Sistemas de transmissão ópticos com amplificação de Raman

Abstract

O presente trabalho tem como objectivo analisar a amplificação de Raman no contexto dos sistemas de comunicação ópticos. Para tal, inicialmente é feita uma análise das diferentes formas do espalhamento da luz em fibras ópticas, nomeadamente espalhamento de Rayleigh, espalhamento de Brillouin e espalhamento de Raman. No âmbito deste trabalho são feitas medições destes três tipos de espalhamento. A modelação do coeficiente de atenuação para diferentes fibras ópticas é realizada. O espalhamento de Brillouin e o espalhamento de Raman são observados em fibras ópticas. Posteriormente é apresentado um modelo para o amplificador de Raman a funcionar no modo estacionário. Este modelo é descrito através de um sistema de equações diferenciais acopladas cuja resolução numérica é efectuada pelo método da análise em potências médias. Os valores para o coeficiente do ganho de Raman são obtidos experimentalmente e é encontrada uma função analítica para os descrever. Este modelo é validado experimentalmente para três configurações do amplificador de Raman: co - propagante, contra - propagante e bidireccional, e para sistemas com um ou múltiplos lasers de bombeamento. Um modelo para descrever o ruído gerado pela emissão espontânea amplificada é apresentado. Este modelo descreve o ruído não-branco. O dimensionamento de um amplificador de Raman para sistemas CWDM para três canais é efectuado usando o modelo previamente desenvolvido. No desenvolvimento deste protótipo as potências e os comprimentos de onda dos lasers de bombeamento foram optimizados para a obtenção da curva do ganho necessária para o sistema proposto. O ganho obtido apresenta uma diferença máxima igual a 1 dB relativamente ao valor especificado para a janela espectral utilizada (60 nm). Experiências foram realizadas para validar o protótipo desenvolvido. O efeito transitório no amplificador de Raman é observado devido à adição e remoção de canais no sistema de transmissão. Um modelo para representar o comportamento do efeito transitório, utilizando o modelo para o regime estacionário com a inclusão da dependência temporal no sistema de equações de propagação, é apresentado. Este modelo é validado experimentalmente.

The aim of this work is to analyze the Raman amplification in the context of optical communication systems. For this purpose, it is initially performed an analysis of the different types of the light scattering in optical fiber namely Rayleigh, Brillouin and Raman scattering. In this work, measurements of these three scattering processes are made. The modeling of the attenuation coefficient for different optical fibers is realized. The Brillouin scattering and the Raman scattering are observed in optical fibers. Subsequently, it is presented a model for the Raman amplifier operating at steady-state mode. This model is described using a system of coupled differential equations, and it is numerically solved by the average power analysis method. The values for the Raman gain coefficient are obtained experimentally and it is found an analytic function to describe them. This model is validated experimentally for three configurations of the Raman amplifier: forward, backward and bidirectional, and for systems using one or multiple pumps. A model to describe the noise generated by amplified spontaneous emission is presented. This model describes the non-white noise. The dimensioning of a Raman amplifier for CWDM systems for three channels is realized using the previously validated model. For the development of the prototype, the powers and the wavelengths of the pump lasers were optimized to obtain the required gain curve for the system. The obtained gain presents a maximum difference of 1 dB relatively to the specified value for the used spectral window (60 nm). Experiments were realized to validate the developed prototype. The transient effect using the Raman amplifier is observed due to the add and drop of channels in the transmission system. A model to describe the behavior of the transient effect, obtained by including a time dependent term in the system of propagation equations used for the steady-state regime, is presented. This model is validated experimentally.