Anais do XVI Encontro de Iniciação e
I Encontro de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação da PUC-Campinas Científica da PUC-Campinas
27 e 28 de setembro de 2011
ISSN 1982-0178
OTIMIZAÇÃO DE CONVERSORES ÓPTICOS DE COMPRIMENTO
DE ONDA BASEADOS EM FIBRA DE ÓXIDO DE BISMUTO
Rafael José Massaro
Marcelo Luís Francisco Abbade
Faculdade de Engenharia Elétrica
CEATEC
[email protected]
Grupo de Sistemas Fotônicos e Internet Avançada
CEATEC
[email protected]
Resumo: O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho
e determinar condições ótimas de operação de um conversor óptico de comprimento de ondas baseado no efeito de
mistura de quatro-ondas em fibras de óxido de bismuto.
Para isto foram feitas simulações utilizam o software VPITransmissionMaker 8.6. Os resultados obtidos indicam que
o melhor desemepnho do conversor ocorre para uma fibra
com 0,5 m de comprimento e para uma potência de bombeio de 2 W.
Palavras-chave: Mistura de Quatro Ondas, Conversor de Comprimento de onda, Redes Ópticas.
Área do Conhecimento: Engenharias – Telecomunicações (3.04.06.00-5).
1. INTRODUÇÃO
A capacidade de transmissão das fibras ópticas é
bastante superior à do processamento eletrônico utilizado nos roteadores das redes atuais. Por essa razão, várias tecnologias vêm sendo pesquisadas para
mover o gargalo eletrônico imposto por estes processadores para a periferia das redes [1]. Vários destes
dispositivos fotônicos, entre os quais destacamos
conversores de comprimentos de onda, amplificadores paramétricos e regeneradores ópticos, vêm sendo
amplamente analisados na literatura recente. Em especial, os conversores de comprimento de onda [2, 3]
(all-optical wavelength converters, AOWC) possuem
pelo menos 3 características que podem ser úteis para redes de telecomunicações: a) são capazes de criar novos canais (em freqüência), o que permite um
melhor aproveitamento da largura de banda provida
pelas fibras; b) promovem a conjugação de fase e, se
posicionados adequadamente, podem ser utilizados
para compensar a dispersão cromática e, por conseqüência, reduzir a taxa de erro de bit dos sinais que
se propagam por redes ópticas e c) podem operar
entre domínio de redes distintas para compatibilizar
os comprimentos de onda utilizados em cada um destes domínios.
Entre as várias tecnologias utilizadas para implementar os AOWCs, destaca-se a conversão baseada no
efeito de mistura de quatro ondas (four-wave mixing,
FWM) em fibras ópticas altamente não-lineares. As
vantagens apresentadas por esta técnica compreendem transparência à taxa de transmissão dos sinais,
a preservação da razão de extinção dos sinais originais e a transparência ao formato de modulação utilizado. Por outro lado, para gerar a mistura de quatro
ondas, além do sinal a ser convertido, é necessário
utilizar um sinal de bombeio cuja potência precisa exceder, tipicamente, algumas dezenas de miliwatts.
Experimentalmente, isto é algo difícil de se obter, pois
potências superiores a 5 ou 10 mW estimulam a ocorrência de um efeito não-linear das fibras chamado de
retro-espalhamento Brillouin. Este efeito faz com que
parte da potência incidente na fibra retorne à direção
do transmissor. Sendo assim, o retro-espalhamento
Brillouin depleta a potência do bombeio e reduz a eficiência da mistura de quatro-ondas. A solução mais
usual para combater este efeito consiste em modular
o sinal de bombeio em fase ou amplitude [2]. O alargamento espectral experimentado pelo bombeio nesta
situação eleva a potência a partir da qual o retroespalhamento se torna relevante. No entanto, o sinal
convertido pela FWM também fica sujeito às ações
deste alargamento, o que reduz a distância de propagação do mesmo.
Devido às razões explicadas na Seção III, uma alternativa interessante para evitar estes problemas é
substituir as fibras altamente não-lineares por fibras
de óxido de bismuto. Apesar de a literatura apresentar
vários trabalhos experimentais sobre AOWCs neste
tipo de fibras [4-7], no melhor de nosso conhecimento
não existem estudos que avaliem as condições ótimas de operação deste dispositivo. Neste cenário, o
propósito deste trabalho é avaliar este dispositivo em
termos do comprimento da fibra de óxido de bismuto
e da potência de bombeio utilizada. A otimização de
tais parâmetros pode conduzir a condições que poderiam ser exploradas comercialmente.
O restante deste trabalho está organizado da seguinte
maneira. A Seção II aborda algumas características
sobre AOWCs baseados em FWM. A Seção III
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Figura 1 - Mistura de Quatro Ondas (FWM).
apresenta as principais características das fibras de
óxido de bismuto. O cenário de simulação utilizados
está descrito na Seção IV. Os resultados obtidos são
mostrados na Seção V. Por fim, nossas conclusões
estão apresentadas na Seção VI.
2. Conversão de Comprimento de Onda
A Fig. 1 ilustra o esquema básico de um AOWC
que pode ser empregado em uma rede óptica de telecomunicações. Um sinal de dados em uma frequência
f1 é acoplado a um bombeio (sinal de potência alta e
constante) em uma frequência f2. Ambos sinais são
inseridos em uma fibra com características nãolineares e de dispersão que favoreçam a ação da
FWM. Ao longo da propagação pela fibra, a FWM gera dois novos sinais laterais situados nas freqüências
f-= 2f1- f2 e f+= 2f2- f1. A potência de ambos estes sinais será proporcional às potências dos sinais em f1 e
em f2. Além disto, como a potência do bombeio (sinal
em f2) é constante, as potências dos sinais em f- e f+
serão nulas quando o sinal de dados (em f1) transmitir
um bit 0 e máximas quando o sinal de dados enviar
um bit 1. Assim, verifica-se que os sinais em f- e f+
correspondem a cópias dos sinais em f1 e em f2. Assim, se f- ou f+ for filtrado ao final da fibra, teremos um
único sinal com a mesma informação de f1, mas em
uma frequência distinta. Isto caracteriza o AOWC.
Neste trabalho, consideraremos apenas os sinais
convertidos em f+, pois estes estão mais próximos do
bombeio e, portanto, terão mais potência.
Observa-se que, em termos de custos, é interessante que o AOWC opere com a mínima potência de
bombeio e com o mínimo comprimento de fibra. No
entanto, tanto esta potência como este comprimento
devem prover um sinal que tenha uma qualidade
aceitável. Em se tratando de sinais digitais, como os
considerados neste trabalho, esta qualidade é usualmente avaliada a partir da taxa de erro de bit (bit error
rate, BER) ou do fator Q correspondente a esta BER.
Figura 2: Gráfico dos valores Dispersão da Fibra Óxido de Bismuto.
3. Fibra de Óxido de Bismuto
Como mencionado anteriormente, este trabalho tem
como objetivo avaliar AOWCs implantados em
fibras de óxido de bismuto. Uma das vantagens destas fibras é que seu parâmetro não-linear supera o
das fibras altamente não-lineares convencionais
(FANC) em cerca de 100 vezes. Por exemplo, em [2]
o parâmetro da fibra altamente não-linear utilizado foi
de 9.1 (W.km)-1. Em nosso trabalho, adotamos o
1
mesmo valor utilizado em [7] que é de 1350 (W.km)- .
Outra vantagem importante, é que justamente por
possuir um parâmetro não-linear elevado, é possível
utilizar comprimentos de fibras menores para a obtenção de produtos de FWM com eficiência elevada.
Por esta razão, é possível usar comprimentos de fibra
bem menores que aqueles necessários para as
FANCs. Na maioria das aplicações práticas, comprimentos inferiores a 2 m já serão suficientes. Isso elimina (ou reduz significativamente) a ação do retroespalhamento Brillouin observada neste último tipo de
fibra. Este fato permite a eliminação dos componentes
de RF usados na montagem experimental de conversores de comprimento de onda baseados em FANCs.
Por outro lado, as fibras de óxido de bismuto possuem duas desvantagens. Primeiramente, a atenuação é de 1000 dB/km ao passo que nas FANCs
este valor é de apenas 0,2 dB/km. No entanto, como
os comprimentos desta fibra são de, no máximo, alguns metros, a atenuação da fibra nestes dispositivos
será de até 2 dB (que é um valor relativamente baixo).
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Figura 3: Esquema do AOWC, com fibra de Óxido de Bismuto, para análise espectral, VPI Transmission Maker8.6.
A outra desvantagem é que a dispersão cromática é
bastante elevada (em módulo). Isto faz com que o
sinal se propague pela fibra com uma diferença de
fase considerável em relação ao bombeio. Consequentemente, a eficiência da FWM será reduzida.
Neste trabalho, utilizamos a mesma dispersão verificada em [6], cujo comportamento em função do comprimento de onda está ilustrado na Figura 2.
Os comentários acima indicam que a eficiência da
FWM será influenciada positivamente pelo alto valor
do parâmetro não-linear da fibra e negativamente pela
dispersão cromática deste meio. Por esta razão é que
o estudo deste trabalho torna-se importante para a
avaliação do desempenho dos AOWCs.
4. Cenário de Simulação
A janela utilizada para iniciarmos as simulações
se limitou a janela de 1402nm a 1565nm e todas as
simulações foram realizadas no Software VPI 8.6.
A Fig. 3 apresenta o esquemático de simulação
utilizado neste trabalho. A freqüência do bombeio foi
ajustada para 192.57 THz e sua potência foi ajustada
em 0 ou 10 mW. A este bombeio foi adicionado um
ruído para simular a razão sinal-ruído obtida em situações experimentais. Após isso, o sinal do bombeio foi
amplificado para valores entre 0,5 e 2 W. Novamente,
foi utilizado um módulo para inserção de ruído a fim
de aproximar as simulações de condições experimentais. A seguir este bombeio foi acoplado a um sinal
cuja frequência foi fixada em 193.05 THz e a potência
foi ajustada para 2.2 mW. A este sinal também foi
introduzido ruído. A fibra de óxido de bismuto foi colocada na saída do acoplador. Seus parâmetros principais atenução de 1000 dB/km, dispersão ilustrada na
-1
Fig. 2 e parâmetro não-linear de 1350 (W.km) . A
seguir o sinal convertido, em 192.09 THz foi filtrado,
amplificado até uma potência média de 1 mW, e filtrado novamente. Este segundo estágio de filtragem é
necessário para diminuir o ruído introduzido pelo amplificador e também para reduzir a potência do bombeio a níveis aceitáveis. A saída deste filtro foi analisada em um bloco capaz de mostrar os diagramas de
olho e estimar o fator Q dos sinais convertidos. Os
módulos em cinza escuro, na Fig. 3, correspondem
aos blocos utilizados nas simulações do relatório parcial para FANC [8]. Aqui eles não são utilizados devido à baixa influência do retro-espalhamento Brillouin.
Esta configuração foi adotada no VPI 8.6 e simulada no mesmo. Em todos os casos considerados, o
sinal de dados correspondeu a uma sequência pseudo-aleatória de 2048 bits.
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Tabela I: Valores de Qback-to-back.
Q (back-to-back)
NPD (W/Hz)
5,3
4.19e-15
6,5
2.84e-15
7,2
2.36e-15
7,7
2.07e-15
11,1
1.02e-15
14,2
0.618e-15
5. RESULTADOS
Primeiramente, foram feitas simulações variandose a densidade espectral de potência (noise power
density), NPD, do ruído do sinal e mantendo-se a potência de bombeio em 0 W. Os filtros da saída do
conversor foram mantidos na posição do sinal de dados e o amplificador foi ajustado para prover um ganho que elevasse a potência do sinal de saída para 1
mW. Esta situação claramente corresponde ao caso
em que o conversor está desligado e foi utilizada como padrão de comparação para o caso em que o sinal é convertido. A Tabela I ilustra os valores do fator
Q nesta configuração back-to-back, Qback-to-back, em
função da densidade espectral de potência do ruído e
a Figura 4 ilustra os digramas de olho correspondentes.
Para as simulações seguintes adotou-se a NPD
que conduziu a um fator Q de 7,2. Este valor foi escolhido pois, sob aproximação de ruído gaussiano, im-12
plica em uma BER de 10 que muitas vezes é tida
como limiar para a qualidade de sinais de sistemas
ópticos. A seguir, o bombeio foi ligado e sua potência,
PB, foi ajustada para 2 W na entrada da fibra. Então, o
comprimento da fibra de óxido de bismuto, L, foi variado nos valores de 0,2, 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 m. Os filtros
na saída do conversor foram ajustados para 192.09
THz e a potência do amplificador da saída do AOWC
foi sempre regulada para prover um sinal com potência de saída de 1 mW. Após o conversor, o fator Q do
sinal de saída, Qconverted_bismuth, foi avaliado. Por fim, a
potência do sinal de bombeio foi alterada para os valores de 1 e 0,5 W e a avaliação de Qconverted_bismuth
ocorreu para os mesmos valores de comprimento da
fibra de óxido de bismuto.
A Figura 5 ilustra o fator Q do sinal convertido
em função de L para os 3 valores de potência de
bombeio analisados. Observa-se que na grande maioria dos casos Qconverted_bismuth está abaixo do valor de
7,2 obtido para o caso back-to-back. Isto indica que o
conversor está degradando a qualidade do sinal. Para
alguns poucos casos, (L= 0,2 m, PB= 2 W), (L= 0,5 m,
PB= 2 W) e (L= 2 m, PB= 1 W) houve regeneração do
sinal, isto é, Qconverted_bismuth foi maior que 7.2. Estas
oscilações no fator Q do sinal convertido são esperadas e decorrência do compromisso entre disper
Figura 4: Diagramas de Olho para valores do Fator Qback-to-back:
a) 5.3 ; b) 6.5; c) 7.2 ; d) 7.7 ; e) 11.1 ; f) 14.2
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Figura 5: Fator Q do sinal convertido em função do comprimento da fibra de óxido
de bismuto e da potência de bombeio.
são, não-linearidade e atenuação da fibra de óxido de
bismuto. Ainda a partir da Figura 5 constata- se que a
melhor opção em termos de custo e qualidade parece
ser a utilização de AOWCs com L= 0,5 m e PB= 2 W.
Por fim, para fins ilustrativos, a Figura 6 mostra os
digramas de olho obtidos para o pior, (L= 1,5 m, PB=
0,5 W), e melhor, (L= 2 m, PB= 1 W), casos observados na Figura 5.
6. CONCLUSÕES
Neste trabalho foi avaliado, através de simulações
computacionais, o desempenho de conversores de
comprimento de onda totalmente ópticos baseados no
efeito de mistura de quatro ondas e em fibras de
óxido de bismuto. Procurou-se avaliar as condições
de potência de bombeio e de comprimento de fibra
que provessem boa qualidade ao sinal convertido e,
simultaneamente, minimizassem o custo do conversor.
Os resultados obtidos sugerem que uma configuração bastante atrativa corresponde a um comprimento de fibra de 0,5 m e a uma potência de bombeio de
2W. De fato, foi verificado que nesta situação houve
uma ligeira regeneração do sinal. A partir da Figura 5,
é interessante notar que se uma pequena degradação
for tolerada (permitindo que o fator Q seja reduzido de
7,2 para 7,0) a potência de 1W e o comprimento de
fibra de apenas 0,2 m podem ser adotados. Neste
caso, os custos com o amplificador de bombeio e a
fibra de óxido de bismuto podem ser menores que
aqueles da configuração em que o fator Q é máximo.
Figura 6: Diagrama do Olho: a) 1W e 2m (Ganho = 10.78 dB )
; b) 2W e 2m (Ganho = 18 dB ).
Uma possível continuidade deste trabalho poderia
verificar o comportamento do conversor para diferentes potências e fatores Q do sinal de entrada.
7. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento parcial das atividades desenvolvidas. Os autores também agradecem à VPIPhotonics Inc. pelo provimento de licenças acadêmicas do software utilizado
neste trabalho.
8. REFERÊNCIAS
[1] [1] D.J. Blumenthal, “All-optical label swapping
networks and technologies”, J. Lightwave Technol,
vol. 18, pp. 2058-2075, Dec. 2000.
[2] [2] J.D. Marconi, F.A. Callegari, M.L.F. Abbade,
H.L. Fragnito, “Field-trial evaluation of the Q-factor
penalty introduced by fiber four-wave mixing wavelength converters,” Optics Communications,
282, pp. 106–116, 2009.
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[3] [3] M.L.F. Abbade, J.D. Marconi, R.L. Cassiolato,
V. Ishizuca, I. E. Fonseca, H. L. Fragnito, "FieldTrial Evaluation of Cross-Layer Effect Caused by
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[4] [4] Ju Han Lee; Nagashima, T.; Hasegawa, T.;
Ohara, S.; Sugimoto, N.; Tanemura, T.; Kikuchi,
K., "Wavelength conversion of 40-Gbit/s NRZ signal using four-wave mixing in 40-cm-long bismuth
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[5] Technical Digest. OFC/NFOEC , vol.6, no., pp. 3
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[6] [5] J. H. Lee, T. Nagashima, T. Hasegawa, S.
Ohara, N. Sugimoto, K. Kikuchi, “Bismuth-OxideBased Nonlinear Fiber With a High SBS Threshold and Its Application to Four-Wave-Mixing
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ave Pump,” Journal of Lightwave Technology, Vol.
24, Issue 1, pp. 22-28, 2006.
[7] [6] J. T. Gopinath; H. M. Shen; H. Sotobayashi;
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[8] [7] K.Seki; S.Yamashita : Narrowband and tunable optical parametric amplification in BismuthOxide-based highly nonlinear fiber, “OPTICS
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[9] [8] R. J. Massaro, M.L.F. Abbade, Relatório Parcial
do Projeto “Otimização de Conversores ópticos de
comprimento de onda baseados em fibra de Óxido de
Bismuto,”
Março
de
2011.