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

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.

Alternative techniques for Raman amplification in telecommunications

O presente trabalho centra-se no estudo dos amplificadores de Raman em fibra ótica e suas aplicações em sistemas modernos de comunicações óticas. Abordaram-se tópicos específicos como a simulação espacial do amplificador de Raman, a equalização e alargamento do ganho, o uso de abordagens híbridas de amplificação através da associação de amplificadores de Raman em fibra ótica com amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFA) e os efeitos transitórios no ganho dos amplificadores. As actividades realizadas basearam-se em modelos teóricos, sendo os resultados validados experimentalmente. De entre as contribuições mais importantes desta tese, destaca-se (i) o desenvolvimento de um simulador eficiente para amplificadores de Raman que suporta arquitecturas de bombeamento contraprogantes e bidirecionais num contexto com multiplexagem no comprimento de onda (WDM); (ii) a implementação de um algoritmo de alocação de sinais de bombeamento usando a combinação do algoritmo genético com o método de Nelder- Mead; (iii) a apreciação de soluções de amplificação híbridas por associação dos amplificadores de Raman com EDFA em cenários de redes óticas passivas, nomeadamente WDM/TDM-PON com extensão a região espectral C+L; e (iv) a avaliação e caracterização de fenómenos transitórios em amplificadores para tráfego em rajadas/pacotes óticos e consequente desenvolvimento de soluções de mitigação baseadas em técnicas de clamping ótico.

All-optical processing systems based on semiconductor optical amplifiers

Nesta tese investigam-se e desenvolvem-se dispositivos para processamento integralmente óptico em redes com multiplexagem densa por divisão no comprimento de onda (DWDM). O principal objectivo das redes DWDM é transportar e distribuir um espectro óptico densamente multiplexado com sinais de débito binário ultra elevado, ao longo de centenas ou milhares de quilómetros de fibra óptica. Estes sinais devem ser transportados e encaminhados no domínio óptico de forma transparente, sem conversões óptico-eléctrico-ópticas (OEO), evitando as suas limitações e custos. A tecnologia baseada em amplificadores ópticos de semicondutor (SOA) é promissora graças aos seus efeitos não-lineares ultra-rápidos e eficientes, ao potencial para integração, reduzido consumo de potência e custos. Conversores de comprimento de onda são o elemento óptico básico para aumentar a capacidade da rede e evitar o bloqueio de comprimentos de onda. Neste trabalho, são estudados e analisados experimentalmente métodos para aumentar a largura de banda operacional de conversores de modulação cruzada de ganho (XGM), a fim de permitir a operação do SOA para além das suas limitações físicas. Conversão de um comprimento de onda, e conversão simultânea de múltiplos comprimentos de onda são testadas, usando interferómetros de Mach-Zehnder com SOA. As redes DWDM de alto débito binário requerem formatos de modulação optimizados, com elevada tolerância aos efeitos nefastos da fibra, e reduzida ocupação espectral. Para esse efeito, é vital desenvolver conversores integramente ópticos de formatos de modulação, a fim de permitir a interligação entre as redes já instaladas, que operam com modulação de intensidade, e as redes modernas, que utilizam formatos de modulação avançados. No âmbito deste trabalho é proposto um conversor integralmente óptico de formato entre modulação óptica de banda lateral dupla e modulação óptica de banda lateral residual; este é caracterizado através de simulação e experimentalmente. Adicionalmente, é proposto um conversor para formato de portadora suprimida, através de XGM e modulação cruzada de fase. A interligação entre as redes de transporte com débito binário ultra-elevado e as redes de acesso com débito binário reduzido requer conversão óptica de formato de impulso entre retorno-a-zero (RZ) e não-RZ. São aqui propostas e investigadas duas estruturas distintas: uma baseada em filtragem desalinhada do sinal convertido por XGM; uma segunda utiliza as dinâmicas do laser interno de um SOA com ganho limitado (GC-SOA). Regeneração integralmente óptica é essencial para reduzir os custos das redes. Dois esquemas distintos são utilizados para regeneração: uma estrutura baseada em MZI-SOA, e um método no qual o laser interno de um GC-SOA é modulado com o sinal distorcido a regenerar. A maioria dos esquemas referidos é testada experimentalmente a 40 Gb/s, com potencial para aplicação a débitos binários superiores, demonstrado que os SOA são uma tecnologia basilar para as redes ópticas do futuro.

Optical fiber sensing using quantum dots

Recent advances in the application of semiconductor nanocrystals, or quantum dots, as biochemical sensors are reviewed. Quantum dots have unique optical properties that make them promising alternatives to traditional dyes in many luminescence based bioanalytical techniques. An overview of the more relevant progresses in the application of quantum dots as biochemical probes is addressed. Special focus will be given to configurations where the sensing dots are incorporated in solid membranes and immobilized in optical fibers or planar waveguide platforms.

Optical fiber accelerometer system for structural dynamic monitoring

In this study, the implementation of an optical accelerometer unit based on fiber Bragg gratings, suitable to monitor structures with frequencies up to 45 Hz, is reported. The developed optical system was used to estimate the structure eigenfrequencies of a steel footbridge, with a total length of 300 m, over the Sao Pedro Creek, located at University of Aveiro Campus, in Portugal. The acceleration records measured with this solution are compared with those obtained by traditional commercial electronic devices, revealing a root-mean-square error of 2.53 x 10(-5) G.

Polarization effects in fiber-optic communication systems

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.

Fiber optic sensors for the biomechanical study of the intervertebral disc

O presente trabalho teve como objetivo principal estudar o comportamento mecânico do disco intervertebral recorrendo a sensores em fibra ótica. Na expetativa de efetuar o melhor enquadramento do tema foi efetuada uma revisão exaustiva das várias configurações de sensores em fibra ótica que têm vindo a ser utilizadas em aplicações biomédicas e biomecânicas, nomeadamente para medição de temperatura, deformação, força e pressão. Nesse âmbito, procurou-se destacar as potencialidades dos sensores em fibra ótica e apresentá-los como uma tecnologia alternativa ou até de substituição das tecnologias associadas a sensores convencionais. Tendo em vista a aplicação de sensores em fibra ótica no estudo do comportamento do disco intervertebral efetuou-se também uma revisão exaustiva da coluna vertebral e, particularmente, do conceito de unidade funcional. A par de uma descrição anatómica e funcional centrada no disco intervertebral, vértebras adjacentes e ligamentos espinais foram ainda destacadas as suas propriedades mecânicas e descritos os procedimentos mais usuais no estudo dessas propriedades. A componente experimental do presente trabalho descreve um conjunto de experiências efetuadas com unidades funcionais cadavéricas utilizando sensores convencionais e sensores em fibra ótica com vista à medição da deformação do disco intervertebral sob cargas compressivas uniaxiais. Inclui ainda a medição in vivo da pressão intradiscal num disco lombar de uma ovelha sob efeito de anestesia. Para esse efeito utilizou-se um sensor comercial em fibra ótica e desenvolveu-se a respetiva unidade de interrogação. Finalmente apresenta-se os resultados da investigação em curso que tem como objetivo propor e desenvolver protótipos de sensores em fibra ótica para aplicações biomédicas e biomecânicas. Nesse sentido, são apresentadas duas soluções de sensores interferométricos para medição da pressão em fluídos corporais.

Fiber-optic components for optical communicatios and sensing

Nos últimos anos, a Optoelectrónica tem sido estabelecida como um campo de investigação capaz de conduzir a novas soluções tecnológicas. As conquistas abundantes no campo da óptica e lasers, bem como em comunicações ópticas têm sido de grande importância e desencadearam uma série de inovações. Entre o grande número de componentes ópticos existentes, os componentes baseados em fibra óptica são principalmente relevantes devido à sua simplicidade e à elevada de transporte de dados da fibra óptica. Neste trabalho foi focado um destes componentes ópticos: as redes de difracção em fibra óptica, as quais têm propriedades ópticas de processamento únicas. Esta classe de componentes ópticos é extremamente atraente para o desenvolvimento de dispositivos de comunicações ópticas e sensores. O trabalho começou com uma análise teórica aplicada a redes em fibra e foram focados os métodos de fabricação de redes em fibra mais utilizados. A inscrição de redes em fibra também foi abordado neste trabalho, onde um sistema de inscrição automatizada foi implementada para a fibra óptica de sílica, e os resultados experimentais mostraram uma boa aproximação ao estudo de simulação. Também foi desenvolvido um sistema de inscrição de redes de Bragg em fibra óptica de plástico. Foi apresentado um estudo detalhado da modulação acústico-óptica em redes em fibra óptica de sílica e de plástico. Por meio de uma análise detalhada dos modos de excitação mecânica aplicadas ao modulador acústico-óptico, destacou-se que dois modos predominantes de excitação acústica pode ser estabelecidos na fibra óptica, dependendo da frequência acústica aplicada. Através dessa caracterização, foi possível desenvolver novas aplicações para comunicações ópticas. Estudos e implementação de diferentes dispositivos baseados em redes em fibra foram realizados, usando o efeito acústico-óptico e o processo de regeneração em fibra óptica para várias aplicações tais como rápido multiplexador óptico add-drop, atraso de grupo sintonizável de redes de Bragg, redes de Bragg com descolamento de fase sintonizáveis, método para a inscrição de redes de Bragg com perfis complexos, filtro sintonizável para equalização de ganho e filtros ópticos notch ajustáveis.

Characterization of RSOA modulators in radio over fiber links

In this work physical and behavioral models for a bulk Reflective Semiconductor Optical Amplifier (RSOA) modulator in Radio over Fiber (RoF) links are proposed. The transmission performance of the RSOA modulator is predicted under broadband signal drive. At first, the simplified physical model for the RSOA modulator in RoF links is proposed, which is based on the rate equation and traveling-wave equations with several assumptions. The model is implemented with the Symbolically Defined Devices (SDD) in Advanced Design System (ADS) and validated with experimental results. Detailed analysis regarding optical gain, harmonic and intermodulation distortions, and transmission performance is performed. The distribution of the carrier and Amplified Spontaneous Emission (ASE) is also demonstrated. Behavioral modeling of the RSOA modulator is to enable us to investigate the nonlinear distortion of the RSOA modulator from another perspective in system level. The Amplitude-to-Amplitude Conversion (AM-AM) and Amplitude-to-Phase Conversion (AM-PM) distortions of the RSOA modulator are demonstrated based on an Artificial Neural Network (ANN) and a generalized polynomial model. Another behavioral model based on Xparameters was obtained from the physical model. Compensation of the nonlinearity of the RSOA modulator is carried out based on a memory polynomial model. The nonlinear distortion of the RSOA modulator is reduced successfully. The improvement of the 3rd order intermodulation distortion is up to 17 dB. The Error Vector Magnitude (EVM) is improved from 6.1% to 2.0%. In the last part of this work, the performance of Fibre Optic Networks for Distributed and Extendible Heterogeneous Radio Architectures and Service Provisioning (FUTON) systems, which is the four-channel virtual Multiple Input Multiple Output (MIMO), is predicted by using the developed physical model. Based on Subcarrier Multiplexing (SCM) techniques, four-channel signals with 100 MHz bandwidth per channel are generated and used to drive the RSOA modulator. The transmission performance of the RSOA modulator under the broadband multi channels is depicted with the figure of merit, EVM under di erent adrature Amplitude Modulation (QAM) level of 64 and 254 for various number of Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) subcarriers of 64, 512, 1024 and 2048.