Dispersão dos modos de polarização em fibras ópticas

Abstract

Neste trabalho são abordados vários aspectos relacionados com a dispersão dos modos de polarização em fibras ópticas. São apresentados os principais mecanismos de birrefringência em fibras ópticas responsáveis pelo aparecimento da dispersão dos modos de polarização. Apresenta-se também uma descrição matemática deste efeito através da definição dos vectores dispersão dos modos de polarização de primeira e segunda ordens. São também apresentadas as funções densidade de probabilidade das principais grandezas que caracterizam a dispersão dos modos de polarização. É feito um estudo aprofundado do controlo da polarização, derivando-se uma expressão para o ângulo de cada uma das lâminas de atraso do controlador de polarização baseado no enrolamento de fibra, por forma a transformar um estado de polarização inicial arbitrário num estado de polarização final especificado. Desenvolve-se também um modelo teórico para a evolução do estado de polarização quando vários controladores deste tipo são concatenados, com as orientações das lâminas aleatórias e independentes. Verifica-se que com o aumento do número de controladores o espalhamento do estado de polarização converge rapidamente para um espalhamento uniforme da polarização na esfera de Poincaré. Faz-se também uma comparação entre os principais tipos de emuladores da dispersão dos modos de polarização. O modelo para o espalhamento uniforme da polarização é usado para projectar um novo emulador da dispersão dos modos de polarização composto por secções de fibra que mantêm a polarização, entre as quais é feito o espalhamento uniforme da polarização. Mostra-se que, usando controladores de polarização para fazer o espalhamento da polarização, é possível emular correctamente a dispersão dos modos de polarização de primeira e segunda ordens.

ABSTRACT: This thesis deals with several topics related to the polarization mode dispersion in optical fibers. The birefringence mechanisms that are behind the polarization mode dispersion are discussed. A mathematical description of polarization mode dispersion through the definition of first and second-order polarization mode dispersion vectors is presented. The probability density functions of the most important quantities of polarization mode dispersion vectors are also presented. We perform a deep analysis of polarization control, where we present a method to deterministically calculate the fiber-coil based polarization controller configuration of each wave plate, in order to transform between an arbitrary input state of polarization and a specified output state of polarization. We also present an analytical model capable of describing the state of polarization evolution resulting from the concatenation of several fiber-coil based polarization controllers, assuming random an independent orientation for each wave plate. The results show that as the number of polarization controllers increases the distribution of the polarization over the Poincaré sphere tends to a uniform scattering. A comparison between the different polarization mode dispersion emulators is presented. Finally we use our analytical model of uniform polarization scattering to design a new polarization mode dispersion emulator, consisting in the concatenation of several polarization maintaining fiber sections and performing a uniform scattering of polarization between each adjacent fiber sections. We show that using polarization controllers to uniform scatter the polarization between sections first and second-order polarization mode dispersion is well emulated.