Anais do XX Encontro de Iniciação Científica – ISSN 1982-0178
Anais do V Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação – ISSN 2237-0420
22 e 23 de setembro de 2015
ESPALHAMENTO BRILLOUIN EM FIBRAS ÓPTICAS
Rene Verinaud Anguita Junior
Eric A M Fagotto
Faculdade de Engenharia da Elétrica
Centro de Ciências Exatas,
Ambientais e de Tecnologias
[email protected]
Grupo de Sistemas Fotônicos e Internet Avançada
Centro de Ciências Exatas,
Ambientais e de Tecnologias
[email protected]
Resumo: Neste trabalho investigou-se, por meio de
simulações e experimentos, o espalhamento Brillouin
em fibras ópticas, especificamente em amplificadores
ópticos paramétricos. De acordo com os resultados
obtidos, o alargamento espectral diminui o limiar do
espalhamento Brillouin, o que aumenta a qualidade
do sinal amplificado e o ganho do amplificador. Desenvolveu-se uma estratégia própria para otimização
do amplificador óptico, que poderia ser estendida a
amplificadores com dois bombeios.
Palavras-chave: espalhamento brillouin, fibras ópticas, alargamento espectral.
Área do Conhecimento: Sistemas de Telecomunicações.
1. INTRODUÇÃO
Existe grande interesse no desenvolvimento de
tecnologias fotônicas para o processamento óptico
de sinais, isto em função das expectativas de transparência à taxa e eficiência energética [1]. Dentre
estas tecnologias, uma das mais promissoras é a de
amplificação paramétrica à fibra (FOPA) a qual, apesar do nome, não se restringe unicamente à amplificação de sinais. Há na literatura registros de FOPAs
funcionando como amostradores de sinais [2], demultiplexadores temporais [3], geradores de pulsos
[4], conversores de comprimento de onda [5] e mesmo como regeneradores ópticos [6]-[9]. No que se
refere especificamente à amplificação, esta destacase pelo alto ganho com baixo ruído para frequências
dentro do espectro utilizado para comunicações ópticas. A amplificação paramétrica depende do termo
de terceira ordem da susceptibilidade elétrica,que é
responsável pelo efeito de mistura de quatro-ondas
(FWM – four-wave mixing) [7]. Esta não-linearidade
torna-se relevante a partir de certas potências ópticas, cujo limiar dependerá das propriedades eletrônicas do meio dielétrico, que poderá ser adequado, por
exemplo, mediante dopagem. Para se atingir as potências necessárias, normalmente utiliza-se de um
sinal conhecido como bombeio (alta potência) que
propaga-se, juntamente com o sinal que deseja-se
amplificar . Entretanto, o bombeio pode, além do
FWM, excitar outros efeitos não lineares, que aca-
bam por degradar o funcionamento dos dispositivos
paramétricos. Dentre estes efeitos, um dos mais relevantes é o espalhamento estimulado de Brillouin,
ou, simplesmente, espalhamento Brillouin (SBS –
stimulated Brillouin scattering) [10]. Basicamente, o
bombeio, mediante eletrostrição, origina, ao longo da
fibra, ondas acústicas que excitam um sinal óptico
contra-propagante, deslocado em 11 GHz abaixo da
frequência do bombeio. Desta forma, parte da potência que deveria ser utilizada nos FOPAs é perdida
devido ao SBS, degradando o desempenho dos dispositivos paramétricos. Neste trabalho, Investigou-se,
mediante simulações experimentos, o espalhamento
Brillouin em fibras ópticas monomodo, no intuito de
se contribuir com as técnicas de supressão deste
efeito em amplificadores paramétricos para comprimentos de onda estabelecidos dentro da banda-C.
2. ESPALHAMENTO BRILLOUIN - SIMULAÇÃO
Para as simulações, utilizou-se do esquemático
apresentado na Fig.1. Um sinal óptico contínuo CW é
aplicado à entrada do modulador de fase PM e, então, modulado por uma portadora senoidal (RF) de 2
GHz. Em seguida, a saída do modulador PM é conectada à fibra universal, que possui portas para sinais propagantes, estas para o sinal transmitido, e
contrapropagantes, para o SBS.
Fig1: Esquemático utilizado para as simulações com
SBS, correspondendo a um FOPA de um bombeio.
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Fig.2: Evolução da potência SBS em função da potência
do sinal contínuo (bombeio) e do ângulo de fase de modulação.
Este esquemático corresponde à descrição de um
amplificador óptico paramétrico à fibra (FOPA) com
um bombeio.
Na Fig.2, tem-se o resultado de simulação da evolução do SBS para o esquemático mostrado na Fig.1,
tanto em função do ângulo de fase modulação e da
potência do bombeio. Verifica-se que, conforme se
aumenta a potência do bombeio e o ângulo de modulação, diminui-se a potência do SBS, o que significa
que mais potência útil do bombeio torna-se disponível para o FOPA. Isto pode ser entendido tendo-se
em mente que o alargamento espectral diminui a
energia transferida (potência) aos modos vibracionais
na fibra, o que também diminui o limiar do SBS. Desta forma, também se explica o motivo do SBS aumentar com o aumento da potência de bombeio, de
acordo com o comportamento observado na Fig.2.
3. ESPALHAMENTO BRILLOUIN - EXPERIMENTO
Na Fig.3, apresentam-se as curvas características,
linearizadas e normalizadas, para o ganho, o fator Q
e a razão entre a potência do sinal óptico, Ps, e a
potência do espalhamento reverso de Brillouin, PB
para um FOPA de um bombeio. A fibra óptica que se
utilizou no FOPA é altamente não linear com dispersão deslocada e tem parâmetros de acordo com a
Tabela I.
Tabela I – Parâmetros da fibra
3,00
L (km)
0,8
(dB/km)
2
19
S0(ps.nm .km)
193,54
f0(THz)
(W-1.km-1)
11,5
Fig.3: Curvas características para a otimização do FOPA
em função da potência óptica do bombeio e do nível de
SBS. Deve-se notar que todas as grandezas das ordenadas foram linearizadas e normalizadas.
No que se refere aos parâmetros da fibra, L é o seu
comprimento,  a atenuação, S0 é a inclinação de
dispersão, f0 a frequência de dispersão nula e  o
coeficiente não-linear. O fator Q quantifica a qualidade do sinal, Ps a sua potência e Pb a potência do
SBS.
Inspecionando-se a Fig.3, torna-se claro que, diminuindo-se PB, em função do alargamento espectral
discutido na Seção 2, aumenta-se tanto o ganho do
FOPA como o Q do sinal, havendo uma situação
ótima para a operação do amplificador, que ocorre
para a potência de bombeio de 24 dBm. Observa-se
que todas as medições ocorreram para a frequência
de194,5 THz, que encontra-se dentro da Banda-C
para Comunicações Ópticas, de acordo com as especificações do ITU-T.
4. CONCLUSÃO
Neste trabalho investigou-se, por meio de simulações
e experimentos, o espalhamento Brillouin em fibras
ópticas, especificamente em amplificadores ópticos
paramétricos. De acordo com os resultados obtidos,
o alargamento espectral diminui o limiar do espalhamento Brillouin, o que aumenta a qualidade do sinal
amplificado e o ganho do amplificador. Adicionalmente, desenvolveu-se uma estratégia própria para otimização do amplificador óptico, que poderia ser estendida a amplificadores com dois bombeios.
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AGRADECIMENTOS
O autor agradece à FAPESP e ao CNPq pelos recursos computacionais recebidos dentro do âmbito do
INCT-FOTONICOM (processos 08/57857-2 e
574017/2008-9).
REFERÊNCIAS
[1] Mats Sköld, Mathias Westlund, Henrik Sunnerud,
and Peter A. Andrekson, "All-Optical Waveform
Sampling in High-Speed Optical Communication
Systems Using Advanced Modulation Formats,"
J. Lightwave Technol. 27, pp. 3662-3671 (2009).
[2] A.H. Gnauck, R. M. Jopson, R. W. Tkach, C. J.
McKinstrie, S. Radic, "Serial-to-Parallel Demultiplexing Using WDM Sampling Pulses," Photonics
Technology Letters, IEEE , vol. 21(2), pp.97-99
(2009).
[3] A.O.J. Wiberg, C.-S Bres, J.R. Windmiller,N. Alic,
S. Radic, "RZ pulse source for optical time division multiplexing based on self-phase modulation
and four wave mixing," IEEE/LEOS Winter Topicals Meeting Series, pp.233-234, 12-14 Jan.
2009.
[4] G. Van der Westhuizen, J. Nilsson, "Fiber Optical Parametric Oscillator for Large FrequencyShift Wavelength Conversion," IEEE Journal of
Quantum Electronics, vol. 47(11), pp.1396-1403
(2011).
[5] M. Matsumoto, "Optical parametric regeneration
for phase-modulated signals," 2011 Conference
on Lasers and Electro-Optics (CLEO), pp.1-2, 1-6
May 2011.
[6] R. Slavik, F. Parmigiani, J. Kakande, M.
Westlund, M. Sköld, L. Grüner-Nielsen, R. Phelan, P. Petropoulos, and D. Richardson, "Robust
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phase sensitive amplification," in Optical Fiber
Communication Conference, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper OMT2.
[7] Joseph Kakande, Carl Lundström, Peter A. Andrekson, Zhi Tong, Magnus Karlsson, Periklis
Petropoulos, Francesca Parmigiani, and David J.
Richardson, "Detailed characterization of a fiberoptic parametric amplifier in phase-sensitive and
phase-insensitive operation," Opt. Express 18,
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[8] Rajiv Ramaswami, Kumar Sivarajan, and Galen
Sasaki. Optical Networks: A Practical Perspective, Morgan Kaufmann, 3rd Edition, 2009.
[9] M. Westhauser, M. Finkenbusch, C. Remmersmann, S. Pachnicke, P. M. Krummrich, "Optical
Filter-Based Mitigation of Group Delay Rippleand PMD-Related Penalties for High-Capacity
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[10] Djupsjobacka, A.; Jacobsen, G.; Tromborg, B.,
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Journal of Lightwave Technology, vol.18, no.3,
pp.416-424, March 2000.