Polarization effects in fiber-optic communication systems

Abstract

In this thesis we perform a detailed analysis of the state of polarization (SOP) of light scattering process using a concatenation of ber-coil based polarization controllers (PCs). We propose a polarization-mode dispersion (PMD) emulator, built through the concatenation of bercoil based PCs and polarization-maintaining bers (PMFs), capable of generate accurate rst- and second-order PMD statistics. We analyze the co-propagation of two optical waves inside a highbirefringence ber. The evolution along the ber of the relative SOP between the two signals is modeled by the de nition of the degree of co-polarization parameter. We validate the model for the degree of co-polarization experimentally, exploring the polarization dependence of the four-wave mixing e ect into a ber with high birefringence. We also study the interaction between signal and noise mediated by Kerr e ect in optical bers. A model accurately describing ampli ed spontaneous emission noise in systems with distributed Raman gain is derived. We show that the noise statistics depends on the propagation distance and on the signal power, and that for distances longer than 120 km and signal powers higher than 6 mW it deviates signi catively from the Gaussian distribution. We explore the all-optical polarization control process based on the stimulated Raman scattering e ect. Mapping parameters like the degree of polarization (DOP), we show that the preferred ampli cation of one particular polarization component of the signal allows a polarization pulling over a wavelength range of 60 nm. The e ciency of the process is higher close to the maximum Raman gain wavelength, where the DOP is roughly constant for a wavelength range of 15 nm. Finally, we study the polarization control in quantum key distribution (QKD) systems with polarization encoding. A model for the quantum bit error rate estimation in QKD systems with time-division multiplexing and wavelength-division multiplexing based polarization control schemes is derived.

Nesta tese realizamos uma análise detalhada do processo de espalhamento do estado de polarização (SOP) da luz, obtido através da concatenação de vários controladores de polarização (PCs) baseados no enrolamento de fibra ótica. E proposto um emulador de dispersão dos modos de polarização (PMD), construído através da concatenação de PCs e fibras que mantêm a polarização, capaz de gerar corretamente a estatística da PMD de primeira e segunda ordens. Analisamos ainda a copropagação de dois feixes de luz em fibras de elevada birrefringencia. A evolução ao longo da fibra do SOP relativo entre os dois feixes de luz é modelada através da definição do parâmetro grau de copolarização. O modelo e validado experimentalmente, explorando a dependência na polarização do efeito de mistura de quatro ondas em fibras de elevada birrefringência. Estudamos também a interação sinal ruído mediada pelo efeito de Kerr em fibras óticas. É derivado um modelo que descreve o ruído gerado pela emissão espontânea amplificada em sistemas com ganho de Raman distribuído. Mostramos que a estatística do ruído varia com a distância de propagação e com a potencia do sinal, e que para distâncias superiores a 120 km e potências do sinal maiores que 6 mW esta deixa de ser descrita por uma distribuição Gaussiana. Analisamos o processo de controlo totalmente ótico da polarização baseado no efeito de espalhamento de Raman estimulado. Através do mapeamento do grau de polarização (DOP), mostramos que a amplificação preferencial de uma componente do sinal permite uma atração do SOP num intervalo de comprimentos de onda igual a 60 nm. A eficiência do processo é mais elevada em torno do comprimento de onda de ganho de Raman máximo, onde existe um intervalo de 15 nm para o qual o DOP tem valores praticamente constantes. Finalmente, fazemos um estudo do controlo do SOP em sistemas de distribuição de chaves quânticas (QKD) com codificação na polarização. E derivado um modelo que permite estimar a taxa de erro quântica em sistemas de QKD com esquemas de controlo do SOP baseados na multiplexagem no comprimento de onda e na multiplexagem no domínio temporal.