Departamento de Engenharia Elétrica …...Departamento de Engenharia Elétrica Figura 4: Curva de saturação típica de um SOA. Até certo valor da potência, o ganho permanece constante

Departamento de Engenharia Elétrica

AMPLIFICAÇÃO DE PULSO ÓPTICO ATRAVÉS DE

MULTIPLEXAÇÃO POR DIVISÃO DE POLARIZAÇÃO NO TEMPO

Aluno: Marcelo Moraes Resende

Orientador: Jean Pierre Von Der Weid

Co-Orientador: Gustavo Castro do Amaral

Introdução

Fibras ópticas têm sido utilizadas nas telecomunicações desde a década de 70 [1].

Dentre as vantagens apresentadas por essa tecnologia estão altas taxas de transmissão, em

comparação com a propagação por radiofrequência, baixas perdas de transmissão, além de

baixa interferência [2]. Devido a isso, redes de comunicações ópticas são cada vez mais

comuns e têm sido implementadas por diversas empresas do ramo de telecomunicações.

Para um bom funcionamento das redes de comunicações ópticas, diversos

dispositivos foram desenvolvidos, dentre os quais se destacam os amplificadores ópticos,

capazes de elevar a potência de uma fonte óptica (um LASER ou um LED). Eles são

usados, por exemplo, para restaurar a potência de um sinal que tenha sido atenuado abaixo

da potência necessária para sua detecção [3].

Uma das principais limitações de um amplificador óptico é seu limite de saturação,

que se deve, como explicaremos adiante, ao esgotamento dos elétrons disponíveis para

emissão estimulada. O projeto por nós desenvolvido e que será aqui explicado consiste em

um arranjo capaz de superar o limite de saturação de um SOA, amplificando uma fonte

óptica coerente, em regime pulsado, acima da capacidade do SOA utilizado [4]. Para isso,

um pulso óptico é dividido em diversos pulsos, com diferentes estados de polarização e

defasagens. Esses pulsos são amplificados separadamente e então recombinados. Para

demonstrar a aplicabilidade da montagem realizada, ela foi testada em conjunto com um

OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer) por contagem de fótons, visando aumentar o

seu alcance dinâmico.

Aspectos Teóricos

A. Polarização da luz e controladores de polarização

Podemos decompor o campo elétrico de uma onda transversa em dois eixos de

polarização ortogonais, cada um deles se comportando como uma onda senoidal. As

amplitudes das ondas em cada eixo, bem como a diferença entre suas fases determinará a

polarização da onda [2], ou seja, o desenho traçado pelo vetor campo elétrico no plano

perpendicular à sua propagação, tal como mostrado na Figura 1. Portanto, a polarização é

uma propriedade de ondas eletromagnéticas que revela como a direção do vetor campo

elétrico se modifica no tempo. Se ela variar randomicamente no tempo, a luz é dita

despolarizada. Caso contrário, ela é dita polarizada. Um caso especial ocorre quando a

direção do campo é constante no tempo, quando a onda é dita linearmente polarizada.


Figura 1: Onda TEM decomposta em duas componentes ortogonais. O vetor campo

elétrico em um plano perpendicular à direção de propagação é mostrado em preto. Percebe-

se que ele descreve um círculo conforme o tempo avança, ou seja, estamos diante de

polarização circular.

Em diversas aplicações é necessário que a luz em uma fibra óptica esteja polarizada

em certa direção. Dispositivos conhecidos como PCs (Polarization Controllers) permitem

ajustar o estado de polarização da luz e são usados com esse objetivo. O tipo de controlador

de polarização que utilizamos em nosso experimento é chamado “Mickey” ou manual por

torção. Seu funcionamento explora o fato de que, ao se dobrar uma fibra, sua

birrefringência (a propriedade de uma fibra óptica de exibir índices de refração diferentes

em eixos diferentes) se altera e quanto menor o raio de curvatura, maior será o grau de

birrefringência [5]. Isso altera a diferença de fases entre as componentes ortogonais do

campo elétrico, alterando a polarização. Em um “Mickey”, três enrolamentos são postos em

sequência, podendo ser rotacionados ao redor do eixo longitudinal da fibra. Ajustando-os, é

possível transformar a polarização da luz incidente em qualquer outro estado de

polarização.

B. Polarizing Beam Splitter (PBS)

Um dispositivo de extrema relevância na área de óptica é o beam splitter, capaz de

dividir a luz que entra por ele em dois ou mais feixes, que podem ou não ter a mesma

potência. Um tipo especial de beam splitter é o PBS, mostrado na Figura 2. Ele é

constituído por um cubo com um espelho interior que possui um certo grau de

birrefringência. A luz, ao incidir sobre esse espelho, é dividida em dois feixes de

polarizações ortogonais entre si, um dos quais será transmitido e outro refletido [6].

Figura 2: Funcionamento de um PBS


Esse dispositivo terá importância fundamental em nosso setup experimental, na

medida em que permitirá realizar a multiplexação de um pulso por divisão de polarização.

Os PBSs utilizados possuem duas entradas, que chamaremos de 1 e 2, e duas saídas, que

chamaremos de R e T. Perceba que a polarização que sai nas portas R e T depende de qual

das entradas a potência óptica está sendo inserida. Se, na Figura 2, tivéssemos usado a outra

entrada (a face inferior do cubo), as polarizações nas portas R e T seriam trocadas.

C. SOA

Um SOA (semiconductor optical amplifier) é um tipo de amplificador óptico, que

eleva a potência da radiação que incide sobre ele a partir do processo de emissão

estimulada. Para melhor entender isso, devemos compreender como se dão os três

processos básicos de interação luz-matéria, mostrados na Figura 3. Quando um fóton incide

sobre um material semicondutor, um elétron é capaz de absorver sua energia, saltando para

um nível de energia mais excitado, como em (a). Em geral, esse não é um estado estável, de

modo que o elétron voltará após certo tempo de forma espontânea para o estado menos

energético, emitindo um fóton no processo, tal qual em (b). Em (c), ocorre a chamada

emissão estimulada, na qual um fóton incidente num meio de ganho estimula um elétron

em um estado excitado a decair para o seu estado fundamental, emitindo um fóton de

mesma fase, frequência e polarização que o primeiro, diferentemente do que ocorre com a

emissão espontânea, na qual o fóton emitido possui uma fase aleatória [2].

Figura 3: Três processos possíveis para a interação luz-matéria: (a) Absorção; (b)

Emissão Espontânea; (c) Emissão Estimulada.

A radiação incidente num SOA, portanto, inicia um processo de emissão estimulada,

que levará à emissão de fótons “clones” dos primeiros e amplificará a potência óptica,

desde que se cumpra a condição de inversão da população, segundo a qual a população no

estado de energia excitado deve ser maior que aquela no estado menos energético. Isso

porque fótons incidentes no material podem também ser absorvidos por ele. Para que a taxa

de emissão estimulada supere a taxa de absorção, deve-se fornecer ao SOA uma corrente

elétrica. É a injeção de elétrons no material que fornecerá a condição de inversão de

população necessária, em um SOA.

Uma curva típica do ganho em função da potência de entrada de um SOA é mostrada

na Figura 4. Na medida em que a potência de entrada aumenta, menos elétrons localizados

no estado excitado (banda de condução) estarão disponíveis para realizar a emissão

estimulada, pois muitos já decaíram para a banda de valência e daí foram levados para fora

da região de depleção da junção pn [2]. Assim, chega-se eventualmente a uma região de

saturação, na qual aumentar a potência da entrada não afetará a potência na saída do

dispositivo.


Figura 4: Curva de saturação típica de um SOA. Até certo valor da potência, o ganho

permanece constante e igual G0. A partir daí, o SOA começa a saturar. Quando a potência

de entrada é muito alta, o ganho passa a ser unitário (0 dB).

Um fenômeno importante em qualquer amplificador óptico é a ASE (amplified

spontaneous emission), que se origina do fenômeno de emissão espontânea de elétrons e

buracos. Os fótons assim emitidos também serão amplificados no meio de ganho,

acrescentando ruído na saída do dispositivo. Tal ruído possui uma largura espectral maior

do que a da emissão estimulada, o que pode introduzir potência em comprimentos de onda

indesejados.

Montagem Experimental

A. Funcionamento geral

A montagem elaborada está mostrada na Figura 5. Os pulsos emitidos pela fonte

óptica se dirigem à porta 1 de um circulador de três portas. Nesse dispositivo, o sinal que

entra em uma porta sai pela porta seguinte, ou seja, se um sinal óptico entra na porta 1,

então ele sai pela porta 2, e se entra na porta 2, ele sai pela porta 3. É importante notar que

um sinal que entre na porta 3 não sairá pela 1.

Na porta 2 do circulador é colocado um PBS (Polarization Beam Splitter). O pulso

óptico, ao chegar nesse dispositivo, é dividido em dois outros pulsos de polarizações

ortogonais e de mesma amplitude, dos quais um será transmitido imediatamente ao SOA

(chamaremos esse pulso de “adiantado”) e o outro (pulso “atrasado”) será refletido,

passando por uma fibra óptica (OD1, do inglês optical delay line) e reentrando no PBS pela

porta 2. Enfim, o pulso atrasado sai do PBS em direção ao SOA, adquirindo uma

defasagem em relação ao pulso adiantado.


Figura 5: Diagrama de blocos da montagem experimental para amplificação de pulsos

ópticos além da saturação do SOA, utilizando-se de um único PBS.

Um PC (Polarization Controller) é posto antes do PBS, para assegurar que o pulso

em sua entrada esteja polarizado a 45° (tomando como referência os eixos de polarização

do PBS), de modo que os componentes ortogonais tenham a mesma amplitude, e outro após

OD1, para que a polarização do pulso atrasado na reentrada no PBS seja a mesma que

entrou em OD1 (o que garante que o pulso atrasado será retransmitido para o SOA após

entrar na porta 2 do PBS, ao invés de passar novamente pela OD1). O DDG (Digital Delay

Generator), cujo funcionamento será melhor explicado em uma seção posterior, é ajustado

para acionar o SOA nos momentos exatos em que os pulsos adiantado e atrasado passam

por ele. Portanto, a linha de atraso OD1 deve ter um comprimento suficiente para que a

defasagem entre ambos os pulsos seja maior que o tempo de recuperação de ganho do SOA

e que a resolução do DDG.

Os pulsos assim amplificados precisam agora ser recombinados, formando

novamente um único pulso, com o dobro da potência de cada um deles. Para isso, utiliza-se

um espelho de Faraday conectado na saída do SOA. Este dispositivo troca as polarizações

dos pulsos atrasado e adiantado entre si, de modo que se um pulso era polarizado

horizontalmente, ele será refletido com polarização vertical e vice-versa. Uma vez que os

estados de polarização dos pulsos foram trocados pelo espelho de Faraday, os pulsos agora

irão percorrer um caminho diverso daquele percorrido quando foram em direção ao SOA,

isto é, o pulso adiantado irá percorrer a linha OD1 e o atrasado passará direto pelo PBS.

Assim, os percursos ópticos dos dois pulsos são igualados, realizando-se a demultiplexação

do sinal, ou seja, os dois pulsos de polarizações ortogonais entre si são recombinados e um

único pulso retorna à porta 2 do circulador. Na porta 3, obtemos este pulso amplificado, que

pode ser agora usado em alguma aplicação na qual se deseje maior potência óptica. Por

exemplo, podemos conectar a saída do arranjo em um OTDR por contagem de fótons,

aumentando o alcance dinâmico do mesmo, como será mais bem explicado adiante.

Cabem aqui duas observações. A primeira é que o DDG foi ajustado para acionar o

SOA também no percurso de volta dos pulsos polarizados ortogonalmente entre si, após

sofrerem reflexão no espelho de Faraday. Em outras palavras, o SOA é acionado quatro

vezes no arranjo experimental acima: duas vezes quando os dois pulsos passam em direção

ao espelho de Faraday, uma para cada pulso; e outras duas após eles serem refletidos no

espelho. A segunda observação é que se o pulso adiantado, ao ser refletido pelo espelho de

Faraday, retornar ao SOA no mesmo momento em que o pulso atrasado estiver passando

por ele, no percurso contrário, o SOA não amplificará propriamente. Ao mesmo tempo,

após a passagem do pulso atrasado pelo SOA, o pulso adiantado deve esperar o tempo de


recuperação de ganho antes de retornar a ele. Assim, entre o SOA e o espelho de Faraday,

deve ser posta uma fibra óptica para formar outra linha de atraso.

B. Funcionamento sob saturação do SOA

A montagem foi idealizada para operar na região de saturação do amplificador. Desse

modo, após a segunda passagem pelo SOA, ambos os pulsos devem estar com uma

potência igual à da saturação do SOA, como mostrado na Figura 5. Como resultado, após a

demultiplexação, o sinal que volta à porta 2 do circulador consiste em apenas um pulso,

com o dobro da potência de saturação do amplificador. Portanto, o arranjo elaborado

permite um ganho de 3 dB acima da potência de saturação do amplificador utilizado.

Podemos adicionar nessa montagem outros PBSs em série. Para cada um deles, um

ganho adicional de 3 dB acima da saturação deve ser idealmente alcançado. Por exemplo,

com dois PBSs (e suporemos aqui, para efeitos de exemplificação, que os eixos de

polarização dos dois PBSs estejam nas direções horizontal e vertical), o pulso proveniente

da fonte óptica será dividido em dois componentes ortogonais no primeiro PBS, um

horizontal e outro vertical. Em seguida, esses dois componentes devem passar por outro

PC, que rotacionará o eixo de polarização dos pulsos para que façam 45° com os eixos de

polarização do segundo PBS. Desse modo, o pulso adiantado (suponhamos horizontal) será

dividido em dois outros componentes, um vertical e outro horizontal, o mesmo ocorrendo

com o pulso atrasado, vertical. Ao fim, passam pelo SOA quatro pulsos, dois com

polarização horizontal e dois com polarização vertical, cada um sendo amplificado até a

saturação do dispositivo. Conclui-se que a potência do pulso recombinado, na saída da

porta 3 do circulador, será quatro vezes superior (6 dB acima) à capacidade de saturação do

SOA. Essa discussão é resumida na Figura 6.

Figura 6: Diagrama de blocos da montagem experimental para amplificação de pulsos

ópticos além da saturação do SOA, utilizando-se de dois PBS. Para cada pulso na

montagem, é mostrada também sua polarização

Na prática, as perdas na montagem (especialmente aquelas relacionadas às perdas de

inserção no PBS e no circulador óptico, conforme mostraremos na seção “Resultados”)

limitarão o ganho alcançado a um valor inferior a 3 dB por PBS.

C. Funcionamento na região linear do SOA

Quando operado sob saturação, o número de fótons entrando no SOA é

aproximadamente igual ao número de elétrons na banda de valência do meio de ganho, de


modo que esses elétrons decairão no processo de emissão estimulada. Sobram poucos

elétrons para recombinação espontânea de elétrons e buracos e, portanto, o fenômeno de

ASE é pequeno ou mesmo inexistente. O mesmo não ocorre quando se opera na região

linear do SOA, na qual os elétrons que não decaem estimulados pelos fótons do sinal óptico

estão disponíveis para emissão espontânea.

A ASE não é desejada por dois motivos principais. Primeiramente, a potência gerada

pela ASE está dispersa em um espectro largo de frequências, sendo que, em geral, trabalha-

se com uma faixa pequena ao redor de certo comprimento de onda desejado (em nosso

experimento, 1550 nm). Essa questão pode ser resolvida utilizando-se um WDM [2] na

saída da montagem experimental. Tal dispositivo funciona como um filtro nesse caso,

eliminando a parcela de ASE localizadas em comprimentos de onda diferentes do desejado.

No entanto, a parcela remanescente, não filtrada pelo WDM por estar ao redor de

1550 nm, traz outro problema. Por se tratar de emissão espontânea, despolarizada, a ASE

não sofrerá a mesma recombinação que os pulsos adiantado e atrasado, gerando pulsos

espúrios na saída do sistema. Por exemplo, se na primeira passagem do pulso adiantado (de

polarização supostamente horizontal) pelo SOA, a potência não é suficiente para atingir a

saturação, ASE será gerada. Ao refletir no espelho de Faraday, essa ASE gerará uma

componente horizontal, cuja magnitude variará aleatoriamente no tempo. Essa componente,

ao retornar ao SOA, será amplificada e passará direto pelo PBS, gerando um pulso de ASE

na porta 3 do circulador, adiantado em relação ao pulso das duas componentes de

polarização recombinadas (note que a componente vertical da ASE refletida, assim como o

pulso adiantado original, passarão pela linha de atraso e se recombinarão com o pulso

atrasado). Algo similar ocorre com o pulso atrasado, de polarização vertical por hipótese.

Nesse caso, a ASE terá uma componente horizontal, que será refletida na vertical pelo

espelho e será atrasada no PBS, ao invés de passar direto por ele como o resto do pulso

atrasado.

Portanto, quando há ASE, devemos ver na saída três pulsos no domínio do tempo.

Quanto mais próximo da saturação operarmos, maior será o pulso do meio, proveniente do

processo de multiplexação e demultiplexação do pulso óptico, e menores serão os pulsos

extremos, provenientes da ASE.

Uma possível solução para o problema da ASE seria a criação de um circuito de

controle que fornecesse ao SOA um pulso de corrente variável. Sua magnitude dependeria

da potência óptica a ser amplificada, devendo ser reduzida sempre que o pulso óptico na

entrada do SOA não tiver amplitude suficiente para levá-lo à saturação. Desse modo,

menos elétrons preencheriam a banda de valência, o que reduz a emissão espontânea e,

portanto, a ASE. Para medir a potência do pulso na entrada do SOA, que serviria como

input para esse mecanismo de controle, pode-se usar um beam splitter 99:1 antes do SOA,

conectando a porta com 99% do pulso no SOA e a outra num fotodetector. Assim, torna-se

possível utilizar a nossa montagem experimental também em regime linear, com uma ASE

reduzida. Esse método, no entanto, não chegou a ser testado, pois o equipamento eletrônico

utilizado não permite a variação da corrente elétrica, de modo que ela é fixada em 2

ampères.

D. Ganho dependente da polarização

SOAs, em geral, apresentam PDG (Polarization Dependent Gain). Isso significa

que o ganho do dispositivo será maior em certas direções de polarização da luz e menor em

outras. Assim, é recomendável a utilização de outro PC na entrada do SOA, para ajustar a


luz na saída do PBS ao eixo de polarização preferencial do SOA, assim obtendo a maior

amplificação possível.

O PC posicionado antes do SOA também resolve outra questão relacionada à PDG,

que surge quando são utilizados mais de um PBS em série. Nesse caso, para que ocorra

uma correta demultiplexação, é necessário que os pulsos, após a segunda passagem pelo

SOA, tenham a mesma amplitude. Se essa condição não é satisfeita, os pulsos, ao saírem do

SOA, se recombinarão no primeiro PBS, mas esses pulsos recombinados não estarão

rotacionados a exatos 45º dos eixos de polarização desse PBS. Consequentemente, o PC

entre o primeiro e segundo PBS não alinhará tais pulsos de acordo com os eixos de

polarização do segundo PBS. Se tivéssemos apenas dois PBSs e eixos de polarização dos

PBSs de acordo com aqueles desenhados na Figura 6, portanto, veríamos três pulsos na

saída. Isso porque dois pulsos sairiam do PC entre os PBSs: o primeiro teria uma parcela na

direção horizontal, que passaria direto pelo segundo PBS e daria origem ao pulso mais

adiantado na saída. Já o segundo pulso a sair do PC teria uma parcela vertical, levando ao

pulso mais atrasado.

Colocando o PC antes do SOA, torna-se possível ajustar os eixos de polarização dos

pulsos que serão por ele amplificados. Ou seja, se percebermos que o pulso vertical é mais

amplificado que o horizontal devido à PDG, esse PC permite rotacionarmos os pulsos para

atingir um ganho mais equilibrado entre eles, de maneira tal que obtenhamos, na saída, um

único pulso. A Figura 7 a seguir mostra a saída do arranjo experimental com e sem esse PC.

Note que quando ele é utilizado, os dois pulsos extremos praticamente desparecem. O que

resta deles se deve à ASE, que existirá mesmo em regime saturado, ainda que em um grau

muito menor que no linear. Outro motivo para a existência de três pulsos na saída são erros

de ajuste dos outros PCs da montagem, o que também impedirá uma correta recombinação

dos pulsos.

Figura 7: Forma de onda do pulso na saída do setup de amplificação com dois PBSs

quando: (em preto) o controlador de polarização é removido da topologia e a recombinação

não ocorre perfeitamente; (em vermelho) os estados de polarização são alinhados com a

PDG do SOA e a recombinação após o primeiro PBS é casada.

E. Fonte óptica

O arranjo experimental utilizado é capaz de amplificar um sinal óptico sob regime

pulsado, isto é, a fonte óptica deve emitir pulsos de certa duração, repetidos periodicamente

no tempo. Essa condição é necessária para que o SOA da montagem tenha tempo de

preencher novamente sua banda de valência com elétrons antes de um novo pulso chegar e


também para que dois pulsos em direções contrárias – um proveniente do PBS e outro da

reflexão no espelho de Faraday – não passem ao mesmo tempo no SOA.

Para montar a fonte óptica pulsada, utilizou-se o sistema mostrado na Figura 8. Nele,

tem-se um laser tunável1 (TLS, do inglês tunable laser source), que emite uma potência

constante no tempo, e que é conectado a um EDFA. Um EDFA é um amplificador óptico

cujo mecanismo de bombeamento, para garantir a inversão de população, é feito

opticamente, diferentemente do SOA em que o bombeamento é elétrico [2]. Nesse caso, ele

é utilizado para se obter uma potência suficiente para que nossa montagem possa operar em

regime de saturação. Uma rede de Bragg é então utilizada em conjunto com um circulador

para deixar passar apenas luz com 1550 nm para o SOA, filtrando a ASE originada no

EDFA. Redes de Bragg são componentes ópticos nos quais se modula senoidalmente o

índice de refração de uma fibra de germano-silicato. Como resultado, comprimentos de

onda ao redor de certo valor, ao incidirem sobre ela, serão refletidos, enquanto os outros

passarão ao longo da rede inalterados. Dessa forma, ao se conectar uma rede de Bragg na

porta 2 de um circulador, obtém-se um filtro, que deixa passar da porta 1 para a porta 3

apenas os comprimentos de onda refletidos pela rede.

Figura 8: Fonte óptica coerente e pulsada utilizada ao longo dos experimentos para

alimentar os setups de amplificação. A fonte emite um pulso de referência para sincronismo

sempre que um pulso óptico é gerado.

Em seguida, conecta-se um SOA, que funcionará como uma espécie de chave.

Sempre que receber um pulso elétrico, ele deixará a luz passar, amplificando-a. Se não

houver corrente, ao contrário, o SOA não emitirá radiação. Assim, fomos capazes de

produzir uma fonte óptica pulsada, a partir de uma fonte CW que é o laser tunável. A saída

do SOA será conectada a porta 1 de um circulador, conforme mostrado anteriormente na

Figura 5.

A duração dos pulsos, bem como o atraso entre eles, pode ser alterada com o sinal

elétrico mandado para o SOA. Durante a validação experimental do esquema proposto, a

duração do pulso foi ajustada para 100 ns.

F. Sincronização dos pulsos

Após a montagem do arranjo experimental, é necessário ajustar os DDGs e PCs para

obter um correto funcionamento do experimento. Os PCs devem ser ajustados

manualmente. Como vimos, se eles não estiverem corretamente ajustados, a multiplexação

e demultiplexação não ocorrerão corretamente e não teremos apenas um pulso na porta 3 do

circulador na Figura 5.

Foram usados três aparelhos DDGs, cada um capaz de gerar quatro pulsos elétricos,

que são repetidos periodicamente. Para cada pulso, é possível ajustar sua duração e sua

defasagem em relação a um pulso de referência. O primeiro aparelho gera um pulso que 1 Diz-se que um LASER é tunável quando seu comprimento de onda pode ser ajustado.


aciona o SOA da fonte óptica descrito no item anterior, e outros dois pulsos que servem

como referência para os dois outros aparelhos. Outro DDG é utilizado para gerar os pulsos

para o SOA na ida e outro para os pulsos da volta.

Como dissemos anteriormente, a duração dos pulsos elétricos foi posta em 100 ns.

Para ajustar as defasagens dos pulsos que acionam o SOA na ida, devemos conectar um

osciloscópio no lugar do espelho de Faraday e variar os valores das defasagens dos pulsos

elétricos. Quando esse valor for igual ao tempo que o pulso leva para chegar ao SOA,

encontraremos, no osciloscópio, o maior pulso óptico possível e assim saberemos que a

defasagem está certa. Em seguida, colocamos um osciloscópio na saída do arranjo

novamente e seguimos o mesmo método para a sincronização dos pulsos de volta.

Resultados

A. Performance da montagem realizada

Foram testadas quatro topologias, colocadas após a fonte óptica pulsada e ilustradas

na Figura 9. As duas primeiras não utilizam nenhum PBS. A montagem (a) é composta por

um único SOA e a (b), por um SOA, um circulador, e um espelho de Faraday. Nessa

última, o pulso é amplificado nas duas vezes em que passa pelo SOA, que funciona de

forma bidirecional. Esses arranjos são utilizados como referência, para nos assegurarmos

que o uso da multiplexação por divisão de polarização possui de fato vantagens em

comparação a um SOA comum.

A topologia (c) é igual àquela mostrada na Figura 5, possuindo apenas um PBS, que

dividirá o pulso original em dois outros, com polarizações ortogonais e defasados no

tempo. Esses pulsos são então amplificados pelo SOA e refletidos no espelho de Faraday,

no qual suas polarizações são trocadas. Em seguida, sofrem nova amplificação no SOA

(caso ainda não tenham alcançado a saturação na primeira passagem pelo amplificador) e

são novamente recombinados ao retornarem ao PBS. A topologia (d) utiliza dois PBSs em

série, multiplexando o pulso original em 4 outros, e é idêntica a da Figura 6.

Figura 9: Diferentes topologias de amplificação: (a) SOA sozinho; (b) SOA

bidirecional; (c) Um PBS + SOA bidirecional; (d) 2 PBSs + SOA bidirecional. Alguns dos

dispositivos não são mostrados na imagem para simplificação


A topologia (d) montada é mostrada na Figura 10 a seguir:

Figura 10: Foto da topologia (d), indicando os controles de polarização, linhas de

atraso, PBSs e o circulador.

Foram traçadas as curvas de saturação de cada uma das topologias apresentadas. Para

isso, conectou-se, na saída da fonte óptica mostrada na Figura 8, um VOA (do inglês

variable optical attenuator). Este é um dispositivo capaz de gerar uma atenuação ajustável

da potência óptica. Seu visor mostra o quanto ele está atenuando e, com o conhecimento da

potência na entrada do VOA, de cerca de -15 dBm, é possível saber a potência na entrada

dos quatro arranjos experimentais. Variamos a atenuação do VOA de 0 a 50 dB e vimos a

potência na saída da porta 3, conectando nela um OSA (Optical Spectrum Analyzer), que

mostra a potência óptica do pulso em função do comprimento de onda (na Figura 12, pode

se ver o formato do gráfico que é obtido no OSA). Um WDM é conectado antes do OSA

para filtrar a ASE, conforme comentado no item C da seção “Montagem Experimental”.

Para cada valor de atenuação do VOA, lê-se a potência máxima do espectro mostrado no

OSA. O gráfico assim obtido, para as quatro topologias, é mostrado na Figura 11.


Figura 11: Curvas de saturação para as quatro topologias. Também é mostrada a

regressão linear que revela um ganho na potência de saturação de 1.87 dB por PBS.

A partir desse gráfico, analisaremos, primeiro, a operação do arranjo na região de

saturação, para depois passarmos para a região linear do gráfico. Para isso, devemos

perceber que duas são as principais causas de perdas nas montagens apresentadas: as perdas

de inserção no circulador e nos braços do PBS. Experimentalmente, medimos tais perdas,

encontrando cerca de 1 dB para a perda de inserção no circulador e 0.7 dB para o PBS.

Com esses dados, podemos compreender que a topologia (b) apresenta uma potência de

saturação 1 dB menor que a da topologia (a), pois ao entrar na porta 2 do SOA, o pulso

óptico incorrerá em perdas de inserção.

Outro resultado esperado é que cada PBS adicional incluído na montagem será

responsável por um aumento de 3 dB, menos as perdas de inserção no PBS, à potência de

saturação obtida na topologia (b). Como o pulso que atravessa a linha de atraso num PBS,

após a segunda passagem pelo SOA, experimenta duas vezes essa perda de inserção, as

perdas totais de cada PBS, em dB, podem ser calculadas do seguinte modo:

Consequentemente, esperamos dois resultados: que a potência de saturação da

topologia (b) seja cerca de 1 dB abaixo da topologia (a) e que cada PBS acrescente

aproximadamente 2 dB na potência de saturação. Isso é exatamente o que ocorre no gráfico

da Figura 11. Nele podemos perceber que a utilização de um único PBS é suficiente para

compensar as perdas no circulador da topologia (b) e que o uso de dois PBSs já é capaz de

amplificar mais do que um único SOA. Além disso, cada PBS aumenta o limite de

saturação em 1.87 dB, de acordo com a regressão linear realizada, o que se encontra

próximo ao valor teórico de 2 dB.

Na Figura 12, a seguir, representamos a forma de onda do pulso óptico obtido na

saída do sistema para as configurações (a), do SOA sozinho, e (d), com dois PBSs. A figura

foi obtida conectando a saída dos arranjos a um fotodetector de 1 GHz e este num


osciloscópio de 2 GHz. Para não saturar o fotodetector, um atenuador óptico foi

acrescentado na sua entrada. Observa-se que a largura do pulso é mantida após a

amplificação, e que o ganho proveniente da estrutura de multiplexação é de cerca de 1.8

dB, próximo ao valor de 1.87 dB encontrado com uso do OSA.

Figura 12: Pulsos ópticos medidos na saída do sistema em um osciloscópio, para um

SOA sozinho e para a topologia com dois PBSs. O ganho de uma configuração para a outra

corresponde àquele medido com o OSA, como esperado.

Como mencionado anteriormente, a operação na região linear do SOA leva ao

surgimento de ASE. A Figura 13 mostra a região linear de operação das quatro topologias

testadas, em escala logarítmica. Observa-se que as curvas não se sobrepõem, mas estão

deslocadas uma em relação à outra. Esse comportamento indica que o dispositivo não está

dedicando toda a sua energia à emissão estimulada, e radiação incoerente é gerada no

formato de ASE na primeira passagem pelo SOA e é então amplificada na segunda

passagem.

Figura 13: Curva da potência na saída em função da entrada para as quatro topologias

testadas. As curvas são mostradas dentro da região de operação linear, de modo que a

amplificação da ASE é mais evidente.


B. Aplicação: OTDR por contagem de fótons

O arranjo montado acima, com dois PBSs, é capaz de amplificar uma fonte pulsada

sem elevar o nível do ruído em comparação com o arranjo da topologia (a), com um único

SOA. Isso se deve ao fato de termos sincronizado os pulsos do DDG para acionarem o

SOA apenas quando um pulso óptico estiver entrando nele. Com isso, os pulsos são

amplificados, mas o ruído que existe entre um pulso e o próximo não o é. Em outras

palavras, a taxa de extinção do SOA (razão entre a potência na saída do amplificador

quando ele está ligado e aquela quando ele está desligado) é a mesma em todas as

topologias, de cerca de 78 dB [7], mas o valor de pico do pulso é aumentado após a

segunda passagem pelo SOA em cerca de 1.8 dB, diferentemente do ruído, que por ser

despolarizado, ao passar pelos PBSs não sofre o processo de recombinação2.

A elevação da relação sinal-ruído é uma característica desejável em diversas

aplicações. Em redes de comunicações, por exemplo, ela permite que um receptor detecte

com maior acurácia um sinal transmitido, reduzindo a BER (bit error rate). Outra aplicação

possível é a elevação do alcance dinâmico de um OTDR (Optical Time-Domain

Reflectometer, ou reflectômetro óptico no domínio do tempo, em português), o que

tentamos demonstrar experimentalmente.

Um OTDR é um dispositivo capaz de localizar falhas num link óptico, além de medir

parâmetros como atenuação, comprimento, perdas nos conectores e níveis de refletância de

um link óptico. Um OTDR é fundamentalmente um radar óptico, ou seja, lança pulsos

periodicamente em um dos extremos do link sendo testado e determina as propriedades da

fibra analisando a amplitude e características temporais do raio refletido de volta para ele

[2]. A partir disso, ele calcula um gráfico mostrando a potência que chega a cada ponto da

fibra em função da distância, chamado traço do OTDR.

Uma propriedade relevante do OTDR é o seu alcance dinâmico, que é definido como

a diferença entre o valor da potência da reflexão imediatamente após o OTDR (a uma

distancia de 0 m) e o nível de ruído após 3 minutos de medida [2]. Esse valor fornece a

informação do valor máximo de perda que pode ser medido pelo aparelho, sendo muito

utilizado para elencar a capacidade de um OTDR.

No experimento, utilizamos um OTDR por contagem de fótons, desenvolvido no

próprio laboratório [8], [9], [10], [11]. Seu funcionamento pode ser visualizado na Figura

14. Uma fonte óptica coerente emite certo nível de radiação, que passará por uma estrutura

de amplificação, acionada por um DDG. Funcionando como chave óptica, tal amplificação

deve garantir que apenas um pulso por vez passe pela fibra a ser testada [8]. Quando

refletidos, os fótons serão detectados por um SPAD (Single Photon Avalanche Detector) –

um fotodetector capaz de distinguir sinais de baixíssima intensidade (de até um único

fóton) [12] – sempre que este for eletricamente acionado. O VOA, como será explicado

mais adiante, serve para manter o SPAD atuando sob regime linear.

2 A direção do ruído é randômica. Se considerarmos que, em média, 50% do ruído após a

segunda passagem pelo SOA, irá passar pelo braço T do PBS e 50% pelo R, percebemos

que 50% da potência de ruído será defasada. Somando essa parcela com aquela que não é

defasada, temos na saída do PBS, o ruído com a mesma potência que aquela na saída do

SOA, mantendo a taxa de extinção de 78 dB.


Figura 14: OTDR por contagem de fótons apresentado em [11]. O setup de

amplificação corresponde à topologia (a) ou (d).

Uma FPGA é um dispositivo programável composto de um número muito grande de

Blocos Lógicos Programáveis, pequenas células que contém as estruturas básicas da

eletrônica digital. Através da programação da malha de interconexões que conecta esses

blocos, feita com uma linguagem chamada VHDL, é possível criar qualquer tipo de circuito

digital. A FPGA é utilizada em nossa montagem para realizar tanto o acionamento do DDG

e do SPAD quanto o processamento dos dados obtidos neste último dispositivo. Após o

acionamento do DDG pela FPGA, ela manda um trem de pulsos para o SPAD. Por haver

uma relação entre a distância em que um fóton é refletido e o tempo entre o acionamento do

DDG e do SPAD que o detecta, o trem de pulsos do SPAD é capaz de varrer todo o

comprimento da fibra. Com isso, é feito um gráfico do número de detecções realizadas

(quantos dos pulsos ópticos resultaram em detecções) em função da distância,

correspondendo ao traço do OTDR por contagem de fótons.

Um SPAD é capaz de detectar nenhum ou apenas um fóton. Se dois ou mais fótons o

atingirem, o sinal em sua saída será idêntico ao obtido com um único fóton, caracterizando,

portanto, a saturação do dispositivo – a saturação ocorre sempre que um aumento da

potência na entrada de um componente óptico qualquer não tem consequências sobre sua

saída. O VOA colocado antes do SPAD, portanto, visa a reduzir a probabilidade de um

pulso óptico que chegue ao SOA ter mais de um fóton, mantendo-o em regime linear.

Desse modo, o número de detecções é proporcional à probabilidade de um único fóton ser

refletido pela fibra [9]. Portanto, devemos fixar um valor para a taxa de detecção no SPAD

que impeça que ele atinja a saturação. Fixado o valor do número de fótons que deve chegar

ao detector e dado que a potência que chega à porta 3 do circulador depende unicamente de

propriedades da fibra, da fonte óptica e da estrutura de amplificação, chegamos à conclusão

de que o valor necessário de atenuação no VOA deve ser tal que garanta tal taxa de

detecção. Prova-se que o maior valor possível para essa taxa, supondo que a saturação seja

atingida com 0.1 dB, é de 0.04 fótons por pulso [10] e o máximo alcance dinâmico,

descontando a atenuação do VOA, é de 17 dB [9].

No arranjo experimental da Figura 14, usamos dois tipos de setup de amplificação:

um único SOA e a topologia (d) da Figura 9, com 2 PBSs. A taxa de detecção escolhida foi

de 10 kHz, de modo que, para cada setup, foi necessário ajustar a atenuação do VOA. Para

o caso do SOA sozinho, a atenuação necessária foi de 38.7 dB, enquanto que a

configuração que utiliza multiplexação no domínio do tempo levou a 40.5 dB. A diferença

entre as atenuações dá exatamente o valor 1.8 dB que encontramos nas Figuras 11 e 12, o

que mais uma vez comprova nossos resultados.

Os traços obtidos para cada configuração estão mostrados na Figura 15. Perceba que

eles são praticamente idênticos, o que era esperado, dado que as taxas de detecção são as

mesmas, assim como o valor do ruído, que gera o traço do OTDR após o fim da fibra (após


36 km, no caso da figura). Isso significa que o alcance dinâmico das montagens é o mesmo

para ambas as topologias, mesmo que uma delas possua uma atenuação maior e, portanto,

uma potência de prova maior.

Figura 15: traços de OTDR obtidos com diferentes topologias de amplificação. A

atenuação do VOA foi escolhida de modo a manter a taxa de detecção no SPAD constante e

igual a 10 kHz, o que resulta no mesmo traço. A diferença na atenuação, de 1.8 dB,

corresponde ao ganho da topologia com multiplexação por divisão de polarização sobre um

SOA individual.

Como o pulso tem de ir e voltar na fibra óptica testada, cada 1 dB a mais na potência

corresponde a um aumento de 0.5 dB no máximo alcance dinâmico disponível. Como a

topologia (d) aumenta em 1.8 dB a potência do sinal de prova em relação à topologia com

um único SOA, o alcance dinâmico sobe de 0.9 dB, aproximadamente. Cada PBS a mais

colocado no arranjo deve aumentar o alcance dinâmico em mais 0.9 dB.

Conclusões

Foi desenvolvido um método para amplificação de pulsos ópticos acima do limite de

saturação do SOA, a partir da multiplexação do sinal no tempo e no estado de polarização.

A montagem consiste no uso de N PBSs conectados em série, cada um dividindo o pulso

original em 2N outros e sendo responsável por um ganho de potência de 3 dB, idealmente, e

1,87 dB, na prática.

O método desenvolvido foi utilizado no setup experimental de um OTDR por

contagem de fótons descrito em [2]. Isso permitiu aumentar o alcance dinâmico do aparelho

em 0.9 dB em relação ao setup com um único SOA. Este é um resultado relevante, dado

que o alcance dinâmico define o comprimento da fibra óptica que o OTDR será capaz de

monitorar.

Destacamos aqui dois aspectos que parecem merecer futuros desenvolvimentos. O

primeiro é o desenvolvimento de um circuito eletrônico que seja capaz de alimentar o SOA

com uma corrente variável, de modo que o sistema de amplificação possa operar também

sob regime linear, sem gerar uma quantidade excessiva de ASE. O segundo aspecto é o

acréscimo de outros PBSs na montagem elaborada, o que será capaz de estender mais ainda

o alcance dinâmico do OTDR, sem redução da resolução espacial do mesmo, uma vez que


esta depende apenas da velocidade de aquisição dos dados [10]. Isso pode se transformar

em um importante instrumento para o monitoramento de links ópticos cada vez mais longos

nas próximas gerações de redes de comunicações ópticas.

Referências

1 - HISTÓRIA da Fibra Óptica no Brasil. Disponível em: <http://www.curso-fibra-

optica.com.br/artigos/historia-da-fibra-ptica-no-brasil>. Acessado em 27 de julho de 2016.

2 - G. Keiser. Optical Fiber Communications. EUA: McGraw-Hill, 2000

3 – RAMASWAMI, Rajiv; SIVARAJAN, Kumar N. Optical Networks: a Practical

Perspective. EUA: Morgan Kaufmann Publishers, 2002.

4 – AMARAL, Gustavo C; HERRERA, Luis E Y; RESENDE, Marcelo M; TEMPORAO,

Guilherme P; URBAN, Patryk J; VON DER WEID, Jean Pierre. Time-Polarization

Multiplex for Increased Output Power of Semiconductor Optical Amplifiers in Pulsed

Regime. Rio de Janeiro, 2016. No prelo.

5 - PASCHOTTA R., fiber polarization controllers. In: Encyclopedia of Laser Physics

and Technology. Disponível em: https://www.rp-photonics.com/fiber_polarization_

controllers.html. Acessado em 31 de agosto de 2016.

6 - PASCHOTTA R., beam splitters. In: Encyclopedia of Laser Physics and Technology.

Disponível em: https://www.rp-photonics.com/beam_splitters.html. Acessado em 31 de

agosto de 2016.

7 - CABALLERO D. V; WEID J. P. Von der; URBAN, P. J. Tuneable OTDR

Measurements for WDM-PON Monitoring. In IMOC 2013, 2013. III.1(c)

8 - HERRERA, Luis E Y; AMARAL, Gustavo C; VON DER WEID, Jean Pierre. Ultra-

highresolution tunable pc-otdr for pon monitoring in avionics. In “Optical Fiber

Communications Conference and Exhibition (OFC), 2015,” (IEEE, 2015), pp. 1–3.

9 – AMARAL, Gustavo C; HERRERA, Luis E Y; VITORETI, D.; TEMPORAO,

Guilherme P; URBAN, Patryk J; VON DER WEID, Jean Pierre.Wdm-pon monitoring

with tunable photon counting otdr. Photonics Technology Letters, IEEE 26, 2014, 1279–

1282.

10 - AMARAL, Gustavo C; GARCIA, J.D; HERRERA, Luis E Y; TEMPORAO,

Guilherme P; URBAN, Patryk J; VON DER WEID, Jean Pierre, Automatic fault

detection in wdm-pon with tunable photon counting otdr. Lightwave Technology,

Journal of 33, 2015, 5025–5031.

11 - HERRERA, Luis E Y; Calliari, F; GARCIA, J.D; AMARAL, Gustavo C; VON DER

WEID, Jean Pierre. High Resolution Automatic Fault Detection in a Fiber Optic Link

via Photon Counting OTDR. In “Optical Fiber Communication Conference”. Optical

Society of America, 2016, pp. M3F-4


12 - SINGLE-PHOTON Avalanche Diodes. Disponível em: <https://www.

lasercomponents.com/de/?embedded=1&file=fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/ve

roeffentlichung/single-photon-avalanche-diodes.pdf&no_cache=1>. Acessado em 30 de

Agosto de 2016.

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Departamento de Engenharia Elétrica …...Departamento de Engenharia Elétrica Figura 4: Curva de saturação típica de um SOA. Até certo valor da potência, o ganho permanece constante