4 Sistema OFDR sintonizável

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1 4 Sistema OFDR sintonizável Para efetuar medidas utilizando a técnica de OFDR, como descrita no capítulo 2, foi construído um sistema cujo esquema está mostrado na Figura 16. A freqüência óptica do laser é modulada linearmente, com uma onda triangular, através de um gerador de função. O sinal do laser segue para um interferômetro de Michelson, que é um acoplador padrão 2x2, ou seja, o sinal na saída de cada porta perde 3 db em relação ao sinal da entrada. De lá o sinal se divide para o oscilador local (OL), que é o conector FC-PC do acoplador, e onde foi colocado um espelho para aumentar a reflexão deste sinal de referência, e para o braço de teste, onde está o dispositivo de teste. O batimento destes sinais é capturado no detector e o sinal segue para o analisador de sinais, que calcula FFT numa escala de 0 a 100 KHz. No esquema ainda existe um isolador na saída do laser para evitar flutuações no laser devido a reflexões de sinais. Laser (sinal de OFDR) I solador I nterferômetro de Michelson OL Gerador de função T rigger FFT Detector Dispositivo sob teste Figura 16: Esquema do sistema OFDR Se o dispositivo sob teste é um pedaço de fibra comum, o sinal atravessa esta fibra e sofre uma grande reflexão no fim da fibra. O sinal de batimento tem amplitude praticamente constante até um determinado instante τ, correspondente ao tempo da luz percorrer 2L da fibra sob teste, neste ponto observa-se a reflexão. Após a operação de transformada de Fourier do sinal, através do analisador de espectro, observamos uma curva similar à curva vista em um sistema OTDR.

2 Sistema OFDR sintonizável 50 A Figura 17 mostra uma medida experimental de OFDR com uma fibra comum monomodo de 40 metros de comprimento. Inserindo uma fibra de comprimento conhecido, e ajustando o sistema para que, por exemplo, 10 m corresponda a 10 khz, como na curva mostrada na Figura 17. Este é o procedimento de calibração utilizado antes da caracterização dos dispositivos. Uma fibra de comprimento conhecido calibra o sistema para que ele seja usado para caracterizar o comprimento de outras fibras, comprimentos ótimos em fibras dopadas, localização de possíveis defeitos em fibras e dispositivos a fibra entre outros. Sinal Retro-espalhado [dbv] Espalhamento Rayleigth Fim da fibra Fibra DS 40 m Frequência [Hz] Figura 17: Medida OFDR para fibra comum de 40 m O principal objetivo desse sistema é analisar ganho distribuído em fibras dopadas. Como já mencionado no capítulo 2, medidas de ganho distribuído em fibras dopadas com érbio já foram feitas com um sistema OFDR emitindo na banda C com um comprimento de onda fixo. Medidas de ganho distribuído para EDF operando na banda L, por exemplo, nunca tinham sido feitas. Esta configuração flexível permite caracterizações de sistemas em diferentes comprimentos de onda, contribuindo com à caracterização de sistemas WDM com

3 Sistema OFDR sintonizável 51 larga faixa espectral de operação. O principal problema é encontrar fontes lasers, que apresentem as características necessárias para o bom funcionamento do sistema, como mencionado no capítulo 2, e que permitam esta flexibilidade de medidas em diferentes comprimentos de onda. O primeiro sistema utilizado neste trabalho realiza medidas na banda C, utilizando uma fonte laser DFB de três secções. Com isso, o sistema utilizado é um OFDR com único comprimento de onda de 1557 nm, e para modular o laser, a cavidade externa foi feita com o auxílio de um pigtail, ou seja, um pedaço de fibra, enrolada num cilindro piezelétrico, e conectores FC/PC-FC/APC, como em [23], fazendo com que a largura de linha de saída do laser seja aproximadamente 10 khz. O desafio é desenvolver aplicações deste poderoso sistema para caracterizar fibras dopadas em outros comprimentos de onda, com isso, é preciso encontrar fontes laser, para fazer um sistema OFDR capaz de caracterizar a EDF nas duas bandas, C e L. Como já foi mencionado, o sistema OFDR é eficiente para a caracterização deste dispositivo, porque filtra naturalmente o sinal, rejeitando a ASE. Porém, se a ASE que volta para o início da fibra é muito forte pode saturar o fotodetector. Por isso torna-se necessário o uso de filtros para diminuir o efeito da ASE no fotodetector. No caso da primeira montagem, a filtragem foi realizada com um filtro comercial estreito sintonizável. Porém estes dispositivos não funcionam fora da banda C, sendo necessária a elaboração de um filtro eficiente para um sistema operando em diferentes bandas de freqüência. A primeira tentativa para expandir o sistema foi o uso de um laser DFB emitindo em torno de 1620 nm. Para que o laser fosse usado no sistema, uma cavidade externa, semelhante à da primeira montagem [23], foi feita para estreitar a largura de linha do laser e permitir a modulação externa, com o auxílio de um cilindro piezelétrico, no qual a fibra era enrolada. As reflexões usadas para a cavidade foram obtidas através de duas conexões FC/PC-FC/APC antes do isolador de saída do sistema laser. Cada conexão apresenta uma reflexão de aproximadamente 15 db na cavidade do laser, e a largura de linha do sistema com cavidade externa foi medida por uma técnica chamada self-homodyne [4], e o resultado está mostrado na Figura 18. Esta é uma técnica coerente, que consiste em verificar, através de um analisador de espectro elétrico, o batimento entre sinais que percorrem distâncias diferentes. O sinal de luz incidente é separado em

4 Sistema OFDR sintonizável 52 dois caminhos distintos através de um interferômetro. A freqüência óptica de um dos braços é atrasada em comparação à outra. Se este atraso é maior que o tempo de coerência da fonte, os dois feixes interferem entre si, como se fossem originados de duas fontes diferentes, então no analisador de espectro vai aparecer um pulso, que é a convolução entre os dois sinais, com largura de linha de duas vezes a largura de linha do laser [4]. -55 Potência de ruído realtiva [db] Largura de linha: 12 khz Freqüência [khz] Figura 18: Espectro de largura do laser de 1620 nm com cavidade externa medida por técnica self-homodyne. A largura de linha do laser medida 3 db abaixo do pico é de 12 khz O primeiro filtro óptico elaborado para este sistema, operando na banda L, foi uma EDF sem bombeamento. Esta fibra absorve os sinais na banda C, portanto ela absorveria os sinais de ASE, e os sinais na banda L seriam menos absorvidos, permitindo assim a medida e diminuindo a quantidade de sinal que saturaria o fotodetector. Foi escolhido um comprimento de fibra de 40 m de uma fibra EDF, de acordo com a Figura 19, devido à menor atenuação do sinal no comprimento de onda utilizado, 1620nm.

5 Sistema OFDR sintonizável Atenuação [db] extrapolação 80 m Filtro com EDF m Comprimento de onda [nm] Figura 19: Espectro de absorção da EDF usada como filtro de ASE para o sistema OFDR banda L. -40 Sinal Retro-espalhado [dbv] Fibra de calibração m Comprimento [m] Figura 20: Sinal retro-espalhado de uma fibra de 100 m com OFDR construído com laser DFB mais cavidade externa, emitindo em 1620 nm.

6 Sistema OFDR sintonizável 54 Com este sistema foram realizadas algumas medidas em EDF. Porém, apesar do sistema apresentar boas características, como longo alcance e boa resolução, como a medida (Figura 20) de uma fibra comum de 100 m, este comprimento de onda não serve para caracterizar EDF por se localizar completamente fora do espectro de emissão da fibra. Para se caracterizar banda L em EDF seria necessário o uso de uma fonte laser com comprimento de onda localizado entre 1570 e 1605 nm. O esquema seguinte foi feito com um laser sintonizável, C e L ( nm), com cavidade externa e largura de linha de aproximadamente 120 khz, confirmada por técnica self-homodyne (Figura 21). Construindo um sistema OFDR com este laser, podemos proporcionar maior flexibilidade ao sistema, permitindo a caracterização da EDF para as duas bandas, e inclusive flexibilidade de medidas dentro de uma mesma banda, permitindo caracterização espectral de ganho de fibras dopadas. -50 Potência de ruído realtiva [db] Largura de linha: 120,2 khz Freqüência [khz] Figura 21: Espectro de largura do laser sintonizável medida por técnica self-homodyne. A largura de linha do laser medida 3 db abaixo do pico é de aproximadamente 120 khz Apesar deste laser apresentar largura de linha instantaneamente estreita, na prática, o laser não apresentava estabilidade devido à sua montagem original, que

7 Sistema OFDR sintonizável 55 gerava bastante vibração, além de alta sensibilidade ao ruído sonoro. Com isso, o laser foi retirado de sua montagem original, e colocado dentro de uma caixa, fabricada com madeira, espuma, entre outros materiais, a fim de isolar acusticamente o laser. Além de ser necessário desligar os controladores do motor de passo para se conseguir menos vibração. Com isso foi construído um sistema OFDR sintonizável nas bandas C e L. Foram feitas inúmeras medidas para caracterizar o ganho de diferentes EDFs: as medidas serão ilustradas no próximo capítulo. Um sistema semelhante, porém operando em comprimentos de onda na banda S, foi feito com cooperação com o grupo de óptica do Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco. Este sistema foi construído com um laser semelhante, sintonizável com cavidade externa e largura de linha de 100 khz, valor dado pelo fabricante. Este sistema não apresentou grandes problemas de estabilidade, sendo rapidamente utilizado para caracterização de ganho distribuído em TDF, também ilustradas no próximo capítulo. Como já mencionado, para a fabricação de um sistema OFDR para caracterização de fibras dopadas é necessário o uso de um filtro. Porém o filtro comercial sintonizável que serve para a banda C, não opera na banda L ou S e a EDF utilizada como filtro para medidas na banda L também não serve para as medidas nas outras bandas, portanto, uma outra alternativa teria que ser utilizada para permitir estas medidas. A Figura 22 ilustra o filtro alternativo utilizado para as medidas de OFDR com o laser sintonizável. Apesar de mais flexível, o sistema só pode operar nos comprimentos de onda correspondentes aos gravados nas redes de Bragg. O filtro funciona da seguinte maneira: o sinal entra, passa no circulador e segue em direção as redes de Bragg. Os sinais cujos comprimentos de onda são iguais aos de alguma rede de Bragg é refletido e volta ao sistema pela porta de saída do filtro. Este filtro foi construído para bandas C, L e S, com comprimentos de onda variando de 10 em 10 nm. Modificando agora o sistema (Figura 16), para aplicação em medidas de ganho distribuído em fibras dopadas, temos a nova montagem ilustrada na Figura 23. Primeiramente inserindo o filtro que já foi citado anteriormente, e o dispositivo a ser medido, que neste caso é a fibra dopada. Pode-se observar o

8 Sistema OFDR sintonizável 56 bombeamento no início da fibra, caracterizando um bombeamento forward, que será usado na maioria das medidas deste trabalho. Figura 22: Filtro construído para utilização no sistema OFDR para caracterização de fibras dopadas. Com isso, é apresentado um refletômetro OFDR sintonizável, que permite caracterização de ganho distribuído em fibras dopadas, bem como caracterização de qualquer outro dispositivo a fibra operando nas bandas S, C e L. Laser (sinal de OFDR) I solador I nterferômetro de Michelson OL Gerador de função T rigger FFT Filtro Detector Fibra dopada WDM Laser de Bombeio Figura 23: Esquema para medidas de OFDR em fibras dopadas Este sistema é a grande contribuição deste trabalho, pois sendo um sistema conhecido [20-26], e já utilizado para caracterização de dispositivos, aparece pela primeira vez com a capacidade de realizar medidas em diferentes comprimentos de onda permitindo que medidas espectrais de ganho distribuído em fibras dopadas com érbio e túlio fossem feitas. O próximo capítulo apresenta a análise destas medidas.