5 Medidas de ganho em fibras dopadas

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1 Medidas de ganho em fibras dopadas Neste capítulo serão ilustrados vários conjuntos de medidas feitas para caracterizar as fibras dopadas já estudadas anteriormente. Diferentes configurações e esquemas de bombeamentos foram usados de forma a tentar explorar várias características das fibras dopadas, e possibilitar um entendimento do dispositivo para que possa ser utilizado em sistemas ópticos. O capítulo é dividido em duas seções, a primeira apresenta as medidas de ganho distribuído em fibras dopadas com érbio. Nesta seção, duas sub-seções são apresentadas, a primeira apresenta medidas na banda C, e a segunda mostra as medidas na banda L. A segunda seção apresenta as medidas de ganho distribuído em fibras dopadas com túlio. Estas medidas foram de grande importância porque a fibra dopada com túlio é muito cara, sendo imprescindível uma caracterização não destrutiva..1. Medidas em fibras dopadas com Érbio A partir do sistema OFDR sintonizável em funcionamento, foram criadas várias situações de caracterização de ganho para as diversas fibras dopadas com érbio do laboratório. Nestas próximas secções, serão mostradas medidas de ganho distribuído de sistemas simples ou com configurações complexas a fim de estudar o comportamento do ganho da fibra, além do comportamento do ganho em função da temperatura, e na presença de sinais saturantes. A primeira seção ilustra medidas na banda C, que é a banda em que as fibras de érbio apresentam maior ganho. A seguir, medidas são feitas na banda L, na tentativa de melhor entender o comportamento da EDF operando fora de suas especificações naturais.

2 Medidas de ganho em fibras dopadas Medidas em Banda C Num primeiro momento, foi utilizado um esquema de montagem mostrado na Figura 23, para aquisição de dados aqui chamados de curvas. Uma família de curvas forma uma medida que caracteriza uma fibra. Para cada curva tem-se uma potência de bombeio aplicada. Assim, desenhando cada curva uma em cima da outra se tem a medida do ganho versus comprimento da fibra, para diferentes potências de bombeio aplicadas. A Figura 24 ilustra uma medida tirada do analisador de sinal FFT. Depois, na Figura 26, a mesma medida processada de modo que as informações importantes sejam devidamente mostradas. Sinal de Retro-espalhado [dbv] WDM Batimento Sinal - sinal Fibra SM OFDR com sinal de prova 17 nm sinal = -1 dbm inicio da EDF Aumento do bombeio Curva sem bombeio Fim da EDF Freqüência [Hz] Eco do sinal Figura 24: Medida de ganho distribuído vista no analisador de sinais FFT Podemos observar nesta medida a presença dos dispositivos a fibra no braço de teste, como um pico indicando a presença do WDM e um sinal constante indicando um pedaço de fibra comum antes da fibra dopada. Observamos ainda que as curvas em que a potência de bombeio é maior, apresentam informações tipo ganho para baixas freqüências, onde deveria ter apenas a informação da fibra comum, e este comportamento também aparece para freqüências altas; vale

3 Medidas de ganho em fibras dopadas 9 ressaltar, observando na Figura 24, que estes picos de informação crescem mais rápido com o aumento da potência de bombeio que o próprio sinal de espalhamento. Isto indica que esta curva é gerada pelo batimento de um sinal diferente do sinal de ganho. Pode-se afirmar que o efeito que ocorre no início do gráfico, para baixas freqüências, é o batimento de dois sinais pertencentes ao sistema, provavelmente batimento sinal - sinal, porém sem a presença do sinal refletido do oscilador local, indispensável para a análise do sistema OFDR. Esta conclusão é tirada observando o gráfico da Figura 2. Nela são mostradas duas curvas, a diferença entre elas é apenas a presença ou não de um espelho no braço do oscilador local. Sinal Retro-espalhado [dbv] Batimento Sinal - Sinal Batimento Sinal - Referência (LO) com espelho no oscilador local Aumento do sinal devido à reflectividade do espelho Batimento Sinal - Referência (LO) sem espelho no oscilador local Freqüência [khz] Figura 2: Efeito do espelho colocado no braço do oscilador local do interferômetro Podemos observar que o uso do espelho aumenta o efeito de reflexão do oscilador local, fazendo com que o sinal retro-espalhado aumente em aproximadamente 12 db, sendo esta a refletividade do espelho no sistema. Porém, para o sinal no início do gráfico, a presença do espelho não afeta este sinal, isso quer dizer que este comportamento de sinal retro-espalhado não tem a informação do oscilador local. Ou seja, provavelmente é resultado batimento de quaisquer

4 Medidas de ganho em fibras dopadas 6 outros sinais dentro da fibra. Já os picos no final do gráfico se comportam como um eco, ou um batimento de um sinal qualquer com o sinal vindo do oscilador local. A Figura 26 é o resultado do gráfico de ganho distribuído da curva, mostrada na Figura 24, onde partes da medida que não interessam para a análise são cortados, resultando no gráfico de ganho distribuído na fibra. Os eixos x e y são devidamente normalizados e modificados para mostrar o ganho, em db e o comprimento ao longo da fibra em metros. 4 OFDR com sinal de prova em 17 nm P. de sinal = -1 dbm 3 2 Diferentes potências de bombeio sem bombeio Figura 26: Medida de ganho distribuído após normalizado, calculado ganho e desprezado sinais irrelevantes. Observamos que a curva sem bombeio decai rapidamente devido à absorção do sinal de prova do OFDR pela fibra dopada. Quando o bombeio aumenta, o sinal atinge um comprimento maior na fibra. A última curva mostra a saturação do ganho da fibra com o aumento da potência de bombeio, ou seja, a potência de bombeio aumenta sem grandes variações na curva de ganho. Nota-se que a fibra é mais longa que o máximo comprimento mostrado nesta curva ( m), com isso

5 Medidas de ganho em fibras dopadas 61 pode-se ilustrar o poder da técnica ao analisar o comportamento do ganho de sinal dentro da fibra sem precisar cortá-la. Qualquer outro trabalho experimental de caracterização de amplificador a fibra dopada utiliza um pedaço de fibra fixo e a medida de ganho é feita observando a potência de sinal que sai desta fibra e calculando o ganho. Fora simulações computacionais, não há como saber se o pedaço de fibra utilizado é o comprimento ideal para as medidas realizadas, é por isso que esta técnica é tão poderosa. A partir daí, diferentes medidas foram feitas com diferentes fibras. Um primeiro exemplo seriam medidas cobrindo todo o espectro da banda C. Com esta medida em mãos, tentar encontrar um comprimento para a fabricação do amplificador. A Figura 27 ilustra uma medida em uma fibra de 3 m de comprimento, com 4 comprimentos de onda na banda C (13 a 16 nm) e duas possíveis escolhas para o corte da fibra, em e 2 m nm 1 nm 16 nm nm P S = -2 dbm P P = + dbm 2 3 Figura 27: Medidas de ganho distribuído na banda C A Tabela 1 mostra os valores de ganho para os diferentes comprimentos de onda nos dois comprimentos de fibra escolhidos. Podemos perceber, tanto pela

6 Medidas de ganho em fibras dopadas 62 Figura 27 quanto pela Tabela 1 que a escolha de m apresentaria uma grande variação entre o maior e o menor valor de ganho cerca de 8 db. Utilizando 2 m, esta diferença cairia para 4 db, mesmo que utilizando este comprimento de fibra, não apresente o ganho máximo em alguns comprimentos de onda. Para decidir qual a melhor opção é preciso analisar qual a finalidade do amplificador, se um ganho espectralmente plano é importante ou não, e utilizar os valores corretos de potência de sinal e de bombeio, porque as características das curvas e os ganhos são diferentes para cada combinação de potência de bombeio e também de sinal. m 2 m 13 27,4 db 2, db 14 2,6 db 22,1 db 1 22,2 db 26,1 db 16 19, db 24,8 db Tabela 1: Valores de ganho para e 2 m para a fibra da Figura 27 Com o exemplo da medida anterior, percebe-se a praticidade de uma medida de ganho distribuído, pois se pode escolher o comprimento ótimo para fabricar um amplificador apenas aplicando a potência de sinal e de bombeio desejados e observando o ponto de máximo ganho. Porém, surge a seguinte dúvida: como a curva de ganho pode ser diferente para fibras com tamanhos diferentes, devido à quantidade de sinais gerados no processo de amplificação, talvez não seja correto escolher um comprimento ótimo para uma fibra através da técnica de OFDR e depois cortá-la, pois uma fibra maior apresenta mais sinais de ASE que também influem no processo de amplificação, e após cortada a curva de ganho poderia se modificar. A resposta para esta dúvida está na Figura 28, que mostra uma escolha de comprimento para a fibra. A medida da esquerda mostra as curvas de ganho para diferentes potências de bombeio aplicadas, em um sinal de 1 nm. A medida da direita mostra, uma vez escolhidos a potência de bombeio e o comprimento para se cortar a fibra (neste exemplo 6, m), uma medida com a fibra no novo

7 Medidas de ganho em fibras dopadas 63 comprimento. As medidas foram colocadas na mesma escala para facilitar a análise. Esta análise foi importante, porque observamos que a curva de ganho distribuído foi exatamente igual para a fibra em dois tamanhos diferentes. Concluímos que esta técnica pode ser usada para se determinar o comprimento da fibra sem acarretar em muitos erros na medida. O comprimento a mais de fibra, que acarreta em mais sinal de ASE não interfere muito na medida de ganho. 3 Bombeio em 3 98 nm Potência de entrada: - 1 dbm I p = 2 ma I p = 2 ma Figura 28: Medida de ganho distribuído ilustrando a escolha do comprimento ótimo da fibra. Outro tipo de caracterização a ser feita na banda C é a diferença das medidas de ganho em pequenos e grandes sinais. As medidas de pequenos sinais são mais difíceis de efetuar, pois pequenos sinais apresentam mais ASE, e com isso mais interações indesejadas na curva de OFDR, algumas vezes encobrindo o sinal desejado, e ainda saturando o fotodetector, mesmo com o uso dos filtros. Porém foi necessário comparar o comportamento do ganho nestes dois esquemas. A Figura 29 mostra medidas em pequenos sinais, gráfico da esquerda, e grandes sinais, gráfico da direita, para 1 nm com 3 potências de bombeio diferentes. Primeiro, pode-se observar em ambos os gráficos que a fibra satura, pois a potência de bombeio praticamente dobra e o ganho não aumenta muito. É uma

8 Medidas de ganho em fibras dopadas 64 saturação causada pelo bombeio, ou seja, a quantidade máxima de bombeio que pode ser absorvida pela fibra já foi utilizada. Também observamos que para pequenos sinais o ganho é praticamente db acima do ganho de grandes sinais. Neste caso a fibra também está saturada, mas agora é o sinal que está saturando a fibra, ou seja, uma alta potência de sinal faz com que este sinal seja absorvido pela fibra dopada, ao invés de ocorrer emissão estimulada, diminuindo assim o ganho. 3 2 P s = -2 dbm 3 2 Banda C λ = 1 nm P s = dbm 2 1 I p = 29 ma I p = 1 ma I p = 6 ma 2 1 I p = 29 ma I p = 1 ma I p = 6 ma Figura 29: Medidas de pequenos (-2 dbm) e grandes sinais ( dbm) para 1 nm, com diferentes potências de bombeio aplicadas. A Figura 3 apresenta medidas com a mesma fibra mostrada na Figura 29, porém apenas para um valor de potência de bombeio e para diferentes comprimentos de onda. A principal observação nesta figura é o comportamento diferente das curvas de pequenos e grandes sinais. Para pequenos sinais, observase que o máximo valor de ganho é bem diferente para cada curva, descrevendo o comportamento de ganho como visto na Figura 9 para uma total inversão de população. Já para grandes sinais, esta diferença desaparece, todos os comprimentos de onda apresentaram aproximadamente o mesmo valor de ganho para um certo comprimento de fibra.

9 Medidas de ganho em fibras dopadas 6 Portanto fica aqui uma observação importante. Não só a potência do bombeio é importante para a escolha do comprimento ótimo da fibra e fabricação do amplificador. A potência do sinal é igualmente importante fazendo com que não apenas o valor do ganho modifique, e sim o comportamento do ganho distribuído P s = -2 dbm P p = +2 dbm 3 Banda C 2 2 P s = dbm nm 14 nm 1 nm 3 16 nm 2 1 P p = +2 dbm 16 nm nm Figura 3: Medidas de pequenos (-2 dbm) e grandes sinais ( dbm) para sinais na banda C, com potência de bombeio de +2 dbm. Se o comportamento do ganho de sinal quando a fibra está, de alguma forma, saturada é importante, imaginemos agora, o que ocorre com o comportamento do ganho distribuído de um sinal na presença de outros sinais saturantes: Dois tipos diferentes de medidas foram feitos, primeiro, o sinal do OFDR de um único comprimento de onda observado na presença de sinais saturantes de comprimentos de onda diferentes, e segundo, o sinal do OFDR em diferentes comprimentos de onda observados na presença de um único sinal saturante. O efeito é o mesmo, mas a maneira de observar é diferente. A Figura 31 é um exemplo de medida para o primeiro caso. O sinal de OFDR em 17 nm, e o que acontece com este sinal na presença de sinais saturantes de 129, nm; 144,6 nm; 12,4 nm e 16,6 nm.

10 Medidas de ganho em fibras dopadas 66 Sinal Retro-espalhado [dbv] Ganho não saturado 12.4 nm Inicio da fibra 129. nm 16.6 nm I Pump =2 ma P Sat =- dbm nm Figura 31: Medida de OFDR em 17 nm, na presença de sinais saturantes de diferentes comprimentos de onda. A primeira observação é: quanto mais afastado, em comprimento de onda, é o sinal saturante do sinal de OFDR menor é o efeito causado. Portanto, a saturação é mais forte para sinais saturantes com comprimentos de onda mais próximos ao sinal OFDR. Para esclarecer melhor, uma medida mais completa foi feita, e é mostrada na Figura 32. Nela, estão presentes sinais saturantes com comprimentos de onda menores e maiores que o comprimento de onda do sinal de OFDR. Para os dois casos são observados efeitos semelhantes, porém, sinais saturantes com comprimentos de onda maiores que o sinal de OFDR fazem com que o ganho simplesmente diminua, em relação ao sinal não saturado. Já quando os comprimentos de onda são menores, o ganho de sinal tem uma inclinação diferente e vai mais longe na fibra, ou seja, é como se o sinal saturante, a partir de um determinado ponto, se tornasse bombeio para este sinal. Os sinais saturantes da Figura 31 tinham potência de dbm, e da Figura 32, dbm. Apesar dos valores de potência serem muito altos, comparados com valores de sinais que possivelmente trafegam na fibra, eles facilitam a ilustração da mudança do

11 Medidas de ganho em fibras dopadas 67 comportamento do ganho com a presença de outros sinais, como normalmente ocorre em sistemas de comunicação. Sinal Retro-espalhado [dbv] Ganho não saturado λ S =18 nm λ S =17 nm λ S =16 nm EDF λ = 17 nm λ S =13 nm λ S =14 nm λ S =1 nm Figura 32: Medidas de OFDR em 17 nm na presença de sinais saturantes. Os sinais saturantes utilizados tinham comprimento de onda entre 13 e 18 nm com intervalo de nm entre cada um. A Figura 33 mostra o segundo tipo de medidas com sinais saturantes. Este caso é um exemplo de sinal na banda C modificado com a presença de um sinal saturante. O gráfico mais a esquerda mostra medidas na banda C com a presença do sinal saturante a 16 nm. A presença deste sinal apenas fez com que o ganho de todas as curvas caísse drasticamente devido ao efeito da saturação. A medida ao centro é particularmente interessante pois nela podemos observar o efeito mostrado na Figura 32. A presença do sinal saturante promove diferenças nas características da curva de ganho quando o comprimento de onda do sinal OFDR é maior que o do sinal saturante, observamos que o sinal vai mais longe na fibra, e quando o comprimento de onda do sinal OFDR é menor, ocorre apenas a diminuição do valor do ganho devido a saturação.

12 Medidas de ganho em fibras dopadas 68 O gráfico mais à direita foi feito com o sinal saturante a 13 nm. Neste comprimento de onda os efeitos da saturação não foram observados com tanta clareza. Apesar da potência do sinal saturante ser a mesma que os outros, o ganho sofreu pouca atenuação devido à presença deste sinal, exceto para sinais mais próximos a ele, como é o caso de 13 e 14 nm. O efeito de bombeamento também não foi observado, talvez devido à característica de intensa emissão neste comprimento de onda. Este é o pico de emissão para érbio, e portanto, o efeito que ele faria de bombeamento não é observado com tanta clareza. Com isso concluímos que um estudo do comportamento do ganho dos sinais na presença de outros sinais na fibra é muito importante. Na hora de projetar o amplificador a quantidade de sinais que trafegam na fibra ao mesmo tempo é um parâmetro a ser levado em consideração por causa da interferência dos sinais devido a possíveis processos de absorção e emissão que causam mudanças nas curvas de ganho. 3 Sinais não saturados Sinais saturados Sinal saturante 16 nm 2 Sinal saturante 147 nm 2 Sinal saturante 13 nm 2 Figura 33: Medidas de OFDR em 13, 14, 1 e 16 nm, saturados e não saturados. Gráfico 1 com a presença de um sinal saturante (- dbm) de 16 nm; para o Gráfico 2 o sinal é de 147 nm; e para o gráfico 3, 13 nm. Outra análise interessante é o comportamento do ganho das fibras com a variação da temperatura. Alguns trabalhos enfatizando este efeito foram realizados, porém somente com simulação computacional, ou medidas de ganho

13 Medidas de ganho em fibras dopadas 69 numa fibra com comprimento fixo [37-3], e nunca com medidas de ganho distribuído. Para efetuar a medida, a fibra dopada foi colocada dentro de uma câmara que permite variar a temperatura interna entre 3 e +9 ºC. A pequena modificação no sistema para efetuar esta medida está ilustrada na Figura 34, onde pode ser observado o esquema de OFDR mostrado anteriormente, agora com a fibra sob a influência da temperatura. Laser (sinal de OFDR) I solador I nterferômetro de Michelson OL Gerador de função Camara tér mica T rigger Filtro Bombeio FFT Detector Fibra dopada Figura 34: Esquema do OFDR com a fibra dentro de uma câmara térmica para efetuar medidas de ganho em função da temperatura. As figuras abaixo ilustram o ganho distribuído versus a variação da temperatura para uma fibra dopada com érbio existente no laboratório, para diferentes potências de bombeio aplicadas. Foram feitas medidas com diferentes fibras dopadas, e cada uma apresentou uma taxa de variação diferente do ganho com a temperatura, mas em todos os casos, a variação de ganho para fibras bombeadas com 148 nm é maior que utilizando 98 nm como bombeio. Estes resultados estão de acordo com [1, 2]. Lembremos que os processos envolvidos são diferentes para bombeio de 98 nm, que utiliza o modelo de três níveis, e 148 nm que utiliza dois níveis. De acordo com [2], este comportamento pode ser explicado porque existe um valor finito para a secção de choque de emissão para o comprimento de onda de bombeio de 148nm, e este valor é bastante sensível a temperatura.

14 Medidas de ganho em fibras dopadas 7 3 λ S = 14 nm λ P = 98 nm 3 λ S = 16 nm λ P = 98 nm Temperatura do forno 1 P P = 4 mw - o C o C P P = 46 mw 2 o C 4 o C 6 o C P P = 18 mw 2 3 (a) 2 3 (b) Figura 3: Medidas de variação do ganho com a temperatura para bombeio de 98 nm e sinal em (a) 14 nm (b) 16 nm. As potências de bombeio indicadas são as mesmas para ambos os gráficos 3 - C λ S = 14 nm λ P = 148 nm 3 λ S = 16 nm λ P = 148 nm C 2 - C (a) Temperatura do forno - o C o C 2 o C 4 o C 6 o C (b) 6 C P P = 73.8 mw P P = 12 mw P P = 22. mw Figura 36: Medidas de variação do ganho com a temperatura para bombeio de 148nm e sinal em (a) 14 nm (b) 16 nm. As potências de bombeio indicadas são as mesmas para ambos os gráficos

15 Medidas de ganho em fibras dopadas 71 A Figura 3 mostra as curvas de ganho distribuído para uma determinada fibra, que apresentou a maior variação com a temperatura. A variação do ganho é mostrada em função da temperatura para bombeio de 98 nm e sinal em 14 e 16 nm. Observa-se que a variação para diferentes temperaturas não é significativa, sendo calculada para aproximadamente -,18 db/ o C para 14 nm e -,14 db/ o C para 16 nm. A Figura 36 ilustra a mesma medida porém para bombeamento de 148 nm. Agora a variação do ganho foi um pouco maior, sendo -,4 db/ o C para 14 nm e -,3 db/ o C para 16 nm. Uma observação deve ser feita, pois em [2] o autor sugere que o comprimento ótimo seria diferente, dependendo da temperatura ambiente do amplificador. Porém, para todas as fibras medidas em laboratório, a variação do ganho foi muito pequena, e cada fibra apresentava uma característica diferente, com variação de ganho para mais ou para menos, porém, apesar disso, mudou em apenas poucos centímetros a escolha do comprimento ótimo para temperaturas extremas. Deve-se, portanto, conhecer a fibra a ser utilizada, pois talvez algumas fibras no mercado tenham um comportamento diferente Medidas em Banda L Para efetuar medidas na banda L, utilizamos também fibras dopadas a érbio, porém estas fibras estão operando fora do ponto ideal de ganho, portanto alguns recursos foram utilizados para promover um aumento do ganho. As referências de amplificadores na banda L [-13] sempre usam longas fibras, e diferentes esquemas de bombeamento e injeção de um sinal semente (seed) para aumentar e planificar o ganho. As próximas figuras ilustram medidas de ganho para banda C e banda L juntas, Figura 37 e Figura 38, para duas fibras diferentes. Cada medida foi feita com as mesmas potências de sinal e de bombeio, cobrindo todo o espectro entre 13 e 16 nm, a cada nm. A observação mais evidente é que o ganho é muito maior na banda C que na banda L, e também que o comprimento ótimo da fibra na banda C é muito menor que o comprimento ótimo da fibra na banda L, além disso, a banda L não apresentou um comprimento ótimo que satisfaça uma boa relação de ganho plano e alto ganho, como na banda C.

16 Medidas de ganho em fibras dopadas 72 3 Banda C 3 Banda L P s = -2 dbm P p = +2 dbm nm 18 nm 19 nm 16 nm 16 nm 13 nm 14 nm 1 nm 16 nm Figura 37: Medidas nas bandas C e L para bombeio 98 nm, utilizando fibra fabricada para operar na banda C. 3 3 Banda C Banda L 2 P S = -2 dbm P P = +2 dbm nm 14 nm 1 nm 16 nm 1 17 nm 18 nm 19 nm 16 nm 16 nm Figura 38: Medidas nas bandas C e L para bombeio 98 nm, utilizando fibra fabricada para operar na banda L.

17 Medidas de ganho em fibras dopadas 73 A fibra usada na Figura 38 foi fabricada para utilização na banda L. Por isso ela apresenta maior ganho na banda L e menor diferença entre os valores de ganho entre banda C e banda L. A maioria das medidas deste trabalho, realizadas em banda L, foram feitas com esta fibra, por apresentar melhores ganhos e também por ser uma fibra comercial para banda L. Ainda para ilustrar as diferenças entre as duas bandas, a Figura 39 e a Figura 4 mostram medidas para diferentes potências de entrada (-2, -, e dbm) para banda C e L em uma mesma fibra, bombeada com 98 nm. Podemos observar que o efeito de saturação do sinal devido a um sinal de entrada maior é menos sentida na banda L que na banda C. Este fato é claramente observado comparando as medidas da esquerda e do centro de ambos os gráficos Banda C Bombeio 98 nm P P = +2 dbm 1 P S = -2 dbm P S = - dbm P S = dbm Figura 39: Medidas na banda C, com comprimentos de onda de 13, 14, 1 e 16 nm, para diferentes potências sinal de entrada.

18 Medidas de ganho em fibras dopadas Banda L Bombeio 98 nm P P = +2 dbm 1 P S = -2 dbm P S = - dbm P S = dbm Figura 4: Medidas na banda L, com comprimentos de onda de 17, 18, 19, 16 e 16 nm, para diferentes potências sinal de entrada. As medidas na banda C para todos os comprimentos de onda apresentam uma queda de aproximadamente db no ganho, porém as medidas na banda L apresentam uma menor variação, e para maiores comprimentos de onda esta diferença vai caindo, sendo quase desprezível para 16 nm. Comparando os gráficos da esquerda com o da direita, observamos que os sinais na banda C apresentam uma queda no ganho de aproximadamente db, e medidas na banda L apresentam uma queda no ganho de aproximadamente db. Talvez fosse necessário efetuar medidas com potência de sinal ainda maior, mas seria inviável, pois o laser de OFDR não responde para potências maiores, e também porque sistemas para amplificação geralmente não usam sinais maiores que estes. Em diversas referências, [-7], o recurso de injeção de um sinal, para auxiliar o bombeio é utilizado para aumento de ganho, seja devido a um sinal seed [8] ou um reaproveitamento da ASE que sai da fibra dopada [9, ]. Para isso pequenas modificações no sistema OFDR mostrado na Figura 23 foram feitas para possibilitar este estudo. Primeiramente, na Figura 41 é mostrado o esquema que ilustra a injeção de um sinal seed na fibra dopada. Este sinal é geralmente um sinal na banda C e para os experimentos foram usados 13, 14 e 1 nm. A

19 Medidas de ganho em fibras dopadas 7 Figura 42, mostra a modificação para aproveitamento da ASE, onde foi colocada uma rede de Bragg para refletir o sinal ASE que retorna para o início da fibra. Medidas foram feitas usando uma rede de Bragg construída para refletir apenas um comprimento de onda, daí escolhemos os mesmos comprimentos de onda usados para o experimento com seed, ou ainda uma rede de Bragg construída para refletir toda a banda C, ou seja, a ASE que retorna em todos os comprimentos de onda entre 13 e 16 nm é refletida por esta rede, chamada rede Broadband. Em seguida, foram feitas medidas para todas as configurações, e uma comparação para uma melhor escolha do comprimento da fibra para todas as configurações foi realizada. Laser (sinal de OFDR) I solador I nterferômetro de Michelson OL Gerador de função T rigger Filtro Seed Acoplador Fibra dopada FFT Detector WDM Bombeio Figura 41: Esquema OFDR para medidas inserindo um sinal seed na fibra dopada. Laser (sinal de OFDR) I solador I nterferômetro de Michelson OL Gerador de função T rigger FFT Filtro Detector Fibra dopada Rede de Bragg WDM Bombeio Figura 42: Esquema OFDR para medidas refletindo a ASE de volta para a fibra dopada, através de uma rede de Bragg. A partir deste ponto, várias curvas foram geradas de diferentes configurações, com e sem seed, com e sem reflexão de ASE, para todos os

20 Medidas de ganho em fibras dopadas 76 comprimentos de onda estudados na banda L. As figuras mostradas a seguir são algumas curvas de comparação e ilustração. A Figura 43 mostra o aumento de ganho para curvas em 16 nm, quando o sinal seed é utilizado em comparação ao sinal simples. Observa-se também que entre as curvas com seed, a que dá o maior aumento de ganho é 1 nm, e o menor é 13 nm. Este comportamento foi observado para todas as medidas em todos os comprimentos de onda na banda L com estas potências de bombeio e sinal. Este efeito é semelhante ao que foi observado na saturação da banda C (Figura 31 e Figura 32). Porém na banda C, a presença de outro sinal reduzia o ganho, enquanto que, na banda L, este sinal serve de auxílio ao bombeamento do sinal desejado, fazendo com que se precise de uma fibra mais longa, porém com um aumento de ganho de sinal. Ganho em 16 nm [db] sem seed P. de Signal = -2 dbm P. de Bombeio = +2 dbm P. de Seed = dbm seed 14 nm seed 13 nm seed 1 nm Figura 43: Medida para ganho em 16 nm, com e sem seed de 13, 14 e 1 nm. A Figura 44 ilustra a comparação do uso de seed com a reflexão da ASE através de rede de Bragg para uma rede simples do mesmo comprimento de onda do seed, ou para uma rede broadband. Neste caso é mostrada a medida em 19 nm, e para o sinal de seed em 14 nm.

21 Medidas de ganho em fibras dopadas 77 O que essa figura deve ilustrar é que o sinal seed é mais eficiente para aumentar o ganho que o uso de uma rede de Bragg do mesmo comprimento de onda. Isso foi observado para todos os comprimentos de onda da banda L. Porém não deve ser descartado o uso da rede simples para reflexão [4-6], que aumenta bastante o ganho e é mais simples e barato que o uso de uma fonte laser. Já para o uso de rede de Bragg broadband, pode-se afirmar pelas medidas obtidas que esse método aumenta o ganho no geral, porém, para algumas medidas, o ganho gerado com o uso da rede broadband foi menor que para seed 1 nm. Na Figura 44 também é ilustrada a característica da rede de Bragg utilizada. 2 Ganho em 19 nm [db] 2 1 Sem seed Reflectividade [%] Bragg 14 nm 1 seed 14 nm Rede Broadband Broadband Comprimento de onda [nm] Figura 44: Medidas de ganho em 19 nm para sinal sem seed, sinal com seed 14 nm, uso de rede de Bragg que reflete 14 nm e rede de Bragg broadband, com ilustração da sua curva de refletividade. A medida mostrada na Figura 4 é uma ilustração da diferença de comportamento entre os ganhos de comprimentos de onda diferentes, e também da eficiência do uso da rede de Bragg broadband para aumento do ganho. As medidas foram realizadas em 18 e 16 nm onde a diferença de ganho é enorme mesmo sem nenhum recurso. Porém com o uso da rede broadband as curvas praticamente se encontram num valor de ganho bem mais alto.

22 Medidas de ganho em fibras dopadas 78 A rede de Bragg broadband aumentou o ganho em quase todos os comprimentos de onda na banda L, menos em 17 nm. Porém o uso da rede, faz com que a ASE que sairia pela entrada da fibra retorne, e faz com que a curva de ganho se desloque, promovendo ganho em comprimentos maiores da fibra nm sem seed e seed broad band nm sem seed e seed broad band Sinal -2 dbm Bombeio +2 dbm Figura 4: Medidas de ganho distribuído para 18 e 16 nm, para sinais com bombeamento simples e para uso de rede broadband. O próximo gráfico, mostrado na Figura 46 ilustra uma medida para todos os comprimentos na banda L, para uma das configurações estudadas, neste caso para medidas utilizando a rede de Bragg broadband. A figura mostra o comportamento dos sinais e a escolha do comprimento ótimo da fibra. A Figura 47 mostra uma comparação entre as principais medidas (e neste caso não são colocadas as medidas com rede de Bragg refletindo apenas um comprimento de onda), mostrando uma escolha de comprimento ótimo, de forma que o ganho fique espectralmente plano.

23 Medidas de ganho em fibras dopadas nm Seed Broadband nm Sinal = -2 dbm Bombeio = +2 dbm Escolha do comp. ótimo da fibra L= 2 m Figura 46: Medidas de ganho para banda L utilizando fibra de Bragg broadband. 28 Sinal = -2 dbm 26 Bombeio = +2 dbm sem seed (4 m) broadband (2 m) seed 13 (4 m) seed 14 ( m) seed 1 ( m) Comprimento de Onda [nm] Figura 47: Comparação entre as medidas em banda L para as diferentes configurações de sistemas.

24 Medidas de ganho em fibras dopadas 8 Neste caso a escolha do comprimento compromete o mais alto valor de ganho em função da planicidade do ganho. No exemplo mostrado, a configuração utilizando rede broadband apresentou ganho plano em quase toda banda L (aproximadamente 2 db), ilustrando assim uma excelente escolha para um amplificador utilizando a mesma fibra e as mesmas potências usadas no teste. Em [4] o uso de uma rede de Bragg broadband não foi tão eficiente quanto o uso de uma rede de Bragg de um único comprimento de onda (13 nm). Porém vale relembrar que no experimento em questão, além de ter sido utilizada uma outra fibra, o ganho não foi medido através de ganho distribuído, e sim observando o sinal no final de uma fibra de tamanho fixo. Neste caso, não se tem garantia de que este comprimento é ótimo para o experimento, ou se o uso da rede broadband pode ser mais eficiente se outro comprimento de fibra for utilizado. No experimento feito com rede de Bragg broadband, apesar do sistema ter apresentado um resultado excelente, a rede de Bragg tem uma perda de inserção de aproximadamente dbm para sinais na banda L. Estas perdas foram compensadas de forma que no experimento, a mesma potência de entrada fosse observada para todas as diferentes configurações estudadas. Porém, isto tornou inviável a utilização do sistema broadband, sendo necessária uma rede com baixa perda de inserção. Outro experimento na banda L foi tentar aumentar o ganho utilizando duplo bombeamento. Neste caso de duplo bombeamento, a análise utilizando ganho distribuído através de técnica de reflectometria é muito difícil. É preciso utilizar uma fibra curta o suficiente para ver o efeito do bombeio contra-propagante, além disso, o bombeio contra-propagante, deve ser devidamente isolado, e cuidados devem ser tomados para que o sinal de bombeio contra-propagante que eventualmente atravesse a fibra sem ser utilizado não danifique o laser de bombeio co-propagante, o laser de sinal e o detector. Como num sistema de reflectometria, é muito difícil usar os WDM com isoladores, pois após passar pelos isoladores, o sinal refletido não consegue voltar sem perder bastante intensidade. O uso de duplo bombeio é mais simples se as duas fontes de bombeio forem diferentes, como 98 nm e 148 nm, pois bombeios de mesmo comprimento de onda podem passar facilmente pelo WDM sem isolação, entrando diretamente na direção do outro bombeio, podendo danificar o laser.

25 Medidas de ganho em fibras dopadas 81 A Figura 48 ilustra o sistema usado para medidas em banda L para duplo bombeio. Neste caso, o bombeio co-propagante é 98 nm e o bombeio contrapropagante é 148 nm. Um isolador na saída do bombeio de 148 nm, além de um WDM sem isolação (148/19 nm) foi utilizado para eliminar uma reflexão do sinal retro-espalhado. Laser (sinal de OFDR) Gerador de função I nterferômetro de Michelson OL Bombeio Backward Fibra dopada T rigger Filtro FFT Detector Bombeio Forward OSA Figura 48: Esquema OFDR para medidas em banda L utilizando duplo bombeamento. As figuras seguintes mostram medidas de duplo bombeio para dois diferentes comprimentos de fibra para a banda L. A Figura 49 mostra uma medida em uma fibra de 8 m. O ganho distribuído devido ao bombeio co-propagante aparece no início da fibra. A partir de 4 m, esse bombeio não é suficiente e o sinal passa a ser absorvido pela fibra, ou seja, a curva de ganho cai, então a medida começa a apresentar uma extrapolação para ganho distribuído, entre 4 e 6 m de comprimento, porque o sistema não foi capaz de reproduzir estes pontos por apresentar uma alta saturação do detector, que faz com que o nível de sensibilidade do aparelho se sobreponha à medida. Porém, após 6 m, o sinal sai do nível de ruído do equipamento devido ao efeito da alta potência de bombeio contra-propagante. Pode-se observar que a fibra é muito longa para todos os comprimentos de onda na banda L, pois o ganho devido ao bombeio copropagante chega a um máximo e cai, vai sendo absorvido pela fibra, chegando próximo de ganho zero. De acordo com a extrapolação são mais de 2 m de fibra em que o sinal foi absorvido e o bombeio contra-propagante não conseguiu chegar, depois são aproximadamente mais 2 metros em que o bombeio contrapropagante ilumina a fibra.

26 Medidas de ganho em fibras dopadas Bombeio co-propagante EDFA Banda L Duplo bombeio 17 nm 18 nm 19 nm 16 nm 16 nm bombeio contra-propagante Figura 49: Medidas de ganho distribuído em banda L para duplo bombeio em 8 m de fibra dopada 2 Bombeio co-propagante EDFA Banda L Duplo bombeio 1 Bombeio contra-propagante 17 nm 18 nm 19 nm 16 nm 16 nm Figura : Medidas de ganho distribuído em banda L para duplo bombeio em m de fibra dopada.

27 Medidas de ganho em fibras dopadas 83 Seria ideal uma medida com um comprimento de fibra menor, e isso é ilustrado na Figura, que se trata da mesma fibra, porém com comprimento menor, m. Neste caso, a fibra ainda é aparentemente longa para o sinal de 17 nm porém curta para 16 nm, e o bombeio contra-propagante também não foi tão eficiente quanto na medida anterior, ou seja, ele promoveu um ganho menor que na fibra maior, isso porque ele encontrou em alguns metros a fibra iluminada pelo bombeio co-propagante, fazendo com que a fibra ficasse transparente para o efeito do bombeio. Observando com mais atenção os sinais de comprimentos de onda mais extremos, temos então, na Figura 1 as curvas de ganho distribuído para 17 e 16 nm, para os dois comprimentos de fibra utilizados. EDFA Banda L Duplo bombeio 2 17 nm 1 16 nm Figura 1: Medidas de ganho distribuído em 17 e 16 nm para duplo bombeio em e 8 m de fibra dopada. Observa-se, como citado anteriormente, que a fibra ainda é longa para o sinal de 17 nm, porém curta para 16 nm. Na curva de 16 nm, numa distância de 3 m a partir do início da fibra o ganho, que para a outra curva era somente devido ao bombeio co-propagante, agora foi depletado pela presença do

28 Medidas de ganho em fibras dopadas 84 bombeio contra-propagante. Na medida de 17 nm porém, vemos que, apesar da proximidade, o bombeio contra-propagante aparentemente não afetou o ganho no início da fibra gerado pelo bombeio co-propagante. Todos os resultados foram confirmados em medida simples de ganho usando o OSA, onde foram medidos o sinal de entrada e o sinal de saída, e calculado o ganho. A Tabela 2 mostra os valores de ganho medidos no final da fibra nas duas técnicas, as medidas de ganho distribuído através da técnica de OFDR no final da curva se ajustaram perfeitamente aos medidos com o auxílio do OSA, mostrando que os resultados são realmente coerentes e verdadeiros. OFDR 8 m OSA 8 m OFDR m OSA m 17 nm 23,1 db 23,9 db 2,8 db 2,6 db 18 nm 22, db 22,6 db 19,9 db 19, db 19 nm 21,1 db 21,9 db 18,7 db 18,7 db 16 nm 2,2 db 21,1 db 17,7 db 17,4 db 16 nm 17,8 db 18, db 13,7 db 13,1 db Tabela 2: Valores de ganho para as técnicas de OFDR e utilizando o OSA para medidas de duplo bombeio em banda L para e 8 m de fibras dopadas. Chegamos à conclusão que, talvez exista um comprimento de fibra ideal entre estes dois comprimentos mostrados no experimento, porém esta medida, neste caso, é destrutiva, precisando que sejam feitos sucessivos cortes e análises a fim de procurar o comprimento ideal de fibra para esta configuração, devido as características da fibra de érbio. Duas conclusões podem ser tiradas destas medidas: primeira, o uso de duplo bombeio realmente aumenta bastante o ganho do sistema; e a segunda, que esta técnica também é eficiente para medidas de ganho distribuído em duplo bombeio, sendo ineficiente para prever o comprimento ótimo, mas reproduzindo bem o comportamento do ganho ao longo da fibra.

29 Medidas de ganho em fibras dopadas 8.2. Medidas em fibras dopadas com Túlio Banda S Como discutido anteriormente, o método é bastante importante para caracterizações de fibras dopadas, porém fibras de sílica dopadas com érbio já são amplamente usadas, tendo vários softwares de simulação a disposição, porém, fibras diferentes, como a fibra ZBLAN dopada com túlio, além de ter poucos recursos de caracterização, é uma fibra extremamente cara, tornando-se inviável a caracterização por método de cutback. As medidas de OFDR na banda S foram executadas com um sistema conforme a Figura 23. Foi montado um esquema com um laser sintonizável na banda S com largura de linha de khz, um filtro semelhante ao mostrado na Figura 22, porém com as redes de Bragg para 146, 147, 148, 149 e 1 nm. O processo é o mesmo, portanto os tipos de medidas são os mesmos. Entretanto, fazer medidas com estas fibras foi especialmente difícil, porque as fibras não são de sílica. O material do qual a fibra é feita, ZBLAN é extremamente frágil, e a fibra quebra muito facilmente. Por isso, a emenda ZBLAN sílica não é acessível, as emendas são feitas por encomenda e fechadas em uma caixa, para facilitar o manuseio e evitar perdas. A parte acessível é apenas as saídas com fibras de sílica para que as emendas sejam feitas com o resto do sistema. Estas emendas internas causavam uma reflexão enorme e de difícil controle. A Figura 2 mostra a primeira caracterização com medidas de ganho distribuído em fibras dopadas com túlio. Esta fibra tem comprimento de 1m. A primeira grande reflexão vem de uma saída do WDM aberta, que serve como porta de controle, e que acarretava num ponto alto de reflexão. A segunda reflexão é a emenda ZBLAN sílica, e logo depois observa-se o comportamento de ganho da fibra. A fibra foi bombeada em nm (co-propagante) a uma potência de 2, dbm, e o sinal foi 148 nm a uma potência de -2 dbm. Para esta primeira medida, podemos observar através da diferença entre os picos da emenda da saída, que o ganho dessa fibra para este comprimento é 24 db, e novamente o ganho é lido diretamente da medida subtraindo o valor de máximo ganho pelo valor sem ganho e dividindo por dois.

30 Medidas de ganho em fibras dopadas 86 Sinal Retro-espalhado [dbv] Medida em fibra dopada com Túlio Emenda de entrada Emenda de saída Aumento do bombeio Figura 2: Caracterização de ganho distribuído em 1 m de fibra ZBLAN dopada com túlio. Sinal Retro-espalhado [dbv] A 4.1 db B 4.2 db P A =1/2[( )/2]=.8 db A 7.4 db P B =1/2[( )/2]=1 db B 8.3 db Figura 3: Medidas de perdas nas emendas ZBLAN-sílica usando a técnica de OFDR. A primeira grande diferença entre as curvas de ganho da fibra dopada com érbio e com túlio é que para o túlio, o sinal não é absorvido pela fibra, fato

31 Medidas de ganho em fibras dopadas 87 percebido pela curva de bombeio zero. A maneira com que o ganho cresce também é diferente, para cada bombeio, tem-se uma curva de inclinação diferente. Isto é devido ao processo de amplificação, pois o bombeio precisa tirar população do nível fundamental e depois de um nível intermediário, nível 2, até um outro nível intermediário, nível 3, e a amplificação ocorre entre estes níveis 2 e 3. Utilizando a técnica de OFDR, pode-se ainda caracterizar as perdas nas emendas nas extremidades da fibra, observadas na Figura 2, fazendo uma caracterização não destrutiva, apenas através de medidas sem bombeio, nas duas direções, medidas estas mostradas na Figura 3. As perdas medidas para as emendas A e B são respectivamente,8 e 1 db. A seguir, foi aberta a caixa da emenda ZBLAN-sílica para abrir a emenda de saída de uma outra amostra de TDF, que estava danificada, para tentar fazer a medida sem a interferência da reflexão da emenda de saída. O resultado é mostrado na Figura 4. Sinal Retro-espalhado [dbv] Emenda de entrada Final da fibra Aumento da potência bombeio Figura 4: Caracterização de ganho distribuído em 9,8 m de fibra ZBLAN dopada com túlio. O ganho da fibra da na Figura 4 foi de 11 db, e está de acordo com outros métodos de medida de ganho usados no laboratório. Pela medida, observa-se que a fibra provavelmente está longe de seu comprimento ótimo para esta potência de

32 Medidas de ganho em fibras dopadas 88 bombeio, e também não apresenta indícios de saturação de ganho pela potência de bombeio. Com o uso dessa técnica, o custo para se trabalhar em laboratório com essa fibra diminui bastante, pois uma fibra maior pode ser analisada para determinadas potências de sinal e de bombeio, e depois ela é cortada para que se construa o amplificador. Além de comprimento ótimo da fibra, também se procura diferentes tipos de bombeamento visando um aumento de ganho e melhor desempenho do amplificador, assim como na fibra dopada com érbio. Alguns trabalhos vem sendo desenvolvidos neste sentido, como em [48, 49, 7]. A técnica de OFDR vem sendo amplamente usada para que a tecnologia se desenvolva. A Figura ilustra uma medida de duplo bombeio com esquema de bombeamento proposto pelo grupo de óptica do departamento de Física da UFPE [48, 7]. Neste exemplo é usada uma fibra dopada de 18 m de comprimento. O sinal é 1 mw de 148 nm e os bombeamentos são: co-propagante de nm com potência 8 m W e contra-propagante de 8 nm com potência de 4 mw. 1 Duplo bombeio nm Ganho (db) 8 nm Ganho( + 8) - Ganho () Figura : Medida de duplo bombeio em fibra dopada com túlio.

33 Medidas de ganho em fibras dopadas 89 Analisando rapidamente esta medida, ela mostra dois gráficos. O gráfico de cima mostra uma medida de ganho com bombeamento simples (apenas copropagante) e duplo. O gráfico de baixo apresenta apenas o comportamento do bombeio contra-propagante. Como já foi observado, o sinal não é absorvido pela fibra, não existe o problema encontrado para caracterizar duplo bombeamento em EDFA, ou seja, uma fibra com comprimento maior que o necessário, quando caracterizada através da técnica de OFDR, ilustra perfeitamente os comportamentos dos bombeios. Por exemplo, com o bombeamento co-propagante o ganho distribuído na Figura cresce lentamente com uma inclinação muito pequena, e no final da fibra apresenta sinal com ganho constante, quer dizer, a fibra é muito longa para este bombeio. Porém, observando o efeito do bombeamento contra-propagante do gráfico de baixo (Figura ), em apenas 6 m de fibra ele adiciona aumento do ganho, e em apenas 2 m, ele realmente atua aumentando o ganho. Este efeito sugere que uma fibra menor poderia ser usada, ou ainda que os dois bombeios fossem co-propagantes [7], lembrando que a eficiência do bombeamento de 8 nm só é alta devido a presença do outro bombeamento. Portanto, esta técnica utilizada para caracterização de dispositivos a fibra, apresenta-se pela primeira vez de forma mais abrangente, através de um sistema que pode promover a caracterização de ganho em fibras dopadas por diferentes materiais e operando em diferentes comprimentos de onda, possibilitando medidas em diferentes configurações. Portanto, o avanço do estudo do amplificador a fibra dopada com túlio, e o uso desta técnica para caracterização do ganho para este comprimento de onda são de grande importância, visto que, diferentemente do EDFA, que é amplamente utilizado em sistemas, o TDFA ainda está em fase de desenvolvimento.