-se que o ganho em 1,47

µm seja saturado pela emissão

espontânea em 0,8

µm. Contudo, este problema é evitado porque o bombeamento em 1,064

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µm, suprime ASE em 0,8 µm. Isto ocorre porque a absorção a partir do estado fundamental

é pequena e não cria forte inversão de população entre

[13].

0,45µm

0,48µm

0,8µm 1,47µm 2,3µm

1,9µm

0,45µm

0,48µm

0,8µm 1,47µm 2,3µm

1,9µm

Figura 3.2 – Diagrama de energia das possíveis emissões laser dos íons de Tm

em vidros fluorados.

Apesar da fibra dopada com Túlio ser considerada transparente para sinais na

banda

, ou seja, não apresentar perdas, existe um pico de absorção na transição de amplificação

em 1,65

µm que gera perdas por absorção de estado excitado [3, 13].

Existem dois fatores que limitam a banda de amplificação dos TDFAs. Para

comprimentos de onda menores que 1,45

µm, a absorção de estado excitado a partir do

nível superior de amplificação (

) gera perda alta [7]. Para comprimentos de onda

maiores que 1,5

µm as perdas ocorrem devido à absorção de estado fundamental, cujo pico

encontra-se por volta 1,7

µm (transição

)

[7].

Existe também outro esquema de bombeamento monocromático que é capaz de

gerar inversão de população pelo processo de conversão ascendente de energia, 1,4

µm

[15-17]. O processo de excitação está mostrado na figura 3.3. Uma das principais

vantagens na utilização de 1,4

µm é que a segunda absorção de estado excitado, entre

, não é ressonante, isto evita a geração de luz azul (em 0,48 µm) [15].

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Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Figura 3.3 – Diagrama de energia dos íons de Tm

em vidros fluorados com bombeamento em 1410 nm.

É interessante frisar que o bombeamento de TDFA pode ser realizado unicamente

com lasers de semicondutor tanto em 1050 nm [18-20] quanto em 1400 nm [15-17]

tornando-os mais compactos e com custo mais baixo. Uma abordagem mais abrangente

sobre o assunto é realizada na seção 5.2.

3.2 – Modelamento teórico do processo de amplificação em TDFA

A previsão teórica da dinâmica de ganho de um amplificador é de suma importância.

No caso do TDFA, os íons trivalentes de Túlio têm o diagrama de energia que pode ser

aproximado por quatro níveis. Basicamente existem dois modelos estabelecidos. O

primeiro foi proposto por T. Komukai e colaboradores em 1995 [1] e utiliza as equações de

taxa para um sistema de quatro níveis de energia, levando em consideração um

comportamento Lorentziano do espectro de amplificação. O outro modelo, mais recente,

consiste em um modelo de caixa preta (BBM,

Black Box Model), desenvolvido

principalmente pelo grupo de pesquisa do Professor Hugo Fragnito, do Instituto de Física

Gleb Wataghin, na Unicamp. É importante ressaltar que os resultados experimentais

utilizados para validar o modelo de caixa preta foram produzidos por nós no Laboratório

de Fotônica e Optoeletrônica do Departamento de Física da UFPE. Maiores detalhes estão

expostos na dissertação de mestrado de Andrés Rieznik (Unicamp, 2003).

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3.2.1 - Equações de taxa

Este modelo foi proposto por T. Komukai e colaboradores [1], em 1995. O modelo

foi desenvolvido para a conversão ascendente de energia com um único comprimento de

onda de bombeamento, no caso 1050 nm. Como simplificação, os níveis

por

serem muitos próximos foram considerados como somente um nível. Na figura 3.4 pode se

observar os níveis de energia, bem com as principais transições envolvidas no processo

com suas respectivas probabilidades de transição.

2,3

Estado

2,3

Estado

Figura 3.4 – Diagrama de energia dos íons de Tm

em vidros fluorados com bombeamento único em 1050

nm, apresentando as probabilidades de transição entre os níveis de energia envolvidos no modelo do

Komukai.

A partir da Figura 3.4, podem-se escrever as equações de taxas, que regem o

comportamento do sistema:

55033011001

NNNNW

γγγ

+++−= , (3.1)

()

32211102

NWNNWW

ssp

++++−=

γγ

, (3.2)

55222101

NNNW

γγ

+−= , (3.3)

()

44333301

NNWWNW

pss

γγ

+++−= , (3.4)

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44312

NNW

−= , (3.5)

()

5535033

NNW

γγ

+−= , (3.6)

onde os estados

2,3

são definidos respectivamente como estado 0,

1, 2, 3, 4 e 5. As transições de excitação estão definidas na Figura 3.4 e suas probabilidades

de transição são dadas por:

, para absorção de estado fundamental (

); W

para absorção a partir do primeiro estado excitado (

2,3

) e W

, para absorção a

partir do segundo estado excitado (

). Considerou-se também uma outra

simplificação: a seção de choque de emissão estimulada é igual à seção de choque de

absorção, sendo ambas dadas por

. As outras probabilidades de transição por emissão

espontânea ou decaimento multifonônico de um nível (

i) para outro com menor energia (j)

são representadas por

. Devido ao emprego de vidros ZBLAN,

é pequeno e pode ser

desprezado. Como em regime de amplificação a emissão estimulada é muito maior que a

emissão espontânea, também pode-se desprezar

. Tem-se que

são muito

menores que

e podem ser descartados. Também tem-se que

são pequenos e podem ser desprezados [1]. E ainda tem-se que:

3,2,1; == j

pjp

, (3.7)

= , (3.8)

= , (3.9)

= , (3.10)

onde, I

é a intensidade de bombeamento e I

é a intensidade do sinal.

são

as seções de choque de absorção das transições

2,3

respectivamente. E,

são os tempos de vida de

, h é a constante de Planck,

é a freqüência óptica do bombeamento e

é a freqüência óptica do sinal.

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Como os tempos de decaimento não-radiativo das transições

2,3

são muito menores que os tempos de vida dos níveis 1 e 3, a concentração de portadores

nos estados 2 e 4 são muito menores do que nos outros estados. Assim, pode-se desprezar

as concentrações destes dois níveis e a concentração total (N) será dada por:

5310

NNNNN

. (3.11)

Definindo a inversão de população entre os níveis de interesse para amplificação

(estados 1 e 3), como:

NNN

−

∆

. (3.12)

Pode-se mostrar que na condição de estado estacionário:

N =∆

, (3.13)

onde

()

(

)

303215250

−

ppp

WWWA , (3.14)

() ()

[

]

spsppppppp

WWWWWWWWWWB

13010313102123013030105250

2++

+++=

(

)

(

)

32150 pspp

WWWW ++

. (3.15)

Para atingir a condição de inversão de população,

∆

N , deve-se ter:

()

332

τσσ

−

. (3.16)

Considerando que, para bombeamento não muito intenso, a segunda absorção de

estado excitado pode ser ignorada, a população do nível

torna-se desprezível. Duas

equações diferenciais descrevem o comportamento do bombeamento e sinal de uma forma

mais simples. São elas:

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∆=

(3.17)

()

INN

1201

σσ

+−= . (3.18)

Como o ganho do meio ativo é dado por:

NIg

∆

)( , (3.19)

pode-se reescrever o ganho do meio para este caso, utilizando as equações 3.17 e 3.18, da

seguinte forma:

ssat

KIg

≈

)(

, (3.20)

onde

()

3010

νγγ

























ssat

Utilizando a formula fechada de Digonnet [21] para um sistema de quatro níveis com

uma fibra de comprimento L, pode-se descrever o ganho do meio por:













−













−

)()(

KLg

πν

τσ

, (3.21)

onde a é o raio do núcleo da fibra, r

é o raio modal do bombeamento, r

é o raio modal do

sinal e P

é a potência de bombeamento absorvida pelo meio, que é dada por:

(

)

(

)

ePP

ηα

−

−= 10 , (3.22)

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onde,

é o coeficiente de absorção (dado aproximadamente por

é o fator de

confinamento, que expressa a fração de campo confinado ao núcleo da fibra, e P(0) é a

potência de bombeamento na entrada da fibra.

O fator de ganho do amplificador é dado por:

(

)

(

)

eLG log10= . (3.23)

Apesar das aproximações este modelo reproduz de forma razoável dados

experimentais. O maior problema associado a este tipo de modelo é a necessidade do

conhecimento prévio dos parâmetros, como: fator de confinamento, seções de choque para

o bombeamento e sinal e tempos de vida dos níveis envolvidos.

3.2.2 - Modelo de caixa preta (BBM)

No modelo de caixa preta (

BBM, Black Box Model) [22, 45] considera-se o TDFA

como uma caixa preta com uma função de transferência não-linear. O modelo foi

desenvolvido assumindo o sistema com quatro níveis de energia e homogeneamente

alargado.

Como já foi visto na seção anterior, a equação 3.17 descreve o comportamento do

sinal na fibra dopada com Túlio. Tomando tal equação e reescrevendo para a potência do

sinal em vez de intensidade, com a inserção das perdas pelo termo

()

e considerando

a população do nível 5 da figura 3.4 desprezível, pode-se obter:

()

(

)

()

(

)

()

{}

()

zPzNWNWNWW

λλγλλλ

−Γ−Γ++Γ=

∂

, (3.24)

onde,

Γ(λ) é a integral de overlap que expressa a fração de campo confinado ao núcleo da

fibra dopada [22]. Resolvendo a equação 3.24 e utilizando a equação 3.23, pode-se

descrever o ganho como:

()

(

)

(

)

(

)

(

)

λγλαλαλελ

−−+= LnnG

, (3.25)

onde,

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()

(

)

(

)

(

)

(

)

[

]

λσλσλλε

Ne +Γ= log.10 , (3.26)

()

(

)

(

)

(

)

[

]

λσλλα

Ne Γ= log.10 , (3.27)

()

∫

dzzN

, (3.28)

() () ()

∫

dzze

log.10

γλγ

. (3.29)

Pode-se escrever a equação 3.25 para três comprimentos de onda diferentes (

λ, λ

) e combiná-las para eliminar n

e n

. Fazendo isto, tem-se:

() ( )

(

)

(

)

(

)

(

)

21322121211

,,,,,,

FGFGFG

dBdBdB

= , (3.30)

onde,

()

()() ()

(

)

()() ()()

1221

211

λαλελαλε

λλλ

−

()

(

)

(

)

(

)( )

()() ()()

1221

212

λαλελαλε

λλλ

−

=F e

()()()

(

)

(

)

(

)

λγλγλλλλγλλλλλλ

2121

211213

,,,,,, −+= FFF . (3.31)

O modelo se baseia nas equações 3.30 e 3.31. Através delas, é possível a

determinação do ganho em qualquer comprimento de onda, desde que sejam conhecidas as

funções

()

211

F ,

()

212

F e

(

)

213

F ; bem como o ganho em dois

comprimentos de onda, medidos na mesma condição de bombeamento. As funções

()

211

F e

(

)

212

F contêm informações relacionadas às seções de choque das

transições, ou seja, a forma como a resposta espectral se comporta. Enquanto que,

()

213

F explicita as perdas do sistema.

Pode-se obter as funções

(

)

211

F ,

(

)

212

F e

(

)

213

F a partir de três

curvas espectrais medidas, cada uma medida com uma condição de saturação diferente.

Com este conjunto de equações pode-se obter o seguinte sistema:





































)(

),,(

1)()(

213

212

211

λλλ

λλ

. (3.32)

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Resolvendo este sistema pode-se calcular o ganho em qualquer situação de

bombeamento, desde que sejam conhecidos os ganhos em dois comprimentos de onda

diferentes, usados como referência. É importante salientar que as medidas devem ser

realizadas com as mesmas condições de saturação, ou seja, a mesma potência de sinal.

Com este modelo, também é possível reproduzir a resposta espectral da ASE.

Considerando uma densidade espectral de ruído equivalente na entrada (

()

dBm

S ) do

amplificador gerando o ASE na saída do mesmo (

(

)

dBm

S ), descrito pela equação 3.34,

pode-se calcular as funções equivalentes a

(

)

211

F ,

(

)

212

F e

()

213

F para a

modelagem do ASE. Então,

(

)

(

)

(

)

λλλ

dBdBm

dBm

GSS += . (3.33)

No caso, as funções

(

)

211

λλλ

ASE

F e

(

)

212

λλλ

ASE

F se mantêm iguais a

()

211

F e

()

212

F , respectivamente. Porém a função de

()

213

λλλ

ASE

se altera

para:

()

(

)

(

)

(

)

(

)()

(

)

λλλλλλλλλλλλλλλ

dBm

ASEdBm

ASEASE

SSFSFFF +−−=

22121211213213

,,,,,,,,

(3.34)

O aspecto interessante da possibilidade de modelagem da ASE em amplificadores

ópticos a fibras é que, como o fator preponderante na geração de ruído é a ASE, pode-se

modelar a figura de ruído teoricamente através do BBM.

Este modelo é bastante poderoso no que concerne a descrever a função de

transferência, sem a necessidade do conhecimento dos parâmetros intrínsecos do sistema

físico. Alguns experimentos realizados em conjunto mostraram que é possível a aplicação

do modelo a TDFA com esquema de bombeamento duplo. Recentemente, um novo modelo

teórico foi proposto e validado para o esquema de bombeamento duplo utilizando 800 nm e

1050 nm [44]. A técnica de COFDR foi utilizada para ratificar o modelo.

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3.3 – Aspectos funcionais

Os íons trivalentes de Túlio quando excitados apresentam uma rápida relaxação não

radiativa multifonônica de

para

(ver figura 3.1), cuja energia é de

aproximadamente 4400 cm

-1

[1-2, 9]. A sílica tem a energia de fônons de 1100 cm

-1

, não

sendo a melhor alternativa para utilização como vidro hospedeiro [23]. Muitos esforços

têm sido feitos para desenvolver técnicas que tornem os compostos a base de sílica viáveis

como vidros hospedeiros [23-26]. Contudo, para solução deste problema existem algumas

alternativas como: Fluoretos [1], Teluretos [25], Calcohalogênios [23], etc.

Destas alternativas, os compostos mais utilizados são os vidros fluorados ZBLAN

(ZrF

– BaF

– LaF

– AlF

– NaF

). Estes vidros são capazes de resolver o problema da

emissão multifonônica por ter energia de fônon da ordem de 500 cm

-1

. Contudo, as fibras

ZBLAN apresentam certas dificuldades.

Além disso, fibras ZBLAN são higroscópicas (sensíveis à água) e têm o ponto de

fusão mais baixo (450

C), complicando o processo de emenda com as fibras de sílica

padrão. Até o presente momento, apesar do esforço da comunidade científica em

desenvolver técnicas para resolver o problema das emendas [27], este ainda é um fator

limitante, pois apenas algumas empresas no mundo detêm tecnologia para realizá-las.

Outro problema é a degradação das emendas quando submetidas a alta potência óptica.

3.4 – Esquemas de bombeamento mais complexos

TDFAs com bombeamento monocromático não apresentam PCE satisfatórias. Para

melhorar o desempenho existem basicamente duas técnicas: utilizar fibras altamente

dopadas [2, 15-17, 28] ou empregar esquemas de bombeamento combinando dois

comprimentos de onda [13, 21, 29-43].

O aumento da concentração nas fibras altamente dopadas com Túlio provoca uma

relaxação cruzada entre os íons de Túlio no nível

, diminuindo o fator de inversão de

população, e por conseqüência deslocando a banda de amplificação para comprimentos de

onda maiores [2]. Com o aumento da dopagem de 2000 ppm para 8000 ppm pode-se obter

uma variação do pico de amplificação de 1473 nm para 1505 nm [2]. PCE de 70% já foi

conseguido com o aumento da concentração para 6000 ppm [15].

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Existem diversos comprimentos de onda que podem ser usados para excitar os íons

trivalentes de Túlio a partir do estado fundamental, entre eles tem-se os seguintes exemplos

(ver figura 3.5): 800 nm [30, 41]; 1240 nm [30, 39]; 1410 nm [15-17, 30] e 1550 nm [13,

21, 29-31, 33-35, 37, 38]. A seguir estão descritos alguns deles.

1050nm

800nm

1410nm

1240nm

1550nm

1050nm

800nm

1410nm

1240nm

1550nm

Figura 3.5 – Diagrama de energia das possíveis absorções de estado fundamental dos íons de Tm

vidros fluorados.

3.4.1 - GSA com 1550 nm

Com a adição de um bombeamento auxiliar em 1550 nm, cuja tecnologia de lasers de

diodo já está bem estabelecida, pode-se melhorar a GSA, pois o pico de absorção para a

transição

(ver figura 3.6.a) está por volta de 1,7 µm [13]. Neste caso existe

deslocamento de banda para comprimentos de ondas maiores porque o fator de inversão de

população diminui, isto porque o bombeamento em 1550nm injeta portadores diretamente

no nível inferior de amplificação [13, 31]. Em [28] a adição de 12 mW de 1,56

µm aos 110

mW de 1050 nm (proporção de potência de 1,56

µm é de aproximadamente 10 % da

potência total) melhora a resposta espectral de ganho entre 5 dB e 8 dB [28]. Esta melhora

ocorre porque o bombeamento em 1,56

µm tem seção de choque de absorção a partir do

estado fundamental uma ordem de magnitude maior que para 1,05

µm. Em [33-35], está

mostrado que a proporção ideal para maximizar o ganho é que a potência em 1550 nm seja

aproximadamente 7 % da potência total de bombeamento.

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Para melhorar o ESA pode-se usar o bombeamento em 1400 nm em vez de 1050 nm

(

ver figura 3.6.b) [28], isto aumenta a eficiência (existe relato de PCE de 29 %), contudo

torna o amplificador mais ruidoso [30]. A vantagem em utilizar 1410 nm + 1550 nm é a

disponibilidade de lasers de diodo comerciais nestes comprimentos de onda [29-30].

F. Roy e colaboradores mostraram que para 1400 nm + 1550 nm, o deslocamento da banda

de amplificação é maior que para 1050 nm + 1550 nm [35].

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Bombeamento

(1550 nm)

Bombeamento

(1550 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Bombeamento

(1550 nm)

Bombeamento

(1550 nm)

(a) (b)

Figura 3.6 – Esquemas de bombeamento duplo para TDFA utilizando 1550 nm para absorção de estado

fundamental.

3.4.2 - GSA com 1240 nm

Uma alternativa para melhorar a GSA é a utilização de 1240 nm [37, 38] (ver figura

3.7

) com decaimento não radiativo para

, isto porque a transição

tem o seu

pico de absorção em aproximadamente 1700nm, que é relativamente longe de 1550nm [37,

38]. F. Roy e colaboradores conseguiram PCE de 48% com 410 mW de potência total

(20% da potência em 1240 nm) [37-38]. Porém muita potência de 1,56

µm ou 1,24 µm

aumenta a população em

e isto degrada a performance [30].

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Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1240 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1240 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Figura 3.7 – Esquema de bombeamento duplo para TDFA utilizando 1240 nm para absorção de estado

fundamental.

3.4.3 – GSA com 800 nm

Outra forma é o bombeamento direto do estado fundamental para o estado de

amplificação superior com 800 nm, juntamente com 1400 nm [30] ou com 1050 nm [41-

43] para absorção de estado excitado. No caso da utilização do bombeamento 800 nm +

1400 nm, pode-se conseguir uma PCE maior que 50 % [30]. A utilização de 800 nm, como

segundo bombeamento, é interessante, pois existe tecnologia à base de semicondutor. E

com a nova possibilidade de emprego de lasers de diodo operando em 1050 nm [19], é

possível construir um amplificador compacto operando com bombeamento em dois

comprimentos de onda. Um melhor desempenho em ruído é esperado, já que o nível de

amplificação superior

é bombeado diretamente, e não através de dois fótons [30].

O esquema de bombeamento apresentado na figura 3.8.a foi desenvolvido por nosso

grupo de pesquisa. Mais informações, bem como os resultados obtidos estão apresentados

no capítulo seguinte.

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Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Bombeamento

(800 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Bombeamento

(800 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Bombeamento

(800 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1410 nm)

Bombeamento

(800 nm)

(a) (b)

Figura 3.8 – Esquemas de bombeamento duplo para TDFA utilizando 800 nm para absorção de estado

fundamental.

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

Capítulo 4 – TDFA com bombeamento duplo em 800 nm e

1050 nm

Os esquemas de bombeamento para amplificadores a fibra dopada com Túlio

(

TDFA, Thulium Doped Fiber Amplifiers) utilizam o processo de conversão ascendente de

energia, onde um elétron é excitado seqüencialmente por dois fótons

(ver detalhamento no

capítulo 3

). A forma como estes fótons são absorvidos é determinada pelo esquema de

bombeamento empregado. Com o intuito de se construir amplificadores capazes de prover

eficiência de conversão de potência mais alta, a busca por novos esquemas de

bombeamento tornou-se um ponto importante para o desenvolvimento de configurações

comerciais.

No capítulo anterior, foram expostas possibilidades para esquemas de bombeamento

monocromático (1050 nm ou 1400 nm), bem como esquemas de bombeamento mais

complexos com dois comprimentos de onda distintos. Nestes esquemas de bombeamento,

geralmente um dos comprimentos de onda fica praticamente responsável pela absorção de

estado fundamental e o outro pela absorção de estado excitado [1].

A Figura 4.1 mostra o diagrama de níveis de energia para o novo esquema de

bombeamento duplo (800 nm + 1050 nm) proposto por nosso grupo de pesquisa [2-4]. A

maior vantagem deste esquema consiste do emprego do comprimento de onda por volta de

800 nm para gerar população diretamente no nível de amplificação superior (

) cuja

transição tem alta seção de choque de absorção associada, enquanto que o bombeamento

em 1050 nm torna-se responsável por evitar a diminuição da inversão de população (

ver

definição no capítulo 2

), causada pela diferença entre os tempos dos níveis de amplificação

inferior (

) e superior (

). Este processo facilita a amplificação, pois embora o

bombeamento monocromático em 1050 nm seja capaz de gerar ganho, este necessita de

alta potência, devido ao baixo valor da seção de choque de absorção do estado fundamental

(

) para o estado

por meio do nível

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Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Bombeamento

(800 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Bombeamento

(800 nm)

Figura 4.1 – Diagrama de energia para bombeamento duplo de fibras ZBLAN dopadas com Túlio em 1050

nm e 800 nm.

4.1 – Montagem Experimental do amplificador com bombeamento

duplo em 800 nm e 1050 nm

A Figura 4.2 mostra o esquema de montagem experimental do TDFA com

bombeamento duplo em 800 nm e 1050 nm. O bombeamento em 1050nm é realizado com

um laser de fibra de Itérbio bombeado com diodo laser no sentido copropagante com o

sinal. O acoplamento deste bombeamento é realizado utilizando um acoplador direcional.

A outra saída do WDM foi utilizada para monitorar as potências ópticas na fibra dopada

com Túlio. Nas medidas da seção 4.2, um analisador de espectro óptico (

OSA, Optical

Spectrum Analyser

) foi utilizado para medição de ganho e figura de ruído do amplificador.

A segunda fonte de bombeamento utilizada, com comprimento de onda em torno de

800 nm, é um laser CW (

Continuos Wave) sintonizável de Titânio-Safira. A inserção do

bombeamento é realizada no sentido contrapropagante e esta, bem como a retirada do sinal,

foi realizada em espaço livre utilizando um separador de feixe (

beam splitter). É

importante frisar que um laser de diodo também poderia ter sido usado para bombeamento

em 800 nm, tornando o amplificador compacto. O laser de sinal tem um único modo

longitudinal e é sintonizável continuamente entre 1456 nm e 1584 nm.

A fibra dopada com Túlio, contida dentro de um módulo hermeticamente fechado,

tem 15 m de comprimento e é emendada a fibras padrão monomodo de sílica. Demais

características da fibra dopada estão descritas na tabela 4.1. A porta de entrada do

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amplificador tem um isolador óptico para evitar que algum bombeamento residual seja

injetada no laser de sinal e cause danos ao mesmo.

Figura 4.2 – Esquema de montagem do TDFA com bombeamento duplo em 800 nm e 1050 nm.

Tabela 4.1 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #1.

Composição da fibra ZrF

-BaF

-LaF

-AlF

-NaF

Dopante Tm

Concentração de dopante 2000 ppm

Abertura numérica 0,238

Comprimento de onda de corte 880 nm

Diâmetro do núcleo

2,8 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra dopada 15 m

4.2 – Resultados obtidos para o amplificador com bombeamento

duplo em 800 nm e 1050 nm

Na figura 4.3, estão expostos os espectros de emissão espontânea amplificada para

três situações diferentes de bombeamento: 73 mW de potência de bombeamento em 800

nm, 80 mW de potência de bombeamento em 1050 nm e a combinação dos dois lasers de

bombeamento com as respectivas potências. Nota-se o aumento na potência de ASE no

caso onde os bombeamentos são combinados, mostrando o aumento de potência de ASE.

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1420 1440 1460 1480 1500

0.0000

0.0005

0.0010

0.0015

0.0020

0.0025

0.0030

73 mW (794 nm)

80 mW (1050 nm)

+ 73 mW (794 nm)

Potência de ASE (mW)

Comprimento de onda (nm)

Figura 4.3 – Espectro de luminescência gerado pelos lasers de bombeamento de: 73mW em 800nm (linha

preta), 80mW em 1050nm (linha vermelha) e a combinação dos dois bombeamentos (linha azul).

Na Figura 4.4, está mostrado o ganho do módulo contendo a fibra dopada com Túlio

em função do comprimento de onda do sinal, para bombeamento monocromático em 1050

nm com potência de 80 mW e para o esquema de bombeamento duplo, onde foram

adicionados 73 mW de potência em 794 nm (valor convenientemente próximo à 800 nm

fornecido pelo laser de bombeamento disponível). A potência de sinal utilizada foi de -27,2

dBm. O aumento no ganho de pequenos sinais quando adicionado o bombeamento em 794

nm ao de 1050 nm é bastante expressivo, sendo de aproximadamente 20 dB.

É importante salientar que o bombeamento monocromático por volta de 800 nm não

é suficiente para criar inversão de população (

ver capítulo 3) e por isto não foi usado como

parâmetro de comparação. Entretanto, para a potência de 1050 nm empregada, valores de

ganho muito pequenos (entre 7 dB e 8 dB) foram obtidos. Medidas anteriores nesta fibra

mostraram que ganhos acima de 20 dB podem ser obtidos com potência maior do que 300

mW de bombeamento monocromático em 1050 nm. No esquema de bombeamento duplo

(800 nm + 1050 nm), um ganho maior que 20 dB em uma banda de 40 nm (

dentro da

banda S

) foi obtido para uma potência total de bombeamento de 153 mW. Mostrando uma

melhora na PCE, diminuindo a potência incidente sobre as emendas da fibra dopada com

Túlio e melhorando assim sua confiabilidade.

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1450 1460 1470 1480 1490 1500

80 mW (1050 nm)

+ 73 mW (794 nm)

Ganho do módulo contendo a TDF (dB)

Comprimento de onda do sinal (nm)

Figura 4.4 – Ganho do módulo contendo a TDF para: bombeamento 80 mW em 1050 nm (quadrados) e

para bombeamento duplo em 1050 nm (80 mW) e 800 nm (73 mW) (círculos) em função do comprimento de

onda do sinal.

Na Figura 4.5, está apresentado o ganho do módulo contendo a fibra dopada em

função da potência de bombeamento de 1050 nm para um conjunto de valores de potência

de bombeamento em 794 nm variando entre 0 mW e 80 mW. O comprimento de onda do

sinal utilizado foi de 1462 nm com potência -27,2 dBm. Pode-se observar um grande

aumento do ganho quando o bombeamento em 794 nm é adicionado.

Nota-se que na ausência do bombeamento de 1050nm, ocorre perda no módulo

contendo a fibra. Esta perda aumenta quando ocorre um aumento na potência de

bombeamento em 794 nm, devido à absorção de estado excitado do sinal de 1470nm a

partir do nível de amplificação inferior (

), que tem um tempo de vida maior do que o

nível de amplificação superior (

Também é válido ressaltar que a saturação do amplificador em relação à potência de

bombeamento não foi atingida, indicando que é possível atingir ganhos mais altos com

maior potência de bombeamento.

Para a máxima potência de bombeamento utilizada (100 mW em 1050 nm com 80

mW de 794 nm), foi medido um ganho de 29,5 dB. Fazendo uma extrapolação linear da

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curva para bombeamento monocromático em 1050 nm, seriam necessários

aproximadamente 300 mW para a obtenção do mesmo ganho, demonstrando uma

significativa redução de potência total de bombeamento com a adição do segundo

bombeamento.

0 20406080100

-5

Potência em 794 nm

0 mW 24 mW

40 mW 52 mW

65 mW 80 mW

Ganho do módulo contendo a TDF (dB)

Potência de bombeamento de 1050nm (mW)

Figura 4.5 – Ganho do módulo contendo a TDF em função da potência de bombeamento de 1050 nm

parametrizado pela potência de bombeamento em 794 nm. O comprimento de onda sinal é 1462 nm e a

potência é de -27,2 dBm.

4.3 – Reflectometria óptica no domínio da freqüência para

medição de Ganho distribuído

O aspecto mais importante da técnica de reflectometria óptica coerente no domínio

da freqüência (

COFDR, Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry) [5-18] é a

capacidade de obtenção do ganho distribuído experimentado pelo sinal ao longo da fibra

dopada com o intuito de otimizar seu comprimento [5-12]. Existem outras técnicas, como o

método de corte ou técnicas no domínio do tempo.

No método de corte, a fibra é cortada até que se encontre o comprimento para o qual

o ganho é maximizado, mas esta é uma técnica que além de limitada em sensibilidade e

resolução, é destrutiva, gerando desperdício de material.

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Já as técnicas no domínio do tempo, que se baseiam na medição do retro-

espalhamento Rayleigh, são normalmente usadas para caracterização de vários quilômetros

de fibra óptica com resolução de algumas dezenas de metros.

A COFDR é uma alternativa poderosa às técnicas mencionadas acima, sendo baseada

na detecção coerente da luz proveniente do dispositivo ou fibra sob teste, melhorando a

sensibilidade. Contudo, o alcance é limitado pela largura de linha do laser, sendo

necessária uma largura de linha menor para um maior alcance [13]. Um aspecto relevante é

que esta técnica filtra naturalmente o ASE.

A técnica consiste basicamente na análise em freqüência do batimento entre o sinal

proveniente de um oscilador local, utilizado como referência, e o sinal proveniente de

reflexões internas do dispositivo sob teste, como ilustrado na figura 4.6. Para distinguir

cada ponto interno do dispositivo sob teste, o laser de sinal é modulado linearmente em

freqüência. A técnica utiliza um esquema baseado no interferômetro de Michelson [9-13].

Com um acoplador direcional de 3 dB, uma parte do sinal refletido pelo espelho (oscilador

local), junto com uma parte do sinal refletido ao longo do dispositivo sob teste incidem no

fotodetector. Para cada ponto dentro do dispositivo, o sinal refletido apresenta uma certa

diferença de freqüência em relação à referência devido à diferença de comprimento no

caminho óptico. Tomando o batimento realizado no fotodetector, é possível obter o

comportamento do dispositivo com um analisador de espectro elétrico (

ESA, Electric

Spectrum Analyser

) que calcula a Transformada Rápida de Fourier (FFT, Fast Fourier

Transform

Espelho

Osc. Local

Dispositivo

Sob teste

Laser

modulado

Fotodetetor

Acoplador

direcional

Espelho

Osc. Local

Dispositivo

Sob teste

Laser

modulado

Fotodetetor

Espelho

Osc. Local

Dispositivo

Sob teste

Laser

modulado

Fotodetetor

Acoplador

direcional

Figura 4.6 – Esquema de funcionamento do OFDR baseado no interferômetro de Michelson.

Considere-se um sinal lançado no sistema e com a potência dividida para dois

caminhos ópticos. Para o sinal refletido em uma dada localidade dentro do dispositivo,

existe um tempo de atraso (

) em relação ao sinal refletido pelo oscilador local. Devido a

este atraso e à modulação linear da freqüência do laser de sinal, para um sinal lançado em

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um certo instante de tempo pelo laser, tem-se no fotodetector uma diferença de freqüência

proporcional ao atraso. Como o atraso depende do caminho óptico percorrido, então a

diferença de freqüência é diretamente proporcional à distância entre o oscilador local e o

ponto em questão [5-11]. Ao mesmo tempo, a intensidade para cada freqüência de

batimento é dada pelo quadrado da amplitude do sinal de batimento em uma dada

freqüência, que é proporcional ao campo elétrico da luz refletida.

Para um modelo matemático simples, considere-se um laser de sinal cuja freqüência

é modulada linearmente de acordo com a seguinte expressão:

(

)

ttj

EetE

=)(

(4.1)

onde,

E é a amplitude do campo elétrico inserido pelo laser modulado e

(t) é a freqüência

instantânea. Assumindo que o coeficiente de variação de freqüência

é constante e não

influi na forma do espectro do laser de sinal, e considerando que após o interferômetro, o

termo de interferência na intensidade da luz é dado por:

(

)

(

)

[

]

−= tEtEtI

ROL

Re2)( , (4.2)

onde

(t) é o campo elétrico refletido proveniente do oscilador local e E

(t) é o campo

elétrico proveniente do dispositivo sob teste, tem-se que os campos

(t) e E

(t) têm as

seguintes expressões:

OLOL

eEtE

)(

= , (4.3)

(

)

(

)

τβτω

−−

=−

eEtE

)( , (4.4)

onde a freqüência do sinal refletido no dispositivo sob teste é menor do que a do sinal

proveniente do oscilador local devido ao atraso.

Substituindo as equações 4.3 e 4.4 na equação 4.2, tem-se:

(

)

(

)

[

]

τβτωω

−−−

tjtj

ROL

eeEEtI

Re2)(

, (4.5)

ou equivalentemente,

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()

(

)

[

]

[

]

Re2)(

βττωβτ

−+

ROL

eEEtI , (4.6)

onde a freqüência do sinal detectado é

βτ

, ou seja, é proporcional ao atraso dentro do

dispositivo, e por conseqüência à distância dentro da fibra dopada para o caso de

caracterização do ganho distribuído ao longo da fibra.

As principais fontes de ruído envolvidas no processo são [13]: flutuações de

intensidade de luz do laser, ruído balístico, ruído de fase do laser, ruído do amplificador

eletrônico e dos circuitos de controle. Tais fontes são proporcionais à largura de linha de

medida, de forma que diminuindo a largura de linha, pode-se aumentar a sensibilidade.

O ruído de fase do laser, uma das principais componentes de ruído, é responsável

pelas flutuações de fase entre o sinal refletido no dispositivo e o sinal de referência e é

proporcional à distância do ponto de reflexão no dispositivo sob teste ao oscilador local,

bem como à intensidade da reflexão. Portanto, para sistemas de alta sensibilidade pequenas

reflexões são requeridas, principalmente em pontos distantes do oscilador local.

A máxima distância detectável é limitada pelo comprimento de coerência do laser,

dado por:

∆

, (4.7)

onde

∆

f é a largura de linha do laser e c é a velocidade da luz.

Além disso, uma pequena diferença entre o caminho óptico do oscilador local e a

porta que conecta o dispositivo sob teste, compondo um interferômetro de

Michelson, pode

gerar um batimento em baixas freqüências. Isto pode ser resolvido ajustando a freqüência

mínima percebida pelo fotodetector. A freqüência mínima utilizada para detecção nos

experimentos mostrados neste capítulo foi de 300 Hz.

Outro aspecto importante para justificar o ajuste de uma freqüência mínima na

caracterização de um amplificador é a componente de emissão espontânea proveniente do

amplificador no comprimento de onda de detecção, pois esta é detectada com freqüência de

batimento igual a zero.

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4.4 – Montagem experimental e resultados de ganho distribuído

utilizando a técnica de COFDR

O esquema experimental empregado para a aquisição de dados utilizando a técnica

de COFDR está mostrado na figura 4.7. Pode-se distinguir o interferômetro de Michelson

formado pelo acoplador direcional de 3 dB e o oscilador local (

OL), que no caso é um

conector de fibra tipo FC/PC com um espelho metálico acoplado. O dispositivo sob teste é

o TDFA. Um isolador foi disposto logo após o laser de sinal para evitar que a luz

proveniente do oscilador local, bem como a luz retroespalhada pelo TDFA, afete o mesmo.

O laser de sinal é sintonizável e permite modulação interna linear do comprimento de

onda através da aplicação de tensão em um material piezo-elétrico. Um gerador de funções

operando com uma onda triangular foi usado como sinal modulador do laser, que também

foi utilizado para gerar o sinal de sincronismo, necessário para que o analisador de espectro

elétrico que calcula a FFT sincronize a aquisição de dados na região onde a onda triangular

é mais linear. Para evitar não linearidades um nível de tensão contínuo foi adicionado ao

sinal de modulação. O osciloscópio tem a função de monitorar o sinal modulador do laser e

o recebido pelo ESA.

Um filtro composto de um circulador óptico associado a uma fibra com rede de

difração de Bragg (

FBG, Fiber Bragg Gratting) é utilizado. Como a FBG tem um espectro

de reflectância estreito, este conjunto é capaz de filtrar a ASE, evitando assim a saturação

do fotodetector e diminuindo o ruído nas medidas. A FBG utilizada tem comprimento de

onda central em 1480 nm e largura espectral de 0,8 nm.

Na figura 4.8 pode-se ver a foto da caixa contendo os elementos ópticos do sistema

que realiza a reflectometria óptica coerente no domínio da freqüência. Na figura 4.9 pode-

se ver a foto dos equipamentos utilizados durante as medições com a técnica de COFDR,

onde estão apresentados: o gerador de funções (esquerda acima), laser sintonizável

(esquerda abaixo), osciloscópio (direita acima) e ESA (direita abaixo).

Na tabela 4.2 estão descritos alguns parâmetros com seus respectivos valores

utilizados durante os experimentos. O intervalo entre as medidas está relacionado à

freqüência de modulação do laser de sinal (8 Hz), no caso metade do período (62,5 ms), já

que a aquisição de dados ocorreu sempre na rampa de subida de uma onda triangular. O

tempo de aquisição de dados para o ESA é de apenas 4 ms. O ponto de aquisição não deve

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ser no final da rampa de subida para que não ocorram medidas fora da região linear

causada por ruído.

Figura 4.7 – Montagem experimental do equipamento que realiza a reflectometria óptica no domínio da

freqüência.

Figura 4.8 – Foto da Montagem experimental do COFDR, que contém o acoplador direcional, o oscilador

local, o circulador, a fibra com a rede de difração de Bragg e o fotodetector.

Tabela 4.2 – Parâmetros experimentais utilizados nas medidas com COFDR.

Intervalo entre as medidas 62,5 ms

Tempo de aquisição do ESA 4 ms

Varredura efetiva utilizada 300 MHz

Velocidade de aquisição 960 espectros por minuto

Resolução 30 cm

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Figura 4.9 – Fotos dos equipamentos utilizados nas medições com a técnica de COFDR. Gerador de funções

(esquerda acima), laser sintonizável (esquerda abaixo), osciloscópio (direita acima) e ESA (direita abaixo).

A resolução está relacionada com a varredura efetiva de freqüência do laser, que no

caso corresponde a 300 MHz. Para um laser ideal, o espaçamento entre as freqüências de

Fourier determina a resolução e é dada por:

∆

=∆

.2n

, (4.8)

onde

∆

v é a varredura total de freqüências ópticas e n é o índice de refração do meio.

Considerando o índice de refração aproximadamente 1,5 e varredura efetiva utilizada

de 300 MHz, a resolução é de 30 cm. Sendo este um valor razoável para caracterização de

amplificadores ópticos a fibras dopadas.

O ganho da fibra é considerado como a diferença entre a intensidade do sinal

refletido quando a fibra é bombeada e quando não é bombeada dividida por dois, já que o

sinal é submetido ao meio ativo tanto na propagação, quanto na retropropagação [5-8, 10].

É importante frisar que este método é bastante adequado para TDFAs pois estes são

praticamente transparentes ao sinal quando não existe bombeamento.

A técnica de COFDR torna possível o entendimento da dinâmica e distribuição de

ganho dentro da fibra dopada. O TDFA foi montado utilizando o mesmo esquema

experimental da Figura 4.2, porém utilizando uma fibra dopada com Túlio com 18 m de

comprimento (demais características iguais às descritas na Tabela 4.1). É interessante

relembrar que o comprimento de onda utilizado para o sinal nas medidas desta seção foi de

1480nm, definido pela FBG.

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Na Figura 4.10, estão apresentados espectros obtidos pelo ESA para várias potências

de bombeamento em 1050 nm (0, 80, 160 e 360 mW) com a potência de bombeamento em

800 nm fixa em 60 mW. A potência do sinal foi mantida constante em 0 dBm (1 mW). Os

picos finos representam reflexões dos componentes do TDFA, como WDM e emendas da

fibra dopada. As emendas de entrada e saída da fibra dopada estão indicadas. Como a

freqüência é proporcional à diferença de fase entre o sinal refletido do amplificador e do

oscilador local, que por sua vez é proporcional ao caminho óptico, então a partir do

comprimento total da fibra dopada pode-se converter o eixo de freqüência em distância e

obter o ganho distribuído na fibra.

A determinação do comprimento ideal para a fibra dopada pode ser obtida por meio

de análise das curvas de ganho distribuído na fibra dopada. Tais curvas são obtidas

diretamente das medidas do analisador de espectro elétrico, considerando a região entre as

emendas da fibra, subtraindo o valor obtido sem bombeamento do valor obtido com

bombeamento, e dividindo o resultado por dois. A divisão por dois é necessária para levar

em conta o caminho de volta percorrido pelo sinal que retorna ao COFDR. Para esta fibra e

sob as condições apresentadas com sinal de 1 mW, foi obtido um ganho máximo de 24 dB,

que está de acordo com o método de medição utilizando analisador de espectro óptico.

0 20000 40000 60000 80000 100000

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

Potência em 1050 nm

0 mW 80 mW

160 mW 360 mW

Emenda de saída

da fibra

Emenda de

entrada da fibra

Amplitude do sinal no ESA (dBV)

Frequência no FFT (Hz)

Figura 4.10 – Espectros no analisador de espectro elétrico do COFDR com bombeamento duplo para 60

mW em 800nm e várias potências em 1050nm.

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A figura 4.11 apresenta espectros obtidos pelo ESA para várias potências de

bombeamento em 1050 nm (40, 80, 140 e 180 mW) sem (a) e com (b) bombeamento em

800 nm, respectivamente. A potência de bombeamento em 800 nm, quando usado é de 45

mW. A potência de sinal é de 2,7 mW. Pode-se notar claramente que com a adição do

bombeamento em 800 nm os valores de amplitude do sinal no ESA aumentam.

0 20000 40000 60000 80000 100000

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Potência em 1050 nm

40 mW 80 mW

140 mW 180 mW

Amplitude do sinal no ESA (dBV)

Frequência no FFT (Hz)

(a)

0 20000 40000 60000 80000 100000

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

Potência em 1050 nm

40 mW 80 mW

140 mW 180 mW

Amplitude do sinal no ESA (dBV)

Frequência no FFT (Hz)

(b)

Figura 4.11 – Espectros no analisador de espectro elétrico do COFDR com: (a) bombeamento

simples em 1050 nm e (b) bombeamento duplo para várias potências em 1050nm.

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A figura 4.12 mostra o ganho distribuído na fibra com bombeamento simples em

1050nm com 140 mW (

círculos) e duplo (1050 nm + 800 nm) em regime de baixa potência

de bombeamento com 140 mW em 1050nm e 45 mW em 800 nm (

quadrados). A potência

do sinal é 2,7 mW. É importante frisar que esta é obtida a partir de figuras como a 4.10 e a

4.11. Como os lasers de bombeamento são absorvidos pela fibra dopada e cada um deles é

injetado por uma extremidade da fibra, a interação entre os bombeamentos não é realizada

de forma otimizada. A partir de certo comprimento de fibra dopada, o ganho não é alterado

significativamente. Pode-se notar que o efeito do bombeamento em 800 nm é mais

significativo no final da fibra (6 dB de aumento em relação ao bombeamento de 1050 nm

sozinho). A variação de ganho em maior parte da fibra é de 0,5 dB/m, enquanto que na

região situada antes da região onde o ganho fica constante a taxa de variação de ganho é de

2,0 dB/m. Concluí-se que no mínimo existe um desperdício de 4 m de fibra dopada com

Túlio.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

Ganho distribuído na fibra dopada (dB)

Posição na fibra dopada (m)

Figura 4.12 – Ganho distribuído na fibra com bombeamento simples em 1050nm com 140 mW (círculos) e

duplo 1050 nm+ 800 nm em regime de baixa potência (45 mW) de bombeamento em 800 nm (quadrados).

A Figura 4.13 mostra medidas com COFDR para condições de bombeamento com

altas potências (até 400 mW em 1050 nm e 100 mW em 800 nm). A potência do sinal é 2,7

mW. A variação do ganho é praticamente constante ao longo da fibra (0,9 dB/m), pois

nesse caso a potência de bombeamento em 800 nm é suficiente para bombear toda a fibra

dopada.

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Potência em 1050nm

80mW 160mW

240mW 320mW

400mW

Ganho distribuído na fibra dopada (dB)

Posição na fibra (m)

Figura 4.13 – Ganho distribuído na fibra com bombeamento duplo 1050 nm + 800 nm para alta potência de

bombeamento em 800 nm (100 mW).

A potência do sinal é 2,7 mW.

Para avaliar o efeito da adição do segundo bombeamento (800 nm), foi analisado o

ganho obtido da fibra dopada como função da potência de bombeamento em 1050 nm para

duas situações: com e sem 60 mW de potência de bombeamento em 800 nm. A figura 4.14

mostra que a contribuição do bombeamento de 800 nm diminui a partir de 200 mW até se

tornar insignificante quando 360 mW de potência em 1050 nm são aplicados. A saturação

de ganho para o esquema de bombeamento duplo ocorre a partir de 240 mW de 1050 nm.

A eficiência de conversão de potência é máxima com 240 mW de 1050 nm e 60 mW de

800 nm. É interessante frisar que a Relação de potência ideal é de aproximadamente de

20% de 800 nm em relação à potência total de bombeamento, para o caso estudado.

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0 100 200 300 400

Ganho da fibra dopada com Túlio (dB)

Potência de bombeamento em 1050nm (mW)

Figura 4.14 - Ganho em função da potência de bombeamento de 1050nm parametrizado para potência de

bombeamento em 802nm de 0 mW (quadrados) e 60 mW (círculos). A potência de sinal é de 2,7 mW.

4.5 – Protótipo de TDFA com bombeamento duplo (800 nm + 1050

nm) utilizando lasers de diodo

Com base nos resultados das seções anteriores, foi construído um protótipo de um

TDFA com bombeamento duplo em 1050 nm e 800 nm. Nesta configuração os dois lasers

de bombeamento são copropagantes com o sinal e uma fibra dopada com Túlio de 5 m e

concentração de dopantes de 2000 ppm foi utilizada (detalhes sobre os demais parâmetros

da fibra dopada estão na tabela 4.3).

Tabela 4.3 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #2.

Composição da fibra ZrF

-BaF

-LaF

-AlF

-NaF

opante Tm

Concentração de dopante 2000 ppm

bertura numérica 0,238

Comprimento de onda de corte 880 nm

iâmetro do núcleo

2,8 µm

iâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra dopada 5 m

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A figura 4.15 mostra o ganho da fibra em função da potência óptica de bombeamento

em 1050 nm para potência de sinal de -20 dBm em 1470 nm e potência em 800 nm fixa em

28 mW. Nota-se que ocorre saturação de ganho à medida que a potência em 1050 nm

aumenta. Este efeito também ocorreu na seção anterior.

A figura 4.16 mostra o espectro de ganho e figura de ruído para bombeamento duplo

com potência de 28 mW e 90 mW em 800 nm e 1050 nm, respectivamente. O pico de

ganho ocorre na região compreendida entre 1460 nm e 1470 nm. A figura de ruído atinge o

valor mínimo de 3,5 dB em 1490 nm. A figura de ruído tem um deslocamento para

esquerda por causa da queda mais acentuada da ASE para comprimentos de onda maiores.

A análise de ganho e figura de ruído apresentados são para a fibra dopada, isto porque os

componentes utilizados não são otimizados para operar na

banda S. Para componentes

adequados a figura de ruído esperada do amplificador deve ter valor por volta de 4,5 dB.

0 20406080100

-4

-2

Ganho da fibra (dB)

Potência em 1050 nm (mW)

Figura 4.15 – Ganho da TDF para bombeamento duplo em função da potência de bombeamento em 1050

nm. A potência de sinal em 1470 nm é de -20 dBm. A potência de bombeamento em 800 nm é 28 mW.

Medidas de BER em função da potência recebida em um photodetector pin

mostraram uma pequena penalidade (menor que 0,2 dB). Isto ocorre devido à degradação

do sinal causada na recepção por causa do batimento sinal-espontâneo.

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1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540

Ganho e figura de ruído da fibra dopada (dB)

Comprimento de onda do sinal (nm)

Ganho

Figura de ruído

Figura 4.16 – Ganho e figura de ruído da TDF com bombeamento simultâneo em 1050 nm (90 mW) e 800

nm (28 mW) em função do comprimento de onda do sinal. A potência do sinal é de -20dBm.

4.6 – Conclusões

Foi proposto e demonstrado por nossa equipe, pela primeira vez na comunidade

científica, um esquema de bombeamento duplo altamente eficiente para TDFA,

empregando lasers em 800 nm e em 1050 nm. Patentes depositadas na Europa e nos

Estados Unidos da América, bem como artigos científicos publicados em periódicos e

conferências internacionais, denotam a relevância dos resultados apresentados neste

capítulo.

O novo esquema de bombeamento duplo apresentou alta eficiência diminuindo

bastante a potência de bombeamento total em comparação com o bombeamento

monocromático. Com a construção de um protótipo com lasers de diodo ficou

caracterizada uma possibilidade de emprego comercial em um futuro próximo. A dinâmica

e distribuição de ganho ao longo da fibra dopada para o esquema de bombeamento duplo

envolvendo os comprimentos de onda 800 nm e 1050 nm foi observada e discutida,

mostrando que com esse esquema de bombeamento duplo pode-se diminuir o comprimento

de fibra dopada para se obter o ganho requerido.

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Capítulo 5 – Amplificadores reflexivos a fibra dopada

com Túlio

Devido à crescente demanda por amplificadores ópticos para explorar faixas de

comprimentos de onda alternativas do espectro de baixas perdas da sílica, tornou-se

relevante o desenvolvimento de amplificadores a fibra dopada com Túlio. Dada esta

necessidade, constatam-se diferentes configurações de TDFA, cujo o desempenho das

mesmas vem mostrando um excelente potencial para emprego em sistemas operando na

banda S (região espectral de transmissão compreendida entre 1450 nm e 1530 nm) [1-4].

Existem outros tipos de amplificadores ópticos que podem ser utilizados como alternativa

prática em sistemas de transmissão operando na

banda S, entre eles: amplificadores Raman

a fibra (

ver seção 2.4.3) e amplificadores a fibra dopada com Érbio para funcionar na

banda

S (ver seção 2.4.5). Entretanto, avanços tecnológicos na engenharia dos TDFA

denotam-se de forma sucessiva, tornando-os mais atrativos comercialmente. As

contribuições mais substanciais ocorreram no processo de fabricação das fibras fluoradas

[5] e no desenvolvimento de lasers de diodo para bombeamento em 1055 nm [6, 7], que

corresponde ao comprimento de onda mais eficiente para bombeamento monocromático.

Embora tenha sido demonstrado que esquemas de bombeamento duplo são mais

eficientes no processo de conversão de energia, amplificadores com bombeamento

monocromático, na faixa de comprimentos de onda entre 1050 nm e 1064 nm, podem

funcionar satisfatoriamente. No trabalho reportado por F. Borliaguet e colaboradores em

[7] foi demonstrada a possibilidade de construção de TDFA compactos e de grande

praticidade, já que até então as únicas fontes de bombeamento disponíveis nesta faixa de

comprimentos de onda eram lasers de Nd:YAG, lasers Nd:YLF, ou lasers de Itérbio

bombeados por lasers de diodo.

Considerando os TDFAs, aparece a necessidade de construção de configurações

convenientes para que estes operem como pré-amplificadores ou amplificadores de linha,

cuja característica fundamental é apresentar alto ganho de pequenos sinais. Nestas

condições nota-se claramente a premência da amplificação dos sinais de baixa potência

antes do processo de fotodetecção no receptor, ou ainda antes de reenviar por mais um

enlace de fibra óptica.

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Para construir TDFAs capazes de obter ganho de pequenos sinais acima de 35 dB,

geralmente são usadas configurações complexas com diversas fibras dopadas e alguns

lasers de bombeamento operando com emissão de alta potência [8, 9]. Além do alto custo

associado às fibras dopadas, realizar o bombeamento com alta potência pode degradar

alguns componentes do amplificador, como: emendas das fibras dopadas, conectores,

acopladores direcionais, etc. Portanto, a alta potência diminui o tempo de vida e

confiabilidade do amplificador. Outro aspecto importante que deve ser frisado é que para

aplicações sistêmicas é sempre desejável obter maior ganho com menor potência de

bombeamento. Pré-amplificadores ou amplificadores de linha requerem características

indispensáveis como alto ganho e baixa figura de ruído. Para este propósito, o objetivo é

sempre de maximizar o ganho de pequenos sinais e otimizar a eficiência de conversão de

potência, mantendo a figura de ruído do amplificador relativamente baixa. Para esta

finalidade, pode ser utilizada a técnica de dupla passagem do sinal pelo meio gerador de

ganho. Quando este princípio é utilizado em amplificadores ópticos, estes são

denominados amplificadores reflexivos.

Nas próximas seções estão expostas as contribuições relevantes obtidas com o uso da

técnica de dupla passagem pelo meio gerador de ganho, ou seja, pela fibra dopada com

Túlio. Na seção 9.1, são propostas duas diferentes configurações utilizando a técnica

supracitada para obtenção de alto ganho de pequenos sinais, a primeira utiliza um espelho

como elemento refletor e a segunda utiliza um circulador adaptado para realizar a mesma

função do espelho. As devidas comparações são verificadas através da análise de

desempenho. Em seguida foi desenvolvida uma configuração compacta com ganho em

patamar razoável, utilizando o espelho como dispositivo refletor, e mostrando-se uma

alternativa viável para aplicações como pré-amplificador.

5.1 – TDFA reflexivo com 38 dB de ganho com bombeamento

monocromático

Visando uma maximização da eficiência de conversão de potência em TDFA [10,

11], S. Aozasa e colaboradores propuseram uma nova configuração, onde o sinal passa

duas vezes pelo meio gerador de ganho, ou seja, pela fibra dopada. Para isto, foi utilizado

um espelho em um dos terminais da fibra dopada e um circulador no outro terminal. Tal

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alternativa possibilita que o fluxo de entrada e saída do sinal ocorra em apenas um dos

terminais da fibra dopada. Com esta configuração, foi conseguindo uma PCE de 70%, um

ganho de pequenos sinais de 43 dB, um coeficiente de ganho de 57 dB/W e um aumento de

ganho de 8 dB em relação à configuração de única passagem do sinal pela fibra dopada.

Para isto, fez-se uso de dois lasers de bombeamento no sentido contrapropagante com

potência total de 755mW.

S. W. Harun e colaboradores [12] conseguiram um aumento de ganho de 11 dB

utilizando a mesma técnica em um amplificador a fibra dopada com Érbio para a banda L

(

L-EDFA, L-band Erbium Doped Fiber Amplifiers), contudo fez uso de um circulador

como refletor no terminal de saída da fibra dopada. S. Hwang e colaboradores [13]

demonstraram uma redução considerável na potência de bombeamento e no comprimento

da fibra dopada utilizando esta mesma técnica de dupla passagem do sinal pelo meio

gerador de ganho em um amplificador a fibra dopada com Érbio (

EDFA, Erbium doped

fiber amplifiers

É importante frisar que todas as configurações propostas para TDFAs reflexivos são

complexas e demandam várias fibras dopadas e/ou diversas fontes de bombeamento.

Objetivando a proposição de um amplificador de alto ganho de pequenos sinais mais

simples, foram construídas algumas configurações de TDFA, mostradas na figura 5.1.

A título de comparação foi montada uma configuração convencional de passagem

única do sinal pelo meio gerador de ganho com bombeamento monocromático em 1050

nm no sentido copropagante com o sinal (

apresentada na figura 5.1-a).

Duas configurações distintas estão destacadas nas figuras 5.1-b e 5.1-c, onde a

técnica de dupla passagem pela fibra dopada com Túlio é empregada. Em ambas as

configurações, um circulador óptico está disposto no terminal de entrada da fibra dopada

com Túlio para funcionar como terminal de entrada e saída para o sinal.

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(a)

(b)

(c)

Figura 5.1 – Exemplos de configurações de amplificadores ópticos a fibra dopada com Túlio: (a) única

passagem do sinal pela fibra dopada e (b) dupla passagem do sinal pela fibra dopada com uso de espelho

metálico e (c) dupla passagem do sinal pela fibra dopada com uso de um circulador óptico.

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Um analisador de espectro óptico (

OSA, Optical Spectrum Analyzer) foi utilizado

para medir ganho e figura de ruído. Um medidor de potência óptica foi usado para

monitorar a potência de bombeamento a partir da porta de controle do multiplexador de

comprimentos de onda (

WDM, Wavelength Division Multiplexer). O WDM é utilizado

para combinar o laser de bombeamento com o sinal na

banda S.

A fonte de bombeamento utilizada é um laser de fibra de Itérbio bombeado com laser

de diodo emitindo em 1050 nm. O laser de sinal é proveniente de um laser de diodo com

um único modo longitudinal continuamente sintonizável entre 1435 nm e 1515 nm. A fibra

dopada com Túlio (

TDF, Thullium Doped Fiber) consiste em um módulo contendo uma

fibra dopada com 18 m de comprimento e dopagem de 2000 ppm de íons trivalentes de

Túlio. As extremidades da TDF são emendadas a segmentos de fibra padrão monomodo de

sílica (demais características estão descritas na tabela 5.1).

Tabela 5.1 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #3.

Composição da fibra ZrF

-BaF

-LaF

-AlF

-NaF

Dopante Tm

Concentração de dopante 2000 ppm

Abertura numérica 0,238

Comprimento de onda de corte 880 nm

Diâmetro do núcleo

2,8 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra dopada 18 m

A diferença básica entre as configurações apresentadas nas figuras 5.1-b e 5.1-c, é o

dispositivo responsável por refletir o sinal proveniente da fibra dopada, propiciando assim

a dupla passagem do sinal pelo meio gerador de ganho. Na figura 5.1-b, o elemento refletor

é um espelho metálico próprio para ser utilizado acoplado a um conector FC/PC. Enquanto

que na figura 5.1-c, o elemento refletor é construído interligando convenientemente duas

das portas do circulador óptico.

Quanto ao sinal, o que importa é a perda associada ao dispositivo refletor. O espelho

metálico apresenta uma perda de 1,8 dB, enquanto que o circulador tem uma perda um

pouco maior (2,2 dB), a princípio isto já confere um melhor desempenho à configuração

que utiliza o espelho. Existe ainda outro aspecto relevante que é a alta perda do circulador

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óptico para o comprimento de onda de bombeamento, ou seja, com o emprego do espelho é

possível refletir o bombeamento residual no final da fibra, enquanto que com o circulador

isto não é possível.

A figura 5.2 mostra o ganho e figura de ruído em função do comprimento de onda do

sinal para as três configurações mostradas na figura 5.1. As três configurações são: a de

simples passagem do sinal pela fibra dopada (

quadrados), a reflexiva utilizando espelho

(

círculos) e a reflexiva utilizando circulador (triângulos). A potência de bombeamento para

estas medidas é de 300 mW, enquanto que a potência do laser de sinal é de -30 dBm.

1440 1460 1480 1500 1520

Única passagem

Circulador

Espelho

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda do sinal (nm)

Figura de ruído (dB)

Figura 5.2 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função do comprimento de onda do sinal. A

potência de bombeamento é de 300 mW em 1050 nm e a potência do sinal é de -30 dBm.

É facilmente observável na figura 5.2 que nos casos dos amplificadores reflexivos

pode-se obter ganhos superiores a 20 dB sobre uma região espectral de 45 nm de largura,

desde 1445 nm até 1490 nm. A figura 5.2 também mostra que a configuração para o

amplificador reflexivo utilizando o espelho provê um ganho um pouco maior que no caso

onde o circulador é empregado. O aumento de ganho nas configurações reflexivas ocorre

simplesmente devido ao fato que o sinal é refletido para o amplificador não saturado e

assim experimenta um ganho extra. As medidas de figura de ruído da figura 5.2 mostram

que a configuração utilizando o espelho apresenta um pequeno aumento na figura de ruído

quando comparada com a configuração convencional. Isto ocorre porque quando o sinal

chega passa pela segunda vez na fibra recebe ganho e chega à entrada da fibra com alta

potência, diminuindo a inversão de população e aumentando a figura de ruído. É

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importante frisar que S. W. Harun e colaboradores [16] reportaram uma penalidade na

figura de ruído de 2 dB em EDFA reflexivo operando na

Banda L.

As configurações reflexivas não apresentaram deslocamento espectral de ganho,

conquanto S. Aozasa e colaboradores já tenham demonstrado que o efeito de deslocamento

espectral de ganho ocorre principalmente devido à utilização de fibras altamente dopadas

ou devido ao emprego de esquemas de bombeamento duplo [8, 10, 11].

A Figura 5.3 mostra o ganho do amplificador em função da potência de

bombeamento para as três configurações mostradas na figura 5.1. O aumento do ganho de

pequenos sinais para as configurações reflexivas em relação à configuração original é clara

e está de acordo com os resultados apresentados na figura 5.2. Para potência de

bombeamento de 400 mW na configuração reflexiva com espelho foi obtido um ganho de

pequenos sinais de 38 dB em 1462 nm, representando um aumento de ganho de

aproximadamente 16 dB em relação à configuração de única passagem do sinal pela fibra

dopada. A média de coeficiente de ganho obtido é de 95 dB/W.

0 50 100 150 200 250 300 350 400

-20

-10

Única passagem

Circulador

Espelho

Ganho do amplificador (dB)

Potência de bombeamento (mW)

Figura 5.3 – Ganho do amplificador em função da potência de bombeamento. O bombeamento

monocromático é realizado em 1050 nm e a potência do sinal é de -37 dBm em 1462 nm.

Além disso, é importante enfatizar que o ganho interno da fibra dopada é de 55 dB,

já que as perdas para o sinal quando o amplificador não está sob condição de

bombeamento são de 17 dB. Estes altos valores de perda são atribuídos principalmente à

utilização de componentes não otimizados para a

banda S. Este alto ganho foi obtido com

quase a metade da potência de bombeamento e utilizando configurações mais simples que

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as relatadas em trabalhos anteriores [10]. Aumentar a potência de bombeamento para

valores acima de 400 mW provoca instabilidades, devido ao aparecimento de oscilações

laser nas configurações reflexivas. Estas podem ser minimizadas escolhendo conectores e

componentes mais adequados, projetados para a

banda S.

A Figura 5.4 mostra a figura de ruído do amplificador em função da potência de

bombeamento para as três configurações mostradas na figura 5.1. Pode-se notar que para

potências de bombeamento intermediárias (entre 200 mW e 350 mW) a figura de ruído é

quase a mesma para as três configurações (menos de 0,7 dB de diferença). Para baixas

potências de bombeamento, a figura de ruído aumenta devido ao baixo ganho, mostrado na

figura 5.3. No caso de bombeamento com 400 mW na configuração reflexiva utilizando

espelho, o aumento na figura de ruído é de 1,7 dB. Isto acontece graças ao aumento da

potência de emissão estimulada amplificada (

ASE, Amplified Stimulated Emission)

causada pela realimentação inerente das configurações reflexivas, cuja causa está na

reflexão do ASE pelo elemento responsável por refletir o sinal.

0 100 200 300 400

Única passagem

Circulador

Espelho

Figura de ruído do amplificador (dB)

Potência de bombeamento (mW)

Figura 5.4 – Figura de ruído do amplificador em função da potência de bombeamento. O bombeamento

monocromático é realizado em 1050 nm e a potência do sinal é de -37 dBm em 1462 nm.

A figura 5.5 mostra o ganho do amplificador em função da potência de entrada do

sinal para as três configurações da figura 5.1. É visível que o acréscimo de ganho, devido

ao emprego da técnica de dupla passagem pela fibra dopada, diminui para potências de

sinal mais altas. Isto ocorre devido à saturação do meio com o aumento da potência de

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100

sinal, não provendo ganho extra para o sinal refletido. Para potência de bombeamento de

250 mW e potência de sinal na entrada do amplificador de 0 dBm, a potência de saída do

sinal é +10 dBm para as três configurações. Isto indica que os esquemas reflexivos não

aumentam a potência de saturação de saída do amplificador, apesar de aumentar o ganho

de pequenos sinais, e assim não devem ser utilizados para aplicações como amplificador de

potência.

-40 -30 -20 -10 0 10

Única passagem

Circulador

Espelho

Ganho do amplificador (dB)

Potência do sinal (dBm)

Figura 5.5 – Ganho do amplificador em função da potência do sinal. O bombeamento monocromático é

realizado com potência de 250 mW em 1050 nm e o comprimento de onda do sinal é 1462 nm.

Tanto nos resultados descritos na figura 5.3 quanto nos da figura 5.5, o ganho do

amplificador reflexivo é um pouco maior quando o espelho é empregado como dispositivo

refletor. Mesmo havendo uma perda para o sinal no espelho (1,8 dB), esta é menor que a

perda inserida pelo circulador (2,2 dB). Além disso, o espelho metálico é capaz de refletir a

potência residual de bombeamento. Em relação à potência de bombeamento de 300 mW na

entrada da TDF, existe aproximadamente 40 mW de bombeamento residual, que no caso

do espelho é refletido para a TDF, gerando uma pequena potência extra de bombeamento.

Outro ponto a ressaltar é a maior simplicidade e menor custo do espelho metálico

quando comparado com o circulador óptico. Entretanto, as instabilidades e o limiar para

processos laser ocorreram para uma potência de bombeamento um pouco menor no caso

do amplificador reflexivo com espelho metálico.

A figura 5.6 mostra a figura de ruído do amplificador em função da potência de

entrada do sinal para as três configurações da figura 5.1. Seguindo a tendência, o espelho

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101

mostrou um pior desempenho, enquanto que o amplificador reflexivo que emprega o

circulador tem um desempenho em ruído equivalente ao desempenho da configuração

convencional para potências de sinal menores do que -15 dBm. Nota-se que à medida que a

potência de sinal aumenta, a figura de ruído dos amplificadores reflexivos torna-se crítica.

Isto ocorre porque o sinal quando realiza a dupla passagem pela fibra, atinge o terminal de

entrada da fibra com alta potência e diminui a inversão de população no início da fibra,

criando uma degradação da figura de ruído do amplificador.

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

Única passagem

Circulador

Espelho

Figura de ruído (dB)

Potência do sinal (dBm)

Figura 5.6 – Figura de ruído do amplificador em função da potência do sinal. O bombeamento é realizado

com potência de 250 mW em 1050 nm e o comprimento de onda do sinal é 1462 nm.

5.2 – TDFA reflexivo compacto com bombeamento

monocromático

Expostos alguns aspectos constatados na seção anterior, tornou-se interessante a

proposição de uma configuração compacta para um TDFA que possa ser aplicado como

pré-amplificador, utilizando apenas um laser de diodo para bombeamento e aplicando a

técnica de dupla passagem do sinal pela fibra dopada.

Na Figura 5.7 estão apresentadas as duas configurações básicas utilizando laser de

diodo emitindo em 1055 nm. Nas figuras 5.7-a e 5.7-b, estão mostradas as configurações

convencional e reflexiva, respectivamente.

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102

O laser de diodo para bombeamento emite em 1055 nm, foi fabricado pela

Nortel

Networks Optical Component

s (Zurique, Suíça), tem encapsulamento tipo Butterfly e saída

a partir de uma fibra monomodo padrão. Este laser é uma versão modificada de um laser

com emissão em 980 nm com mudanças no projeto epitaxial. A alimentação do laser de

diodo para emitir em 1055 nm é realizada a partir de uma fonte de corrente com controle

de temperatura. O laser de diodo apresentou potência máxima de 153 mW. O sinal e o

bombeamento em 1055 nm são acoplados através de um WDM que é emendado por fusão

ao módulo contendo a fibra dopada com Túlio.

(a)

(b)

Figura 5.7 – Esquemas experimentais de amplificadores a fibra dopada com Túlio nas configurações: (a)

única passagem do sinal e (b) dupla passagem do sinal pela fibra dopada com Túlio.

A fibra dopada com Túlio consiste em uma fibra altamente dopada com Túlio com 5

m de comprimento e dopagem de 5000 ppm de íons trivalentes de Túlio. As extremidades

da TDF são emendadas a segmentos de fibra padrão monomodo de sílica (demais

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103

características estão descritas na tabela 5.2). Um analisador de espectro óptico (

OSA,

Optical Spectrum Analyser) foi utilizado para medir ganho e figura de ruído.

Tabela 5.2 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #4.

Composição da fibra ZrF

-BaF

-LaF

-AlF

-NaF

Dopante Tm

Concentração de dopante 5000 ppm

Abertura numérica 0,238

Comprimento de onda de corte 950 nm

Diâmetro do núcleo

3 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra 5 m

Na figura 5.8 são mostrados ganho (

símbolos fechados) e figura de ruído (símbolos

abertos

) do amplificador em função da potência de bombeamento em 1055 nm para a

configuração convencional (

quadrados) e reflexiva (círculos). A potência de sinal utilizada

foi -30 dBm.

20 40 60 80 100 120 140 160

-10

-5

Ganho do amplificador (dB)

Convencional

Reflexivo

Potência de bombeamento (mW)

Figura de ruído (dB)

Figura 5.8 – Ganho (símbolos fechados) e Figura de ruído (símbolos abertos) do amplificador em função da

potência de bombeamento em 1050 nm para a técnica de única (quadrados) e dupla passagem (círculos) do

sinal pela fibra dopada. A potência do sinal é de -30 dBm.

Com o esquema de dupla passagem do sinal foi obtido um ganho de pequenos

sinais de 19 dB, o que representa um aumento do ganho de pequenos sinais de

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aproximadamente 8 dB, e um acréscimo de apenas 0,8 dB na figura de ruído do

amplificador, em relação à configuração convencional.

5.3 – Conclusões

Foi construído um TDFA reflexivo com uma TDF de 18 m de comprimento e

dopagem padrão cujo ganho de pequenos sinais atingiu 38 dB utilizando apenas 400 mW

de bombeamento em 1050 nm. O aumento de ganho obtido foi de 16 dB em relação à

configuração convencional (única passagem do sinal pela fibra dopada). Sendo esta

configuração reflexiva adequada para aplicações como pré-amplificador e amplificador de

linha. Apesar destas vantagens, a técnica de dupla passagem não aumenta a potência de

saturação de saída do amplificador, tornando-a não adequada para uso em amplificadores

de potência.

Utilizar espelho como elemento refletor do sinal em uma das extremidades da fibra

dopada gera um ganho de pequenos sinais maior (aproximadamente 2 dB) em relação ao

uso de um circulador óptico adaptado. Entretanto, a penalidade na figura de ruído é até 1

dB maior quando o circulador é utilizado. Além disso, o espelho é capaz de refletir o

bombeamento não absorvido pela fibra dopada, gerando ganho extra, propriedade que o

circulador não é capaz de produzir devido à alta perda do dispositivo no comprimento de

onda do bombeamento. Fora isso, existe o custo associado, que é bem menor no caso do

espelho metálico. Estes resultados estão publicados em [15]. Também foi demonstrado que

é possível construir um TDFA compacto usando apenas um laser de diodo de potência

relativamente baixa para bombeamento [16].

5.4 – Referências bibliográficas

[1] A S. L. Gomes, “Recent progress in Thulium Doped Fiber Amplifiers”,

Technical

Summary Digest of Photonics West 2003 - SPIE

, pp. 361, 2003.

[2] F. Roy, “Recent advances in thulium-doped fiber amplifiers”,

In Technical Digest of

Optical Fiber Communication Conference and Exhibit 2002

, paper ThZ1, pp. 568-569,

Anaheim, EUA, 2002.

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doped fiber amplifier for WDM signals in the 1.48-1.51-µm wavelength region”,

IEEE

Photon. Technol. Lett.

, vol. 13, n. 1, pp. 31-33, 2001.

[4] F. Roy, D. Bayart, A. Le Sauze, and P. Baniel, “Noise and gain band management of

thulium-doped fiber amplifier with dual-wavelength pumping schemes”,

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Technol. Lett.

, vol. 13, n. 8, pp. 788-790, 2001.

[5] S. Guy, W. Meffre, A. M. Jurdyc, B. Jacquier, F. Roy, P. Baniel, D. Bayart, A. Le

Sauze, C. Collet and J. J. Girard, “ Spectroscopic studies of Tm doped glasses for S-band

amplifiers”,

In Proceedings of the Optical Amplifiers and Their Applications Conference

2001

, pp. 39-41, 2001.

[6] M. Yuda, T. Sasaki, J. Temmyo, M. Sugo and C. Amano, “ High power, highly reliable

1.05µm InGaAs strained quantum well laser diodes as pump sources for thulium doped

fiber amplifiers”,

Electron. Lett., vol. 38, n. 1, pp. 45-46, 2002.

[7] B. Bourliaguet, E. Emond, S. Mohrdiek, A.-C. Jacob-Poulin, P.-Y Cortes, and J

Lauzon, “Thulium-doped fiber amplifier using 1055 nm laser diode pumping

configuration”

Electron. Lett., vol. 38, n. 10, pp. 447–448, 2002.

[8] T. Kasamatsu, Y. Yano, and H. Sekita, “1.50-µm-band gain-shifted thulium-doped

fiber amplifier with 1.05- and 1.56-µm dual-wavelength pumping”,

Opt. Lett., vol. 24, n.

23, pp. 1684-1686, 1999.

[9] I. Clarke, M. Meleshkevich, M. Martin, and J. Poirier, “S-band amplifier with variable

gain tilt control”,

In Technical Digest of Optical Fiber Communication Conference and

Exhibit 2001

, TuQ2, Anaheim, EUA, 2001.

[10] S. Aozasa, H. Masuda, T. Sakamoto, K. Shikano and M. Shimizu, “Gain-shifted

TDFA employing high concentration doping technique with high internal power

conversion efficiency of 70%”,

Electron. Lett., vol. 38, n. 8, pp. 361-363, 2002.

[11] S. Aozasa, H. Masuda, H. Ono, T. Sakamoto, T. Kanamori, Y. Ohishi and M.

Shimizu, “1480-1510nm band Tm-doped fibre amplifier with high power conversion

efficiency of 42%”,

Electron. Lett., vol. 37, n. 19, pp. 1157-1158, 2001.

[12] S. W. Harun, P. Poopalan, and H. Ahmad, “Gain enhancement in L-band EDFA

through a double-pass technique”,

IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, n. 3, pp. 296-297,

2002.

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[13] S. Hwang, Kwan-Woong Song, Hyung-Jin Kwon, Junho Koh, Yun-Je Oh, and

Kyuman Cho, “Broad-Band Erbium-Doped Fiber Amplifier With Double-Pass

Configuration”,

IEEE Photon. Technol. Lett, vol. 13, n. 12, pp. 1289-1291, 2001.

[14] J. F. Martins-Filho, C. J. A. Bastos-Filho, M. T. Carvalho, M. L. Sundheimer, and A.

S. L. Gomes, “Dual-Wavelength (1050 nm + 1550 nm) Pumped Thulium-Doped Fiber

Amplifier Characterization by Optical Frequency-Domain Reflectometry”,

IEEE Photon.

Technol. Lett

, vol. 15, no. 1, pp. 24-26, 2003.

[15] C. J. A. Bastos-Filho, J. F. Martins-Filho, and A. S. L. Gomes , “38 dB gain from a

Double-pass Single-pump thulium doped fiber amplifier”,

In Proceedings of International

Microwave and Optoelectronics Conference 2003

, vol. 1, pp. 125-128, Foz do Iguaçu/PR,

Brasil, 2003.

[16] C. J. A. Bastos-Filho, J. F. Martins-Filho, A. S. L. Gomes, and M. T. Carvalho, “Gain

characterization of a single-diode pumped TDFA employing a highly concentrated

Thulium Doped fibre”,

Resumos do I workshop do OSA chapter de Campinas,

Campinas/SP, Brasil, 2003.

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107

Capítulo 6 – Medidas de saturação cruzada de ganho em

TDFA

Amplificadores a fibra dopada com Túlio (

TDFA, Thulium-Doped Fiber Amplifiers)

têm se mostrado como uma excelente alternativa para utilização na região espectral

denominada

banda S. Apesar dos problemas tecnológicos inerentes, têm ocorrido muitos

avanços na engenharia dos TDFA, entre eles: melhora do processo de fabricação das fibras

baseadas em materiais a base de Flúor e Telúrio [1, 2], descobrimento de esquemas de

bombeamento mais eficientes envolvendo mais de um laser de bombeamento [3-6] e, mais

recentemente, o desenvolvimento de laser de diodo emitindo em 1055 nm [7, 8].

Já foi mostrado que para esquemas de bombeamento monocromático, a melhor

alternativa é a utilização de laser de bombeamento emitindo em 1050 nm [9], embora

também possa ser utilizado bombeamento monocromático utilizando lasers com emissão

em comprimentos de onda por volta de 1400 nm, onde a tecnologia dos diodos lasers já

está mais avançada. O processo de bombeamento monocromático é realizado pelo processo

de conversão ascendente de energia, e está mostrado na figura 6.1-a para 1050nm e na

figura 6.1-b para 1426nm. Detalhes sobre o processo podem ser encontrados no capítulo 3.

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1050 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1426 nm)

Sinal

(1470 nm)

Bombeamento

(1426 nm)

(a) (b)

Figura 6.1 - Processo de amplificação utilizando conversão ascendente de energia para bombeamento

monocromático nos comprimentos de onda (a) 1050nm e (b) 1400nm.

Embora esquemas de bombeamento com dois comprimentos de onda apresentem

maior eficiência que bombeamento monocromático em TDFA [10], o bombeamento

monocromático apresenta configurações mais simples e, em muitos casos, pode prover um

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desempenho satisfatório. C. J. A. Bastos-Filho e colaboradores demonstraram uma

configuração compacta para TDFA com bombeamento monocromático utilizando apenas

um diodo laser emitindo em 1055 nm [11] (

ver capítulo 5).

Para caracterizar o desempenho sistêmico de um amplificador existem alguns

parâmetros sistêmicos como: penalidade por taxa de erro por bit (

BER, Bit Error Rate),

efeito de saturação cruzada do ganho e resposta a transiente dos canais sobreviventes

devido à inserção ou remoção de canais em sistemas com multiplexação por divisão de

comprimentos de onda (

WDM, Wavelength Division Multiplexing). A medição destes

parâmetros deve ser realizada para quantificar o impacto causado pela inserção de

amplificadores nos sistemas de transmissão WDM.

Amplificadores ópticos que utilizam fibras dopadas com terras raras quando

utilizados em sistemas WDM apresentam uma resposta espectral de ganho variante no

tempo, dependendo do número de canais utilizados e dos comprimentos de onda destes

canais. Este efeito, chamado de saturação cruzada de ganho, é causado pela mudança do

estado de saturação do amplificador observada em um dado canal, devido à adição ou

remoção de outros canais dentro da banda de amplificação.

Existem vários trabalhos científicos que apresentam medidas de saturação cruzada de

ganho em amplificadores ópticos a fibra dopada com Érbio (

EDFA, Erbium Doped Fiber

Amplifiers

) [12-15], amplificadores ópticos de semicondutor (SOA, Semiconductor Optical

Amplifiers

) [16] e amplificadores a fibra Raman (FRA, Fiber Raman Amplifiers) [17].

Algumas técnicas, como travamento de ganho (

ver capítulo 7), podem reduzir as

conseqüências produzidas por este efeito indesejado na maioria dos casos. Como exemplo

pode-se citar a diminuição da saturação cruzada de ganho de 4 dB para 0,27 dB em um

EDFA empregando o travamento de ganho [12] em um sistema com 9 canais.

É importante evitar a saturação cruzada de ganho por dois motivos básicos. Primeiro,

a remoção de canais pode fazer com que a potência dos canais sobreviventes aumente,

ultrapassando o limiar de efeitos não lineares, e conseqüentemente, ocorrendo a geração de

erros na recepção do sinal. Por outro lado, a inserção de canais pode diminuir a potência

dos canais que já estavam ativos devido à saturação cruzada de ganho do amplificador e

esta nova potência pode estar abaixo do limite de sensibilidade do fotodetector, gerando

erros. Além disso, em casos de enlaces ópticos longos, onde o cascateamento de

amplificadores é grande, a penalidade por saturação cruzada de ganho torna-se mais

problemática, devido ao acúmulo do efeito [13,14].

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Embora o efeito de saturação cruzada do ganho tenha um impacto decisivo no

desempenho de sistemas operando com vários canais em comprimentos de onda diferentes,

não existem trabalhos relevantes sobre as características espectrais do efeito de saturação

cruzada do ganho em TDFA, apesar de existirem alguns trabalhos relacionados à resposta

temporal nos canais sobreviventes por causa da adição ou remoção de canais nestes

sistemas [18-20]. Neste capítulo estão descritas medidas de saturação cruzada de ganho

dentro da banda de amplificação de um TDFA construído a partir de uma fibra altamente

dopada com íons de Túlio, com bombeamento monocromático em dois comprimentos de

onda distintos (1426 nm e 1050 nm). Além disso, estão descritos resultados sobre

saturação cruzada de ganho levando em consideração a influência do comprimento de onda

de um canal sobrevivente quando outros seis canais são removidos de um sistema.

6.1 – Dependência espectral da saturação cruzada de ganho em

TDFA com bombeamento monocromático

A figura 6.2 mostra a montagem experimental utilizada para medição da dependência

espectral da saturação cruzada de ganho em TDFA com bombeamento monocromático. No

caso foram utilizados dois lasers para bombeamento do amplificador (não

simultaneamente) e em ambos os casos o bombeamento foi injetado na fibra dopada no

sentido contrapropagante em relação ao sinal. Foram utilizados um laser de fibra de Itérbio

com bombeamento realizado através de um laser de diodo emitindo em 1050 nm e um

laser Raman emitindo em 1426 nm. Os sinais utilizados como referência para as medidas

são sete lasers de diodo monomodo emitindo dentro da

banda S. Os comprimentos de onda

dos lasers de sinal são: 1457,5 nm; 1469 nm; 1478 nm; 1487,5 nm; 1497 nm; 1507,5 nm e

1517 nm, onde o espaçamento é de aproximadamente 10 nm entre eles. Cada um destes

lasers de sinal tem potência máxima de +10 dBm. Um combinador óptico com oito

entradas, com perdas de 10 dB, foi utilizado para multiplexar os sinais. Com isso, a

potência máxima dos sinais na entrada da fibra é de 0 dBm por canal.

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Figura 6.2 – Montagem experimental utilizada para medição da dependência espectral da saturação

cruzada de ganho em TDFA com bombeamento monocromático.

A fibra dopada com Túlio (

TDF, Thulium Doped Fiber) consiste em um módulo

comercial contendo 6 m de fibra ZBLAN dopada com 5000 ppm de íons trivalentes de

Túlio (Tm

), conectada a fibras padrão de sílica. O restante dos dados sobre a fibra dopada

está mostrado na tabela 6.1. As medidas de ganho e figura de ruído foram feitas utilizando

um analisador de espectro óptico (

OSA, Optical Spectrum Analyser).

Tabela 6.1 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #5.

Composição da fibra ZrF

-BaF

-LaF

-AlF

-NaF

Concentração de dopante 5000 ppm

Abertura numérica 0,238

Comprimento de onda de corte 880 nm

Diâmetro do núcleo

2,8 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra 6 m

A figura 6.3 mostra uma superposição dos espectros de potência de saída do

amplificador para várias situações na entrada. Nesse caso, foi utilizado bombeamento

monocromático em 1426 nm com 300 mW de potência e canais com potência individual de

-5 dBm. A área sombreada mostra a situação com os sete canais ativos e as curvas com

fundo transparente ilustram o espectro de amplificação para cada um dos canais ativos em

momentos distintos. O ganho do amplificador nestas condições é de 11 dB para 1497 nm

quando todos os canais de sinais estão ativos (

ver figura 6.3). Quando apenas o canal em

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1497 nm está ativo o ganho neste canal é de 13,2 dB. O cálculo do valor da saturação

cruzada de ganho é feito para cada canal tomando a diferença de potência do canal da saída

(em dBm) quando os outros canais estão ativos e inativos. Dessa forma, a saturação

cruzada de ganho para o canal em 1497 nm é de 2,2 dB. A figura 6.3 mostra claramente

que o efeito de saturação cruzada de ganho é mais pronunciado para comprimentos de onda

menores, variando de 1,8 dB para o maior comprimento de onda (1517 nm) até 5,5 dB para

o menor comprimento de onda (1457,5 nm).

Para bombeamento em 1050 nm o pico de ganho foi deslocado para 1478 nm com

valor de 13,7 dB. O ganho para 1497 nm (pico de ganho para bombeamento em 1426 nm)

é de 13,4 dB, mostrando que o bombeamento em 1050 nm é ligeiramente mais eficiente.

1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520

-30

-20

-10

Potência óptica (dBm)

Comprimento de onda (nm)

Figura 6.3 – Espectro de potência de saída do amplificador para bombeamento em 1426 nm com potência

de 300 mW e potência de -5 dBm por canal de sinal. A área sombreada em cinza mostra a situação com os

sete canais ativos e as curvas com fundo transparente ilustram o espectro de amplificação para cada um dos

canais ativos individualmente.

Nas figuras 6.4 e 6.5 estão mostrados os valores medidos de saturação cruzada de

ganho dependendo do comprimento de onda do canal sobrevivente quando 6 dos 7 canais

do sistema são removidos para bombeamento monocromático em 1426 nm e 1050 nm,

respectivamente. Várias potências de sinal por canal foram utilizadas: -12,5 dBm

(quadrados); -10 dBm (círculos); -7,5 dBm (triângulos para cima); -5 dBm (triângulos para

baixo); -2,5 dBm (losangos) e 0 dBm (cruzes). A potência de bombeamento é de 300 mW

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em ambos os casos. As figuras mostram que o efeito de saturação cruzada de ganho

aumenta com o aumento da potência do sinal. Também mostram que o efeito é mais

danoso à medida que o comprimento de onda do sinal diminui, de acordo com o que

mostra a figura 6.3.

Este comportamento ocorre devido à dependência do ganho do amplificador com a

inversão de população entre os níveis de energia envolvidos no processo de amplificação,

como também é resultado da dependência do comportamento das seções de choque de

emissão e absorção dos níveis de energia utilizados no processo de amplificação. É sabido

que o ganho do amplificador óptico é dado por [21]:

()

(

)

(

)

[

]

(

)

LNNG

λλσλσλ

Γ−∝

)(

(6.1)

onde

são as populações médias dos níveis superior e inferior de amplificação,

respectivamente.

é o comprimento da fibra dopada e

é o fator de overlap.

(

)

λσ

)(e

()

λσ

)(a

são as seções de choque de emissão do nível superior de amplificação e absorção

do nível inferior de amplificação, respectivamente.

Para o caso onde existe apenas um canal de sinal, o amplificador óptico está

operando sob regime não saturado, ou seja, neste caso existe uma forte inversão de

população, e assim

pode ser considerado desprezível e o espectro de ganho segue o

espectro da seção de choque de emissão de estado superior de amplificação. À medida que

a potência de sinal total aumenta, ou seja, a potência do canal aumenta ou mais canais são

adicionados na entrada do amplificador, o amplificador começa a operar sob regime

saturado. Com isso, a inversão de população diminui e

torna-se considerável,

significando uma diminuição no ganho. É importante frisar que, neste caso, o espectro da

seção de choque de absorção vai interferir no ganho gerado pelo meio ativo.

Além disso, o pico da seção de choque de absorção é em 1420 nm e o pico da seção

de choque de emissão de estado superior de amplificação é em 1470 nm [22], portanto

comprimentos de onda menores vão sofrer um maior decréscimo no ganho, levando a um

valor mais alto de saturação cruzada de ganho.

Outro aspecto importante a ser frisado é que quanto maior for a potência de sinal por

canal, mais saturado se tornará o meio gerador de ganho, levando a uma maior saturação

cruzada de ganho. Também pode ser observado, nas figuras 6.4 e 6.5, que o efeito de

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saturação cruzada de ganho é maior quando o esquema de bombeamento em 1426 nm é

utilizado. Isto ocorre porque o bombeamento em 1050 nm consegue manter uma inversão

de população maior do que o bombeamento em 1426 nm.

1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520

Comprimento de onda

de bombeamento = 1426 nm

6 de 7 canais removidos

Pico de

ganho

Potência de sinal

por canal (dBm)

-12.5

-10

-7.5

-5

-2.5

Saturação cruzada de ganho (dB)

Comprimento de onda do sinal sobrevivente (nm)

Figura 6.4 - Medidas de saturação cruzada de ganho dependendo do comprimento de onda do canal

sobrevivente quando 6 dos 7 canais do sistema são removidos. Várias potências de sinal por canal (entre

-12.5 dBm e 0 dBm) são utilizadas. A potência de bombeamento é de 300 mW em 1426 nm.

1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520

Comprimento de onda

de bombeamento = 1050 nm

6 de 7 canais removidos

Comprimento de onda do sinal sobrevivente (nm)

Pico de

ganho

Potência de sinal

por canal (dBm)

-12.5

-10

-7.5

-5

-2.5

Saturação cruzada de ganho (dB)

Figura 6.5 – Medidas de saturação cruzada de ganho dependendo do comprimento de onda do canal

sobrevivente quando 6 entre 7 canais do sistema são removidos. Várias potências de sinal por canal (entre

-12.5 dBm e 0 dBm) são utilizadas. A potência de bombeamento é de 300 mW em 1050 nm.

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Na figura 6.6 são apresentadas medidas de saturação cruzada de ganho em função da

potência de bombeamento do amplificador para dois casos distintos de canais

sobreviventes, com comprimentos de onda diferentes (1469 nm e 1497 nm), quando seis

entre sete canais do sistema são removidos. Foi utilizada uma potência de sinal por canal

de 0 dBm e o comprimento de onda do bombeamento para estas medidas foi de 1426 nm.

Nota-se que a saturação cruzada de ganho aumenta com o aumento da potência de

bombeamento.

0 100 200 300 400

6 de 7 canais removidos;

Potência por canal = 0 dBm;

Comprimento de onda

de bombeamento = 1426 nm

Canal Sobrevivente

1497 nm

1469 nm

Saturação cruzada de ganho (dB)

Potência de bombeamento (mW)

Figura 6.6 – Medidas de saturação cruzada de ganho dependendo da potência de bombeamento do

amplificador para dois canais sobreviventes com comprimentos de onda diferentes quando 6 entre 7 canais

do sistema são removidos. A potência de sinal por canal é de 0 dBm.

6.2 - Conclusões

Neste capítulo, foi descrita a importância em minimizar o efeito de saturação cruzada

de ganho em TDFAs, bem como foi apresentada pela primeira vez, a dependência espectral

do efeito em TDFAs. Estes resultados foram publicados em [23, 24].

Foi demonstrado que o efeito de saturação cruzada de ganho aumenta à medida que a

potência de sinal aumenta. O efeito também aumenta com a diminuição do comprimento

de onda do canal sobrevivente. Para bombeamento monocromático de TDFA em 1426 nm

o efeito é mais pronunciado que para bombeamento em 1050 nm. Estas dependências

ocorrem devido a fatores como nível de inversão de população e diferença entre as seções

de choque de emissão e absorção.

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O efeito de saturação cruzada de ganho pode chegar a 5 dB numa banda de 30 nm

quando 6 entre 7 canais são removidos da entrada de um amplificador com configuração

simples. Esta penalidade tende a aumentar à medida que o número de canais também

aumenta.

Com estes experimentos realizados fica evidente que o entendimento do efeito de

saturação cruzada é de fundamental importância para o emprego de amplificadores em

redes ópticas transparentes de alta capacidade utilizando chaveamento automático (

ASON,

Automatic Switch Optical Networks), onde métodos que minimizem este efeito devem ser

aplicados. Travamento de ganho óptico pode ser utilizado para esta finalidade porque torna

a inversão de população no meio gerador de ganho moderadamente invertido, e assim o

ganho do amplificador torna-se menos dependente da potência do sinal na entrada. As

técnicas mais utilizadas para travamento de ganho totalmente óptico estão descritas e

discutidas no capítulo seguinte.

É esperado que esquemas de bombeamentos, como os discutidos no capítulo 4,

apresentem comportamento transitório mais complexo, fazendo com que o controle

transitório de ganho seja mais complexo para TDFA do que para EDFA.

6.3 – Referências bibliográficas

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Capítulo 7 – Amplificadores a fibra dopada com Érbio

com travamento de ganho

A evolução das redes ópticas estáticas para redes ópticas transparentes dinâmicas

com chaveamento automático (

ASON, Automatic Switched Optical Networks) permite que

ocorra inserção ou remoção de canais na rede, bem como o reroteamento de circuitos

ópticos. Este processo torna o número de canais ativos em cada um dos enlaces que

compõem a rede variável no tempo. A variação do número de canais na entrada de um

amplificador implica na mudança da inversão de população do meio gerador de ganho,

resultando em uma mudança no ganho gerado pelo amplificador. Com a flutuação no

ganho óptico em canais previamente ativos a qualidade de serviço (

QoS, Quality of

Service

) na rede óptica pode ser afetada. Então, torna-se necessário o controle automático

de ganho dos amplificadores ópticos existentes em redes desta natureza para que a variação

do ganho e, por conseqüência o impacto no desempenho dos canais ativos, seja o menor

possível.

Na seção 7.1 é realizada uma revisão sobre o estado da arte e também são

apresentadas as técnicas e configurações utilizadas. Na seção 7.2 está descrita uma análise

experimental do efeito causado pela mudança na direção do laser de bombeamento em

amplificadores ópticos a fibra dopada com Érbio com travamento de ganho totalmente

óptico utilizando circuladores ópticos para compor a malha de realimentação positiva. Na

seção 7.3, são apresentadas as conclusões.

7.1 – Técnicas para travamento de ganho óptico

Basicamente, existem duas soluções práticas para evitar a variação de ganho imposta

pela variação da potência total de sinal na entrada de um amplificador óptico. Estas serão

doravante tratadas ao longo deste capítulo como técnicas de travamento de ganho. Uma

delas consiste do emprego de um circuito de realimentação optoeletrônico [1] e a outra

utiliza uma malha de realimentação totalmente óptica [2-11].

No caso da realimentação optoeletrônica a potência de bombeamento é ajustada

levando em consideração a potência óptica do sinal na entrada do amplificador. Uma

implementação interessante desta técnica foi proposta por Konishi e colaboradores em [1].

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119

Eles construíram um amplificador onde um circuito optoeletrônico conta o número de

comprimentos de onda ativos utilizando um filtro acústico-óptico sintonizável. Com base

nesta informação, um controlador regula a potência do laser de bombeamento, ajustando

assim o ganho para um valor pré-determinado.

Na técnica de travamento totalmente óptico cria-se uma cavidade para oscilação

Laser utilizando uma região espectral dentro da faixa de emissão espontânea do

amplificador, mas que não seja utilizada para amplificação de canais WDM. O laser

resultante do processo de oscilação nesta cavidade doravante será chamado de laser de

travamento. O laser de travamento mantém o meio gerador de ganho moderadamente

saturado, com inversão de população praticamente constante para uma faixa mais extensa

de valores de potência óptica do sinal de entrada. Com isso, a dependência do ganho com a

potência total de entrada do sinal diminui. Além disso, é importante salientar que em

estado estacionário o ganho gerado pelo meio ativo para o comprimento de onda do laser

de travamento deve ser igual às perdas da cavidade de realimentação [2]. A realimentação

optoeletrônica e o travamento totalmente óptico também podem ser utilizados em conjunto,

como em [12].

Muitas configurações com realimentação totalmente óptica têm sido propostas e

implementadas. As mais utilizadas estão apresentadas na figura 7.1. A maioria das

configurações utiliza acopladores direcionais para criar as cavidades de realimentação (

ver

figura 7.1-a

). Nelas uma fração da potência de ASE é separada e inserida na malha de

realimentação, passando por um filtro sintonizável, que é o responsável pela determinação

do comprimento de onda do laser de travamento, e depois por um atenuador variável que

determina o limiar de operação do laser de travamento. Então, este sinal é introduzido no

meio gerador de ganho por outro acoplador, criando um processo de realimentação positiva

e saturando o meio gerador de ganho. Estes acopladores podem utilizar várias razões de

potência entre as portas de saída, como: (50/50) [2], (10/90) [3] ou (5/95) [11].

Outra possibilidade é a construção de configurações utilizando circuladores ao invés

de acopladores direcionais como mostrado na figura 7.1-b [5]. O emprego de circuladores

ópticos apresenta vantagens como diminuir as perdas para o sinal, diminuir a figura de

ruído e, ao mesmo tempo, suprimir o laser de travamento na saída do amplificador.

Outra configuração utiliza fibras com redes de Bragg (

FBG, Fiber Bragg Grating)

para refletir somente o comprimento de onda especificado para o laser de travamento e

criar uma cavidade de realimentação positiva (

ver figura 7.1-c) [4, 5].

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120

Além disso, S. W. Harun e H. Ahmad [9] relatam uma combinação das técnicas

anteriores utilizando um acoplador direcional, um circulador óptico e uma FBG para

compor a cavidade de realimentação positiva que propicia o processo de travamento de

ganho óptico (

ver figura 7.1-d).

Existem também outras técnicas citadas na literatura onde podem ser empregados,

por exemplo, um

Loop Mirror para diminuir a interação entre o laser de travamento e o

laser de sinal [10] ou uma fibra compensadora de dispersão (

DCF, Dispersion

Compensating Fiber

) que é capaz de gerar um componente de laser a partir do efeito

Brillouin sendo este laser responsável pela saturação do meio [13, 14].

Em 1996, J. Chung e colaboradores [3] mostram a influência do comprimento de

onda do laser de travamento utilizando a configuração mostrada na figura 7.1-a, com

acopladores direcionais 10/90. Foi demonstrado que à medida que o laser de travamento se

aproxima do pico de emissão de ASE, o desempenho em ruído melhora.

Também é conveniente salientar que transientes gerados pelo efeito de saturação

cruzada de ganho em amplificadores (

ver capítulo 6) com travamento ativo são críticos

para o desempenho, podendo tornar a taxa de erro por bit (

BER, Bite Error Rate)

inadmissível [11]. A supressão destes transientes ocorre com a diminuição das perdas da

malha de realimentação óptica, mas isso implica em redução do ganho do amplificador [3].

A saturação de ganho causada pelo laser de travamento e a adição de perdas causada

pela inserção de componentes para a composição da malha de realimentação implicam em

uma degradação da figura de ruído do amplificador [3, 15]. O comportamento da figura de

ruído é determinado pela inversão de população distribuída ao longo da fibra dopada. Foi

mostrado em [15] que a figura de ruído depende fortemente da inversão de população no

início da fibra dopada com Érbio. Sendo assim, o laser de travamento copropagante com o

sinal mostrou um melhor desempenho em ruído tanto para bombeamento copropagante

quanto para bombeamento bidirecional. O sentido do bombeamento também é fundamental

para o desempenho em ruído do amplificador. Em [15] o bombeamento bidirecional gerou

uma penalidade de 1 dB sobre a figura de ruído em relação ao bombeamento copropagante.

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121

Figura 7.1 – Configurações para travamento de ganho totalmente óptico utilizando: (a) acopladores

direcionais, (b) circuladores ópticos, (c) fibras com redes de Bragg e (d) combinação das técnicas.

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122

Em 1999, utilizando a configuração 7.1-b e laser de travamento contrapropagante

com o sinal, M. Kobayashi [6] demonstrou que a utilização de duas fibras distintas

intercaladas por um filtro, sendo este responsável pela inserção de perdas no comprimento

de onda do laser de travamento, diminui a potência deste laser na extremidade de entrada

do sinal na fibra dopada, aumentando o nível de inversão de população e, por

conseqüência, diminuindo a figura de ruído.

É importante frisar que os resultados acima foram obtidos com EDFA. Contudo

outros tipos de amplificadores ópticos também já foram reportados com esquemas de

travamentos de ganho utilizando malhas de realimentação óptica, como: Amplificadores

Raman a fibra (

FRA, Fiber Raman Amplifiers) (mais informações sobre FRA ver capítulo

) [16], Amplificadores a fibra dopada com Érbio para banda S (S-EDFA, S-Band Erbium

Doped Fiber Amplifiers

) (mais informações sobre S-EDFA ver capítulo 2) [17] e

amplificadores a fibra dopada com Túlio (

TDFA, Thulium Doped Fiber Amplifiers) [18]

(

mais informações sobre TDFA ver capítulo 3).

7.2 – Análise do efeito da direção do bombeamento no

travamento de ganho óptico em EDFA com circuladores na malha

de realimentação

Como mencionado na seção anterior, configurações de travamento utilizando

circuladores para construir a malha de realimentação apresentam vantagens sobre

configurações que utilizam acopladores direcionais para compor a malhar de realimentação

[6]. As perdas de inserção dos circuladores são menores que as perdas impostas pelos

acopladores, e o uso de circuladores dispensa o uso dos isoladores de entrada e saída. Com

isso as perdas para o sinal são menores. Além disso, o laser de travamento é suprimido na

saída do amplificador, devido a disposição dos circuladores.

Deve ser observado que o laser de travamento é necessariamente contrapropagante

com o sinal devido à disposição dos circuladores. Todavia, para um melhor desempenho

em ruído, o laser de travamento deve ser copropagante com o sinal, como mostrado por S.

H. Lee em [14]. Isto porque a potência do laser de travamento é menor na entrada da fibra

quando o laser de travamento é copropagante com o sinal. Haja vista a importância da

determinação da influência de parâmetros como a direção do bombeamento no processo de

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amplificação e dado que esta análise comparativa de desempenho utilizando circuladores

nunca foi abordada, foram montadas as configurações utilizando circuladores apresentadas

na figura 7.3. Na figura 7.3-a, o bombeamento está no sentido copropagante com o sinal,

enquanto que na configuração da figura 7.3-b o bombeamento é realizado no sentido

contrapropagante.

Uma fibra de sílica dopada com Érbio de 11 metros, cujas especificações estão

mostradas na tabela 7.1, foi utilizada na montagem experimental. Foram empregados dois

circuladores para criar a malha de realimentação, cada um com perda de inserção de 0,8

dB, um acoplador tipo WDM para agrupar o laser de sinal e o laser de travamento com o

laser de bombeamento, dois atenuadores variáveis em série para controlar a quantidade de

potência fornecida pela malha de realimentação, um filtro óptico passa-faixa sintonizável

com largura de banda a 3 dB de 1 nm para determinar o comprimento de onda do laser de

travamento e um acoplador tipo TAP de 1% para monitorar a potência na malha de

realimentação. O bombeamento foi realizado com um laser de diodo emitindo em 980 nm

com potência máxima de 82 mW. O comprimento de onda do sinal utilizado nas medidas

realizadas nesta seção é 1542,6 nm. As medidas de ganho e figura de ruído foram

realizadas com um analisador de espectro óptico.

Tabela 7.1 – Dados da fibra dopada com Érbio.

Composição da fibra La

- Al

- SiO

Dopante do núcleo Er

Absorção em 980 nm > 4 dB

Abertura numérica 0,26

Comprimento de onda de corte 950 nm

Diâmetro modal em 1550 nm

5 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra 11 m

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124

Figura 7.2 – Configurações para travamento de ganho totalmente óptico utilizando circuladores ópticos

com bombeamento no sentido: (a) copropagante e (b) contrapropagante com o sinal.

A figura 7.3 mostra o espectro óptico medido na saída do amplificador para duas

situações: (a) sem travamento e (b) com travamento. Foi utilizada potência de

bombeamento de 65 mW e potência de sinal de -29 dBm. Foi utilizada a configuração

apresentada na figura 7.2-a. O filtro passa-faixa foi sintonizado em 1530,8 nm que

corresponde ao pico de ASE. No caso da operação sem travamento, a perda do atenuador

variável na realimentação é de 34 dB, sendo este superior ao ganho gerado pela fibra

dopada com Érbio, não atingindo assim a condição de oscilação laser no comprimento de

onda de travamento. Pode-se constatar na figura 7.3-a que a potência do sinal na saída é de

aproximadamente 2 dBm, correspondendo a um ganho de aproximadamente 31 dB. O pico

de ASE em 1530,7 nm está em -9,1 dBm.

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125

Quando a perda do atenuador da malha de realimentação é diminuída para 18 dB, o

ganho da fibra dopada é suficiente para compensar as perdas para o laser de travamento em

1530,8 nm. Com isso ocorre oscilação laser no comprimento de onda destinado ao

travamento e este laser compete com o laser de sinal por população invertida, levando a

uma diminuição do ganho para o sinal. Nota-se que, devido à concorrência por população

invertida, ocorre uma diminuição da potência de ASE em todo espectro. O pico de ASE

nesse caso é de -16,5 dBm, e o pico do sinal passa para -5 dBm, correspondendo a um

ganho de 24 dB.

1525 1530 1535 1540 1545 1550

-25

-20

-15

-10

-5

Potência (dBm)

Comprimento de Onda (nm)

1525 1530 1535 1540 1545 1550

-25

-20

-15

-10

-5

Potência (dBm)

Comprimento de Onda (nm)

(a) (b)

Figura 7.3 – Espectro óptico medido na saída do amplificador para atenuação na malha de

realimentação de (a) 34 dB e (b) 18 dB. A potência de bombeamento é de 65 mW. A potência de entrada do

sinal é de -29 dBm.

A figura 7.4 mostra o ganho e figura de ruído dos amplificadores em função da perda

inserida pelo atenuador disposto na malha de realimentação para sentido de bombeamento

(a) copropagante e (b) contrapropagante com o sinal, respectivamente. Quando a condição

de travamento é satisfeita, a perda na realimentação determina o limiar de oscilação do

laser de travamento, determinando assim o ganho gerado pela fibra dopada para o sinal.

Para perdas inseridas pelos atenuadores na malha de realimentação maiores do que

30 dB, o processo de travamento de ganho não ocorre porque o ganho gerado pelo meio

não é capaz de compensar o total de perdas da malha de realimentação. Por outro lado,

para valores menores de perdas, a variação de ganho (em decibéis) é linear com a perda

inserida na malha de realimentação. Em ambos os casos, um aumento no ganho de 0,55 dB

é constatado para cada 1 dB de perda acrescida na malha de realimentação.

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126

A figura de ruído também muda à medida que a perda da realimentação varia. Isto

ocorre porque quanto menor a perda, maior a potência do laser de travamento. Como o

laser de travamento é contrapropagante com o sinal, quanto maior a potência do laser de

travamento, menor a inversão de população na extremidade de entrada do sinal na fibra

dopada. Como a inversão de população no início da fibra determina a figura de ruído

ocorre um aumento da figura de ruído (

ver capítulo 2).

Observa-se uma figura de ruído maior para a configuração com bombeamento

contrapropagante (maior do que 6 dB), apesar do maior ganho na ausência do travamento

de ganho. Para condição de travamento extremo a figura de ruído é de 8,5 dB, valor este

muito alto para aplicações sistêmicas. Entretanto, para a configuração com bombeamento

copropagante, a figura de ruído varia entre 5 dB e 6,5 dB, que são valores razoáveis para

utilização prática.

10 20 30 40 50

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

Ganho (dB)

Perda na Realimentação (dB)

Figura de Ruído (dB)

10 20 30 40 50

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

Ganho (dB)

Perda na Realimentação (dB)

Figura de Ruído (dB)

(a) (b)

Figura 7.4 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função da perda inserida pelo atenuador na

realimentação para bombeamento no sentido: (a) copropagante e (b) contrapropagante com o sinal. Três

valores de potência de bombeamento foram utilizados: 43 mW (quadrados), 65 mW (círculos) e 75 mW

(triângulos). A Potência de entrada do sinal é de -28,7 dBm.

A figura 7.5 mostra o ganho do amplificador em função da potência de sinal na

entrada do amplificador para vários valores de perda inserida pelo atenuador disposto na

malha de realimentação, para sentido de bombeamento copropagante e contrapropagante

com o sinal, respectivamente. É notória a influência da perda na malha de realimentação. A

diminuição na perda da realimentação implica na diminuição do ganho de pequenos sinais

do amplificador.

Alguns dados importantes podem ser extraídos para comparação. Na configuração

com bombeamento copropagante para perda de realimentação de 50 dB tem-se o ganho

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não saturado do amplificador de 31,6 dB e a potência de saturação na saída é de 10,8 dBm.

Já para perda de realimentação de 6 dB tem-se o ganho não saturado do amplificador de

18,4 dB e a potência de saturação na saída é de 14,25 dBm. Na configuração com

bombeamento contrapropagante para perda de realimentação de 50 dB tem-se o ganho não

saturado do amplificador de 32,6 dB e a potência de saturação na saída é de 12,15 dBm.

Para perda de realimentação 6 dB tem-se ganho não saturado do amplificador de 16,9 dB e

a potência de saturação na saída é de 15,6 dBm. Estes resultados mostram que a

configuração com bombeamento contrapropagante apresenta maior ganho travado e maior

potência de saturação de saída que a configuração com bombeamento copropagante. Por

outro lado, ela tem o ganho menor quando o travamento de ganho é aplicado.

-30-25-20-15-10 -5 0

Ganho (dB)

Potência de Entrada (dBm)

Perda do atenuador da

malha de realimentação

6 dB 10 dB

14 dB 18 dB

26 dB 34 dB

42 dB 50 dB

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Perda do atenuador da

malha de realimentação

6 dB 10 dB

14 dB 18 dB

26 dB 34 dB

42 dB 50 dB

Ganho (dB)

Potência de Entrada (dBm)

(a) (b)

Figura 7.5 – Ganho do amplificador em função da potência de entrada do sinal para bombeamento no

sentido: (a) copropagante e (b) contrapropagante com o sinal. A potência de bombeamento é de 75 mW.

A figura 7.6 mostra o ganho e a figura de ruído do amplificador em função da

potência de sinal na entrada do amplificador para três valores distintos de perda inserida

pelo atenuador disposto na malha de realimentação, para sentido de bombeamento (a)

copropagante e (b) contrapropagante com o sinal, respectivamente. Em ambos os casos

têm-se 75 mW de potência de bombeamento em 980 nm. A configuração cujo

bombeamento é copropagante com o sinal apresenta um melhor desempenho em ruído para

baixas potências de sinal.

Na figura 7.6-b, pode-se notar que à medida que a potência de sinal aumenta, a figura

de ruído atinge um mínimo. Contudo, se a potência de sinal continuar a subir a partir deste

ponto, a figura de ruído também aumenta. Este comportamento também ocorre na

referência [15]. A figura de ruído é maior para baixos valores de potência de sinal por

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causa da degradação causada pelo laser de travamento. Com o aumento da potência de

sinal, este começa a competir com o laser de travamento por população invertida do meio

gerador de ganho. Entretanto, se a potência de sinal continua aumentando, não existirá

bastante população invertida para manter o processo de amplificação, implicando em

figuras de ruído mais altas. Apesar disso, este comportamento ocorre fora da região de

operação normal de um amplificador com travamento de ganho, onde o amplificador não

está operando sob condição de travamento.

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Ganho (dB)

Potência de Entrada (dBm)

Figura de Ruído (dB)

-30 -25 -20 -15 -10 -5 0

Ganho (dB)

Potência de Entrada (dBm)

Figura de Ruído (dB)

(a) (b)

Figura 7.6 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função da potência de entrada do sinal para (a)

copropagante e (b) contrapropagante com o sinal. Potência de bombeamento de 75 mW em 980 nm. Perdas

do atenuador da malha de realimentação: 18 dB (quadrados), 26 dB (círculos) e 34 dB (triângulos).

A figura 7.7 mostra o ganho e a figura de ruído em função da potência de

bombeamento, para bombeamento copropagante (

triângulos) e contrapropagante

(

quadrados) com o sinal, para perdas do atenuador da malha de realimentação de 34 dB

(

figura 7.7-a) e 18 dB (figura 7.7-a), respectivamente. Em ambos os casos, a potência de

sinal é -29 dBm. Quando as perdas do atenuador da malha de realimentação são de 34 dB

(

figura 7.7-a), o amplificador não está travado e apesar do ganho ser 1 dB menor para

bombeamento copropagante, este apresenta figura de ruído 1 dB menor (por volta de 5

dB), mostrando um melhor desempenho em ruído. Na condição de travamento (com perdas

do atenuador da malha de realimentação de 18 dB, veja figura 7.8-b), a diferença da figura

de ruído entre as duas configurações aumenta. Para potência de bombeamento de 80 mW, a

diferença na figura de ruído é de aproximadamente 2 dB. Isso indica que deve-se usar

bombeamento copropagante quando circuladores ópticos são utilizados para compor a

malha de realimentação.

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0 102030405060708090

Ganho (dB)

Potência de Bombeamento (mW)

Figura de Ruído (dB)

0 102030405060708090

Ganho (dB)

Potência de Bombeamento (mW)

Figura de Ruído (dB)

(a) (b)

Figura 7.7 – Ganho e figura de ruído do amplificador em função da potência de bombeamento para perdas

do atenuador da malha de realimentação de (a) 34 dB e (b) 18 dB quando o bombeamento está

copropagante (triângulos) e contrapropagante (quadrados). Potência de sinal de -29 dBm.

7.3 - Conclusões

Neste capítulo, foram expostas as diversas técnicas e configurações para travamento

de ganho utilizando o método optoeletrônico e totalmente óptico. Foi demonstrado

experimentalmente que o desempenho em ruído de EDFAs com travamento de ganho é

altamente dependente do sentido do laser de bombeamento por causa das mudanças na

dinâmica de ganho na fibra dopada. Foi averiguado que a direção do laser de travamento

deve ser copropagante com o sinal, já que a figura de ruído depende da saturação no início

da fibra dopada. Nesse caso, a figura de ruído é de 1 dB a 2 dB menor do que no caso onde

o bombeamento é contrapropagante com o sinal. Foi mostrado que um EDFA com

travamento de ganho utilizando circuladores para compor a malha de realimentação podem

apresentar desempenho em ruído adequado para utilização prática. O fato de não serem

necessários isoladores na entrada e saída do amplificador que utiliza circuladores torna

atrativo para aplicações comerciais.

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132

Capítulo 8 – Amplificadores ópticos híbridos para a

banda S

Com a grande difusão dos sistemas com multiplexação em comprimento de onda, a

expansão dos sistemas de comunicações via fibra óptica tende a utilizar bandas alternativas

à banda

C (Conventional band, 1530-1565 nm). As bandas mais promissoras para este

propósito são as bandas

L (Long wavelengths, 1565-1610 nm) e S (Short wavelengths,

1460-1530 nm), regiões espectrais com comprimentos de onda maiores e menores do que

os da banda

C, respectivamente. Amplificadores com largo espectro de amplificação são

de fundamental importância para sistemas envolvendo um grande número de canais com

comprimentos de onda diferentes. Estes amplificadores são comumente chamados de

amplificadores banda larga. Amplificadores ópticos diferentes podem ser combinados para

prover amplificação em uma faixa de comprimentos de onda mais extensa, sendo estes

chamados de amplificadores híbridos.

Neste capítulo são apresentadas configurações para amplificadores híbridos

utilizando TDFAs e FRAs. São consideradas configurações com esquemas de

bombeamento em comprimentos de onda diferentes, como também para bombeamento

monocromático em 1426 nm.

8.1 – Introdução

Sistemas que utilizam conjuntos de canais em diversas bandas simultaneamente

podem ter o processo de amplificação conduzido de duas formas distintas. A mais simples,

porém mais custosa, consiste em separar os canais das diversas bandas utilizando

demultiplexadores de banda, amplificar as bandas com amplificadores distintos para cada

banda, e depois multiplexar todas as bandas numa mesma fibra óptica de transmissão

(

como mostrado na figura 8.1-a). Para este tipo de arquitetura é relativamente fácil obter

banda de amplificação com largura acima de 100 nm, como reportado em [1-4]. A outra

opção consiste na utilização de amplificadores banda larga que, apesar de apresentarem

arquiteturas mais complexas, torna-se interessante por minimizar o número de

componentes (

como mostrado na figura 8.1-b).

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133

Normalmente, esses amplificadores banda larga são construídos em arquiteturas

híbridas a partir de amplificadores ópticos simples, já descritos no capítulo 2. Para cada

banda de transmissão existem amplificadores ópticos específicos. Os amplificadores

ópticos à fibra dopada com Érbio (

EDFA, Erbium Doped Fiber Amplifier) (ver seção

2.4.5

) têm espectro de amplificação localizado na banda C (1530 nm -1565 nm), mas

podem ser modificados para operar na

banda L (1565 nm -1610 nm) ou na região superior

banda S (1500 nm -1530 nm). Os amplificadores ópticos à fibra dopada com Túlio

(

TDFA, Thulium Doped Fiber Amplifier) (ver capítulo 3) podem ser utilizados para

amplificação na

banda S, cobrindo uma região de aproximadamente 30 nm, onde o centro

da região de amplificação pode variar entre 1470 nm e 1500 nm, dependendo de alguns

parâmetros do amplificador, como concentração de dopante na fibra ou esquema de

bombeamento empregado. Além dos amplificadores a fibra dopada com terras raras

existem amplificadores baseados em efeitos não-lineares, como amplificadores Raman a

fibra (

FRA, Fiber Raman Amplifier) (ver seção 2.4.3) ou amplificadores paramétricos

(

OPA, Parametric Amplifiers) (ver seção 2.4.2), que têm o pico de ganho determinado

basicamente pelo comprimento de onda do seu bombeamento.

Banda 1

Banda 2

Banda 3

Bandas 1+2+3

Amplificador

Banda 1

Amplificador

Banda 2

Amplificador

Banda 3

DEMUX

MUX

Banda 1

Banda 2

Banda 3

Bandas 1+2+3

Amplificador

Banda 1

Amplificador

Banda 2

Amplificador

Banda 3

DEMUX

MUX

(a)

Bandas 1+2+3 Bandas 1+2+3

Amplificador

Banda 1

Amplificador Híbrido

Amplificador

Banda 2

Amplificador

Banda 3

Bandas 1+2+3 Bandas 1+2+3

Amplificador

Banda 1

Amplificador Híbrido

Amplificador

Banda 2

Amplificador

Banda 3

(b)

Figura 8.1 – Opções para sistemas de amplificação envolvendo várias bandas simultaneamente: (a)

Amplificação distinta das bandas em questão e (b) amplificação simultânea de todas as bandas por um

amplificador banda larga.

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134

Existem vários trabalhos científicos que citam a construção de amplificadores

híbridos com cascateamento serial (

ver Figura 9.1-b) dos amplificadores citados

anteriormente. Entre eles estão: FRA em conjunto com EDFA [5-14], OPA em conjunto

com FRA [15,16], vários FRA com bombeamentos diferentes [17], TDFA em conjunto

com OPA [18], Amplificador Óptico de semicondutor (

SOA, Semiconductor Optical

Amplifier

) em conjunto com FRA [19], TDFA em conjunto com EDFA [20, 21], e FRA em

conjunto com TDFA [22-26].

O maior número de publicações científicas relacionadas a amplificadores híbridos

com cascateamento serial descrevem os avanços na combinação de amplificadores Raman

a fibra e amplificadores a fibra dopada com Érbio. Estes amplificadores estão separados

em dois grupos distintos: os que usam a amplificação Raman distribuída, onde o ganho por

efeito Raman ocorre na fibra de transmissão, e os que utilizam amplificação por efeito

Raman de forma discreta, através de um módulo contido no amplificador híbrido.

Várias propostas para amplificação Raman de forma distribuída, em conjunto com

amplificadores a fibra dopada com Érbio, foram publicadas. H. Masuda e colaboradores [5,

6] apresentaram uma banda de amplificação com 75 nm de largura a 3 dB (1531 nm - 1606

nm), utilizando EDFA de dois estágios com bombeamento em 1480 nm copropagante, e

ganho Raman distribuído na

banda L (bombeamento em 1505nm) sendo a fibra de

transmissão do tipo dispersão deslocada (

DSF, Dispersion Shifted Fiber). Logo após, H.

Masuda e colaboradores [7] propuseram uma configuração com um EDFA de apenas um

estágio, porém com dois comprimentos de onda para bombeamento Raman (1476 nm e

1535 nm) para maximizar a largura de banda, e obtiveram 90,5 nm (1556 nm – 1646,5

nm).

A amplificação Raman de forma discreta em conjunto com amplificadores a fibra

dopada com Érbio foi proposta por S. Kawai e colaboradores em [10, 11], resultando em

uma banda de amplificação com 75 nm de largura a 3 dB (1531 nm - 1606 nm), obtida

utilizando uma combinação EDFA (bombeamento contrapropagante em 1480 nm) + FRA

(bombeamento contrapropagante em 1510 nm) + EDFA (bombeamento copropagante em

1480 nm). Foi utilizada uma fibra compensadora de dispersão (

DCF, Dispersion

Compensating Fiber

) no FRA.

Em 1999, H. Masuda e S. Kawai [12] obtiveram uma banda de amplificação com 80

nm de largura a 3 dB (1530 nm-1610 nm), utilizando um EDFA seguido de dois estágios

discretos de amplificação Raman. O aspecto mais interessante neste trabalho é a utilização

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de bombeamentos copropagante e contrapropagante nos dois estágios Raman, sendo os

quatro lasers de bombeamento com comprimentos de onda diferentes para deixar a banda

de amplificação mais plana.

Outro exemplo interessante de cascateamento de EDFA com amplificadores Raman

discretos está descrito em [14], onde dois EDFA com bombeamento em 980 nm utilizando

fibras co-dopadas com Cério e de comprimentos diferentes geram uma banda de

amplificação de aproximadamente 90 nm.

Amplificadores envolvendo mais de um efeito não linear, como efeito Raman e

amplificação paramétrica, também se tornaram uma possibilidade para construção de

amplificadores de banda de amplificação larga [15, 16]. Em [15], os autores conseguiram

aumentar a banda de amplificação de um OPA de 30 nm para 40 nm com auxílio de ganho

Raman.

Por outro lado, também é possível a construção de amplificadores de banda larga

fazendo associação serial de amplificadores baseados em fibras dopadas com terras raras.

Um exemplo interessante foi reportado em [20], onde um EDFA foi cascateado com um

TDFA, gerando uma banda de amplificação de 82 nm. Em 2003, foi mostrada a geração de

ASE com banda de 90 nm em uma fibra codopada com Érbio e Túlio, onde foi usado um

bombeamento duplo em 980 nm e 1064 nm, mostrando a possibilidade de construção de

amplificadores com banda larga através da codopagem de fibras com diferentes terras raras

[21].

Como o foco do trabalho apresentado neste capítulo é a construção de um

amplificador híbrido que possa cobrir uma faixa extensa da

banda S, e sabendo que o

TDFA tem a capacidade de amplificação na faixa de menores comprimentos de onda e

considerando a flexibilidade do FRA em relação ao comprimento de onda do pico de

ganho, a combinação FRA + TDFA mostra-se como uma opção promissora pra este

propósito.

J. Masum-Thomas e colaboradores [22] cascatearam um TDFA com bombeamento

em 1060 nm e um FRA com bombeamento em 1413 nm, conseguindo uma banda de

amplificação de aproximadamente 50 nm (1460 nm-1510 nm). J. Kani e M. Jinno [23]

cascatearam um TDFA com bombeamento em 1047 nm e um FRA de dois estágios com

bombeamento em 1415 nm, conseguindo uma banda de amplificação de 50,5 nm (1460

nm-1510 nm), bem mais plana que no caso anterior.

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H. Masuda e colaboradores [24] obtiveram 76 nm (1462 nm-1538 nm) de banda de

amplificação utilizando um TDFA entre dois estágios discretos de amplificação Raman. O

aspecto interessante neste trabalho é a utilização de três comprimentos de onda diferentes

para tornar a banda de amplificação mais plana. H. Miyamoto e colaboradores [25] ainda

mostram um caso de utilização de um TDFA com amplificação Raman distribuída.

Nossa maior contribuição nesta área está descrita em [26], e mais detalhadamente ao

longo deste capítulo, onde estão apresentados resultados inéditos do cascateamento serial

de TDFA e FRA com uma única fonte de bombeamento em 1426 nm para todo o

amplificador híbrido.

O máximo de ganho devido ao efeito Raman ocorre quando a freqüência do

bombeamento é aproximadamente 13 THz maior que a freqüência do sinal. Como a

amplificação devido ao efeito Raman deve cobrir a faixa de comprimentos de onda da

Banda S mais próxima à Banda C, o bombeamento deve ter comprimento de onda em

torno de 1426 nm, para que o pico de ganho devido ao efeito Raman ocorra por volta de

1520nm.

É importante frisar que existem vários possíveis esquemas de bombeamentos para

realizar a inversão de população a partir da conversão ascendente de energia nos TDFAs

(

ver capítulo 3). Levando em consideração estas variadas possibilidades de esquemas de

bombeamento para TDFA, e sabendo que o comprimento de onda de bombeamento da

fibra responsável pelo ganho devido ao efeito Raman deve ser 1426 nm, foram

implementadas duas diferentes possibilidades para bombeamento do amplificador híbrido:

1426 nm + 1050 nm (

ver seção 8.2) e 1426 nm (ver seção 8.3).

Tabela 8.1 – Dados da DCF.

Comprimento da fibra 10 km

Diâmetro do núcleo

3,32 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Composição do núcleo Sílica / Germânio

Composição da casca Sílica / Fluoreto

Comprimento de onda de corte 980 nm

Atenuação (sem conectores) 0,37 dB/km

Dispersão (em 1550 nm) - 45,47 ps/nm/km

Área efetiva

9 µm

Coeficiente de ganho Raman 2,2 W

-1

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137

Nas seções subseqüentes, o laser utilizado como sinal de prova é um laser

sintonizável continuamente entre 1456 nm e 1584 nm, com um único modo longitudinal e

potência máxima de 5 dBm. A fibra óptica utilizada para obtenção do ganho a partir do

efeito Raman é uma fibra compensadora de dispersão (

DCF, Dispersion Compensating

Fiber

) com 10 km de comprimento, cujas características técnicas estão mostradas na tabela

8.1. O laser de bombeamento consiste de um laser Raman com bombeamento realizado por

lasers de diodo que emite em 1426 nm, tem potência máxima de 2 W, comprimento de

onda central de emissão de 1425,92 nm e largura de linha de 1,09 nm.

8.2 – Bombeamento: 1426 nm (FRA) + 1050 nm (TDFA)

O comprimento de onda para bombeamento monocromático mais eficiente para

TDFA é 1050 nm (

ver capítulo 3). Levando isso em consideração, foi construída a

configuração mostrada na figura 8.2, consistindo de um cascateamento serial de um TDFA

e um FRA, ambos com o laser de bombeamento copropagante em relação ao laser de sinal.

Os comprimentos de onda de bombeamento para o FRA e para o TDFA são 1426 nm e

1050 nm, respectivamente. O laser de sinal e os lasers de bombeamento são acoplados

através de multiplexadores de comprimentos de onda comerciais (

WDM, Wavelength

Division Multiplexer

). O módulo TDF consiste em uma fibra dopada com Túlio emendada

a fibras padrão monomodo de sílica, cujas características estão mostradas na tabela 8.2. As

portas de entrada e saída do amplificador têm isoladores ópticos para suprimir oscilações

do tipo laser, devido à criação de possíveis cavidades Fabry-Perot. Os isoladores também

têm a função de suprimir a propagação de componentes de sinal refletidas nos conectores

de entrada e saída do amplificador. Foi utilizada a outra saída do WDM para monitorar a

potência de bombeamento entrando no módulo, através de um medidor de potência. O

laser de bombeamento do TDFA é um laser de fibra de Itérbio bombeado com laser de

diodo emitindo em 1050 nm.

A figura 8.3 mostra as fotos da fibra DCF utilizada para gerar ganho a partir do efeito

Raman (à esquerda acima), do módulo contendo a fibra dopada com Túlio (à esquerda

abaixo) e montagem experimental com os outros componentes (à direita).

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Figura 8.2 – Configuração do amplificador óptico híbrido: FRA com bombeamento copropagante em 1426

nm e o TDFA com bombeamento copropagante em 1050 nm.

Tabela 8.2 – Dados da fibra dopada Túlio, módulo #3.

Composição da fibra ZrF

-BaF

-LaF

-AlF

-NaF

Dopante Tm

Concentração de dopante 2000 ppm

Abertura numérica 0,238

Comprimento de onda de corte 880 nm

Diâmetro do núcleo

2,8 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra 18 m

Figura 8.3 – Fotos do amplificador híbrido FRA + TDFA. À esquerda acima fibra DCF (tabela 8.1), à

esquerda abaixo TDF (tabela 8.2), e à direita montagem experimental do sistema.

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139

Na figura 8.4 estão mostrados os espectros de emissão espontânea amplificada (

ASE,

Amplified Spontaneous Emission) em três situações; Bombeamento apenas no TDFA com

300 mW e 400 mW de potência, bombeamento apenas no FRA com 600 mW, 800 mW e

1000 mW de potência e bombeamento simultâneo dos dois amplificadores com 400mW de

potência para o TDFA e 600 mW, 800 mW e 1000 mW de potência para o FRA. Sobre

estes espectros é importante notar que quando adicionado o bombeamento do FRA ao

bombeamento do TDFA, existe uma absorção do ASE gerado pelo TDFA, gerando uma

maior potência de ASE na faixa de amplificação do FRA. Essa transferência de energia

ocorre por meio de processo não linear utilizando efeito Raman. Outro aspecto interessante

é a possível construção de uma fonte de luz com banda larga com aproximadamente 60 nm

de largura de banda, como no caso de bombeamento do FRA com 800 mW em 1426 nm e

do TDFA com 400 mW em 1050 nm.

As perdas do amplificador são altas (maiores que 11 dB), prejudicando o

desempenho do amplificador. Para comprimentos de onda maiores, a perda é bastante alta,

tornando o amplificador inviável para comprimentos de onda acima de 1520 nm.

1440 1460 1480 1500 1520 1540

-50

-45

-40

-35

-30

-25

Híbrido

TDFA

400mW

Raman

1000mW

800mW

600mW

400mW

1000mW

TDFA

300mW

800mW

600mW

Raman

Potência (dBm)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.4 – Espectros de ASE do amplificador híbrido FRA com bombeamento em 1426 nm e TDFA com

bombeamento em 1050 nm.

Nas figuras 8.5 e 8.6 são mostrados os ganhos do amplificador híbrido da figura

8.2. Na figura 8.5 apenas o bombeamento do TDFA é acionado, com potências de 300 mW

(

quadrados) e 400 mW (círculos). Na figura 8.6 apenas o bombeamento do FRA em 1426

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140

nm é acionado com potências de 600 mW, 800 mW e 1000 mW, respectivamente. A

potência de sinal utilizada foi de -30 dBm. Para o TDFA o ganho máximo do amplificador

foi de 16 dB. Considerando a perda no pico de ganho (11 dB), calcula-se ganho interno de

27 dB. Para o FRA o ganho máximo do amplificador é de 17 dB. Considerando a perda no

pico de ganho (15 dB), calcula-se ganho interno de 32 dB.

1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540

-16

-12

-8

-4

Potência em 1050 nm

300 mW

400 mW

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.5 – Ganho do amplificador híbrido FRA (bombeamento em 1426 nm) + TDFA (bombeamento em

1050 nm), quando acionado apenas o bombeamento do TDFA. A potência de sinal é -30 dBm.

1460 1480 1500 1520 1540

-8

-4

Potência em 1426 nm

600 mW

800 mW

1000 mW

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.6 – Ganho do amplificador híbrido FRA (bombeamento em 1426 nm) + TDFA (bombeamento em

1050 nm), quando acionado apenas o bombeamento do FRA. A potência de sinal é -30 dBm.

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141

Na figura 8.7 estão apresentadas curvas de ganho de pequenos sinais do amplificador

híbrido para três situações distintas: quando acionado apenas o bombeamento do FRA

(

círculos) com potência de 600 mW, quando acionado apenas o bombeamento do TDFA

(

triângulos) com potência de 400 mW e os dois bombeamentos simultaneamente

(

quadrados). A potência de sinal utilizada foi de -30 dBm. O amplificador, apesar do baixo

ganho (por volta de 10 dB), apresenta banda larga (60 nm) e espectro razoavelmente plano

nesta faixa (diferença menor que 2 dB).

Na figura 8.8 estão apresentados resultados similares aos da figura 8.7 com a

diferença na potência de bombeamento do FRA, que neste caso é 1 W. O ganho do TDFA

não é suficiente para aplainar o ganho resultante do amplificador híbrido. Para aumentar o

ganho do TDFA seria necessário aumentar a potência de bombeamento, porém devido à

limitação de potência imposta às emendas do módulo de fibra dopada com Túlio isto não é

possível. Além disso, o módulo contendo a fibra dopada com Túlio apresentou uma perda

de 4,5 dB devido à degradação das emendas. Combinando estes fatores não foi possível

construir um amplificador aplicável.

1440 1460 1480 1500 1520 1540

-15

-10

-5

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.7 – Ganho do amplificador híbrido FRA em três situações de bombeamento: 600 mW FRA

(círculos), 400 mW TDFA (triângulos) e os dois bombeamentos simultaneamente (quadrados). A potência de

sinal é -30 dBm.

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142

1440 1460 1480 1500 1520 1540

-15

-10

-5

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.8 – Ganho do amplificador híbrido FRA em três situações de bombeamento: 1 W FRA (círculos),

400 mW TDFA (triângulos) e os dois bombeamentos (quadrados). A potência de sinal é -30 dBm.

8.3 – Bombeamento monocromático em 1426 nm

Apesar dos resultados apresentados na seção anterior mostrarem a possibilidade de

implementação de um amplificador híbrido com larga banda de amplificação, a utilização

de vários lasers de bombeamento dificulta o processo de comercialização destes

amplificadores. Sendo assim, dada a possibilidade de bombeamento simultâneo do FRA e

do TDFA com um único laser em 1426 nm, foram montadas várias configurações

(mostradas a seguir) utilizando apenas o laser Raman emitindo em 1426 nm. A principal

vantagem deste procedimento é que a tecnologia de lasers de diodo comerciais de alta

potência emitindo entre 1400 nm e 1600 nm está cada vez mais avançada, facilitando a

implementação prática de amplificadores com estes lasers.

8.3.1 Um estágio Raman e um estágio TDFA utilizando uma Fibra

altamente dopada com Túlio

Foi construída a configuração mostrada na figura 8.9, consistindo de um

cascateamento serial de um FRA e um TDFA, sendo o FRA com o laser bombeamento

copropagante e o TDFA com o laser bombeamento contrapropagante com o laser de sinal.

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143

É interessante frisar que a potência de bombeamento não absorvida pelo FRA vai servir

como bombeamento no sentido copropagante para o TDFA. Na montagem, o laser de sinal

e os lasers de bombeamento são acoplados utilizando o WDM. A fibra dopada com Túlio,

emendada a fibras padrão monomodo de sílica, está contida em um módulo. Demais

características da fibra dopada estão mostradas na tabela 8.3.

Figura 8.9 – Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático em 1426 nm

utilizando uma fibra DCF e uma fibra altamente dopada com Túlio.

Tabela 8.3 – Dados da fibra dopada com Túlio, módulo #5.

Composição da fibra ZrF

-BaF

-LaF

-AlF

-NaF

Dopante Tm

Concentração de dopante 5000 ppm

Abertura numérica 0,238

Comprimento de onda de corte 880 nm

Diâmetro do núcleo

2,8 µm

Diâmetro da casca

125 µm

Comprimento da fibra 6 m

Na figura 8.10 está apresentado o espectro de perdas do amplificador quando o

bombeamento está inativo. Para comprimentos de onda maiores do que 1525 nm e

menores do que 1460 nm, a perda é bastante alta, tornando inviável uma maior expansão

espectral, principalmente devido aos acopladores direcionais. Também é conveniente notar

que o mínimo de perdas do amplificador é alto (13,9 dB), prejudicando o desempenho.

Na figura 8.11 está apresentado o ganho de pequenos sinais (símbolos fechados) e

figura de ruído (símbolos abertos) do amplificador óptico híbrido com bombeamento

monocromático em 1426 nm utilizando uma fibra DCF e uma fibra altamente dopada com

Túlio. As potências de bombeamento utilizadas foram de 363 mW e 830 mW para o TDFA

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144

e o FRA, respectivamente. A potência de sinal adotada para estas medições foi de -23

dBm. Pode-se observar que apesar de valores razoáveis de figura de ruído (por volta de 6

dB), o ganho do TDFA não é plano o suficiente.

1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530

Comprimento de onda (nm)

Perdas do amplificador (dB)

Figura 8.10 – Espectro de perdas do amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático em

1426 nm utilizando uma fibra DCF e uma fibra altamente dopada com Túlio.

1460 1480 1500 1520

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

Figura de ruído (dB)

Figura 8.11 – Ganho (símbolos fechados) e figura de ruído (símbolos abertos) do amplificador óptico

híbrido com bombeamento monocromático em 1426 nm constituído de uma fibra DCF e uma fibra altamente

dopada com Túlio. A potência de sinal é -23 dBm.

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145

8.3.2 – Um estágio Raman e um estágio TDFA utilizando uma Fibra

dopada com Túlio de 18 m de comprimento e dopagem 2000 ppm

Para verificar a viabilidade da construção de um amplificador híbrido

monocromático em 1426 nm foi montada uma configuração de dois estágios, como na

seção anterior. Porém a fibra utilizada para esta configuração, apresentada na figura 8.12,

utiliza uma fibra mais longa (18 m) com dopagem padrão de Túlio (2000 ppm) para gerar

mais ganho (ver especificações da TDF na tabela 8.2). A perda mínima (

figura 8.13) em

1485 nm é de 13,5 dB e as perdas aumentam quando o comprimento de onda aumenta

devido às características de perda dos WDM utilizados (

círculos), que não são

componentes para aplicações banda larga.

Figura 8.12 – Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático em 1426 nm

utilizando uma fibra DCF e uma fibra dopada com Túlio de 18 m e dopagem padrão.

Na figura 8.14 estão mostrados os espectros de ASE do amplificador híbrido com

bombeamento monocromático em 1426 nm para baixa potência (Linha preta), com 298

mW no FRA e 88 mW (copropagante) e 78 mW (contrapropagante) no TDFA, e mais alta

potência (Linha vermelha), com 520 mW no FRA e 150 mW (copropagante) e 134 mW

(contrapropagante) no TDFA. Para baixa potência foi possível obter um espectro plano e

bastante interessante para aplicações onde se necessite de fontes de luz com espectro largo.

Todavia, com o aumento da potência a ASE da seção Raman supera a ASE da seção Túlio,

mostrando que é necessário aumentar o comprimento da fibra utilizada no amplificador a

fibra dopada com Túlio.

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1460 1480 1500 1520 1540

Comprimento de onda (nm)

Amplificador híbrido

Acoplador direcional

Perdas (dB)

Figura 8.13 – Perdas do amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático em 1426 nm

utilizando uma fibra DCF e uma fibra dopada com Túlio de 18 m e dopagem padrão.

1460 1480 1500 1520 1540

-55

-50

-45

-40

-35

-30

-25

Potência (dBm)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.14 – Espectro ASE do amplificador híbrido FRA + TDFA com bombeamento monocromático em

1426 nm para: 298 mW (FRA), 88 mW (TDFA copropagante) e 78 mW (TDFA contrapropagante) (Linha

preta) e 520 mW (FRA), 150 mW (TDFA copropagante) e 134 mW (TDFA contrapropagante) (Linha

vermelha).

Na figura 8.15 está mostrado o ganho do amplificador híbrido com bombeamento

monocromático em 1426 nm. As potências para bombeamento foram 520 mW no FRA,

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147

150 mW de bombeamento copropagante no TDFA e 134 mW de bombeamento

contrapropagante no TDFA. O ganho provido pelo TDFA não é suficiente, mostrando que

é preciso aumentar o ganho do TDFA.

Como alternativa acrescentou-se ao sistema outra fibra dopada com Túlio, com uma

dopagem mais alta (5000 ppm), para que junto com a fibra de 18 m com dopagem padrão

(2000 ppm) pudesse prover mais ganho na região pertinente ao TDFA. As fibras dopadas

com Túlio com concentração mais alta deslocam o pico de ganho para comprimentos de

onda maiores, assim deve-se esperar que o ganho provido pelo TDFA de dois estágios

além de maior, apresente um espectro mais plano. Para este propósito, foram construídas

três configurações distintas que estão apresentadas nas seções seguintes.

1460 1480 1500 1520

Comprimento de onda (nm)

Ganho do amplificador (dB)

Figura 8.15 – Ganho do amplificador FRA + TDFA com bombeamento monocromático em 1426 nm. As

potências utilizadas foram 520 mW (FRA), 150 mW (TDFA copropagante) e 134 mW (TDFA

contrapropagante).

8.3.3 – Configuração com cascateamento serial: FRA, fibra com

dopagem padrão de Túlio e fibra altamente dopada com Túlio

A primeira configuração proposta (ver figura 8.16) consistiu no cascateamento

serial de um FRA de um estágio, seguido de um TDFA de dois estágios. Sendo o

amplificador Raman montado a partir da DCF (

descrita na tabela 8.1), bombeada com

uma fração do laser em 1426 nm no sentido contrapropagante com o sinal. O

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148

bombeamento no sentido contrapropagante é útil para evitar flutuações de ganho no

amplificador Raman. O TDFA com dois estágios consiste de uma fibra com dopagem de

íons trivalentes de Túlio padrão de 2000 ppm e comprimento de 18 m, que doravante será

mencionada como TDF1 (

ver tabela 8.2), conectada diretamente a uma outra fibra,

altamente dopada com Túlio (5000 ppm) e comprimento de 6 m (

ver tabela 8.3), que

doravante será chamada como TDF2. Uma parcela de bombeamento do TDFA é

copropagante e outra é contrapropagante, ambos em 1426 nm. A divisão da potência para

bombeamento das fibras foi realizada utilizando um arranjo de componentes divisores de

potência. Para bombeamento do amplificador Raman uma maior quantidade de potência é

requerida, então foi utilizada aproximadamente 60% da potência total. O restante da

potência (40% da potência total) foi dividida igualmente para o bombeamento

copropagante e contrapropagante do TDFA. No final da montagem foram medidas as

potências no FRA, no sentido copropagante e no sentido contrapropagante com o sinal no

TDFA, e as porcentagens de potência obtidas experimentalmente foram 62%, 19% e 19%,

respectivamente para vários valores de potência total. Foram utilizados isoladores para

proteger a fonte de sinal (isolador da entrada) e para evitar o aparecimento de cavidades

Fabry-Perot que podem desencadear processos do tipo Laser, danificando principalmente

as conexões das fibras dopadas com Túlio com seus respectivos cordões ópticos.

Figura 8.16 – Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento monocromático em 1426 nm,

composto por um FRA construído por uma fibra DCF, seguido por um TDFA de dois estágios utilizando

duas fibras dopadas com Túlio, uma com dopagem padrão e outra com alta dopagem.

Pode-se observar abaixo (

figura 8.17) o espectro de ASE junto ao bombeamento

remanescente na saída do amplificador quando as potências de bombeamento são de 557

mW, 169 mW e 168 mW, no FRA, no sentido copropagante e no sentido contrapropagante

com o sinal no TDFA, respectivamente. A potência de bombeamento remanescente na

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149

saída do amplificador em 1426 nm é de -7,6 dBm. Uma excelente planaridade foi obtida na

região de amplificação.

1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540

-50

-40

-30

-20

-10

Comprimento de onda (nm)

Potência (dBm)

Figura 8.17 – Espectro de ASE junto ao bombeamento remanescente na saída do amplificador híbrido DCF

+ TDF1 + TDF2 com potência de bombeamento total de 894 mW.

Na figura 8.18, estão mostrados os espectros de ASE na saída do amplificador para

quatro situações diferentes de bombeamento. As potências totais de bombeamento são: 566

mW (linha preta), 687 mW (linha vermelha), 806 mW (linha verde) e 894 mW (linha azul).

As bandas de 3 dB destes espectros de ASE são de aproximadamente 42 nm.

Na figura 8.19, está mostrado o espectro de perdas do amplificador. Uma perda

mínima de 17 dB é obtida para sinal com comprimento de onda 1475 nm. A perda aumenta

em ambos os lados do espectro de perdas devido às perdas dos WDM utilizados. A perda

para comprimentos de onda maiores é maior e pode chegar a 35 dB em 1530 nm devido à

absorção de estado fundamental dos íons trivalentes de Túlio.

Na figura 8.20 estão mostrados os espectros de ganho interno, ganho e figura de

ruído do amplificador para quatro situações diferentes de bombeamento, respectivamente.

As potências totais de bombeamento são: 566 mW (quadrados), 687 mW (círculos), 806

mW (triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo). A potência de sinal utilizada

foi de -20 dBm. Um ganho interno máximo de 42,7 dB em 1515 nm foi obtido para esta

configuração.

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150

1460 1480 1500 1520

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

Potência (dBm)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.18 – Espectro de ASE junto ao bombeamento remanescente na saída do amplificador híbrido DCF

+ TDF1 + TDF2 com potência de bombeamento total de 566 mW (linha preta), 687 mW (linha vermelha),

806 mW (linha verde) e 894 mW (linha azul).

1460 1480 1500 1520

Perdas do WDM +

Absorção de estado fundamental Tm

Comprimento de onda (nm)

Perdas do amplificador (dB)

Figura 8.19 – Espectro de perdas do amplificador híbrido composto por um FRA seguido por um TDFA de

dois estágios.

Na figura 8.20-b, pode-se observar um ganho máximo de 5,72 dB, 11,83 dB, 17,15

dB e 20,83 dB, para potências totais de bombeamento de 566 mW (

quadrados), 687 mW

(

círculos), 806 mW (triângulos para cima) e 894 mW (triângulos para baixo),

respectivamente. No caso de bombeamento com potência total de 894 mW (

triângulos

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151

para baixo), o ganho é maior que 15 dB entre 1474,5 nm e 1518,5 nm, resultando em uma

banda que pode ser utilizada para amplificação de 44 nm.

1460 1480 1500 1520

Comprimento de onda (nm)

Ganho interno (dB)

(a)

1460 1480 1500 1520

-15

-10

-5

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

(b)

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152

1460 1480 1500 1520

Figura de ruído (dB)

Comprimento de onda (nm)

(c)

Figura 8.20 – Espectro de (a) ganho interno, (b) ganho e (c) figura de ruído do amplificador DCF + TDF1

+ TDF2 para potências de bombeamento totais de 566 mW (quadrados), 687 mW (círculos), 806 mW

(triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo).

Quanto maior a potência de bombeamento, menor a figura de ruído amplificador para

qualquer comprimento de onda de operação. A figura de ruído aumenta à medida que o

comprimento de onda do sinal se afasta do centro da banda de amplificação. Além disso,

um valor mínimo de 7,3 dB foi obtido para potência total de bombeamento de 894 mW.

Mesmo com potência total de bombeamento de 894 mW (linha azul), onde a figura de

ruído é mínima, tomando a banda de ganho maior que 15 dB entre 1474,5 nm e 1518,5 nm,

vê-se que para 1475 nm a figura de ruído é de 11 dB, valor este proibitivo para muitos

sistemas de comunicações ópticas.

Na figura 8.21 estão mostrados os espectros na entrada e na saída quando utilizados

cinco canais com potência por canal de – 20 dBm. A potência total bombeamento é de 894

mW. Neste caso, ganhos de 17,4 dB, 19,2 dB, 19,2 dB, 18,6 dB e 16 dB, foram obtidos

para os canais em 1478 nm, 1488 nm, 1498 nm, 1508 nm e 1517 nm, respectivamente.

Nota-se uma diferença de ganho do amplificador máxima de 3,2 dB em uma banda de

amplificação de 50 nm, mostrando a viabilidade para uso em sistemas com multiplexação

por comprimento de onda.

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153

1460 1470 1480 1490 1500 1510 1520 1530

-60

-50

-40

-30

-20

Potência (dBm)

Comprimento de onda (nm)

-40

-30

-20

-10

Figura 8.21 – Espectros da entrada (em baixo) e da saída (em cima) quando utilizados cinco canais com

potência de – 20 dBm por canal. A potência total bombeamento é de 894 mW.

8.3.4 – Configuração com cascateamento serial: TDFA com fibra

altamente dopada com Túlio, FRA e TDFA padrão

A segunda configuração proposta (ver figura 8.22) consistiu em uma mudança na

ordem das fibras. Foi colocada como primeiro estágio, a fibra altamente dopada com Túlio

(TDF2,

ver tabela 8.3) com bombeamento copropagante, já que esta pode manter uma

maior inversão de população, e assim diminuir a figura de ruído total do amplificador

híbrido. A fibra DCF (

descrita na tabela 8.1) foi colocada logo após a fibra altamente

dopada com Túlio, sendo esta bombeada no sentido contrapropagante, isto tem um efeito

positivo, pois a potência residual no terminal de entrada (para o sinal) da fibra DCF vai ser

utilizada para bombeamento contrapropagante na fibra altamente dopada (primeiro

estágio). O último estágio é um TDFA utilizando apenas uma fibra dopada com Túlio

(TDF1,

ver tabela 8.2) e com bombeamento contrapropagante. A divisão de potência para

bombeamento das fibras foi realizada de forma idêntica à configuração anterior. Isoladores

para proteger a fonte (isolador da entrada) e o laser de bombeamento da potência residual

do bombeamento Raman no segundo estágio (isolador intermediário) são utilizados.

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154

Figura 8.22 – Configuração do amplificador óptico híbrido TDF2 + DCF + TDF1 com bombeamento

monocromático em 1426 nm.

Na figura 8.23 está mostrado o espectro de perdas do amplificador óptico híbrido

com bombeamento monocromático em 1426 nm. Uma perda mínima de 17,5 dB é obtida

para sinal com comprimento de onda 1480 nm. A perda aumenta em ambos os lados do

espectro de perdas devido às perdas dos WDM utilizados. A perda para comprimentos de

onda maiores é maior e pode chegar a 39 dB em 1530 nm devido à absorção de estado

fundamental dos íons trivalentes de Túlio.

1460 1480 1500 1520

Perdas do WDM +

Absorção de estado fundamental Tm

Comprimento de onda (nm)

Perdas do amplificador (dB)

Figura 8.23 – Espectro de perdas do amplificador híbrido TDF2 +DCF + TDF1.

Na figura 8.24 estão mostrados os espectros de ganho interno, ganho e figura de

ruído do amplificador para quatro situações diferentes de bombeamento, respectivamente.

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155

As potências totais de bombeamento são: 566 mW (quadrados), 687 mW (círculos), 806

mW (triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo). A potência de sinal utilizada

foi de -23 dBm. Um ganho interno máximo de 47,7 dB em 1515 nm foi obtido para esta

configuração. Observa-se um ganho máximo de 9,18 dB, 15,14 dB, 20,45 dB e 24,15 dB,

para potências totais de bombeamento de 566 mW (quadrados), 687 mW (círculos), 806

mW (triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo), respectivamente. No caso de

bombeamento com potência total de 894 mW, a banda de amplificação de 3 dB é de 35 nm

(1476 nm - 1511 nm). O ganho é maior que 15 dB entre 1467,5 nm e 1518 nm, resultando

em uma banda de 50,5 nm que pode ser utilizada para amplificação.

A figura de ruído do amplificador aumenta à medida que o comprimento de onda do

sinal se afasta do centro da banda de amplificação. A figura de ruído mínima obtida foi de

5,8 dB para o caso de bombeamento com potência total de 894 mW (linha azul), bem

abaixo do valor obtido com a configuração anterior. Além disso, a figura de ruído é bem

mais plana e, para potência de bombeamento total de 894 mW, é menor que 8 dB na banda

de interesse (1475 nm – 1520 nm).

1460 1480 1500 1520

Comprimento de onda (nm)

Ganho interno (dB)

(a)

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156

1460 1480 1500 1520

-15

-10

-5

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

(b)

1460 1480 1500 1520

Figura de ruído (dB)

Comprimento de onda (nm)

(c)

Figura 8.24 – Espectro de (a) ganho interno, (b) ganho e (c) figura de ruído do amplificador TDF2 + DCF

+ TDF1 para potências de bombeamento totais de 566 mW (quadrados), 687 mW (círculos), 806 mW

(triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo).

Na figura 8.25 estão mostrados os espectros na entrada e na saída quando utilizados

quatro canais com potência por canal de –20 dBm por canal. A potência total

bombeamento é de 894 mW. Ganhos de 21 dB, 22,1 dB, 20,3 dB e 22,3 dB, foram obtidos

para os canais em 1478 nm, 1488 nm, 1498 nm e 1508 nm, respectivamente. É importante

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157

frisar uma diferença de ganho do amplificador máxima de 2 dB em uma banda de

amplificação de 40 nm.

1460 1480 1500 1520

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Comprimento de onda (nm)

Potência (dBm)

Figura 9.25 – Espectros na entrada (vermelho) e na saída (azul) do amplificador híbrido TDF2 + DCF +

TDF1 com potência de bombeamento total de 894 mW quando utilizados quatro canais com potência de –

20 dBm por canal.

8.3.5 – Configuração com cascateamento serial: fibra altamente

dopada com Túlio, fibra com dopagem padrão de Túlio e FRA

A última configuração proposta (ver figura 8.26) tem como objetivo comparar o

desempenho. Foram utilizados isoladores para proteger a fonte (isolador da entrada),

proteger o laser de bombeamento da potência residual do bombeamento Raman (isolador

intermediário) e para evitar o aparecimento de cavidades Fabry-Perot que podem

desencadear processos do tipo laser, danificando principalmente as conexões das fibras

dopadas com Túlio.

Na figura 8.27, está mostrado o espectro de perdas do amplificador óptico híbrido

com bombeamento monocromático em 1426 nm, composto por um TDFA utilizando uma

fibra altamente dopada com Túlio, um TDFA padrão e um FRA. Uma perda mínima de

20,5 dB é obtida para sinal com comprimento de onda 1480 nm. A perda aumenta em

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158

ambos os lados do espectro de perdas devido às perdas dos WDM utilizados. A perda para

comprimentos de onda maiores é maior e pode chegar a 53 dB em 1530 nm devido à

absorção de estado fundamental dos íons trivalentes de Túlio.

Figura 8.26 – Configuração do amplificador óptico híbrido TDF2 + TDF1 + DCF com bombeamento em

1426 nm.

1460 1480 1500 1520

Perdas do WDM +

Absorção de estado fundamental Tm

Comprimento de onda (nm)

Perdas do amplificador (dB)

Figura 8.27 – Espectro de perdas do amplificador híbrido TDF2 + TDF1 + DCF.

Na figura 8.28 estão mostrados os espectros de ganho interno, ganho e figura de

ruído do amplificador para cinco situações diferentes de bombeamento, respectivamente.

As potências totais de bombeamento são: 566 mW (quadrados), 687 mW (círculos), 806

mW (triângulos pra cima) e 894 mW (triângulos pra baixo) e 993 mW (losangos). A

potência de sinal utilizada foi de -23 dBm. Um ganho interno máximo de 47,9 dB em 1510

nm foi obtido para esta configuração.

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159

Para potência total de bombeamento de 993 mW, o ganho máximo obtido foi de

21,46 dB, figura de ruído mínima de 4 dB e a banda de amplificação de 3 dB é de 37 nm

(1475 nm - 1512 nm). O ganho é maior que 15 dB entre 1470 nm e 1516 nm, resultando

em uma banda que pode ser utilizada para amplificação eficiente de 46 nm. A configuração

mostrou espectros de figura de ruído planos (menor que 5 dB entre 1475 nm e 1515 nm

para 993 mW de potência de bombeamento total), com valores bem menores do que com a

configuração anterior.

1460 1480 1500 1520

Comprimento de onda (nm)

Ganho interno (dB)

(a)

1460 1480 1500 1520

-20

-15

-10

-5

Comprimento de onda (nm)

Ganho do amplificador (dB)

(b)

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160

1460 1480 1500 1520

Comprimento de onda (nm)

Figura de ruído (dB)

(c)

Figura 8.28 – Espectros de (a) ganho, (b) ganho interno e (c) figura de ruído do amplificador híbrido TDF2

+ TDF1 + DCF, quando as potências de bombeamento total são 566 mW (quadrados), 687 mW (círculos),

806 mW (triângulos pra cima), 894 mW (triângulos pra baixo) e 993 mW (losangos).

8.3.6 – Comparação entre as configurações utilizando duas fibras

dopadas com Túlio e uma fibra Raman

A figura 8.29 mostra os espectros de ganho e ganho interno do amplificador híbrido

para três configurações distintas: DCF, TDF e TDF altamente dopada (quadrados), que

doravante será chamada de

configuração 1; TDF altamente dopada, DCF e TDF (círculos),

que doravante será chamada de

configuração 2; TDF altamente dopada, TDFA e FRA

(triângulos), que doravante será chamada de

configuração 3. A potência de bombeamento

é 894 mW. Duas TDF com concentrações diferentes foram escolhidas para aumentar a

banda de amplificação e tornar o ganho mais plano.

configuração 2 apresentou o espectro de ganho mais plano e com valores mais

elevados. Também obteve os valores de ganho interno (

ver figura 8.29-b) mais altos (por

volta de 48 dB no pico em 1515 nm). Isto porque o bombeamento residual do FRA é

utilizado como bombeamento contrapropagante no primeiro estágio de amplificação (TDF

altamente dopada). A

configuração 3 tem um menor ganho, apesar de apresentar valores

de ganho interno maior, isto ocorre devido à maior absorção do estado fundamental quando

as fibras dopadas estão juntas. Na

configuração 1 há uma inclinação no espectro de ganho

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161

e isto ocorre devido às perdas sofridas pelos sinais com menor comprimento de onda antes

do TDFA.

1460 1480 1500 1520

-10

-5

Configuração

FRA/TDFA/TDFA

TDFA/FRA/TDFA

TDFA/TDFA/FRA

Ganho do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

(a)

1460 1480 1500 1520

Configuração

FRA/TDFA/TDFA

TDFA/FRA/TDFA

TDFA/TDFA/FRA

Ganho interno do amplificador (dB)

Comprimento de onda (nm)

(b)

Figura 8.29 – Espectros de (a) ganho e (b) ganho interno para três configurações distintas: FRA + TDFA +

TDFA (TDF 5000 ppm); (TDF 5000 ppm) + FRA + TDFA e TDFA (TDF 5000 ppm) + TDFA + FRA. A

potência de bombeamento total é 894 mW.

Na figura 8.30 a

configuração 3 apresenta menor figura de ruído no centro da banda

(por volta de 5 dB), porém apresenta um valor maior para comprimentos de onda maiores,

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162

mostrando uma maior dependência com a absorção de estado fundamental dos íons

trivalentes de Túlio. A

configuração 2 apresenta um desempenho razoável em termos de

ruído. A figura de ruído se mantém entre 7 e 8 dB na banda de interesse e pode ser

melhorada com a utilização de dispositivos mais adequados na construção do amplificador.

1460 1480 1500 1520

Configuração

FRA/TDFA/TDFA

TDFA/FRA/TDFA

TDFA/TDFA/FRA

Figura de ruído (dB)

Comprimento de onda (nm)

Figura 8.30 – Espectros de figura de ruído para três configurações distintas: FRA + TDFA + TDFA (TDF

5000 ppm); (TDF 5000 ppm) + FRA + TDFA e TDFA (TDF 5000 ppm) + TDFA + FRA. A potência de

bombeamento total é 894 mW.

8.3.7 – Um estágio TDFA e um estágio Raman utilizando uma Fibra

altamente dopada com Túlio

Foi construída a configuração mostrada na figura 8.31, consistindo de um

cascateamento serial de um TDFA e um FRA, sendo o TDFA com o laser bombeamento

copropagante e o FRA com o laser bombeamento contrapropagante com o laser de sinal. A

potência de bombeamento não absorvida pelo FRA vai servir como bombeamento no

sentido contrapropagante para o TDFA. Na montagem, o laser de sinal e os lasers de

bombeamento são acoplados através de WDM. O módulo consiste em uma fibra dopada

com Túlio, emendada a fibras padrão monomodo de sílica, cujas características estão

mostradas na tabela 8.3.

Na figura 8.32 está apresentado o espectro de perdas do amplificador quando o

bombeamento está inativo incluindo todos os componentes (

quadrados) e retirando a fibra

dopada para evidenciar o efeito da absorção de estado fundamental (

GSA, Ground State

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163

Absortion) da fibra dopada (círculos). A perda mínima sem GSA é de 8,5 dB para 1480

nm. Tanto a dependência com o comprimento de onda, quanto o alto valor das perdas,

ocorrem devido ao fato dos componentes não serem projetados para a

banda S.

Figura 8.31 – Configuração do amplificador óptico híbrido com bombeamento em 1426 nm utilizando uma

fibra altamente dopada com Túlio e uma fibra DCF.

Na figura 8.33 está apresentado o ganho de pequenos sinais dos dois estágios de

amplificação separadamente. O pico de ganho do TDFA ocorre em 1480 nm e o pico de

ganho do FRA ocorre em 1520 nm. Cada uma das curvas foram caracterizadas para

potência de sinal de -20 dBm. As potências de bombeamento foram de 250 mW e 550 mW

para o TDFA e o FRA, respectivamente. A curva de ganho do amplificador híbrido

construído a partir desses dois módulos deve ser aproximadamente a superposição dessas

curvas. A escolha apropriada da potência de cada estágio é de suma importância para

tornar a curva de ganho a mais plana possível.

Na figura 8.34 está apresentado o ganho e figura de ruído do amplificador híbrido. A

potência de sinal é de -20 dBm. As potências de bombeamento foram de 200 mW e 510

mW para o TDFA e o FRA, respectivamente. A curva de ganho apresenta valores acima de

20 dB para a região espectral compreendida entre 1480 nm e 1515 nm. A figura de ruído

mínima obtida foi de 7 dB em 1495 nm, e atinge 13 dB em ambos os lados do espectro de

amplificação.

A configuração é similar à configuração apresentada na seção 8.3.2. A diferença

básica está na inversão da ordem das fibras e na melhor distribuição de potência para

equalizar o ganho do amplificador.

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164

1460 1480 1500 1520 1540

Perdas (dB)

Comprimento de onda (nm)

Com TDF

Sem TDF

Figura 8.32 – Espectros de perdas amplificador óptico híbrido com bombeamento em 1426 nm utilizando

uma fibra altamente dopada com Túlio e uma fibra DCF.

1460 1480 1500 1520 1540

Ganho (dB)

Comprimento de onda (nm)

TDFA

FRA

Figura 8.33 – Ganho do TDFA (quadrados) e FRA (círculos) para potência de bombeamento de 250 mW e

550 mW, respectivamente. A potência de sinal é -20 dBm.

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165

1460 1480 1500 1520

Ganho e figura de ruído (dB)

Comprimento de onda (nm)

Ganho

Figura de ruído

Figura 8.34 – Ganho (quadrados) e figura de ruído (símbolos abertos) do amplificador híbrido TDFA +

FRA para potência de bombeamento de 200 mW e 510 mW, respectivamente. A potência de sinal é -20 dBm.

8.4 – Conclusões

Neste capítulo foram apresentadas várias configurações para construção de

amplificador híbridos para

banda S utilizando TDFAs e FRAs. Foi proposta uma

configuração utilizando bombeamento monocromático para TDFA em 1050 nm e para

FRA em 1426 nm. Os resultados obtidos não foram muito bons por causa do ganho

insuficiente gerado pela fibra dopada com Túlio utilizada no experimento. Todavia, utilizar

uma fibra dopada com Túlio mais adequada e componentes mais adequados, torna possível

a construção desses amplificadores [22].

Este documento cita o primeiro esforço para construção de amplificadores híbridos

cascateando amplificadores Raman a fibra e amplificadores a fibra dopada com Túlio

utilizando apenas um laser de bombeamento sendo capaz de amplificar em toda a

banda S.

O maior problema detectado para construção destes amplificadores é o impacto no

desempenho causado pelas perdas dos componentes, principalmente porque estes

componentes não são construídos para operar especificamente na

banda S. A utilização de

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166

componentes adequados para esta banda pode melhorar bastante as características destas

configurações apresentadas. A configuração com o TDFA utilizando a fibra altamente

dopada, o FRA e o TDFA com a fibra com dopagem padrão, cascateados nesta ordem,

apresentou boas características ópticas. Figura de ruído mínima de 5,8 dB, ganho interno

máximo de 47,7 dB e ganho interno mínimo de 27 dB para toda a banda utilizada, mostram

que esta proposta é promissora para o desenvolvimento de amplificadores híbridos de

banda larga na

banda S. Utilizar duas fibras com diferentes dopagens de íons trivalentes de

Túlio torna o espectro de ganho mais plano sem a necessidade de inserção de outros

dispositivos, como filtros. Contudo, foi mostrado que a utilização de um estágio TDFA

com fibra altamente dopada com Túlio e um estágio FRA podem ser suficientes para

atingir resultados compatíveis, como ganho máximo de 22 dB e figura de ruído mínima de

7 dB, com custo mais baixo. Todavia, a figura de ruído apresenta uma dependência maior

com o comprimento de onda.

Além disso, o desenvolvimento de diodos confiáveis de alta potência, em torno de

1426 nm, torna amplificadores híbridos fortes candidatos para sistemas de comunicação

óptica na

banda S.

8.5 – Referências bibliográficas

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Consisting of cascaded fluoride-based TDFA and Silica-based EDFA in 1458-1540 nm

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

170

Capítulo 9 – Conclusões, contribuições e trabalhos

futuros

Esta tese apresentou vários aspectos sobre o projeto e construção de amplificadores

ópticos que possam ser utilizados num futuro próximo para expansão da capacidade dos

sistemas de comunicações ópticas utilizando multiplexação por comprimentos de onda.

Abaixo estão descritas as principais contribuições ao estado da arte, bem como algumas

sugestões para trabalhos futuros.

Contribuições

Como alternativa para utilização da

banda S de transmissão óptica foram abordados

os amplificadores a fibra dopada com Túlio. Uma das importantes contribuições consistiu

na proposição de um novo esquema de bombeamento duplo (800 nm + 1050 nm) altamente

eficiente que pode viabilizar amplificadores com potência de bombeamento total baixa

utilizando lasers de diodo comerciais. Baixa potência de bombeamento é bastante

interessante, pois aumenta a confiabilidade das emendas das fibras dopadas com Túlio.

Com a adição de 73 mW de bombeamento em 800 nm à 80 mW de bombeamento em 1050

nm foi conseguido um aumento de ganho de 20 dB para um sinal de -27,2 dBm de

potência..

A distribuição de ganho ao longo da fibra dopada com Túlio para o esquema de

bombeamento proposto também foi abordada utilizando a técnica de reflectometria óptica

coerente no domínio da freqüência, mostrando que muitas vezes se utiliza um

comprimento de fibra dopada maior que o necessário. Com esta técnica foi mostrado que a

proporção ideal de bombeamento em 800 nm é de aproximadamente 20% da potência total

de bombeamento.

À respeito do esquema de bombeamento duplo (800 nm + 1050 nm) também foi

construído um protótipo utilizando lasers de diodo comerciais com características ópticas

compatíveis com aplicações práticas. Todavia, o emprego de dispositivos projetados para

operação na

banda S pode prover melhor desempenho.

Técnicas de dupla passagem do sinal pelo meio gerador de ganho do amplificador

também são aplicadas a TDFAs, mostrando que é possível a construção de amplificadores

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

171

com alto ganho de pequenos sinais com configuração simples e bombeamento

monocromático. No caso, obteve-se 38 dB de ganho em 1462 nm, com potência de

bombeamento de 400 mW em configuração empregando um espelho metálico como

elemento refletor, representando um aumento de ganho de aproximadamente 16 dB em

relação à configuração de única passagem do sinal pela fibra dopada. A média de

coeficiente de ganho obtido é de 95 dB/W. Esses amplificadores podem ter aplicações

práticas como amplificadores de linha ou pré-amplificadores.

O efeito de saturação cruzada de ganho foi discutido para TDFAs com

bombeamento monocromático. Foi mostrado pela primeira vez que o comprimento de onda

de bombeamento influencia bastante na saturação cruzada de ganho resultante e que sinais

com comprimentos de onda menor estão mais susceptíveis ao efeito. Foi mostrado que o

bombeamento monocromático em 1426 nm é mais sensível a este efeito do que o

bombeamento monocromático em 1050 nm. Também foi reportado que sinais com

comprimentos de onda menores são mais afetados por causa do comportamento espectral

das seções de choque de emissão e absorção dos níveis de energia envolvidos no processo

de amplificação.

Técnicas de travamento de ganho totalmente óptico de baixo ruído em EDFA foram

investigadas. Foi mostrado que EDFAs com travamento automático de ganho utilizando

circuladores para constituir a malha de realimentação apresentam menor figura de ruído e

melhor desempenho que a configuração que usa acopladores direcionais.

Foram implementados, pela primeira vez, amplificadores híbridos envolvendo

TDFA e FRA utilizando um comprimento de onda único para bombeamento em 1426 nm.

Esse amplificador apresenta largura de banda de amplificação de 50,5 nm na Banda S. A

utilização de um único comprimento de onda de bombeamento pode viabilizar o emprego

comercial destes amplificadores, já que a tecnologia para lasers de diodo emitindo em 1426

nm está em uma fase avançada de maturação.

Sugestões para trabalhos futuros

1. Dado o modelo desenvolvido para prever o comportamento de amplificadores a

fibra dopada com Túlio em regime de bombeamento duplo em 800 nm e 1050 nm (ver

referência [44] do capítulo 3), pode-se criar mecanismos de ação inteligente (como

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Tese de Doutorado - Carmelo José Albanez Bastos Filho

172

algoritmos genéticos) para obtenção de soluções satisfatórias para alocação de

comprimentos de onda em enlaces ópticos, levando em consideração o comprimento ideal

da fibra dopada com Túlio e as potências de bombeamento.

Como solução para amenizar o efeito de saturação cruzada de ganho pode-se

empregar técnicas de travamento de ganho, analisando a resposta de diferentes

configurações de travamento de ganho automático em TDFAs.

3. Investigação de novas configurações para travamento de ganho totalmente óptico

de baixo custo de implementação e de pequeno efeito transiente.

Reconstrução e análise das configurações de amplificadores híbridos (FRA +

TDFA) propostas no capítulo 8 com componentes mais adequados à

banda S.

Amplificadores Ópticos para Sistemas de Comunicação Multicanais de Alta Capacidade

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Publicações referentes à tese

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http://v3.espacenet.com/origdoc?DB=EPODOC&IDX=WO03077384&QPN=WO03077384

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