ESTUDO E SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS DE PLANIFICAÇÃO DE GANHO ÓPTICO E EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA EM REDES WDM

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS CURITIBA GERÊNCIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL - CPGEI RAFAEL HEY CORADIN ESTUDO E SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS DE PLANIFICAÇÃO DE GANHO ÓPTICO E EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA EM REDES WDM DISSERTAÇÃO DE MESTRADO CURITIBA AGOSTO

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4 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial DISSERTAÇÃO apresentada à UTFPR para obtenção do grau de MESTRE EM CIÊNCIAS por RAFAEL HEY CORADIN ESTUDO E SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS DE PLANIFICAÇÃO DE GANHO ÓPTICO E EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA EM REDES WDM Banca Examinadora: Orientador: PROF. DR. ALEXANDRE DE ALMEIDA PRADO POHL UTFPR Examinadores: PROF. DR. JOSE LUIS FABRIS PROF a. DR a. MARIA JOSÉ PONTES PROF a. DR a. ROSANE FALATE UTFPR UFES UEPG Curitiba, Julho de iii

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6 RAFAEL HEY CORADIN ESTUDO E SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS DE PLANIFICAÇÃO DE GANHO ÓPTICO E EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA EM REDES WDM Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, como requisito parcial para a obtenção do grau de Mestre em Ciências Área de Concentração: Telemática. Orientador: Prof. Dr. Alexandre de Almeida Prado Pohl Curitiba 2008 v

7 Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca da UTFPR Campus Curitiba C787e Coradin, Rafael Hey Estudo e simulação de técnicas de planificação de ganho óptico e equalização de potência em redes wdm / Rafael Hey Coradin. Curitiba, UTFPR, 2008 XXI, 87 p. : il. ; 30 cm Orientador: Prof. Dr. Alexandre de Almeida Prado Pohl Dissertação (Mestrado) Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Curitiba, 2008 Bibliografia: p Sistemas de telecomunicações. 2. Amplificadores ópticos. 3. Potências. I. Pohl, Alexandre de Almeida Prado, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. III. Título. CDD: vi

8 AGRADECIMENTOS Ao professor Alexandre pela orientação e pelo suporte e compreensão nos momentos de dificuldade para o prosseguimento do curso de mestrado. Mesmo estando, primeiro eu, depois ele, a distâncias transoceânicas de Curitiba pudemos estar em sintonia com o objetivo de realizar este trabalho. Ao Amauri pela ajuda com as simulações e colaboração com o seu trabalho de mestrado, que teve grande contribuição para os resultados obtidos neste. Em especial, pelo desenvolvimento do EDPO. À UTFPR por proporcionar um ensino de qualidade e de valor a sociedade. O corpo docente mostrou-se de uma competência singular. Pude comprovar, em diversas oportunidades, o respeito que possuem na comunidade científica nacional e internacional. À minha família pelo apoio e incentivo. Foram eles quem me deram suporte quando minha carga de atividades começava a refletir em alterações de saúde e humor durante os anos do curso de mestrado. A Deus pela constante inspiração. É Nele que encontro razões para continuar. A vida não é a que a gente viveu, mas a que a gente recorda, e como recorda para contá-la. Gabriel García Márquez vii

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10 SUMÁRIO SUMÁRIO... IX LISTA DE FIGURAS...XIII LISTA DE TABELAS... XVII RESUMO...XVIII ABSTRACT... XIX LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS...XX CAPÍTULO INTRODUÇÃO MOTIVAÇÕES OBJETIVOS ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO... 3 CAPÍTULO AMPLIFICADORES ÓPTICOS PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DOS EDFAS GANHO FIGURA DE RUÍDO SATURAÇÃO DOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS APLICAÇÕES DOS EDFAS CONFIGURAÇÕES DOS EDFAS COMPRIMENTO DE ONDA DE BOMBEAMENTO ix

11 2.7 DEGRADAÇÃO DA AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA EM SISTEMAS DINÂMICOS PLANIFICAÇÃO DO GANHO ÓPTICO PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FABRY-PEROT DO TIPO ETALON PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FILME FINO DIELÉTRICO MULTI-CAMADAS PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO AWG PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DO TIPO MACH ZEHNDER PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE PERÍODO LONGO (LPG) PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE BRAGG MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA DE EDFAS CAPÍTULO AMBIENTE DE SIMULAÇÃO REDE GIGA VPITRANSMISSIONMAKER E VPICOMPONENTMAKER CARACTERIZAÇÃO DO EDFA UTILIZADO PARA SIMULAÇÕES RELAÇÃO SINAL-RUÍDO ÓPTICA (OSNR) CARACTERIZAÇÃO DO FILTRO À GRADE DE BRAGG UTILIZADO PARA AS SIMULAÇÕES PLANIFICAÇÃO DA ASE DE UM EDFA USANDO UMA ÚNICA GRADE DE BRAGG TÉCNICA DE EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA UTILIZADA NAS SIMULAÇÕES x

12 3.7 TÉCNICA DE CONTROLE DE TRANSIENTES UTILIZADA NAS SIMULAÇÕES CAPÍTULO SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA COM MÚLTIPLOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS CASCATEADOS POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA PARA 1 EDFA E DIFERENTES PARÂMETROS DE REJEIÇÃO DA GRADE DE BRAGG EQUALIZADORA POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA REDE GIGA CASO SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS OSNR EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA REDE GIGA CASO SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA REDE GIGA CASO COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE 4 CANAIS OSNR EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA REDE GIGA CASO COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE 4 CANAIS DESVIO DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA REDE GIGA SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS DESVIO DE OSNR EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA REDE GIGA SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS DESVIO DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA REDE GIGA COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS DESVIO DE OSNR EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA REDE GIGA COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS CAPÍTULO ARTIGOS ACEITOS EM CONGRESSOS xi

13 CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS xii

14 LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Diagrama esquemático dos níveis de energia para a fibra dopada com érbio com destaque para as transições ocasionadas pelo bombeamento de 980 nm (três níveis) e 1480 nm (dois níveis) Figura 2.2 Alteração do perfil de ganho para diferentes potências de bombeamento. (ZHU, 2002)... 9 Figura 2.3 Configuração co-propagante de um EDFA (VPI PHOTONICS, 2007) Figura 2.4 EDFA com bombeamento contra-propagante (VPI PHOTONICS, 2007) Figura 2.5 EDFA com bombeamento bidirecional Figura 2.6 EDFA com dois estágios Figura 2.7 Princípio de operação do filtro de planificação de ganho do tipo etalon (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000) Figura 2.8 Espectro de ganho de um EDFA com filtro do tipo Etalon para planificação de ganho (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000) Figura 2.9 Característica de ganho de um EDFA com planificação de ganho por filtro de filme fino multicamadas (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002) Figura 2.10 Configuração do guia de onda do filtro de planificação de ganho à AWG. (VALLON, CHEVALLIER, GUIZIOU et al, 2003) Figura 2.11 Espectro ASE original e equalizado do EDTFA (SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al, 2002) Figura 2.12 Esquemático de um EDFA com ganho equalizado usando um filtro LPG com as fontes de teste usadas para medir o aplanamento e o ruído. Todos os isoladores produzem 40 db de isolamento e 1 db de perda por inserção (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997) Figura 2.13 Espectro de ganho do EDFA com planificação para dois níveis de sinal. Estágio 1 com 76 mw de potência de bombeamento a 980 nm. Estágio 2 com potências de bombeamento de 34,5 mw e 74,5 mw a 1480 nm, respectivamente (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997) Figura 2.14 Espectros da ASE para o sistema amplificador com bombeamento bidirecional, com e sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002) Figura 2.15 Espectros da ASE para o EDFA com bombeamento contra-propagante, com e sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002) xiii

15 Figura 2.16 Espectro simulado na saída do amplificador para um pente de sinais aplicados, com inserção do filtro (contra-propagante) Figura Modelo de equalização dinâmica utilizando VOAs (MOCKI, 2006) Figura Realimentação óptica para supressão de transientes (CHUNG, KIM e CHAE, 1996) Figura Oscilações de relaxação e SHB. (a) grande SHB; (b) SHB reduzido e oscilação de relaxação aumentada e; (c) Grande oscilação de relaxação. Canal sobrevivente em 1552,3 nm (LUO, ZYSKIND, SUN, et al, 1997) Figura Modelo de controle automático de ganho eletrônico (BOTHA, 2005) Figura Controle de Bombeamento Simulado, 1 de 4 canais é retirado (MOCKI, 2006) Figura 3.1 Configuração atual da Rede GIGA. Os triângulos representam a localização dos EDFAs Figura Modelo da Rede GIGA criado no VPI (MOCKI, 2006) Figura 3.3 Módulo do VPI utilizado para simulações de EDFA Figura 3.4 Curva de ganho característica do módulo EDFA utilizado nas simulações da Rede GIGA Figura 3.5 Potência de entrada total em cada EDFA da Rede GIGA Figura 3.6 Display de saída do Channel Analyzer Figura Representação esquemática de uma rede de Bragg em fibras ópticas (ANDRÉ, PINTO, ABE et al, 2001) Figura 3.8 Tela de configuração dos parâmetros do módulo FBG Filter do VPI Figura 3.9 Espectro da grade de Bragg utilizada para planificação do ganho dos EDFAs da Rede GIGA. Em vermelho o espectro da transmissão e em amarelo o espectro da reflexão Figura 3.10 Detalhe da montagem: EDFA mais filtro FBG Figura 3.11 Espetro do ruído ASE de um EDFA sem planificação (tracejado amarelo) sobreposto ao espectro do mesmo EDFA após a adição de um filtro FBG para planificação de ganho (tracejado em vermelho) Figura 3.12 Diagrama esquemático do EDPO (MOCKI, 2006) Figura 3.13 Modelo desenvolvido no VPI da técnica de controle do laser de bombeamento Figura 4.1 Esquemático utilizado para simulações de planificação de ganho de um único EDFA xiv

16 Figura 4.2 Potência em Watts considerando as potências de saída de um único EDFA e diferentes valores de rejeição do filtro a grade de Bragg Figura 4.3 Desvio de potência dos canais da Rede GIGA na saída do módulo EDFA + FBG em função de diferentes valores de rejeição da grade de Bragg Figura 4.4 Potência na recepção da rede GIGA para o caso sem adição/remoção de canais para quatro situações: sem qualquer equalização, apenas com planificação de ganho, apenas com equalização de potência, com planificação de ganho e equalização de potência Figura 4.5 OSNR na recepção da rede GIGA para o caso sem adição/remoção de canais para quatro situações: sem equalização de potência ou planificação de ganho, apenas com planificação de ganho, apenas com equalização de potência, com planificação de ganho e equalização de potência Figura 4.6 Potência dos canais na recepção do sistema para quatro situações: com planificação de ganho e de potência, apenas com equalização de potência, apenas com planificação de ganho e sem nenhum tipo de equalização. Casos com substituição de canais de 1 mw no site de São Paulo Figura 4.7 Potência dos canais na recepção do sistema para quatro situações: com planificação de ganho e de potência, apenas com equalização de potência, apenas com planificação de ganho e sem nenhum tipo de equalização de potência ou planificação de ganho. Casos com substituição de canais de 2 mw no site de São Paulo Figura 4.8 OSNR dos canais na recepção do sistema pra quatro situações: com planificação de ganho e de potência, apenas com equalização de potência, apenas com planificação de ganho e sem nenhum tipo de equalização ou planificação. Casos com substituição de canais de 1 mw no site de São Paulo Figura 4.9 OSNR dos canais na recepção do sistema para quatro situações: com planificação de ganho e de potência, apenas com equalização de potência, apenas com planificação de ganho e sem equalização de potência ou planificação de ganho. Casos com substituição de canais de 2 mw no site de São Paulo Figura 4.10 Desvio de potência em função do número de EDFAs percorrido (distância no enlace) pelos canais na Rede GIGA. Caso sem atuação do OADM Figura 4.11 Desvio de OSNR em função do número de EDFAs percorrido pelos canais na Rede GIGA. Caso sem atuação do OADM Figura 4.12 Evolução do desvio de potência na Rede GIGA em função da distância. Caso onde 4 canais de 1 mw são substituídos no site de São Paulo xv

17 Figura 4.13 Desvio de potência em função do número de EDFAs percorrido pelos canais na Rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 2 mw de potência no site São Paulo Figura 4.14 Desvio de OSNR em função do número de EDFAs percorrido pelos canais na Rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 1 mw de potência no site São Paulo Figura 4.15 Desvio de OSNR em função do número de EDFAs percorrido pelos canais na rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 2 mw de potência no site São Paulo xvi

18 LISTA DE TABELAS TABELA 2.1: Valores típicos de potência de saída e de figura de ruído para diferentes tipos de aplicações dos EDFAs TABELA 2.2: Principais parâmetros para seleção do filtro de aplanamento de ganho TABELA 3.1: Características de atenuação e dispersão da Rede GIGA (MOCKI, 2006) TABELA 3.2: Características de compensação de dispersão (MOCKI, 2006) TABELA 4.1: Canais utilizados nas simulações da Rede GIGA TABELA 4.2: Desvio de potência na recepção da Rede GIGA para quatro situações. Casos sem OADM TABELA 4.3: Desvio de OSNR na recepção da Rede GIGA para quatro situações. Casos sem OADM TABELA 4.4: Evolução do desvio de potência e técnicas aplicadas. Casos com 4 canais de 1 mw e com 4 canais de 2 mw de potência adicionados no site de São Paulo TABELA 4.5: Evolução do desvio de OSNR em relação às técnicas para equalização de potência e planificação de ganho aplicadas. Caso com 4 canais de 1 mw adicionados e caso com 4 canais de 2 mw adicionados no site de São Paulo TABELA 4.6: Desvio de potência na recepção da Rede GIGA. Caso onde um canal é retirado no site de São Paulo xvii

19 RESUMO Neste trabalho são estudadas e comparadas as principais técnicas utilizadas para o controle das degradações sofridas pelos sinais ópticos em sistemas WDM no que se refere ao uso de EDFAs. O problema da não-uniformidade do seu perfil de ganho, o desnível de potências causados por variações aleatórias no seu sinal de entrada e a influência dos transientes de potência óptica na rede são abordados. As técnicas de planificação de ganho utilizando grades de Bragg, de equalização de potência baseada em atenuadores ópticos variáveis e de controle de transientes utilizando o método de controle automático do laser de bombeamento são analisadas isoladamente e em atuação conjunta utilizando o software para simulação de enlaces ópticos VPI. As simulações reproduzem o ambiente da rede de desenvolvimento GIGA, que interliga instituições de ensino brasileiras, e permitem que seja proposta uma configuração na qual os desníveis de OSNR e potência óptica dos canais em sua recepção sejam minimizados. xviii

20 STUDY AND SIMULATION OF GAIN FLATTENING AND POWER EQUALIZATION TECHNIQUES IN WDM NETWORKS ABSTRACT In this document, the main techniques used to control the degradations suffered by the optical signals in WDM systems when using EDFAs are studied and compared. The nonlinearity of the gain profile, the unbalanced power due to input signal excursions and the optical power transients in the network are considered. The gain-flattening using fiber Bragg gratings, the power equalization based on variable optical attenuators and the transient suppression using the automatic pumping power control techniques are, isolated and combined, analyzed using the optical physical layer simulation software VPI. The simulations reproduce the environment of a network called GIGA which integrate Brazilian research and development institutions, and their outcome permits the proposal of an optimum technique to minimize the unbalanced power and OSNR at the reception end. xix

21 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AOTF Acousto-Optic Tunable Filter ASE Amplified Spontaneous Emission AWG Arrayed Waveguide Grating BER Bit Error Rate CPqD Centro de Pesquisa e Desenvolvimento db Decibéis dbm db mili-watt DCF Dispersion Compensating Fiber EDFAs Erbium Doped Fiber Amplifiers EDTFA Erbium Doped Telluride Fiber Amplifier EDPO Equalizador de Potências ESA Excited State Absorption FSR Free Spectral Range FWM Four Wave Mixing Gbps Giga-bits por segundo ITU International Telecommunication Union LPG Long Period Grating m metro MHz mega-hertz mw miliwatt MZI Mach Zehnder Interferometer NF Noise Figure OADM Optical Add-Drop Multiplexer OSA Optical Spectrum Analyzer OSNR Optical Signal to Noise Ratio OXC Optical Cross Connect PDL Polarization Dependent Loss PLC Planar Lightwave Circuit RF Rádio-Frequência RIN Relative Intensity Noise SBS Stimulated Brillouin Scattering xx

22 SPM Self Phase Modulation SRS Stimulated Raman Scattering SHB Spectral Hole Burning SH Super High Delta SOA Semiconductor Optical Amplifier SNR Signal to Noise Ratio Tb/s Terabits por Segundo THz Tera-Hertz UV Ultra-Violeta VOA Variable Optical Attenuator VPI Virtual Photonics Incorporated WDM Wavelength Division Multiplexing µs microssegundos xxi

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24 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÕES A popularização da Internet, em meados da década de 90, iniciou um crescimento exponencial no tráfego de dados das redes de comunicações. Esse crescimento continua aumentando devido à utilização de serviços que necessitam de uma maior largura de banda, tais como teleconferência, processamento em tempo real, transmissão de alta definição, entre outros. Esse crescente volume de tráfego impõe novas demandas tanto na tecnologia de transmissão quanto no desenvolvimento das redes de transporte da informação (KITAYAMA, MASETTI-PLACCI, PRATI, 2004). O desenvolvimento da tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing) proporcionou um enorme crescimento na capacidade de transporte de informação dos sistemas de comunicações ópticas. Esse crescimento foi em grande parte possível pelo advento da amplificação óptica, mais precisamente pelo desenvolvimento dos amplificadores a fibra dopada com érbio (EDFAs), que são dispositivos capazes de amplificar múltiplos comprimentos de onda em uma mesma fibra (SUN, SRIVASTAVA, ZHOU et al, 1999; (DESURVIRE, BAYART, DESTHIEUX et al, 2002). A amplificação proporcionada pelos EDFAs (Erbium Doped Fiber Amplifiers) atua em uma ampla faixa de comprimentos de onda em torno de 1550 nm, que coincide com a janela de comunicação onde a fibra apresenta as menores perdas. Além disso, a amplificação é feita de forma transparente à taxa de transmissão e ao formato de modulação. Devido a essa banda de operação e a sua localização espectral, os EDFAs tornaram-se uma tecnologia de importância estratégica, habilitando a implementação de enlaces ópticos com múltiplos comprimentos de onda. No que diz respeito à transparência dos EDFAs quanto à taxa de transmissão e formatos de modulação, pode-se dizer que esta característica possibilitou transmissão simultânea de diversos serviços, além do fato de possibilitar atualizações no sistema óptico sem necessidade da troca do equipamento repetidor (OLIVEIRA, 2004). Em um EDFA, a amplificação possui um máximo em torno de um comprimento de onda de 1,53 µm, decaindo até um valor no qual a intensidade se torna aproximadamente constante, próximo a 1,565 µm. A maior eficiência na fluorescência do EDFA é próxima a 1

25 1,53 µm, por isso é a região onde o ganho é maior para canais aplicados em torno desse valor. Em sistemas multi-canais, como os WDM, significa que aqueles canais em 1,53 µm são mais amplificados do que os que são aplicados, por exemplo, na região de 1,55 µm, o que é indesejável em termos de sistemas de comunicação, pois cada canal teria um nível de amplificação, fazendo com que a recepção fosse complicada e difícil de controlar. A faixa em torno de 1,53 µm pode ser utilizada se sua amplitude for equalizada ou aproximada ao restante da faixa útil, de forma que todos os canais aplicados ao longo da faixa de comprimento de onda que o amplificador opera possam ter o mesmo ganho. O mesmo efeito ocorre de maneira análoga com os demais amplificadores ópticos que utilizam a emissão estimulada. As diferenças de ganho podem gerar efeitos degenerativos no sinal transmitido, como interferência entre canais adjacentes (crosstalk linear), e levar a fenômenos de não linearidade na fibra, relacionados à potência óptica transmitida por canal (CHRAPLYVY, 1990). Em redes dinâmicas, tem-se ainda o problema dos transientes de ganho gerados pelo amplificador, quando acontece variação na potência de entrada total (PAVEL, 2002). Sem a planificação do ganho do EDFA e o controle dos transientes é impossível acoplar na fibra sinais ópticos na banda de alto ganho e na banda de baixo ganho ao mesmo tempo e obter uma recepção adequada, reduzindo o número de canais possíveis. Muitos métodos têm sido propostos com o intuito de melhorar o desempenho dos amplificadores ópticos no que diz respeito à planificação do ganho e equalização da potência óptica. O objetivo de extrair um ganho plano de amplificadores ópticos pode ser obtido utilizando-se filtros ópticos com um perfil de perdas oposto ao perfil de ganho deste amplificador (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000). O filtro para planificação de ganho requer flexibilidade para aplicação com diferentes tipos de EDFAs, características de ganho e comprimento de onda. Além disso, é necessário que tenha pouca perda por dependência da polarização (PDL Polarization Dependent Loss) e alta capacidade de reprodução de perfis espectrais. A planificação de ganho utilizando diferentes componentes passivos já foi investigada. Filtros ópticos como Fabry-Perot do tipo etalon (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000), filtros dielétricos de filme fino (Thin Film Layers) (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002), filtros à grade de Bragg (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002) e grades de período longo (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997), e filtros do tipo Mach-Zehnder (SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al, 2002) foram propostos. Nenhuma dessas técnicas, porém, 2

26 consolidou-se como padrão até o momento. Da mesma forma, faz-se imprescindível a aplicação de técnicas que controlem as oscilações no ganho em função das variações aleatórias de potência na entrada do EDFA e na rede. Destacam-se as técnicas de equalização baseada em atenuadores ópticos, a de supressão de transientes totalmente óptica e o controle automático do laser de bombeamento. Um estudo comparativo detalhado das particularidades, vantagens e desvantagens destas diferentes técnicas poderá trazer respostas em busca do modelo mais adequado às aplicações que estão surgindo. 1.2 OBJETIVOS Este trabalho busca fazer uma análise comparativa, através de simulações, dos diferentes métodos para planificação de ganho de EDFAs e controle de potências ópticas, comparando algumas técnicas e configurações conhecidas na literatura. São realizadas simulações utilizando-se o software de análise de enlaces ópticos VPI (Virtual Photonics Incorporated), da Virtual Photonics (VPI PHOTONICS). Esse software permite simular o comportamento dessas técnicas em um ambiente composto com outros elementos de rede como multiplexadores, atenuadores ópticos e add-drops. Os métodos que apresentam maiores vantagens podem ser utilizados também para melhorar o desempenho dos sinais ópticos da rede GIGA (SCARABUCCI, PARADISI, BARROS et al, 2005), uma rede experimental que interliga cerca de 20 instituições de ensino e pesquisa entre os estados da região Sudeste brasileira, por meio de uma infra-estrutura óptica de alta velocidade e que também serve como laboratório de desenvolvimento e suporte a projetos de comunicações ópticas, protocolos de Internet, serviços e aplicações para telecomunicações e aplicações científicas. Os objetivos a serem atingidos são, portanto: a planificação do perfil de ganho dos amplificadores a fibra dopada com érbio, a equalização e controle de transientes de sinais de potência (neste caso, 8 canais ópticos com espaçamento de 200 GHz) e o conseqüente aumento da OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) no enlace. 1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO 3

27 Esta dissertação está estruturada em 5 capítulos. No capítulo 2 é feita uma apresentação detalhada sobre a amplificação óptica, em especial sobre os amplificadores a fibra dopada com érbio e suas diferentes configurações, além de uma análise comparativa das principais técnicas utilizadas para a planificação do ganho de EDFAs e a equalização de potência ópticas em sistemas compostos por estes amplificadores. O capítulo 3 descreve o ambiente da Rede GIGA e o software VPI, utilizado para simulação desta. É feita também a caracterização dos módulos utilizados para amplificação óptica e para a planificação do ganho. O capítulo 4 apresenta os resultados das simulações das técnicas de planificação de ganho baseada em a) grades de Bragg, b) equalização de potência óptica baseada em um EDPO (Equalizador de Potências) e c) supressão de transientes por controle do laser de bombeamento no ambiente dinâmico modelado da Rede GIGA. O capítulo 5 resume os principais resultados obtidos e discute a eficiência das técnicas empregadas. 4

28 CAPÍTULO 2 AMPLIFICADORES ÓPTICOS Antes da era dos amplificadores puramente ópticos, os sinais transmitidos em fibras ópticas eram amplificados ou regenerados eletronicamente, ou seja, eram convertidos para o domínio elétrico, regenerados e novamente convertidos para o domínio óptico. Todavia esse processo de conversão submetia os sinais aos limites impostos pela eletrônica, tais como: a largura de banda dos sistemas eletrônicos, que é incapaz de explorar a elevada taxa de transmissão em uma fibra, as fontes de ruído características do processo de conversão opto-eletrônica, e o atraso adicional decorrente dessas conversões em nós intermediários de uma rede. O advento dos amplificadores ópticos veio tornar os sistemas de longa distância WDM viáveis e atraentes. Os amplificadores ópticos a fibra dopada com terras raras aumentam a amplitude do sinal óptico por meio de emissão estimulada. A intensidade da amplificação é determinada, entre outros fatores, pelo material dopante. No caso do érbio isso ocorre em aproximadamente 1,55 µm, o que o torna particularmente interessante para sistemas de comunicação óptica, pois é a região em que o espectro dos sinais ópticos apresenta menores valores de atenuação em fibras. (SÄCKINGER, 2005). Para sistemas WDM, é desejável ao amplificador óptico operar em grandes larguras de banda, permitir altas potências de saída, ganho equalizado para todos os comprimentos de onda, baixo ruído, prevenir diafonia, ter um ganho controlável, ser eficiente no uso da energia e ser produzido a baixo custo. O primeiro estudo do ganho de amplificadores a fibra dopada com íons da família dos terras raras data de 1964 (KOESTER, SNITZER, 1964). No entanto, só em meados da década de 1980 ocorreram demonstrações do processo de amplificação óptica através de fibras dopadas com érbio (DESURVIRE, SIMPSON, BECKER, 1987; POOLE, PAYNE, MEARS et al, 1986). Existem hoje outras tecnologias de amplificação óptica com vasta aplicabilidade nos sistemas de comunicações ópticas. Dentre elas, destacam-se os amplificadores Raman e os amplificadores ópticos semicondutores, denominados SOAs (Semiconductor Optical Amplifiers). No entanto, em relação aos EDFAs, ambos possuem ao menos uma desvantagem que inviabiliza seu desempenho em sistemas de transmissão WDM de alta capacidade. No caso dos amplificadores Raman, os níveis de bombeamento necessários para alcançar os 5

29 valores de ganho oferecidos por EDFAs são muito altos. Por exemplo, lasers diodo com até 1 W de bombeamento são utilizados em amplificadores Raman. Dadas essas dificuldades, os amplificadores Raman são empregados principalmente como pré-amplificadores (ZOLTÁN, GÁBOR, LÁZLÓ et al, 2003). Já o SOA, que é muito utilizado como chave óptica e conversor de comprimentos de onda, quando utilizado como amplificador ainda apresenta alguns problemas, tais como: alta perda de inserção, alta figura de ruído, sensibilidade à polarização, e, principalmente, uma elevada intermodulação durante a amplificação de sinais WDM (AGRAWAL, 2001). Para que a fibra dopada com érbio seja capaz de prover a amplificação de sinais em sua faixa de operação, é necessário que os íons de érbio, que compõem a sua estrutura, sejam excitados através da absorção de alguma forma de energia. Para tanto, a fonte de energia utilizada é a luz proveniente dos chamados lasers de bombeamento, lasers semicondutores que operam em comprimentos de onda específicos que coincidem com uma das faixas do espectro de absorção do érbio. Diversas faixas espectrais podem ser utilizadas para o bombeamento dos amplificadores, no entanto, por razões referentes à eficiência do processo de amplificação, apenas duas destas faixas são utilizadas: 980 nm e 1480 nm. 2.1 PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DOS EDFAS Um amplificador óptico absorve luz em um comprimento de onda como fonte de energia para amplificar a luz em um outro comprimento de onda. A essa fonte de transferência de energia, denominamos de bombeamento. No caso dos EDFAs, utiliza-se um laser para o bombeamento em uma fibra cujo núcleo contém íons de érbio. O princípio de operação do ganho de um EDFA pode ser entendido com o diagrama de três níveis de energia da figura 2.1. O nível de energia 1 é chamado de estado fundamental, o nível 2 de estado metaestável ou intermediário e o nível 3 de estado excitado. A amplificação de um sinal de entrada requer inicialmente uma inversão de população, que pode ser obtida usando comprimentos de onda de bombeamento de 980 nm e/ou 1480 nm (OLIVEIRA, 2004). 6

30 Figura 2.1 Diagrama esquemático dos níveis de energia para a fibra dopada com érbio com destaque para as transições ocasionadas pelo bombeamento de 980 nm (três níveis) e 1480 nm (dois níveis). Quando o bombeamento é feito a 980 nm, os íons de érbio são excitados do estado inicial para o estado final. Após excitados alguns desses íons decaem para o estado metaestável e depois para o inicial, resultando tanto em emissões espontâneas quanto estimuladas, como mostrado na figura 2.1. O tempo de vida no estado metaestável é maior do que o tempo de transição do estado final para o metaestável (da ordem de ms e µs respectivamente), o que contribui para que os íons de érbio se acumulem e gerem a inversão de população. Se o amplificador é bombeado com comprimento de onda de 1480 nm, o processo pode ser aproximado com apenas dois níveis de energia sendo envolvidos. Neste caso, os íons de érbio são excitados do estado inicial para o metaestável gerando a inversão de população. Então, quando um fóton na faixa de comprimentos de onda entre 1500 nm e 1660 nm se propaga em uma fibra dopada com érbio com inversão de população, isto causa emissões estimuladas, resultando em amplificação do sinal. Os fótons emitidos são coerentes com os incidentes (KAMINOW, KOCH, 1997). Além do processo de emissão estimulada, responsável pela amplificação do sinal, há o processo de emissão espontânea. O problema da geração de fótons pelo processo de emissão espontânea é que estes são capazes de estimular o surgimento de outros fótons, de forma que o processo de amplificação não se limita apenas ao sinal de entrada, mas também, aos fótons aleatórios gerados pelo processo de emissão espontânea. Por esse motivo, os fótons gerados por emissão espontânea são considerados ruídos indesejados neste processo de amplificação óptica. Ao processo de amplificação do ruído em um EDFA dá-se o nome emissão espontânea 7

31 amplificada, (ASE - Amplified Spontaneous Emission), que constituem uma importante fonte de ruído nos sistemas de transmissão que utilizam EDFAs (MILO, 2003). Os níveis do ruído ASE constituem, portanto, um parâmetro importante no projeto de enlaces com EDFAs. Pode-se dizer que três parâmetros são de fundamental importância na caracterização dos EDFAs: a figura de ruído, o ganho, e a potência de saída. Os valores desses parâmetros são determinantes para definição da localização ou aplicação dos EDFAs ao longo dos enlaces de comunicações ópticas. 2.2 GANHO O ganho do EDFA é o parâmetro no qual se concentram as atenções deste trabalho. Ele desperta especial interesse devido ao seu perfil não constante, que é alterado conforme as características do sinal de entrada e do sinal de bombeamento do amplificador. Pode-se dizer que o ganho de um amplificador óptico a fibra dopada depende dos seguintes parâmetros: o comprimento de onda do sinal de entrada, a potência do sinal de entrada e a potência do laser de bombeamento. O valor em decibéis do ganho de um EDFA é definido por: P s ( mw ) G( db) = 10 log Pe ( mw ) (1) onde P s é a potência de saída do amplificador e P e a potência de entrada. Para pequenos sinais de entrada o ganho do amplificador é maior, pois à medida que o sinal de entrada aumenta, o ganho do amplificador diminui. Essa região de grandes sinais de entrada é conhecida como região de saturação (OLIVEIRA, 2004). No caso da dependência do laser de bombeamento, o que ocorre é que a quantidade de portadores excitados aumenta conforme a potência do bombeamento aumenta, proporcionando ganhos maiores. Da mesma forma, os valores de ganho diminuem com potência de bombeamento mais baixas. Há ainda uma dependência do ganho com o comprimento da fibra dopada envolvida. Quanto maior o comprimento do meio ativo, maior a capacidade de amplificação deste. A figura 2.2 exemplifica essa variação do perfil de ganho de um EDFA para diferentes valores de potência de bombeamento. 8

32 Figura 2.2 Alteração do perfil de ganho para diferentes potências de bombeamento. (ZHU, 2002). 2.3 FIGURA DE RUÍDO A figura de ruído (NF noise figure) é um parâmetro comumente especificado para amplificadores e permite uma fácil comparação entre diferentes configurações. No caso do EDFA, a figura de ruído é ditada pelo ruído de emissão espontânea (ASE Amplified Spontaneous Emission) e depende do comprimento de onda. A NF é definida por: OSNR OSNR E NF = (2) S onde OSNR E é a relação sinal ruído na entrada e OSNR S é a relação sinal ruído na saída do amplificador. Ela indica, numericamente, a quantidade de ruído adicionada ao sinal pelo amplificador. A figura de ruído pode ser medida de diversas formas. Uma delas, comumente utilizada, consiste em medir o nível de ASE no comprimento de onda do sinal. Para isto, é realizada uma média entre o nível de ASE medido à direita e à esquerda do comprimento de onda do sinal (P ASE ), além de considerar o ganho e variação v. Essa relação é dada pela expressão 9

33 NF PASE = 10 log (3) hv( G 1) v onde G é o ganho do amplificador, h é a constante de Planck e v é a largura de banda óptica (resolução do analisador de espectro) utilizada para medir a ASE (DE BARROS, ROSOLEM, 2000). Em alguns sistemas, o ruído ASE tende a saturar o amplificador, causando problemas na amplificação dos canais, a ponto de degradar a relação sinal ruído na saída do amplificador. O limite quântico da figura de ruído nos EDFAs é de 3 db (AGRAWAL 1997). No entanto, na prática, a figura de ruído dos EDFAs fica em torno de 4 a 8 db. A inserção de ruído, causada pelo amplificador, deteriora o desempenho de sistemas de comunicações via fibras ópticas, podendo até inviabilizar a transmissão. O problema do ruído é particularmente crítico quando os sistemas operam na região de dispersão anômala da fibra, devido à excitação de um fenômeno não-linear conhecido como instabilidade de modulação (MI modulation instability) que aumenta o ruído do amplificador (KIKUCHI, 1993), degradando a relação sinal ruído óptica (MURAKAMI, SAITO, 1992). 2.4 SATURAÇÃO DOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS Os amplificadores ópticos sofrem uma redução no ganho à medida que a potência de entrada é aumentada além de um certo nível, mantidas as condições de operação (mesmo comprimento de fibra e mesma potência de bombeamento). A maioria dos amplificadores sofre uma redução gradual no ganho com o aumento da potência de entrada quando a potência de saída máxima é atingida. Esse efeito é conhecido como saturação de ganho. O aumento da potência do sinal de entrada acelera o processo de decaimentos de íons do estado excitado a inversão de população da fibra. Isso começa a ocorrer na saída da fibra, onde a potência é máxima. Então o ganho é reduzido até o equilíbrio entre a absorção do bombeamento e a recombinação estimulada e espontânea ser novamente atingido (AGRAWAL, 2001). A potência de saída saturada corresponde à potência medida na saída do amplificador após uma queda de 3 db (compressão de ganho) em relação ao ganho de pequeno sinal do amplificador. Para se obter a potência de saída saturada de um EDFA, deve-se, primeiramente, medir a curva de ganho em função da potência de saída. A partir desta, observa-se a potência de saída para a qual o ganho cai a 3 db. 10

34 2.5 APLICAÇÕES DOS EDFAS Os EDFAs podem ser utilizados de três formas distintas, que diferem entre si pelas suas funções no sistema de comunicações ópticas e pela posição dos amplificadores em relação à linha de transmissão. As três formas básicas de aplicação dos amplificadores ópticos são: amplificador de potência (booster), amplificador de linha (in-line) e pré-amplificador (KUMAR, 2006). Os amplificadores de potência localizam-se na saída dos transmissores e têm como função aumentar a potência do sinal de entrada da fibra. Nesses amplificadores, o parâmetro de maior importância é a potência de saída, pois eles devem operar na condição de saturação de ganho. Simplificadamente, quanto maior a potência injetada na fibra, mais longo pode ser o enlace antes do primeiro ou próximo receptor ou amplificador. No entanto, a partir de um limite de potência, começam a aparecer efeitos não-lineares que causam degradação do sinal e inserem penalidades ao sistema. Os principais efeitos não-lineares gerados em sistemas compostos por EDFAs são descritos na seção 2.7. Os amplificadores de potência operam com sinais de entrada cujas potências estão em torno de 0 dbm. Nessa condição, operam em regime de saturação e seu ganho é baixo se comparado ao valor possível para pequenos sinais. No entanto podem apresentar, relativamente às demais configurações, um baixo nível de ASE pois o alto nível do sinal de entrada reduz, também, o ganho para a emissão espontânea. Devido a isso, a figura de ruído é normalmente alta. Atualmente existem amplificadores de potência que possuem potências de saída de até 36 dbm, porém valores típicos de potência de saída estão em torno de 17 dbm (OLIVEIRA, 2004). Os pré-amplificadores são EDFAs que têm como característica principal uma baixa inserção de ruído ao sinal. Os mesmos são posicionados na entrada dos receptores ópticos de forma a aumentar a potência para a recepção, graças à baixa inserção de ruído. Os préamplificadores operam na região linear da curva de ganho dos amplificadores (região de pequenos sinais). Nesses amplificadores, o parâmetro principal de projeto é a figura de ruído, uma vez que se está interessado na amplificação de sinais de baixa potência, com o maior ganho e a menor influência da ASE possíveis. 11

35 Como operam na região do ganho de pequenos sinais, os pré-amplificadores apresentam alto ganho e baixa potência de saída, quando comparado ao mesmo amplificador operando com alta potência. Porém, o nível de ASE nos pré-amplificadores é maior do que nos amplificadores de potência. Os valores típicos de potência de entrada são da ordem de -40 dbm. Já os amplificadores de linha são amplificadores de baixo ruído, posicionados ao longo da linha de transmissão que têm a função de compensar a atenuação devido à propagação do sinal através da fibra óptica. Esses amplificadores são projetados para terem alto ganho, de forma a manter o maior espaçamento possível entre estes dispositivos. Por outro lado, eles devem também apresentar uma baixa figura de ruído (porém, normalmente é maior que a dos pré-amplificadores), para evitar o acúmulo excessivo da ASE ao longo da linha de transmissão de forma a comprometer a recepção. Valores de ganho e de potência de saída de amplificadores de linha têm valores intermediários aos boosters e pré-amplificadores. A tabela 2.1 mostra valores típicos de potência de saída e de figura de ruído para EDFAs e suas aplicações de booster, amplificador em linha e pré-amplificador. TABELA 2.1: Valores típicos de potência de saída e de figura de ruído para diferentes tipos de aplicações dos EDFAs. Potência de saída Figura de Ruído Aplicação do EDFA (dbm) (db) Booster 10 a 19 5 Em linha 0 a 19 4,5 Pré-Amplificador até -9 4,5 Fonte: (HANARO, 2007) CONFIGURAÇÕES DOS EDFAS Os EDFAs podem ser projetados de maneira que o bombeamento e o sinal de entrada tenham direções opostas, configuração conhecida como bombeamento contra-propagante. O desempenho é praticamente o mesmo do bombeamento co-propagante quando a potência do sinal de entrada é pequena o suficiente para manter o amplificador não-saturado. Com relação 12

36 à figura de ruído, no regime de saturação, o desempenho é melhor para a configuração contrapropagante, principalmente pelo papel da ASE (IIZUKA, 2001). Na configuração bidirecional, o amplificador é bombeado nas duas direções simultaneamente utilizando dois lasers localizados nas extremidades da fibra. A configuração tem a desvantagem de requerer dois lasers para o bombeamento (IIZUKA, 2001). A Figura 2.3 ilustra a configuração básica de um EDFA, também conhecida como configuração com bombeamento co-propagante, uma vez que o sinal e o bombeamento se propagam no mesmo sentido. Essa configuração é indicada para o caso de pré-amplificadores, pois apresenta uma baixa figura de ruído, podendo também ser utilizada como amplificador de linha (VPI PHOTONICS, 2007). Figura 2.3 Configuração co-propagante de um EDFA (VPI PHOTONICS, 2007). A configuração com bombeamento contra-propagante é mostrada na figura 2.4. Nessa configuração, o acoplador é localizado na saída da fibra dopada, com o bombeamento se propagando no sentido contrário ao sinal. Esse tipo de EDFA maximiza a potência de saída e o ruído ASE do amplificador devido à maior concentração de bombeamento na saída da fibra dopada. Dessa maneira, essa configuração torna-se indicada para utilização como amplificador de potência (booster). Figura 2.4 EDFA com bombeamento contra-propagante (VPI PHOTONICS, 2007). 13

37 Já a configuração de EDFAs com bombeamento bidirecional, é resultado da propagação do bombeamento nas duas direções possíveis: co e contra-propagante. Para implementação do amplificador com bombeamento bidirecional, são necessários dois multiplexadores WDM, para acoplar o bombeamento com o sinal em ambas as extremidades da fibra. Essa configuração pode também ser implementada com apenas um laser de bombeamento e um divisor de potência (splitter) dividindo uma parte da potência para cada uma das extremidades da fibra. O amplificador com bombeamento bidirecional apresenta alto ganho e alta potência de saída, podendo o mesmo ser utilizado como amplificador de potência ou amplificador de linha. A figura 2.5 ilustra um EDFA com bombeamento bidirecional. Figura 2.5 EDFA com bombeamento bidirecional. Idealmente, um amplificador deveria apresentar um alto ganho com baixa figura de ruído. No entanto, nenhuma das configurações para o EDFA apresentadas até aqui possui estas características. Uma maneira de se chegar próximo às características de um amplificador ideal é conjugando-se a operação das configurações discutidas anteriormente em um só amplificador. Isso pode ser feito utilizando-se mais de um estágio de fibra dopada com érbio com as mais diversas variações de propagação para o bombeamento. A este amplificador dáse o nome de amplificador de múltiplos estágios. A vantagem de se usar um amplificador de múltiplos estágios é a de se poder fazer uma redução do nível de ruído entre os estágios através do uso de um filtro ou de um isolador óptico. Uma desvantagem, é a penalidade causada pela inserção desse filtro. Várias formas de projetar amplificador de múltiplos estágios são conhecidas. A figura 2.6 ilustra um dos casos possíveis de amplificador de múltiplos estágios, que é um amplificador 14

38 de dois estágios com um bombeamento co-propagante no primeiro estágio e outro contrapropagante no segundo estágio. Figura 2.6 EDFA com dois estágios. 2.6 COMPRIMENTO DE ONDA DE BOMBEAMENTO Nos primeiros EDFAs comerciais, os comprimentos de onda de bombeamento de nm foram os mais utilizados. Isto ocorreu porque os lasers nesse comprimento de onda já tinham a tecnologia estabelecida, sendo fabricados a partir de algumas mudanças na composição do material do laser de sinal localizado em 1550 nm. Porém, depois, foram observadas uma série de vantagens relativas à uma maior eficiência para produzir emissão estimulada e ao projeto do amplificador com o bombeamento no comprimento de onda de 980 nm. Por razões de eficiência, os bombeamentos utilizados para o EDFA operam em 1480 nm e 980 nm, porém cada um tem suas particularidades. Operar com um bombeamento em 980 nm diminui as absorções de estado excitado (ESA excited state absorption) indesejadas, que acontecem em torno do comprimento de onda de 1550 nm e que se faz mais presente quando se utiliza o bombeamento em 1480 nm. A ESA diminui a eficiência de bombeamento. A figura de ruído de amplificadores bombeados em 980 nm pode ser até 2 db menor do que a figura de ruído de amplificadores bombeados em 1480 nm. Existem também vantagens do uso do bombeamento em 980 nm que não estão relacionadas à fibra dopada com érbio. Por exemplo, os amplificadores bombeados em 980 nm possuem um menor consumo de energia e o desempenho de componentes, em particular, 15

39 de acopladores WDM, nessa faixa de comprimento de onda é maior que aqueles na faixa de 1480 nm. No entanto, algumas desvantagens para a operação com bombeamento em 980 nm também existem. Uma delas é o fato de que as fibras monomodo em 980 nm apresentam diâmetro do núcleo menor, e com isso as perdas por curvatura em 1550 nm são maiores. Esta desvantagem se reflete na montagem do amplificador, devido à necessidade de um maior cuidado ao posicionar a fibra dopada, porque se deve evitar curvaturas que possam causar atenuação. 2.7 DEGRADAÇÃO DA AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA EM SISTEMAS DINÂMICOS As perdas que ocorrem ao longo de um enlace óptico não têm a mesma distribuição no espectro que o ganho óptico de um EDFA. Devido a esse fato, relações sinal-ruído (OSNRs) de portadoras com diferentes comprimentos de onda têm valores variados. Essa discrepância de valores é ainda exacerbada quando se considera o efeito de vários EDFAs cascateados ao longo de uma mesma rede óptica. Uma diferença grande na OSNR dos canais pode decorrer na danificação de sistemas e receptores dinâmicos que possuem margem de potência reduzida. Além disso, um sistema equalizado possui uma OSNR alta para muito mais canais que um não-equalizado (WILLNER, HWANG, 1993). Outro fator de risco de degradação do sinal causado pela acumulação do desnível de potência das portadoras em enlaces com vários estágios de amplificação é a diafonia. A diafonia surge no enlace quando filtros são utilizados. Esses filtros inserem ruído no enlace por deixarem passar parte da potência óptica de canais para seus adjacentes. Por exemplo, se o canal 2 de um enlace WDM tem uma potência muito elevada, parte dessa potência será inserida nos canais 1 e 3 na forma de ruído. Se a diafonia gerada for muito forte, um bit 0 transmitido pode ser considerado como bit 1 no receptor. Esse ruído degrada também a OSNR. A diafonia aparece mesmo em redes ópticas estáticas, mas é mais perceptível em enlaces dinâmicos, com o aumento da quantidade de dispositivos como multiplexadores, demultiplexadores, acopladores e roteadores (filtros). Também causadores de degradação, existe ainda os efeitos não-lineares da fibra. Esses efeitos dependem da potência óptica total inserida (CHRAPLYVY, 1990; AGRAWAL 16

40 e BOYD, 1992). Das não linearidades conhecidas, pode-se citar o Espalhamento Raman Estimulado (SRS Stimulated Raman Scattering), o Espalhamento Brillouin Estimulado (SBS Stimulated Brillouin Scattering) e a Mistura de Quatro Ondas (FWM Four-Wave Mixing). Essas não-linearidades restringem o uso de alta potência óptica total nas fibras, ou, de outro ponto de vista, restringem a potência óptica máxima por canal inserido na fibra. O SRS surge de uma interação entre uma freqüência óptica e a vibração das moléculas que constituem as fibras. Quando acontece essa interação, parte da potência óptica do sinal é transferida para uma freqüência mais baixa, na direção co-propagante ou contra-propagante, reduzindo a potência inicial da portadora. O Espalhamento Raman limita a potência óptica por canal que pode ser aplicada à fibra, e pode chegar a absorver 50% da potência do canal. A sobreposição do comprimento de onda gerado pelo espalhamento com um canal de transmissão gera o ruído característico do SRS. Esse espalhamento depende também do espaçamento entre os canais. A banda de ganho Raman é grande, da ordem de 13 THz (CHRAPLYVY,1990; AGRAWAL e BOYD, 2001) onde o limite de potência diminui na proporção de 1 / N, onde N é o número de canais. À medida que o número de canais aumenta, aumentam também as interações entre eles e o limite de potência dos canais passa a cair na proporção de 1 / N 2. O SBS aparece de interações do sinal óptico com ondas acústicas na rede cristalina da sílica. Devido a isso, parte da potência óptica é convertida em uma nova onda, de freqüência mais baixa, no sentido contra-propagante. Este efeito de não linearidade deteriora o sinal e gera um forte sinal óptico de volta para o laser transmissor (CHRAPLYVY, 1990). O espalhamento Brillouin limita a potência máxima por canal na fibra, mas essa potência não sofre alteração com o número de canais. O SBS tem banda estreita, entre 20 MHz e 100 MHz (CHRAPLYVY,1990), aproximadamente, devido ao tempo de vida dos portadores acústicos (fônons) que é muito alto. A inserção de um canal com potência óptica maior do que os canais que se propagam no enlace pode gerar o SBS, que domina a interação das não linearidades para uma quantidade pequena de canais. O SBS também pode surgir devido à característica dinâmica do ganho do EDFA, que é dependente da potência de entrada total do amplificador. Com a variação da potência de entrada, o ganho do EDFA muda, resultando em uma variação na potência de todos os canais presentes, até que o sistema retorne ao equilíbrio (CHRAPLYVY,1990). Até o equilíbrio, o EDFA apresenta variações rápidas em seu ganho, da ordem de centenas de microssegundos. 17

41 Estes fenômenos são conhecidos como transientes, e são responsáveis por gerar erros no receptor. O resultado desta variação transiente nas potências ópticas dos canais presentes no enlace é a geração de erros no momento da inserção ou retirada de um ou mais canais, que ocorrem em curtos períodos de tempo (bursts de erro). Por fim, o FWM resulta da interação de dois sinais ópticos co-propagantes que se misturam formando dois novos sinais ópticos, como bandas laterais, em 2f1 f2 e 2f2 - f1, onde f1 e f2 são os sinais envolvidos na interação. Essa não-linearidade depende fortemente da característica de dispersão da fibra e do espaçamento entre os canais. Devido à característica de dispersão cromática da fibra, as frequências geradas e geradoras têm diferentes velocidades de grupo. Isso reduz o casamento de fase entre os sinais geradores/gerados, reduzindo a eficiência do efeito. Esses sinais podem se sobrepor a outros comprimentos de onda presentes na fibra e este tipo de degradação aumenta à medida que a separação entre canais diminui. O FWM é a não linearidade que mais restringe a potência óptica por canal inserido na fibra em sistemas WDM. Entretanto, por depender em grande parte do espaçamento entre os canais do enlace, o SBS acaba dominando a restrição de potência quando o espaçamento é grande. O SRS torna-se dominante para uma grande quantidade de canais. Essa não linearidade pode ter influência ainda maior que o FWM em sistemas com espaçamento pequeno, mas com elevado número de canais. Em redes dinâmicas, onde existe roteamento de comprimentos de onda, e dispositivos conhecidos como roteadores ópticos e módulos de inserção e derivação ópticos (OADM), os efeitos não lineares podem ser acentuados. Outros efeitos não-lineares perceptíveis em sistemas WDM são também a auto modulação de fase (SPM Self Phase Modulation) e a Modulação de Fase Cruzada (XDM). 2.8 PLANIFICAÇÃO DO GANHO ÓPTICO Para contornar os problemas causados pela não-equalização entre canais em redes ópticas, diversas técnicas têm sido estudadas. As técnicas de planificação de ganho são aquelas que consistem na implementação de filtros ópticos passivos atuando em conjunto com os amplificadores ópticos de maneira a tornar plano o perfil da ASE. Esse tipo de técnica tem sido utilizado com especial interesse em enlaces de longa distância, como aplicações submarinas, dentre outras razões pela facilidade de implementação 18

42 e pelo baixo custo comparado com técnicas dinâmicas. A seguir são apresentados os modelos para tornar plano o ganho de amplificadores ópticos mais utilizados na literatura e suas características PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FABRY-PEROT DO TIPO ETALON Os filtros de Fabry-Perot utilizam o fenômeno da interferência entre espelhos dispostos em paralelo no meio. O filtro para planificação de ganho do tipo etalon consiste de vários filtros etalon com diferentes amplitudes e fases para compensar as características de ganho e comprimento de onda assimétricas dos EDFAs. A figura 2.7 mostra o princípio de operação do filtro de planificação de ganho do tipo etalon. Nesse caso são usados quatro filtros de etalon com diferentes fases, compensando com perdas em comprimento de onda as diferentes amplitudes de ganho do EDFA. O controle fino da espessura e reflectância de cada filtro de etalon é imprescindível para se conseguir a amplitude e fase desejada. Figura 2.7 Princípio de operação do filtro de planificação de ganho do tipo etalon (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000).. A figura 2.8 mostra a característica de ganho de um EDFA com planificação de ganho 19

43 por filtros Fabry-Perot do tipo etalon. A faixa de comprimentos de onda corresponde de 1530 nm a 1560 nm. O desvio de ganho é de 0,32 db. A planificação obtida se estende até 1565 nm. (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000). Figura 2.8 Espectro de ganho de um EDFA com filtro do tipo Etalon para planificação de ganho (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000) PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FILME FINO DIELÉTRICO MULTI-CAMADAS Estruturalmente, um filme fino dielétrico multicamadas consiste em uma série de camadas alternadas de materiais com alto e baixos índices de refração, depositados em um substrato de vidro. Geralmente, o comprimento de onda de referência, ou comprimento de onda central, é ajustado nas proximidades do perfil de perda em questão, e cada camada de filme fino tem uma espessura óptica de aproximadamente um quarto do comprimento de onda central. O filtro de filme fino dielétrico multicamadas tem a vantagem de fornecer um perfil de perdas para compensar o ganho do amplificador óptico a partir de um único elemento e com isso proporcionar perdas por inserção menores. A desvantagem é que os perfis de perda ideais requerem uma deposição precisa de mais de 70 camadas, o que está além da capacidade das tecnologias de controle de espessura óptica existentes. Um protótipo de filtro de planificação de ganho foi fabricado para uso com um EDFA de 13 db de ganho. A figura 2.9 mostra o resultado da característica de ganho obtida com este protótipo. A perda por inserção foi de menos de 0,1 db e o desvio de planificação próximo a 20

44 0,01 db (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002). Figura 2.9 Característica de ganho de um EDFA com planificação de ganho por filtro de filme fino multicamadas (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002) PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO AWG Este filtro consiste em um demultiplexador AWG (Arrayed Waveguide) com 47 canais de saída, um arranjo de 47 atenuadores, e um multiplexador para recombinar os sinais. Os atenuadores estáticos consistem em guias de onda de comprimentos específicos ajustados de acordo com a atenuação que se deseja.. Figura 2.10 Configuração do guia de onda do filtro de planificação de ganho à AWG. (VALLON, CHEVALLIER, GUIZIOU et al, 2003). Para as AWGs, três parâmetros devem ser levados em consideração: Passo do arranjo d (com uma separação de guia de onda constante de 2 µm), passo do guia de onda de saída d out (mesma separação) e o comprimento do ajuste para o guia de onda da entrada. A ordem da interferência foi fixada em 20 e o número de guias de onda do arranjo em 100, e o comprimento focal ajustado para manter o espaçamento entre os canais em 0,81 nm, d e dout foram fixados em 8 µm (VALLON, CHEVALLIER, GUIZIOU et al, 2003). 21

45 2.8.4 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DO TIPO MACH ZEHNDER Outra técnica demonstrada na literatura planifica o ganho utilizando interferômetros de Mach-Zhender. Um grupo da NTT Corporation, Japão, (SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al, 2002) demonstrou esse equalizador de grande largura espectral. O equalizador consiste em 10 MZIs (Mach Zehnder Interferometer) cascateados. A faixa espectral cobre as bandas C e L e os MZIs equalizam a ASE de um EDTFA em uma faixa de 68 nm com 0,9 db de variação apenas. Figura 2.11 Espectro ASE original e equalizado do EDTFA (SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al, 2002). O equalizador consiste em matrizes MZIs assimétricas cuja porta de saída é cascateada à porta de entrada do próximo estágio. Cada MZI consiste em um braço assimétrico entre dois acopladores variáveis, que são MZIs com braços simétricos. A amplitude de filtragem de cada estágio é determinada pelos acopladores variáveis, as taxas de acoplamento de cada um são controladas por deslocadores de fase termo-ópticos. O comprimento de onda de filtragem também é controlado pelos deslocadores de fase no braço assimétrico A perda por inserção foi de 9 db, composta pela perda do acoplamento da fibra (3 db), perda da propagação do guia de onda (2 db), perda da transformação Fourier (1 db) e perda do dispositivo de variação da polarização (3 db), podendo ser otimizada (SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al, 2002). 22

46 2.8.5 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE PERÍODO LONGO (LPG) Planificação do ganho de um EDFA em uma faixa espectral de 40 nm usando grades de período longo (LPG Long Period Grating) também já foi demonstrado (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997). O design do EDFA com planificação de ganho é mostrado na figura O amplificador consiste em um EDFA de duplo estágio, onde o Estágio 1 é bombeado a 980 nm e o Estágio 2 bombeado a 1480 nm. Um filtro LPG foi colocado entre os estágios juntamente com um isolador. A função desse filtro é ajustar o perfil do sinal proveniente do primeiro estágio para que na saída do segundo estágio esse esteja planificado. O filtro usado produziu um máximo de 14 db de atenuação em 1558 nm, muito próximo à atenuação necessária nesse comprimento de onda para o espectro ideal que torna o ganho planificado. Quanto maior a faixa do espectro que se deseja manter planificado esse ganho, maior é a atenuação necessária. Por exemplo, para equalizar o ganho em uma banda de 40 nm é mais de três vezes maior que a necessária para equalizar em uma banda de 33 nm (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997). Figura 2.12 Esquemático de um EDFA com ganho equalizado usando um filtro LPG com as fontes de teste usadas para medir o aplanamento e o ruído. Todos os isoladores produzem 40 db de isolamento e 1 db de perda por inserção (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997). O espectro resultante é mostrado na figura 2.13 para duas condições. Para ambos os casos, o bombeamento a 980 nm foi de 76 mw no Estágio 1. Na primeira, um sinal de -10,2 dbm em 1550 nm foi amplificado para 10,8 dbm usando 34,5 mw de potência de bombeamento do Estágio 2. Na segunda, um sinal de -6.1 dbm em 1550 nm foi amplificado 23

47 para 14,8 dbm usando uma potência de bombeamento de 74,5 mw no Estágio 2. Os dois casos produziram o mesmo ganho e o mesmo espectro. O ganho foi equalizado para não mais de 1 db de variação em uma faixa de 40 nm de 1528,7 nm a 1568,7 nm e não mais que 0,7 db para uma banda de 37 nm, de 1529 nm a 1566 nm. Figura 2.13 Espectro de ganho do EDFA com planificação para dois níveis de sinal. Estágio 1 com 76 mw de potência de bombeamento a 980 nm. Estágio 2 com potências de bombeamento de 34,5 mw e 74,5 mw a 1480 nm, respectivamente (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997) PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE BRAGG Fugihara, Kalinowski e André (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002) apresentaram um método de planificação de ganho, utilizando apenas uma única grade de Bragg para planificação da ASE. A grade tem a função de atuar como um filtro cujo espectro de perdas tem um perfil aproximadamente inverso ao do ganho do EDFA, para planificação desse. Foram feitas simulações com um EDFA funcionando nas direções contra-propagante e bidirecional, usando um laser de bombeamento na configuração contra-propagante com 90 mw a 980 nm, e um laser co-propagante com 70 mw a 1480 nm. A fibra dopada foi previamente otimizada para a configuração contra-propagante, tendo 28 m de comprimento. 24

48 Nas simulações o filtro foi posicionado entre dois trechos da fibra dopada de iguais comprimentos. O intuito deste posicionamento foi o de suprimir efeitos de perda ocasionados no primeiro trecho. A grade de Bragg foi centrada em 1530 nm e as simulações realizadas tanto para o caso bidirecional como para o caso contra-propagante. O resultado da simulação para o espectro da emissão espontânea amplificada (ASE) nessas duas configurações pode ser visto nas figuras 2.14 e 2.15, situações sem e com a grade de Bragg inserida. Os resultados dessas simulações permitem observar a melhora significativa na planificação do espectro da ASE com a inserção da grade. Para o bombeamento bidirecional, figura 2.14, a rejeição ótima do filtro foi de 13 db, com redução do pico principal da ASE em torno de 9 db; para o bombeamento contra-propagante a profundidade ótima foi encontrada como sendo 17 db, figura 2.15, reduzindo o pico principal em 8,5 db. É possível notar ainda que o EDFA com bombeamento bidirecional obteve melhor resultado em termos de planificação do espectro. A diferença entre o ponto mais alto, X, e o mais baixo, Y, do espectro planificado é de 1,6 db para o sistema bidirecional e 3,8 db para o sistema contrapropagante, diferença bastante reduzida frente àquelas sem o filtro, que era de 13 db e 15 db, respectivamente. Essa redução na diferença entre os valores máximo e mínimo mostra a eficiência do efeito de um único filtro na planificação do espectro. Figura 2.14 Espectros da ASE para o sistema amplificador com bombeamento bidirecional, com e sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002). 25

49 Figura 2.15 Espectros da ASE para o EDFA com bombeamento contra-propagante, com e sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002). O efeito do filtro com a presença de sinais em um pente de 20 canais pode ser visto na figura Os 20 canais, distanciados em 200 GHz, foram lançados simultaneamente, cada um com potência de 1 mw, através de um enlace com 150 km de fibra óptica antes de atingirem o amplificador com 30 dbm por canal. A figura 2.16 mostra o espectro resultante com a presença do filtro na configuração contra-propagante. Para a configuração bidirecional a aparência do perfil espectral é similar, diferenciando apenas nos valores da amplitude dos canais de sinal aplicados. Figura 2.16 Espectro simulado na saída do amplificador para um pente de sinais aplicados, com inserção do filtro (contra-propagante). O efeito causado pela rede de Bragg é, então, percebido nos canais centrados em torno de 1,53 µm (máximo do espectro da ASE) que apresentam agora amplitude comparável aos 26

50 demais canais. A redução na amplitude dos canais em torno de 1,54 µm é uma limitação devida ao tipo de filtro óptico utilizado, composto por uma única rede de Bragg. As CFBGs (Chirped Fiber Bragg Gratings) são grades de Bragg cujo processo de fabricação de pode ser controlado de maneira a obter-se um perfil de transmissão contrário a um determinado perfil de ganho de um EDFA o mais próximo possível para mantê-lo sem oscilações. Variações de 0,1 db apenas em uma faixa espectral de 36 nm já foram demonstradas com esse tipo de grade (GUY, LAUZON, ROCHETTE et al, 2000). A tabela 2.2 mostra um resumo dos principais métodos passivos para planificação do ganho de EDFAs através dos parâmetros de maior importância para seleção do filtro: faixa espectral de atuação, ripple (diferença entre o ponto de maior e de menor potência no espectro) da ASE e perdas causadas por inserção. TABELA 2.2: Principais parâmetros para seleção do filtro de planificação de ganho. Filtro Faixa Espectral de Atuação (nm) Ripple (db) Perdas por Inserção (db) Referência Fabry-Perot 35 nm, de 1530 nm a 1565 nm 0,32 1,5 (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000) Filme Fino Dielétrico 32 nm, de 1530 nm a 1562 nm 0,15 0,5 (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002) Mach- Zehnder 69 nm, de 1540 nm a 1609 nm 0,9 9 (SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al, 2002) Grades de Bragg 36 nm, de 1526 nm a 1562 nm 0,1 0,5 (GUY, LAUZON, ROCHETTE et al, 2000) LPG 40 nm, de 1528 nm a 1568 nm 1 1 (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997) 2.9 MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA DE EDFAS Além dos métodos passivos para planificação do ganho descritos na seção 2.8, existem outros métodos que buscam controlar dinamicamente os sinais de potência na saída dos EDFAs. Quando o desnivelamento destes sinais é simplesmente causado pela ação do perfil irregular da ASE em canais ópticos, o mais comum é utilizar-se atenuadores ópticos variáveis 27

51 para equalização. Quando o desnivelamento das potências de saída do EDFA é causado por mudanças aleatórias nas potências de entrada dos amplificadores ópticos, os chamados transientes de potência, as técnicas mais utilizadas são a supressão totalmente óptica e o controle do laser de bombeamento MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA UTILIZANDO ATENUADORES ÓPTICOS Os atenuadores ópticos variáveis (VOA Variable Optical Attenuator) são dispositivos bastante conhecidos e utilizados em redes ópticas. Esses dispositivos atenuadores permitem que o nível de atenuação possa ser alterado de acordo com a necessidade, mecanicamente, via parafusos de sintonia, ou através de corrente elétrica, que permite alteração dinâmica das potências. Atualmente, os VOAs controlados por corrente elétrica são capazes de atingir atenuações de 40 db, com baixa perda de inserção e tempos de resposta reduzidos, em torno de 5 ms. Outros dispositivos, tais como filtros acusto-ópticos e filtros a cristal líquido, podem ser utilizados com o mesmo modelo de equalização (WILLNER, HUANG, ZOU et al, 1996). Entretanto, o sistema de controle destes filtros é um pouco mais complexo, requerendo controles eletrônicos especializados para geração de sinais senoidais de alta freqüência e tornando-os mais adequados para esse esquema de equalização. A técnica de equalização utilizando VOAs consiste em aplicar uma atenuação ao canal de acordo com a potência do mesmo ou dos demais canais do enlace. Pode operar estaticamente, aplicando atenuações de forma a planificar o perfil de ganho do amplificador. Entretanto, o formato mais interessante é usar um algoritmo dinâmico de controle, assim as atenuações podem ser alteradas de acordo com as potências ópticas dos canais. O modelo utilizado tem o formato apresentado na figura Essa figura mostra um equalizador para 8 canais WDM, composto por um arranjo de VOAs, um arranjo de fotodetectores que têm a finalidade de medir as potências ópticas em cada canal separadamente e um bloco de controle, que utiliza o valor da potência medida pelos fotodetectores, calcula a atenuação necessária em cada VOA e aplica o valor de atenuação. Com a variação das potências dos canais na entrada, o bloco de controle recalcula as atenuações, mantendo os canais de saída sempre com potências muito próximas. 28

52 Figura Modelo de equalização dinâmica utilizando VOAs (MOCKI, 2006). A vantagem deste modelo é que permite atuação forçada e independente em cada canal. Por exemplo, o controle pode ser configurado para excluir um canal (atenuação máxima), forçar uma atenuação específica ou mesmo deixa um determinado canal sem controle de atenuação, atuando somente nos demais. A principal desvantagem é a necessidade de separação dos canais através de demultiplexadores e reagrupamento via multiplexadores. Esses filtros normalmente possuem uma perda por inserção elevada, da ordem de 3,5 db. Além disso, fica claro que a quantidade de canais é limitada, devido à quantidade de dispositivos independentes que devem ser utilizados. Para um enlace de 40 canais, por exemplo, seriam necessários 40 VOAs e 40 fotodetectores, somando-se a isso a complexidade do bloco de controle que aumenta consideravelmente TRANSIENTES DE GANHO Fenômenos dinâmicos ligados à característica de operação e construção dos amplificadores ópticos à fibra dopada, conhecidos como transientes de ganho, são grandes causadores de distúrbios nos sistemas ópticos. O resultado desses fenômenos dinâmicos são oscilações do ganho do EDFA que ocorrem principalmente quando há variação na potência total de entrada. Essas variações ocorrem basicamente devido a dinâmica de geração e utilização de íons excitados presentes no processo de amplificação a partir da emissão estimulada. O processo de geração de íons excitados depende principalmente do 29

53 bombeamento e a utilização desses íons na amplificação está ligada às emissões estimuladas causadas pelo sinal de entrada. Para pequenos sinais de entrada no EDFA o ganho é praticamente constante. Quando os sinais de entrada aumentam, o ganho do EDFA sofre uma redução, devido ao efeito da saturação. Para supressão de transientes de ganho, basicamente duas técnicas são utilizadas e têm sido demonstradas com eficácia (PAVEL, 2002; CHUNG, KIM e CHAE, 1996; YU e O`MAHONY, 1997). A primeira é uma técnica totalmente óptica de supressão, a outra utiliza controle de laser de bombeamento para atuar dinamicamente no amplificador óptico SUPRESSÃO TOTALMENTE ÓPTICA Uma vez que o EDFA tem seu ganho dependente da potência de entrada total, é possível utilizar um sinal óptico de controle, de forma a anular as diferenças de potência de entrada no amplificador. Isso pode ser feito (CHUNG, KIM e CHAE, 1996), fazendo uma realimentação na entrada. A figura 2.18 mostra o esquema de supressão. Figura Realimentação óptica para supressão de transientes (CHUNG, KIM e CHAE, 1996). Uma vez que o canal de controle realimenta o amplificador, ele também estará concorrendo com os sinais de entrada pelo ganho. Ajustando o atenuador para que o canal de controle se torne dominante, e como o amplificador opera em regime de saturação, este canal passa a absorver as oscilações de entrada e os demais canais se mantêm praticamente invariáveis. A sintonia do canal de controle é feita por intermédio do filtro óptico sintonizável. Em saturação o EDFA tem seu perfil de ganho com menor desnível de potências. Com esse modelo então, os transientes oriundos do EDFA diminuem e o ganho é 30

54 planificado. Entretanto existem desvantagens nesse modelo devido a fenômenos que ocorrem no EDFA, conhecidos como oscilações de relaxação e o Spectral Hole Burning (SHB) (LUO, ZYSKIND, SUN, et al, 1997). As oscilações de relaxação aparecem devido ao fato que os mecanismos de controle não operam instantaneamente no sistema, provocando oscilações amortecidas na potência óptica dos canais. Essas oscilações ocorrem na ordem de µs e o tempo de resposta do sistema é de ms. O Spectral Hole Burning é responsável pelo ganho não retornar exatamente ao ponto de operação após a retirada ou inserção de um canal. Esse fenômeno surge quando um sinal de alta potência reduz a população média de íons de érbio, diminuindo a amplitude do ganho do amplificador. Esses dois fenômenos ocorrem devido a características intrínsecas do érbio, como tempo de resposta, e não podem ser completamente eliminadas (METHA, 2003). Dependendo do comprimento de onda utilizado no controle, os dois mecanismos, oscilações de relaxação e SHB, apresentam influências diferentes (LUO, ZYSKIND, SUN, et al, 1997). Quanto mais o comprimento de onda de controle se aproxima dos comprimentos de onda dos canais transmitidos, mais pronunciado é o fenômeno das oscilações de relaxação e menor é o SHB. Por outro lado, a medida que o canal de controle se afasta dos canais transmitidos, o SHB aumenta e as oscilações de relaxação diminuem. Dessa forma, torna-se impossível escolher um comprimento de onda que elimine os dois efeitos simultaneamente. As figuras 2.19 (a), 2.19 (b) e 2.19 (c) demonstram esses efeitos para diferentes comprimentos de onda de controle (1532nm, 1540nm e 1555nm, respectivamente). Na figura 2.19 (a), o comprimento de onda do canal de controle é de 1532 nm e percebe-se o efeito do SHB exacerbado e praticamente nenhum efeito de oscilações de relaxação. No caso da figura 2.19 (b), o comprimento de onda de canal de controle é de 1540 nm e observa-se um aumento da oscilação de relaxação. O SHB nesse caso é bastante reduzido. Já na figura 2.19 (c), caso onde o comprimento de onda do controle é de 1555 nm, o SHB é imperceptível e o efeito das oscilações de relaxação é bastante acentuado (LUO, ZYSKIND, SUN, et al, 1997). 31

55 Figura Oscilações de relaxação e SHB. (a) grande SHB; (b) SHB reduzido e oscilação de relaxação aumentada e; (c) Grande oscilação de relaxação. Canal sobrevivente em 1552,3 nm (LUO, ZYSKIND, SUN, et al, 1997). 32

56 CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEAMENTO Essa técnica utiliza um controle eletrônico, agindo diretamente no laser de bombeamento, de forma a corrigir as variações do ganho com a alteração da potência total de entrada do amplificador. A potência do laser de bombeamento tem influência direta sobre o ganho e perfil do EDFA. Controlando dinamicamente a corrente de polarização do laser, e consequentemente a potência, pode-se variar o ganho conforme a necessidade. É necessário utilizar um fotodetector na entrada do EDFA para medir a variação de potência total e com isso calcular a alteração na polarização do laser de bombeamento. Esse controle deverá corrigir a oscilação de ganho do EDFA. Na figura 2.20 tem-se um diagrama simplificado da técnica de controle automático do bombeamento utilizado um circuito de controle eletrônico. Figura Modelo de controle automático de ganho eletrônico (BOTHA, 2005). A vantagem desse método é a simplicidade. O controle deve ser feito muito rapidamente, seu tempo de resposta deve ser de poucos micro-segundos, para que seja possível corrigir satisfatoriamente as flutuações de ganho. O modelo da figura 2.20 não permite a correção de ganho do EDFA quando este varia devido a fatores externos, que não a variação de potência de entrada, como por exemplo, variações de temperatura ambiente. Para corrigir esse fator externo é necessária uma técnica de realimentação. Essa realimentação mede a saída do EDFA e verifica se a correção via bombeamento foi bem sucedida, caso contrário é feito um ajuste fino na corrente de polarização, mantendo o valor do ganho estável, independente das variações de potência de entrada. Uma desvantagem, porém, das técnicas de controle do bombeamento é o elevado custo de as implementar em todos os EDFAs de um enlace com amplificadores em cascata. É sugerido posicioná-los 33

57 estrategicamente em EDFAs do enlace que sofram maiores efeitos dos transientes de ganho (PANTOJA, VÉLIZ, 2002). A variação do ganho do amplificador pode ser verificada na figura 2.21 para um sistema com controle automático de ganho simulado com o VPI TransmissionMaker. A simulação utiliza 4 canais WDM, com taxa de 10 Gbps, inseridos em um amplificador óptico a fibra dopada com érbio com controle eletrônico de laser de bombeamento (980nm). O bombeamento inicia em 25 mw. Após a execução de 5 iterações (aproximadamente 250 µs depois do início da simulação), o canal 1 é cortado. Observa-se uma flutuação da potência óptica de bombeamento no momento em que um dos canais entre quatro com 0 dbm de potência é retirado. Essa simulação utiliza controle de laser de bombeamento com realimentação (somente a potência óptica de saída é monitorada). Uma parte do sinal óptico total na saída do EDFA é utilizada como amostra para que o controle calcule a alteração que deve ser feita no bombeamento, de forma a fazer o ganho retornar ao seu estado anterior. É perceptível uma leve variação no ganho do EDFA no momento em que ocorre a mudança de bombeamento (MOCKI, 2006). Figura Controle de Bombeamento Simulado, 1 de 4 canais é retirado (MOCKI, 2006). 34

58 A oscilação percebida na potência do laser de bombeamento deve-se ao tipo de controle utilizado para calcular a nova corrente de polarização do laser. O tempo de resposta médio é de 400 µs (aproximadamente de 250 µs a 650 µs do início da simulação). Esse controle não é perfeito, uma vez que se nota uma pequena diferença entre a potência total antes e depois da retirada do canal de aproximadamente 3 mw Essas imperfeições do controle se devem às características dos componentes eletrônicos utilizados, configurados com parâmetros reais. 35

59 36

60 CAPÍTULO 3 AMBIENTE DE SIMULAÇÃO Este capítulo detalha o ambiente computacional no qual as simulações foram realizadas. O ambiente procura retratar o comportamento de um sistema real no qual canais são adicionados e retirados, ou seja, um sistema cuja potência média varia no tempo. Para tais simulações foi utilizado o software para análise de enlaces ópticos conhecido como VPI TransmissionMaker. 3.1 REDE GIGA Para simulações de uma rede com vários EDFAs cascateados utilizou-se o modelo que representa a rede experimental conhecida como GIGA. A Rede GIGA é um enlace óptico de testes que liga Campinas ao Rio de Janeiro, passando por várias cidades que opera, com 8 portadoras ópticas, cujo espaçamento é de 200 GHz (SCARABUCCI, PARADISI, BARROS et al, 2005). Essa rede visa à avaliação de dispositivos, protocolos, serviços e aplicações. Os oito canais operam atualmente com tráfego de dados de até 2,5 Gbps, prevendo-se uma expansão para 16 canais com taxa de 10 Gbps. A distância do enlace, desde a cidade de Campinas até o Rio de Janeiro é de aproximadamente 670 km. Essa rede experimental também é usada para testes e validação de equipamentos ópticos e medidas experimentais. A figura 3.1, mostra um diagrama lógico simplificado da configuração atual da Rede GIGA. Para usar a Rede GIGA como base é preciso fazer uma transcrição do diagrama da figura 3.1 para um modelo de simulação do VPI. A figura 3.2 apresenta o modelo criado no VPI (MOCKI, 2006). Esse modelo possui algumas características a mais do que a Rede GIGA atualmente instalada. No modelo de simulação é possível usar taxas de 1,25 Gbps e 2,5 Gbps sem a necessidade de correção de dispersão no enlace. Porém, para 10 Gbps a dispersão torna-se crítica, o que exige a inclusão de fibras do tipo DCF (Dispersion Compensating Fiber) em pontos estratégicos do enlace para compensação da dispersão. Optou-se ainda por dosar a compensação em diferentes pontos do enlace, dividindo as fibras DCF entre os estágios de amplificação (sites). O sinal chega no site Rio de Janeiro, então, com compensação total da 37

61 dispersão do enlace. A rede GIGA em seu estado atual apresenta apenas derivação estática, entretanto, nas simulações incluiu-se um OADM em São Paulo. Figura 3.1 Configuração atual da Rede GIGA. Os triângulos representam a localização dos EDFAs. Os valores de dispersão e os comprimentos de fibra utilizados podem ser verificados nas tabelas 3.1 e 3.2. Foi considerada uma fibra DCF com um coeficiente de dispersão igual a -90 ps/nm.km e atenuação de 0.6 db/km. Esses valores são encontrados comercialmente. A compensação de dispersão foi obtida zerando a dispersão em cada trecho do enlace. Isso foi feito de forma a facilitar os cálculos e a simulação final. A tabela 3.2 mostra as distâncias calculadas para a compensação de dispersão da Rede GIGA. O tamanho do enlace aumenta em 125 km, aproximadamente, chegando quase a 800 km. O que aumenta também é a perda de potência, inserida na rede pelo acréscimo das fibras DCF, cuja atenuação média de é 0,6 db/km. Essa perda não afeta profundamente o sistema, entretanto o ganho dos amplificadores muda em cada estágio de amplificação, devido ao acréscimo de fibras DCF e conseqüente mudança nos valores das potências de entrada. O comprimento da fibra DCF necessária em cada trecho é calculada por: onde D e LDCF SMF L e SMF L D + L D = 0 (4) DCF DCF SMF SMF são: o comprimento da fibra DCF e o comprimento da fibra SMF, e DDCF são: a dispersão da fibra DCF e a dispersão da fibra SMF, respectivamente 38

62 (AGRAWAL, 2001). TABELA 3.1: Características de atenuação e dispersão da Rede GIGA (MOCKI, 2006). Número do Enlace Enlaces Distância (km) Atenuação SMF (db/km) Atenuação Total (db) Atenuação Extra (db)* Dispersão SMF (ps/nm.km) Dispersão Total (ps/nm) 1 Campinas/Jundiaí 70,3 0,339 23,83 2, ,1 2 Jundiaí/SP 76 0,34 25, SP/IAQ.MF 47,3 0,208 9,83 5, ,1 4 IAQ.MF/S.J.Campos 79,2 0,217 17, ,4 5 S.J.Campos/Lorena 103,7 0,217 22, ,9 6 Lorena/Volta Redonda 136,5 0,215 29, ,5 7 Volta Redonda/ Barra do Piraí 38,4 0,206 7, ,8 8 Barra do Piraí/ RJ 111 0,212 23, Totais 662,4 159,98 7, ,8 * perda nos filtros Multiplexadores e demultiplexadores presentes no enlace O Rio de Janeiro foi considerado fim de curso, e os resultados obtidos na simulação têm esse ponto como sendo sua referência. As características das fibras SMF (Single Mode Fiber) utilizadas são as mesmas fornecidas pela Fundação CPqD e são mostradas na tabela 3.1. Nessa mesma tabela, as atenuações extras consideradas são devido aos filtros multiplexadores e demultiplexadores, que apresentam características similares aos componentes usados na Rede GIGA. 39

63 Figura Modelo da Rede GIGA criado no VPI (MOCKI, 2006). 40

64 TABELA 3.2: Características de compensação de dispersão (MOCKI, 2006). Número do Enlace Enlaces Distância (km) Atenuação DCF (db/km) Dispersão DCF (ps/nm.km) Distância DCF (km) Atenuação Total (db) Dispersão total (ps/nm) 1 Campinas/Jundiaí 70,3 0, ,27 7, ,1 2 Jundiaí/SP 76 0, ,35 8, SP/IAQ.MF 47,3 0,6-90 8,93 5,36-804,1 4 IAQ.MF/S.J.Campos 79,2 0, ,96 8, ,4 5 S.J.Campos/Lorena 103,7 0, ,58 11, ,9 6 Lorena/Volta Redonda 136,5 0, ,7 15, ,5 7 Volta Redonda/ Barra do Piraí 38,4 0,6-90 7,25 4,35-652,8 8 Barra do Piraí/ RJ 111 0, ,96 12, Totais 662,4 125,12 75, ,8 3.2 VPITRANSMISSIONMAKER E VPICOMPONENTMAKER O VPI é um conjunto de aplicativos, compostos pelo TransmissionMaker e o ComponentMaker, capaz de realizar diversas simulações e modelamentos de sistemas de comunicação óptica. Esse conjunto de softwares é desenvolvido pela VPI Photonics, uma divisão da VPI Systems (VPI PHOTONICS). O ambiente de simulação é bastante parecido com outros softwares mais conhecidos como o Simulink do Matlab e o Labview da National Instruments. O aplicativo fornece uma vasta quantidade de blocos que realizam funções específicas e, podem ser interligados para formar outros módulos. Ele permite ainda simular uma série de componentes ópticos, como multiplexadores e demultiplexadores, fontes laser, EDFAs e acopladores, entre outros. Para simulações é necessário conectar os blocos e configurar os parâmetros de interesse dos mesmos como largura de banda de atuação, perdas por inserção, entre outros. 41

65 A programação das interações é desenvolvida na linguagem Tcl/Tk diretamente no ambiente. Pode-se também interagir com funções do Matlab ou códigos escritos em C++. O sistema possui um módulo de interatividade, onde é possível executar uma simulação e fazer alterações nas características dos blocos enquanto o projeto está rodando, de forma manual ou automatizada. 3.3 CARACTERIZAÇÃO DO EDFA UTILIZADO PARA SIMULAÇÕES Para as simulações realizadas neste trabalho, utilizou-se o módulo EDFA - AmpEDFA_RateEqStat_V2 do VPI mostrado na figura 3.3. Esse módulo permite alterar uma série de características do EDFA como: comprimento da fibra dopada utilizada, freqüência e potência do bombeamento co-propagante e contra-propagantes. Para as simulações da seção 3.5.1, por exemplo, foi utilizado um bombeamento de 14 mw de potência no comprimento de onda de 1480 nm e em um trecho de 14 m de fibra dopada. Uma característica importante para análise das simulações é definir o modo de operação do EDFA. Para tanto, traçou-se a curva característica de um EDFA como aqueles utilizados para o modelamento da Rede GIGA. Isso foi feito lançando-se diferentes valores de potência de entrada e calculando-se, a partir do valor de potência da saída, o ganho óptico. A figura 3.4 mostra a curva característica do módulo EDFA obtida. O limite de saturação ficou em torno de -10 dbm para o sinal de entrada, quando os valores de ganho decaem em 3 db. Para valores de potência de entrada menores que este limiar, o EDFA opera em regime de ganho linear. Nas simulações da Rede GIGA, mostradas no capítulo 4, os amplificadores operam no regime de saturação em toda a extensão da rede, ou seja, com potências maiores que o limiar de saturação. A figura 3.5 mostra a potência de entrada de cada um dos EDFAs da rede GIGA para um caso onde são lançados 8 canais com 1mW no EDFA de número 1. Nessa situação, nenhum canal foi adicionado ou removido e nenhuma técnica para equalização dos mesmos foi utilizada. 42

66 Figura 3.3 Módulo do VPI utilizado para simulações de EDFA. Ganho (db) Potência de entrada (dbm) Figura 3.4 Curva de ganho característica do módulo EDFA utilizado nas simulações da Rede GIGA. 43

67 24 Potência de Entrada Total (dbm) Número de EDFAs Figura 3.5 Potência de entrada total em cada EDFA da Rede GIGA. 3.4 RELAÇÃO SINAL-RUÍDO ÓPTICA (OSNR) O módulo ViOSA Channel Analyzer fornece uma leitura direta da OSNR para cada canal se as opções Parametrized Signals (Sinais Parametrizados) e Noise Bins (Alocação de Ruído) são selecionadas. A OSNR também pode ser lida diretamente das potências de sinal e potências de ruído. O viosa Channel Analyzer fornece ainda a OSNR de forma tabulada para todos os canais com sinais parametrizados, como pode ser observado na figura 3.6. A OSNR na saída de um EDFA é dada por: Pout OSNR = Pn (5) onde Pout é a potência óptica do sinal na saída do EDFA e Pn é a potência óptica do ruído, predominantemente o chamado ruído ASE. Ou em termos da potência de entrada: OSNR = Pin G Pn (6) 44

68 Figura 3.6 Display de saída do Channel Analyzer onde Pin é a potência óptica de entrada do sinal no EDFA eg é o ganho óptico do amplificador. Esta equação é válida para o regime linear de operação do EDFA. Outros fatores, como a configuração de bombeamento, podem influenciar no valor da OSNR de um sistema. Uma rede constituída por EDFAs com bombeamento em 980 nm, por exemplo, apresenta valores de OSNR maiores que outra com bombeamento em 1480 nm e mesma potência. Isso é devido à influência do ruído RIN (Relative Intensity Noise) que é proporcional ao inverso da freqüência óptica (VPI PHOTONICS, 2007). O RIN é o ruído que caracteriza as pequenas flutuações aleatórias da potência óptica do laser transmissor. 3.5 CARACTERIZAÇÃO DO FILTRO À GRADE DE BRAGG UTILIZADO PARA AS SIMULAÇÕES 45

69 A técnica dos filtros a grades de Bragg foi utilizada nas simulações por algumas razões que incluem: a grande faixa espectral em que pode atuar, a baixa perda por inserção e o ripple residual pequeno após a planificação, comparado com outros métodos, como visto na Tabela 2.2. Uma grade de Bragg é obtida através da modulação periódica do índice de refração do núcleo de uma fibra óptica. É fabricada pela exposição da fibra a um padrão de interferência da radiação ultravioleta (UV) na região de comprimentos de onda próxima a 248 nm. Esse processo de gravação é baseado no mecanismo foto-sensível, que é característico de fibras dopadas com Germânio. Um feixe de luz com grande largura de banda lançada em uma fibra que contém uma grade de Bragg tem uma parcela do sinal refletida devido às propriedades difrativas desta estrutura. O comprimento de onda central da banda refletida é expresso pela condição de Bragg (OTHONOS, KALLI, 1999): λ Β = 2. neff. Λ (7) onde λ Β é o comprimento de onda central, neff é o índice de refração efetivo do modo guiado e Λé o período da modulação de índice gravado na estrutura. A Figura 3.7 mostra um diagrama de uma grade de Bragg e os respectivos espectros de reflexão e transmissão (MOKTAR, 2005, KASHYAP, 1999). Figura Representação esquemática de uma rede de Bragg em fibras ópticas (ANDRÉ, PINTO, ABE et al, 2001). 46

70 O período das grades de Bragg pode variar de 1 a 20 nm e sua refletividade pode se aproximar de 100 %. Avanços na tecnologia de fabricação de grades resultaram na utilização destes elementos em diversas aplicações, particularmente para a filtragem de banda estreita em aplicações de planificação de ganho óptico. Posicionamentos diferentes de grades no meio de amplificação podem proporcionar um ganho plano em uma faixa espectral grande. Isso é resultado da amplificação diferenciada provocada por cada comprimento de onda refletido. Porém, uma desvantagem comum destes filtros passivos é o compromisso entre a largura de banda de atuação e as perdas geradas em sua aplicação como elemento de planificação de ganho. Maiores atenuações são necessárias nos comprimentos de onda de pico de ganho para se obter uma largura de banda maior. Isto impacta a figura de ruído ou a potência de saída e o ganho do amplificador, dependendo de onde o filtro é posicionado e na potência de bombeamento requerida para os estágios de amplificação. Para minimizar as perdas por inserção, um filtro à grade de Bragg para planificação de ganho deve ser utilizado na transmissão ou então vir acompanhado de um circulador óptico. As perdas na transmissão dependem da variação do índice de refração da grade, assim como são inversamente proporcional à taxa de gorjeio (chirp). Essa relação é obtida ajustando a perda de transmissão medida com a variação da modulação do índice de refração, ou variando a taxa de chirp por uma função não-linear. Estes parâmetros estão relacionados de acordo com as equações (MOKTAR, 2005): T ( z) = ( η ( z). δn( z)) (8) CR( z) D( z) η (9) = ( ( z). δn( z)) 10 onde T (z) é a perda de transmissão em db, η(z) é a fração da potência modal na grade, δn(z) é a modulação do índice de refração, CR(z) é a taxa de gorjeio na grade ( CR(z) 0) e D(z) é a dispersão numa dada posição da grade. Esses parâmetros podem variar seu valor ao longo da grade de maneira a formar as perdas distribuídas na transmissão. Em outras palavras, as perdas de transmissão desejadas para um comprimento de onda de operação particular são induzidas em uma posição específica da grade na qual os valores dos parâmetros são únicos. Também é válido destacar que a dispersão na grade não terá maiores conseqüências para os 47

71 sinais na transmissão, uma vez que estes não provocam diferenças de caminho, ao contrário dos sinais refletidos (MOKTAR, 2005). Uma grade de Bragg pode ser modelada utilizando o módulo Filter_FBG_TLM_Opt do VPI, que representa a grade por um filtro com resposta ao impulso infinita. Filtros de grades múltiplas podem ser formados conectando esses módulos em série ou em outras topologias. A figura 3.8 mostra o módulo do filtro à grade de Bragg contido no VPI que foi utilizado nas simulações de planificação de ganho óptico dos EDFAs da Rede GIGA e os parâmetros que podem ser configurados nele. Figura 3.8 Tela de configuração dos parâmetros do módulo FBG Filter do VPI PLANIFICAÇÃO DA ASE DE UM EDFA USANDO UMA ÚNICA GRADE DE BRAGG Em uma primeira situação, uma única grade é adicionada à saída de um EDFA. Essa grade tem um perfil de perdas ajustado de maneira a contrapor o perfil de ganho do EDFA. Isso é possível ajustando-se alguns dos seus parâmetros como: largura de banda, freqüência 48

72 central de atuação e rejeição espectral. A figura 3.10 mostra a montagem esquemática do posicionamento do filtro a grade de Bragg localizado na saída do sinal de um EDFA, para simulação. A grade utilizada possui os seguintes parâmetros: freqüência central de 1533 nm, largura de banda de 19,6 nm e rejeição espectral de 13 db. A figura 3.9 mostra o perfil espectral de transmissão e de reflexão de uma grade de Bragg com parâmetros configurados no VPI de 19,6 nm para largura de banda e 6 db para a rejeição espectral. A figura 3.11 mostra um diagrama do ruído ASE do EDFA simulado para o caso em que a grade não está no sistema da figura 3.10 sobreposto à situação na qual ela está inserida. O comprimento de onda do laser de bombeamento utilizado foi de 1480 nm nesse caso, de forma a facilitar a visualização, juntamente com o ruído ASE, no analisador de espectros. O OSA (Optical Spectrum Analyzer) foi conectado à saída do EDFA, antes da grade, para verificar o perfil do ruído antes da planificação (tracejado em amarelo na figura) e à saída de transmissão da grade, onde pode ser observada a planificação (tracejado em vermelho na figura). Conseguiuse manter o sinal da ASE com um ripple de menos de 1 db em uma faixa de aproximadamente 30 nm, de comprimentos de onda de 1530 nm até 1560 nm. 49

73 Figura 3.9 Espectro da grade de Bragg utilizada para planificação do ganho dos EDFAs da Rede GIGA. Em vermelho o espectro da transmissão e em amarelo o espectro da reflexão. Figura 3.10 Detalhe da montagem: EDFA mais filtro FBG. 50

74 Figura 3.11 Espetro do ruído ASE de um EDFA sem planificação (tracejado amarelo) sobreposto ao espectro do mesmo EDFA após a adição de um filtro FBG para planificação de ganho (tracejado em vermelho). 3.6 TÉCNICA DE EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA UTILIZADA NAS SIMULAÇÕES Mocki, Kalinowski e Pohl (MOCKI, KALINOWSKI, POHL, 2005) estudaram os efeitos da equalização de potência óptica e seu comportamento na Rede GIGA. Nesse trabalho foi sugerida uma configuração com a utilização de um Equalizador de Potências Ópticas (EDPO) entre o terceiro e o quarto EDFA da rede para a equalização da potência dos canais (ver figura 3.1). O EDPO é baseado no método de equalização de potência utilizando atenuadores ópticos descrito na sessão O método consiste de um dispositivo onde os canais são individualmente separados por meio de um demultiplexador. A potência é então direcionada a um conjunto de fotodetectores, no qual o sinal sofre conversão para o domínio elétrico. No bloco de processamento eletrônico os valores de potência são armazenados e comparados por meio de uma rotina que primeiro aponta o desnível de potência entre os canais. Baseado nesse resultado, diferentes tensões são aplicadas aos atenuadores pertencentes 51

75 ao bloco de entrada e os canais sofrem atenuações, ou não, proporcionais a sua potência inicial. A figura 3.12 mostra o diagrama do equalizador de potências EDPO criado no VPI, utilizado nas simulações da Rede GIGA. Figura 3.12 Diagrama esquemático do EDPO (MOCKI, 2006). 3.7 TÉCNICA DE CONTROLE DE TRANSIENTES UTILIZADA NAS SIMULAÇÕES Além das técnicas de equalização de potência e planificação de ganho, usou-se também para as simulações uma técnica de controle de transientes do Laser de Bombeamento como a descrita na seção O modelo criado no VPI é mostrado na figura O modelo utiliza a técnica de realimentação, usando a potência de saída total do amplificador como base para cálculo da corrente do laser de bombeamento, através de um bloco de controle, que altera a potência do laser de acordo com a necessidade. O corte dos canais em uma rede simulada utilizando esta técnica causa uma pequena variação instantânea de potência de saída do EDFA, que logo é corrigida pelo sistema de supressão de transientes. Quanto maior a queda da potência de saída, ou seja, maior o transiente, mais lenta é a estabilização da potência de bombeamento. 52

76 Figura 3.13 Modelo desenvolvido no VPI da técnica de controle do laser de bombeamento. Deve-se observar que o ambiente computacional pode apresentar algumas diferenças com relação a sistemas reais devido ao tempo de resposta do controle no caso da simulação ser praticamente em tempo real. 53

77 54

78 CAPÍTULO 4 SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA COM MÚLTIPLOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS CASCATEADOS As simulações que seguem consideram a Rede GIGA com 8 portadoras ópticas, na faixa de comprimentos de onda de 1528,8 a 1534,3 nm e com canais espaçados em 0,8 nm, tabela 4.1, conforme a recomendação G.692 da ITU 1 (ITU-T, 2007), lançados no site de Campinas com 1 mw de potência por canal, a uma taxa de 10 Gbps. Os comprimentos de onda foram escolhidos de maneira a utilizar a faixa do espectro onde o ganho do EDFA apresenta maior variação, próximo a 1530 nm. Entre o terceiro e o quarto EDFA, site de São Paulo, os quatro canais de maior comprimento de onda são retirados e substituídos por outros quatro canais de mesmos comprimentos de onda por um Add-drop óptico (OADM). Isso é feito, nesse trabalho, de forma a forçar situações extremas onde a equalização destes torne-se mais perceptível. TABELA 4.1: Canais utilizados nas simulações da Rede GIGA. Canais utilizados Frequência (THz) 1 195,5 1534, ,6 1533, ,7 1532, ,8 1532, ,9 1531, ,0 1530, ,1 1529, ,2 1529,05 Comprimento de onda (nm) 1 ITU International Telecommunications Union - Órgão da ONU responsável pelo estabelecimento de normas e padrões em telecomunicações. 55

79 4.1 POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA PARA 1 EDFA E DIFERENTES PARÂMETROS DE REJEIÇÃO DA GRADE DE BRAGG EQUALIZADORA. Para selecionar o valor ótimo de rejeição do filtro FBG para planificação de ganho a ser utilizado para equalização dos canais, simulou-se inicialmente um único EDFA, com as mesmas características dos amplificadores utilizados na Rede GIGA citados anteriormente. Os 8 canais são aqueles listados na tabela 4.1 com 1 mw de potência, conforme esquema mostrado na figura 4.1. A potência óptica dos canais na saída do módulo EDFA + FBG foi observada para os seguintes valores de rejeição da grade: 0 db, 2 db, 4 db, 6 db, 8 db e 10 db. Os parâmetros de freqüência central de atuação e largura espectral utilizados foram os mesmos obtidos na seção , 1533 nm e 19,6 nm respectivamente. Figura 4.1 Esquemático utilizado para simulações de planificação de ganho de um único EDFA. A figura 4.2 mostra a potência em Watts, observada na saída do módulo EDFA + filtro FBG, para os diferentes comprimentos de onda, no caso onde apenas um EDFA é analisado. Os pontos representam os canais ópticos, unidos por segmentos para melhor visualização das diferentes configurações. 56