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.

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.

Qualidade do processo de supervisão da investigação doutoral - desenho de um referencial para a sua avaliação e monitorização

Face à existência de um vazio teórico-conceptual e empírico no contexto investigativo português no que concerne à supervisão da investigação doutoral, este trabalho visa contribuir para a compreensão integrada deste fenómeno. Especificamente, com este estudo pretendemos construir um referencial de qualidade do processo de supervisão da investigação doutoral, em particular na ‘corporização’ dos perfis de qualidade dos dois mais importantes intervenientes - supervisores e estudantes de doutoramento – pela identificação de competências transversais às mais variadas áreas disciplinares. Desta forma, será possível desenhar-se, num futuro próximo, não só recomendações a nível institucional de índole mais praxiológica, como também um processo de avaliação e de monitorização adequado. Tendo em consideração o contexto português e o objetivo central do estudo, foram revisitados (i) discursos da política educativa de Ensino Superior de âmbito europeu e (ii) discursos fundamentados na investigação de índole internacional. Ambos permitiram contextualizar o fenómeno, perceber as tendências existentes, sintetizar as contribuições de variados referenciais e modelos existentes, e planear, em específico, a investigação, particularmente em termos de recolha de dados. A investigação, predominantemente de cariz qualitativo, foi conduzida na Universidade de Aveiro, tendo sido seguido o método de estudo de caso: baseou-se nas ‘vozes’ de supervisores e estudantes de doutoramento desta instituição relativamente ao que deve estar presente no processo de supervisão de investigação doutoral. A recolha de dados iniciou-se com entrevistas semiestruturadas, de âmbito exploratório, a especialistas em supervisão pedagógica - o tema semântica e epistemologicamente mais próximo do fenómeno em estudo. Foi realizada, pois, uma primeira aproximação ao ‘terreno’ a nível nacional e foram depuradas as dimensões que deveriam estar presentes no instrumento de recolha de dados do momento subsequente. Em seguida, foram realizados focus groups com supervisores e estudantes de doutoramento da Universidade de Aveiro. As conceções partilhadas em grupo puderam ser categorizadas segundo (i) o enquadramento do processo supervisivo e investigativo de doutoramento, nomeadamente no que concerne à natureza e ao valor do doutoramento atribuídos pelos participantes, assim como ao processo de transformação que experienciam; (ii) a qualidade do processo supervisivo e investigativo de doutoramento, consoante aspectos intrínsecos, dos quais se ressalta o perfil desejável de qualidade do supervisor e do estudante, pela identificação de um conjunto de competências fulcrais, e aspectos extrínsecos aos indivíduos; e (iii) os problemas do processo supervisivo e investigativo de doutoramento, considerando, novamente, aspectos intrínsecos e extrínsecos aos indivíduos. O último momento de recolha de dados foi realizado através da aplicação de questionários a supervisores e estudantes da Universidade de Aveiro. Assim, foi possível debruçarmo-nos especificamente sobre os perfis de qualidade de estudantes e supervisores. As competências integradas nos questionários foram provenientes dos resultados dos focus groups, tendo sido consideradas as mais importantes. Nos questionários foi solicitado aos respondentes que revelassem o seu grau de concordância relativamente às competências que deveriam fazer parte dos perfis de qualidade. Foi, então, possível proceder a uma análise e reflexão sobre o estabelecimento de uma hierarquia de competências, numa tentativa de depurar os perfis de qualidade dos elementos da díade supervisiva. Assim, conclui-se que há variáveis que podem influenciar o estabelecimento dessa hierarquia, reforçando que o processo supervisivo, quando refletido, avaliado e monitorizado, deve considerar diversos ‘contextos’ que o poderão influenciar. Todavia, há um conjunto de competências que parecem ‘isentas’ de influências, apesar de serem necessários estudos mais aprofundados para esclarecer esta assunção. Face a todo o percurso investigativo, apresenta-se, no final, um referencial de qualidade integrado e sistematizado, considerando o enquadramento teórico e o estudo empírico, assim como um sistema articulado de competências referente aos perfis de qualidade que supervisores e estudantes de doutoramento devem demonstrar e desenvolver.

Multi-standard reconfigurable wireless transmitter architectures

The continuous demand for highly efficient wireless transmitter systems has triggered an increased interest in switching mode techniques to handle the required power amplification. The RF carrier amplitude-burst transmitter, i.e. a wireless transmitter chain where a phase-modulated carrier is modulated in amplitude in an on-off mode, according to some prescribed envelope-to-time conversion, such as pulse-width or sigma-delta modulation, constitutes a promising architecture capable of efficiently transmitting signals of highly demanding complex modulation schemes. However, the tested practical implementations present results that are way behind the theoretically advanced promises (perfect linearity and efficiency). My original contribution to knowledge presented in this thesis is the first thorough study and model of the power efficiency and linearity characteristics that can be actually achieved with this architecture. The analysis starts with a brief revision of the theoretical idealized behavior of these switched-mode amplifier systems, followed by the study of the many sources of impairments that appear when the real system is implemented. In particular, a special attention is paid to the dynamic load modulation caused by the often ignored interaction between the narrowband signal reconstruction filter and the usual single-ended switched-mode power amplifier, which, among many other performance impairments, forces a two transistor implementation. The performance of this architecture is clearly explained based on the presented theory, which is supported by simulations and corresponding measured results of a fully working implementation. The drawn conclusions allow the development of a set of design rules for future improvements, one of which is proposed and verified in this thesis. It suggests a significant modification to this traditional architecture, where now the phase modulated carrier is always on – and thus allowing a single transistor implementation – and the amplitude is impressed into the carrier phase according to a bi-phase code.