Estudo e aplicação de amplificadores ópticos para suporte a redes banda larga

Abstract

Esta tese tem como foco principal a análise dos principais tipos de amplificação óptica e algumas de suas aplicações em sistemas de comunicação óptica. Para cada uma das tecnologias abordadas, procurou-se definir o estado da arte bem como identificar as oportunidades de desenvolvimento científico relacionadas. Os amplificadores para os quais foi dirigido alguma atenção neste documento foram os amplificadores em fibra dopada com Érbio (EDFA), os amplificadores a semicondutor (SOA) e os amplificadores de Raman (RA). Este trabalho iniciou-se com o estudo e análise dos EDFA’s. Dado o interesse científico e económico que estes amplificadores têm merecido, apenas poucos nichos de investigação estão ainda em aberto. Dentro destes, focá-mo-nos na análise de diferentes perfis de fibra óptica dopada de forma a conseguir uma optimização do desempenho dessas fibras como sistemas de amplificação. Considerando a fase anterior do trabalho como uma base de modelização para sistemas de amplificação com base em fibra e dopantes, evoluiu-se para amplificadores dopados mas em guias de onda (EDWA). Este tipo de amplificador tenta reduzir o volume físico destes dispositivos, mantendo as suas características principais. Para se ter uma forma de comparação de desempenho deste tipo de amplificador com os amplificadores em fibra, foram desenvolvidos modelos de caixa preta (BBM) e os seus parâmetros afinados por forma a termos uma boa modelização e posterior uso deste tipo de amplificiadores em setups de simulação mais complexos. Depois de modelizados e compreendidos os processo em amplificadores dopados, e com vista a adquirir uma visão global comparativa, foi imperativo passar pelo estudo dos processos de amplificação paramétrica de Raman. Esse tipo de amplificação, sendo inerente, ocorre em todas as bandas de propagação em fibra e é bastante flexível. Estes amplificadores foram inicialmente modelizados, e algumas de suas aplicações em redes passivas de acesso foram estudadas. Em especial uma série de requisitos, como por exemplo, a gama de comprimentos de onda sobre os quais existem amplificação e os altos débitos de perdas de inserção, nos levaram à investigação de um processo de amplificação que se ajustasse a eles, especialmente para buscar maiores capacidades de amplificação (nomeadamente longos alcances – superiores a 100 km – e altas razões de divisão – 1:512). Outro processo investigado foi a possibilidade de flexibilização dos parâmetros de comprimento de onda de ganho sem ter que mudar as caractísticas da bomba e se possível, mantendo toda a referenciação no transmissor. Este processo baseou-se na técnica de clamping de ganho já bastante estudada, mas com algumas modificações importantes, nomeadamente a nível do esquema (reflexão apenas num dos extremos) e da modelização do processo. O processo resultante foi inovador pelo recurso a espalhamentos de Rayleigh e Raman e o uso de um reflector de apenas um dos lados para obtenção de laser. Este processo foi modelizado através das equações de propagação e optimizado, tendo sido demonstrado experimentalmente e validado para diferentes tipos de fibras. Nesta linha, e dada a versatilidade do modelo desenvolvido, foi apresentada uma aplicação mais avançada para este tipo de amplificadores. Fazendo uso da sua resposta ultra rápida, foi proposto e analisado um regenerador 2R e analisada por simulação a sua gama de aplicação tendo em vista a sua aplicação sistémica. A parte final deste trabalho concentrou-se nos amplificadores a semiconductor (SOA). Para este tipo de amplificador, os esforços foram postos mais a nível de aplicação do que a nível de sua modelização. As aplicações principais para estes amplificadores foram baseadas em clamping óptico do ganho, visando a combinação de funções lógicas essenciais para a concepção de um latch óptico com base em componentes discretos. Assim, com base num chip de ganho, foi obtido uma porta lógica NOT, a qual foi caracterizada e demonstrada experimentalmente. Esta foi ainda introduzida num esquema de latching de forma a produzir um bi-estável totalmente óptico, o qual também foi demonstrado e caracterizado. Este trabalho é finalizado com uma conclusão geral relatando os subsistemas de amplificação e suas aplicacações.

This thesis focuses on the analysis of the most common types of optic amplification subsystems and some of its applications in the field of optical communications. For each of the analyzed technologies, the state of the art was defined with the aim of identifying the related opportunities for scientific development. In this document we have directed our attention to amplifiers in Erbium doped fiber amplifiers (EDFA), semiconductor optical amplifiers (SOA) and the Raman amplifiers (RA). The first target, among the above mentioned choices was the study and analysis of the EDFAs. Given the scientific and economic interest that these amplifiers have deserved during the last two decades, only some research niches are still open. Within these, our analysis was directed to the different doped optical fiber profiles, aiming at obtaining an optimization of the performance as core of this type of amplification systems. Proceeding from this study, the modeling waveguides doped with erbium (EDWA) was also pursued. This type of amplifier aims at reducing the physical volume, however keeping the main characteristics EDF based characteristics (high gain, low noise, etc). The method used for achieving performance characterization on comparison was the black box models (BBM). These model parameters were optimized to obtain a good fitting to the existing samples and allowing its usage in more complex setups. Following, the processes of parametric Raman amplification was studied. This type of amplification, being inherent to fiber (under certain conditions), occurs in any wavelength and is flexible enough to allow overlap by multiple pumping. These amplifiers had been modeled, and some of their applications in passive access optical networks had been developed and presented. Specific and highly demanding requirements were put in the designed amplification system in order to allow exploitation of the most of the capabilities of the amplification system (namely long reach, up to 100 km, and high splitting ratio 1:512). The single sided clamping was modeled and the results of an optimized solution presented and validated by means of experiments. The innovation introduced was the usage of the Rayleigh and double Rayleigh backscattering, when above lasing thresholds, controlled by a single ended reflector in order to produce gain shifting, and allowing ultra high bandwidth. This process was modeled, validated and optimized for several fiber types. With the attained model it was possible to derive several other applications. E.g. due to the ultra fast response of the Raman process, was considered and studied a 2R regenerator based on Raman assisted amplification. . viii The final study devoted efforts to semiconductor optical amplifiers (SOA). For this type of amplifier, the focus was driven to the applications either than deep modeling. The studied applications, in this case were on gain clamped devices, targeting the alloptical essential logical functions (e.g. NOT) for the development of an optical latch based on off-the-Shelf components. Thus, based on a gain chip, a logic NOT gate was obtained, and characterized experimentally. This logic gate was introduced in a scheme of a latch in order to produce an all optical bi-stable, also demonstrated and characterized. This work is finalized with general conclusions relating amplification subsystems and their applications.