Análise do desempenho de sistemas ópticos com amplificadores Raman

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1 Análise do desempenho de sistemas ópticos com amplificadores Raman Performance analysis of Raman amplifier optical systems Carlos E. S. Castellani, Shirley P. Neves Cani, Maria José Pontes e Marcelo E. V. Segatto Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Espírito Santo Av. Fernando Ferrari s/n, Vitória-ES, ceduardosc@terra.com.br, peroni8@yahoo.com, mjpontes@ele.ufes.br, segatto@ele.ufes.br Aceito em 30 de março de 007 RESUMO Esse artigo descreve o processo de amplificação Raman e compara o desempenho entre os amplificadores Raman discreto e distribuído a partir de resultados obtidos com simulação numérica. Mostra o desempenho dos amplificadores através da verificação de importantes parâmetros de projeto, tais como, a relação sinal ruído óptica OSNR (Optical Signal to Noise Ratio), o ganho on-off dos sistemas e a penalidade de diagrama de olho. A análise inclui interações dinâmicas entre bombeios e sinais, efeitos dispersivos e não-lineares, além de geração de ruído de emissão espontânea amplificada (ASE), que são as principais contribuições do trabalho. Para essa análise, utiliza sistemas com apenas um sinal e com um e dois bombeios co-propagantes. Palavras-chave: Amplificação óptica. Espalhamento Raman. Amplificador Raman discreto. Amplificador Raman distribuído. ABSTRACT This article describes the process of Raman amplification and compares the performance of discreet and distributed Raman amplifiers from results obtained by numerical simulation. The performance of the amplifiers was evaluated through the verification of important design parameters such as optical signal to noise ratio (OSNR), on-off system gain and the eye diagram penalty. This analysis includes dynamic interactions between pumps and signals, dispersive and non-linear effects, besides the generation of noise from amplified spontaneous emission (ASE), which are the main contributions of this work. For this analysis systems were used containing only one signal and with one and two pumps in a co-propagating configuration pump scheme. Key-words: Optical amplification. Raman scattering. Discreet Raman amplifier. Distributed Raman amplifier. 1 INTRODUÇÃO Uma grande preocupação em comunicações ópticas sempre foi a questão da atenuação dos sinais ao longo de uma fibra óptica. Esse foi e ainda é um empecilho para a transmissão de dados por fibras até determinadas regiões, como cidades que estejam a muitos quilômetros de distância do transmissor de dados. A primeira solução para esse problema veio com a utilização dos regeneradores elétricos. O sinal óptico, ao chegar nesses regeneradores, era convertido em sinal elétrico, redigitalizado, e convertido, novamente, em sinal óptico para ser transmitido. Porém, com a utilização de sistemas WDM (Wavelength-Division Multiplexing) (1) e com a necessidade de se aumentar as 6

2 Castellani, C. E. S. et al taxas de transmissão, esse tipo de regeneração ficou muito cara, pois para cada comprimento de onda utilizado no WDM, seria necessário haver um regenerador. Além do que, equipamentos eletrônicos que operam nas taxas de Gb/s são extremamente caros, fato que contribui para se investir em amplificadores ópticos. Na década de 90, surgiram os amplificadores Raman () e os amplificadores a fibra dopada com Érbio - EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier). (1) Inicialmente, apesar dos amplificadores Raman apresentarem algumas vantagens, por exemplo, serem mais flexíveis na escolha e no uso da banda de sinais, e da possibilidade de se utilizar a fibra já instalada, não foi possível incorporá-los à rede, pois eram necessários lasers de bombeio que pudessem enviar sinais com potências muito elevadas, entre 100mW e 800mW. Tais lasers semicondutores de bombeio não existiam na época e esse foi um dos fatores para que se desse preferência aos EDFAs. Nos últimos anos, os avanços na área dos lasers tornaram possível a realização de experimentos com amplificadores Raman, o que permitiu um acréscimo significativo no desenvolvimento de pesquisas sobre esse assunto e também a utilização comercial do mesmo. Apesar disso, pouca atenção se tem dado à análise dinâmica de transmissão de sinais em amplificadores Raman. Em (3), o ganho de Raman primeiramente é obtido através da análise de sinal, e depois é incorporado nas equações não lineares de Schödinger (4), como um novo coeficiente de atenuação. Porém, essa aproximação despreza efeitos dinâmicos induzidos pela interação entre bombeios e sinais e o seu efeito no ganho. Em (5), uma análise de sinais é apresentada, porém fatores como ruído e modulação do bombeio pelos sinais é desprezada. No presente trabalho, o ganho, a relação sinal ruído óptica e a penalidade de diagrama de olho são apresentados para amplificadores Raman co-propagantes. Nossa análise inclui interações dinâmicas entre bombeios e sinais, efeitos dispersivos e não lineares, e geração de ruído de emissão espontânea (ASE). Quando o bombeio é confinado em um trecho de fibra compensadora de dispersão DCF (dispersion compensating fiber) que está em linha com o sistema de transmissão, é chamado de amplificador Raman discreto LRA (lumped Raman amplifier) e, quando o bombeio se estende por todo o comprimento do enlace de transmissão, é chamado de amplificador Raman distribuído DRA (distributed Raman amplifier). Essas configurações serão melhores explicadas na Seção III. Em (6), um DRA é comparado com um EDFA discreto. Em (7), são mostradas algumas características de uma configuração composta por EDFAs e um DRA. O presente trabalho compara DRAs e LRAs em fibras ópticas sem o recurso de EDFAs utilizando um modelo de análise de sinais. Outra característica do amplificador Raman é que o ganho dos sinais propagantes não depende da direção relativa de propagação entre bombeios e sinais, (8) sendo assim possível projetar amplificadores Raman em três configurações distintas: bombeio co-propagante, bombeio contra-propagante e bombeio bi-direcional. Porém, neste trabalho analisaram-se somente amplificadores Raman na configuração co-propagante. Este trabalho está organizado da seguinte forma: a Seção II contém a descrição dos mecanismos envolvidos nos efeitos dos espalhamentos espontâneos e estimulado de Raman; a Seção III apresenta os diferentes tipos de amplificadores Raman; a Seção 4 apresenta a metodologia utilizada neste estudo. Os resultados são apresentados na Seção V e as conclusões estão na Seção VI. ESPALHAMENTO DE RAMAN O espalhamento Raman (4) consiste basicamente em trocas de energia entre fótons da luz incidente e moléculas do meio. Esse efeito pode ser entendido de maneira geral através do princípio de conservação de energia. De acordo com o princípio de conservação da quantidade de movimento, se um fóton incide sobre uma molécula que permanece sem movimento após o choque, o fóton é desviado de sua trajetória original, mas permanece com a mesma energia (freqüência) anterior ao choque. Esse efeito é chamado de espalhamento elástico, caso, por exemplo, do espalhamento Rayleigh. Porém, se, ao incidir sobre a molécula, o fóton causar algum tipo de vibração, ele estará fornecendo uma parte da sua energia para a molécula vibrar. Conseqüentemente, ao ter sua trajetória original desviada, ele apresentará uma energia inferior à energia inicial. Esse efeito é chamado de espalhamento inelástico e como exemplo deste efeito tem-se o espalhamento Raman. Para se entender melhor o efeito Raman, pode-se pensar em níveis de energia dos estados de vibração da molécula, como mostra a Figura 1. E 0 corresponde à energia do estado fundamental, que é o estado de mínima energia vibracional, e E 1 é a energia correspondente a um dos modos de vibração. 7

3 (a) a energia do estado E 1. Esse processo chama-se anti-stokes, mostrado na figura 1b. Esse fenômeno de se obter fótons espalhados em freqüências diferentes da freqüência de origem, quando apenas o bombeio é aplicado, é denominado de Espalhamento Raman Espontâneo. Cada nível de energia corresponde a uma freqüência diferente, logo se utiliza esse processo de transferência de energias, explicado acima, para se transferir energia entre sinais ópticos com freqüências diferentes propagantes em uma fibra óptica. Isso é feito inserindo um sinal de bombeio com uma freqüência mais alta e nível de potência mais elevado do que a do sinal transmitido, fazendo com que haja transferência de fótons desse bombeio para o sinal, conseqüentemente transferência de potência, permitindo, assim, que se amplifique luz com a própria luz. Nesse caso, o efeito é conhecido como Espalhamento Raman Estimulado e é o efeito utilizado em amplificadores Raman. 3 TIPOS DE AMPLIFICADORES RAMAN (b) Figura 1 Transferência de energia entre fóton e molécula. Processo Stokes (a), e processo anti-stokes (b). Quando um fóton com energia E f = E 1 incide sobre uma molécula, ela pode consumir a energia do fóton e passar do estado vibratório E 0 para o estado vibratório E 1. Se essa energia E f for muito maior do que a energia necessária para excitar a molécula até o nível E 1, a molécula é excitada até um nível de energia superior E v = E f, onde permanece por pouco tempo por ser um estado instável, e depois pode retornar até o nível E 0 ou até o nível E 1. Se ela retornar ao nível E 0, o fóton liberado terá a mesma energia do incidente. Mas se a molécula retornar ao nível E 1, parte da energia do fóton incidente fica armazenada na molécula em forma de vibração e o fóton liberado terá agora uma energia igual a E f E 1, portanto menor do que a energia inicial E f. Quando o fóton liberado apresenta uma energia inferior à energia incidente, o processo é chamado de Stokes, ilustrado na Figura 1a. Em menor escala, pode ser que ocorra também o caso contrário, em que o fóton liberado apresentaria uma energia maior do que a do fóton incidente. Isso pode ocorrer quando a molécula já está previamente excitada no estado E 1 e, depois da incidência do fóton, ela retorna ao estado E 0, liberando, assim, a energia inicial do fóton E f mais Em termos de topologia, há duas configurações diferentes de amplificadores Raman conforme mostra a Figura. A amplificação Raman distribuída (), feita ao longo de toda a fibra de transmissão e a amplificação Raman discreta (), em que a amplificação ocorre em um trecho isolado de fibra. Sinal de entrada Sinal de entrada Laser de bombeio + P P (0) Fibra óptica (SMF) Laser de bombeio (a) (b) Fibra óptica Fibra compensadora de dispersão (DCF) + P P (L) Sinal de saída Sinal de saída Figura - Tipos de amplificadores Raman. Distribuído (a), e Discreto (b). 8

4 Castellani, C. E. S. et al A. Amplificador Raman Distribuído O amplificador Raman distribuído consiste basicamente em injetar um laser de bombeio com alta potência no início da fibra e, com isso, os fótons emitidos pelo bombeio vão sofrendo o espalhamento Raman ao longo da fibra, transferindo parte de sua energia ao sinal transmitido. Isso faz com que as perdas de potência do sinal sejam compensadas em todos os pontos ao longo da transmissão e não apenas em um trecho isolado de fibra. A Figura 3 mostra uma comparação entre amplificação distribuída e amplificação discreta, em que se percebe, claramente, que a principal vantagem da distribuída é apresentar uma relação sinal ruído óptica melhor do que a discreta. Isto resulta do sinal amplificado, ao longo da fibra, não oscilar entre valores muito baixos, em que sofreria grande influência de ruídos, e de valores muito altos, em que os efeitos não lineares começariam a distorcer o sinal. Efeitos não-lineares Intensidade Ruído alto Distância Figura 3 Sinal com amplificação distribuída (linha contínua) e sinal com amplificação discreta (linha pontilhada). B. Amplificador Raman Discreto A Figura 4 mostra o perfil de ganho Raman para diferentes tipos de fibra, deixando evidente a vantagem de se utilizar uma fibra DCF como meio de ganho em amplificadores discretos. Uma outra vantagem de se inserir um trecho de fibra compensadora de dispersão em série com a fibra de transmissão, é que, além de proporcionar ganho, pode-se ajustar o trecho desta fibra para proporcionar a total compensação de dispersão dos bits de sinal. Outro ponto observado na Figura 4 é que independente do tipo de fibra, o perfil de ganho apresentado por todas elas apresenta valor máximo no mesmo ponto referente ao deslocamento de freqüência. O pico do ganho ocorre quando o bombeio e o sinal estão separados por 13,1 THz. Esse valor representa em unidades de comprimento de onda aproximadamente 100 nm, ou seja, o ideal é que o bombeio esteja 100 nm abaixo do comprimento de onda do sinal. A dispersão da velocidade de grupo GVD (Group Velocity Dispersion), que é um efeito que alarga os pulsos (bits) transmitidos e degrada o desempenho de sistemas operando em taxas iguais ou superiores a 10Gb/s, é considerado na análise. Eficiência do ganho Raman (1/W/km) D S F D C F S M F -5 Deslocamento de freqüência (THz) Figura 4. Perfil do ganho de Raman em função do deslocamento em freqüência para fibras DCF, SMF e DSF (1). -30 O amplificador Raman discreto consiste em concentrar a potência de bombeio, e conseqüentemente, a amplificação do sinal, em um trecho isolado de fibra que proporcione considerável ganho, por exemplo, um trecho de fibra compensadora de dispersão DCF (Dispersion Compensating Fiber). De acordo com a Figura 3, vê-se que, no caso da amplificação discreta, devido ao fato do sinal apresentar durante a sua transmissão valores de potência muito baixos e também valores muito elevados, o sinal, inevitavelmente, sofre maior influência do ruído alto e de efeitos não-lineares. A vantagem desse tipo de configuração é o fato dela apresentar uma conversão de potência melhor do que a distribuída, pois sua amplificação é obtida em uma fibra de alto ganho. 4 METODOLOGIA O método utilizado para resolver o problema da propagação do sinal ao longo da fibra baseia-se na solução numérica da equação de campo conhecida como equação de Schrödinger, conforme Equação [1] (4), utilizando o software Matlab. As equações de campo [1] governam as amplitudes de canais propagantes em um meio dispersivo e não linear. Neste trabalho, portanto, as equações de campo foram modificadas para simular a propagação do bombeio e do sinal em amplificadores Raman. Considerou-se, também, a amplificação de ruído espontâneo na freqüência do sinal, e a conseqüente influência desse efeito na potência do bombeio. Embora o termo relacio- 9

5 nado à amplificação da emissão espontânea ASE (Amplified Spontaneous Emission) não esteja inserido na equação [1], esse efeito está incluído na solução numérica da equação, como será descrito posteriormente. 3 A A j A j A α d β β A ref, 3 3 z T T 6 T R eff Nc 3 A A j 3 A A j A α A j d A β A α jγ A βa A A d β ref, β 3 ref, 3 z 3 T 3 z T T 6 TT 16 T Nc Nc C jγ A A R jγ A A A A A 1 1 C C R R ω C R A A A A A A ω C ω C (1) [1](1) ω R R A A A A ω ω ω C 1 R A 4N 1 E ω h exp 1 C ω C R 1 ω R A 4N 1 kt A 4N 1 1 E E ω h h ω exp exp 1 1 kt kt Na Equação [1], A é a amplitude complexa; γ é o parâmetro não linear; ω é a freqüência angular referente à freqüência linear ; ω μ é a freqüência angular referente à freqüência linear μ; N c é o número total de amplitudes complexas se propagando ao longo da fibra (incluindo sinal e bombeio). C = g / A é a eficiência do ganho Raman entre as freqüências μ e e g μ é o ganho Raman na freqüência devido ao bombeio na freqüência μ. A eff é a área efetiva da fibra óptica na freqüência μ, NE = h é a potência de ruído devido à emissão espontânea (ASE) gerada em uma banda Dμ em torno da freqüência ; h é a constante de Planck; k é a constante de Boltzmann. T é a temperatura absoluta da fibra, fixada em 300K e Γ é o fator de polarização, que é assumido ter valor igual a (transmissão despolarizada). (9) Em [1], está incluído: dispersão da velocidade de grupo (GVD), dispersão de alta ordem β 3, auto modulação de fase (SPM), modulação cruzada de fase (XPM), espalhamento estimulado de Raman (SRS), e amplificação do ruído de emissão espontânea de Raman. Para solucionar numericamente a equação [1], utilizouse o software Matlab e o método iterativo split-step Fourier, que consiste em dividir a fibra em pequenos passos e, em cada passo, calcular os efeitos de dispersão e não linearidades separadamente. O termo de amplitude relacionado ao ruído ASE A pode ser identificado como ASE,. Essa amplitude foi modelada como uma variável aleatória complexa com potência média igual a N. A inserção da contribuição de ruído E foi obtida da seguinte forma: a cada passo, obtinha-se a amplitude do sinal transmitido, e da mesma forma a amplitude de ruído equivalente. Ambas as amplitudes complexas foram transformadas em contribuição de potência. Os valores em potência foram somados e a potência resultante foi novamente convertida em amplitude, considerando que o sinal manteria a mesma fase apresentada antes da inserção do ruído. E, assim, esse processo foi repetido sucessivamente nos passos seguintes. (1) Essa aproximação assume que a fase do sinal não é afetada pela contribuição do ruído. Essa suposição pode ser aceita em sistemas reais, uma vez que a ASE gerada em pequenos passos é muito pequena quando comparada com a amplitude do sinal. Para o cálculo do ganho on-off (G on-off ) dos sistemas, foi utilizado a equação [] (), que mostra justamente a relação em unidades de decibel (db) da potência do sinal na saída com (P S (L)) e sem (P Saten (L)) a presença do bombeio. onde P ( L) S G = 10log on off 10 PS aten ( L) [] L P ( L) = P e α [3] S aten os Nas equações [] e [3], L é o comprimento total do enlace; Pos é a potência inicial do sinal na entrada da fibra SMF tanto para o amplificador distribuído quanto para o discreto, e α é a atenuação da fibra. A relação sinal ruído óptico (OSNR) foi calculada a partir da equação [4] [10], que mostra justamente a razão em unidades de decibel (db) entre a potência do sinal e a potência do ruído na saída do amplificador. A potência de ruído P noise foi calculada acoplando um sinal com potência igual a zero na entrada e medindo a potência do sinal na saída, uma vez que o ruído ASE é gerado pela potência de bombeio e não pela potência de sinal. A banda de geração da ASE em torno da freqüência do sinal foi assumida = 0, nm. OSNR = 10log 10 PS ( L) P noise ( L) [4] A abertura de diagrama de olho foi obtida da seguinte forma: primeiro, calculou-se a tensão média do sinal na saída (V med ) e, depois, o sinal foi separado em duas partes, uma com os valores acima da média (V sup ) e outra com valores in- 30

6 Castellani, C. E. S. et al feriores à média (V inf ). Foram, então, calculadas as médias de cada uma dessas duas amostras (V sup, med e V inf, med ) bem como seus desvios padrões (σ sup e σ inf ). A partir daí, a penalidade foi obtida através da equação [5]. Abt Pen 10log [5](5) Abt 10 sup inf em que Abt inf ( V sup, med sup) ( V inf, med inf) (6)[6] Abt sup ( V sup, med sup) ( V inf, med inf) (7)[7] Tabela 1 Parâmetros das fibras utilizada Atenuação em 1550 nm (db/km) Atenuação em 1450 nm (db/km) Coeficiente de ganho máximo C R (1/W/Km) SMF DCF 0,189 0,5 0,61 0,6 0,4 3, L (Km) 100,00 17,35 A eff em 1550 nm (m) 69,40 x 10-1,07 x 10-1 A eff em 1450 nm (m) 76,3 x ,00 x 10-1 A. Ganho on-off Esse valor de penalidade (Pen) mede, em db, a qualidade do sinal recebido na saída do sistema, se os bits estiverem com um formato perto do ideal, ou seja, apenas zeros e uns, a penalidade será perto de zero db. Já em uma situação, onde o sinal sofre muita distorção, esse valor se apresentará mais elevado. 5 RESULTADOS Como mencionado anteriormente, o ganho on-off mostra o quanto de ganho o amplificador adiciona ao enlace em relação a uma situação sem amplificação. O resultado obtido para o ganho on-off tanto para o amplificador discreto quanto para o distribuído está mostrado na Figura 5. Os resultados foram obtidos enviando uma seqüência aleatória de bits NRZ (Non Return to Zero) com pulsos no formato gaussiano e número de bits zero igual ao número de bits um. As configurações para os amplificadores Raman distribuído e discreto foram consideradas as mesmas ilustradas na Figura. A potência de entrada do sinal variaram entre -4,51 dbm e,76 dbm para o amplificador distribuído e entre -4,86 dbm e -,46 dbm para o amplificador discreto. Na simulação dos dois casos, as potências instantâneas máximas eram iguais, porém o fato da seqüência ser aleatória fez com que as potências iniciais nos dois casos fossem ligeiramente diferentes. A taxa de transmissão dos bits é de 10 Gb/s. Como bombeio, foi utilizado um sinal CW (Continuous Wave) com potência igual a 100 mw. Para o amplificador Raman distribuído, foi utilizado 100 km de fibra padrão SMF (SingleMode Fiber) e um compensador de dispersão ideal no final do trecho. No amplificador Raman discreto, foram utilizados 100 km de fibra padrão seguidos de 17,35 km de fibra compensadora de dispersão (DCF). Esse trecho de fibra DCF é suficiente para garantir a total compensação de dispersão dos bits provocada por 100 km de SMF. O comprimento de onda do sinal utilizado foi de 1550 nm e o do bombeio foi de 1450 nm, para garantir máxima transferência de potência. A Tabela 1 mostra os parâmetros das fibras utilizados nas simulações. Figura 5. Ganho on-off em função da potência de sinal para amplificadores Raman discreto e distribuído. A potência do bombeio foi fixada em 100 mw. Como se pode observar, o amplificador discreto apresenta um ganho maior do que o distribuído. Isso é facilmente explicado pelo fato da configuração discreta ter a amplificação Raman sendo totalmente realizada em uma fibra DCF, que apresenta um perfil de ganho maior do que o da fibra SMF (11), conforme já foi mostrado na Figura 4. Os valores modestos de ganho on-off se devem, principalmente, à potência de bombeio ser também modesta (~ 100 mw) para amplificação Raman. 31

7 B. OSNR (Optical Signal To Noise Ratio) A relação sinal ruído óptica mede o quanto a potência do sinal na saída do amplificador é maior do que a potência de ruído. Os resultados obtidos estão mostrados na Figura 6. comprimento de onda (λ p1 ) 1448,5 nm e outro com (λ p ) 1456,5 nm. A atenuação utilizada foi 0,3 db/km para os bombeios e 0,3 db/km para o sinal. Nesse esquema, foi obtido o ganho on-off do sistema variando-se a potência do bombeio (P p ) para valores entre 0,57 dbm e 4,79 dbm, como mostra a Figura 7. 8 Ganho on-off(db) λ s = 155,03 nm P s = 0 dbm λ p1 = 1448,5 nm λ p = 1456,5 nm Potência de entrada de cada bombeio (dbm) Figura 6. Relação sinal ruído óptica (OSNR) em função da potência de sinal para os amplificadores Raman discreto e distribuído. A potência do bombeio foi fixada em 100 mw. Figura 7. Ganho on-off em função da potência de bombeio para um amplificador Raman distribuído, com 50 km de fibra SMF. A potência do sinal transmitido foi fixada em 0 dbm. Vê-se, na Figura 6, que a OSNR aumenta com o aumento da potência do sinal transmitido. Isso se deve ao fato da potência de ruído ASE ser originada devido à emissão espontânea dos fótons do bombeio. Logo, o aumento da potência do sinal não amplifica o ruído, mas aumenta a potência do sinal recebido no final da fibra, aumentando assim a OSNR. Percebe-se também que o amplificador Raman distribuído apresenta uma OSNR muito melhor do que o Raman discreto. Isso ocorre porque no amplificador distribuído tanto o sinal quanto a ASE são amplificados no mesmo trecho da fibra SMF e apresentam o mesmo percurso, ou seja, ambos sofrem a mesma perda. Já, no discreto, o sinal já chega atenuado à fibra DCF e é amplificado pelo bombeio que também amplifica a ASE nessa fibra. Portanto, devido à menor potência de sinal na entrada da DCF, a relação entre a amplificação do sinal e da ASE no amplificador Raman discreto é menor. Observa-se (Figura 7) que, com o aumento da potência de bombeio, o ganho on-off também aumenta. Isso se deve ao fato de que quanto mais energia é colocada na fibra, mais energia será transmitida para o sinal, fazendo com que este chegue com uma potência maior no final do enlace. E, de acordo com a equação [], apresentando um ganho on-off mais elevado. Utilizando o mesmo esquema da Figura a, foi obtida a relação da penalidade de diagrama de olho com a variação da potência de bombeio, conforme mostrado na Figura 8. C. Outros resultados obtidos Resultados adicionais foram obtidos utilizando-se amplificadores Raman distribuídos tendo em vista experimentos futuros a serem realizados em laboratório, já que o laboratório que dispomos não conta com fibra DCF. Utilizando a topologia mostrada na Figura a, montou-se um esquema com um sinal de 0 dbm de potência se propagando, em um enlace de 50 km, com um comprimento de onda (λ s )155,03 nm e dois bombeios, um com Figura 8. Penalidade de diagrama de olho em função da potência de bombeio para um amplificador Raman distribuído, com 50 km de fibra SMF. A potência do sinal transmitido foi fixada em 0 dbm. 3

8 Castellani, C. E. S. et al Vê-se que a potência de bombeio não influenciou muito na penalidade. Isso acontece porque o bombeio e o sinal estão muito espaçados em freqüência, fazendo com que o efeito de modulação cruzada de fase seja desprezível (4). Devido à fibra SMF apresentar alta dispersão no comprimento de onda utilizado, o efeito de mistura de quatro ondas também não influi no resultado de penalidade e, portanto, não está sendo considerado em nosso modelo (4). Logo, os únicos efeitos que tiveram influência na penalidade foram a auto-modulação de fase, que não apresenta forte dependência com a potência de bombeio, e a GVD, que não depende da potência dos sinais propagantes. Outro resultado obtido foi a relação do ganho on-off em função da variação do comprimento de onda do sinal. Utilizou-se o mesmo esquema descrito anteriormente só que agora com um enlace de 100 km de fibra, atenuação de bombeio 0,6 db/km, comprimento de onda do sinal variando entre 1530,8 nm e 1563,3 nm, e potência dos bombeios fixada em,5 dbm. Os resultados são mostrados na Figura 9. 6 CONCLUSÃO Este trabalho comparou o desempenho dos amplificadores Raman distribuído e discreto. O desempenho foi avaliado através da análise dos parâmetros de projeto dos amplificadores Raman como ganho on-off e relação sinal ruído óptica. Com os resultados obtidos, observou-se que cada configuração de amplificadores Raman é mais vantajosa para determinado tipo de aplicação. Por exemplo, em uma situação em que a qualidade do sinal recebido não é muito crítica, é melhor se utilizar da configuração discreta, pois ela apresenta um ganho mais elevado, podendo o sinal alcançar distâncias maiores. Porém, se for necessário amplificar o sinal sem perder a qualidade a partir de efeitos de ruído, o ideal é a configuração distribuída, pois ela apresenta uma melhor OSNR. Um outro ponto a ser observado nas configurações analisadas é a compensação da dispersão da velocidade de grupo. No amplificador discreto, essa compensação poderá ser feita utilizando a mesma fibra para proporcionar ganho. No amplificador distribuído, a dispersão deverá ser compensada utilizando algum dispositivo acoplado ao sistema, como um módulo compensador de dispersão composto, por exemplo, por uma grade de Bragg e circulador, utilizando compensação eletrônica, ou até mesmo um trecho de fibra compensadora de dispersão. Pode-se também explorar o comportamento da transmissão de sinais em amplificadores Raman a partir da análise dinâmica entre bombeios e sinais, efeitos dispersivos e de que maneira isso afeta o desempenho do sistema. REFERÊNCIAS Figura 9. Ganho on-off em função do comprimento de onda do sinal transmitido, para um amplificador Raman distribuído, com 100 km de fibra SMF. Foram utilizados dois bombeios com potências de,5 dbm. O formato da curva obtida se deve à soma das curvas de ganho de Raman (Figura 4) dos dois comprimentos de onda dos bombeios utilizados. Esses comprimentos de onda de bombeio foram escolhidos para minimizar variações de ganho na região de 155 nm, que é bastante utilizada para a transmissão de dados. Como se pode observar na Figura 9, as variações de ganho foram inferiores a 0,1 db em torno de 155 nm (1548,3 nm 1563,3 nm). (1) AGRAWAL, G.P. Fiber-Optic communication systems.. ed. New York: John Wiley & Sons, () HEADLEY C.; AGRAWAL G. P. Raman amplification in fiber-optical communication systems. New York: Elsevier Academic Press, 005. (3) HELCZYNSKI, L; BERNTSON, A. Comparison of EDFA and bidirectionally pumped raman amplifier in a 40-Gb/s RZ transmission system. IEEE Photonics Technology Letters, New York, v. 13, n. 7, p , Jul (4) AGRAWAL G. P. Nonlinear fiber optics, 3. ed. San Diego: Academic Press,

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