Técnicas alternativas para amplificação de Raman em telecomunicações

Doutoramento em FísicaO presente trabalho centra-se no estudo dos amplificadores de Raman em fibra ótica e suas aplicações em sistemas modernos de comunicações óticas. Abordaram-se tópicos específicos como a simulação espacial do amplificador de Raman, a equalização e alargamento do ganho, o uso de abordagens híbridas de amplificação através da associação de amplificadores de Raman em fibra ótica com amplificadores de fibra dopada com Érbio (EDFA) e os efeitos transitórios no ganho dos amplificadores. As actividades realizadas basearam-se em modelos teóricos, sendo os resultados validados experimentalmente. De entre as contribuições mais importantes desta tese, destaca-se (i) o desenvolvimento de um simulador eficiente para amplificadores de Raman que suporta arquitecturas de bombeamento contraprogantes e bidirecionais num contexto com multiplexagem no comprimento de onda (WDM); (ii) a implementação de um algoritmo de alocação de sinais de bombeamento usando a combinação do algoritmo genético com o método de Nelder- Mead; (iii) a apreciação de soluções de amplificação híbridas por associação dos amplificadores de Raman com EDFA em cenários de redes óticas passivas, nomeadamente WDM/TDM-PON com extensão a região espectral C+L; e (iv) a avaliação e caracterização de fenómenos transitórios em amplificadores para tráfego em rajadas/pacotes óticos e consequente desenvolvimento de soluções de mitigação baseadas em técnicas de clamping ótico.The present work is based on Raman Fiber Amplifiers and their applications in modern fiber communication systems. Specific topics were approached, namely the spatial simulation of Raman fiber amplifiers, the gain enlargement and equalization the use of hybrid amplification approaches by association of Raman amplifiers with Erbium doped fiber amplifiers (EDFA) and the transient effect on optical amplifiers gain. The work is based on theoretical models, being the obtained results validated experimentally. Among the main contributions, we remark: (i) the development of an efficient simulator for Raman fiber amplifiers that supports backward and bidirectional pumping architectures in a wavelength division multiplexing (WDM) context; (ii) the implementation of an algorithm to obtain enlargement and equalization of gain by allocation of pumps based on the association of the genetic algorithm with the Nelder-Mead method; (iii) the assessment of hybrid amplification solutions using Raman amplifiers and EDFA in the context of passive optical networks, namely WDM/TDM-PON with extension the C+L spectral bands; (iv) the assessment and characterization of transient effects on optical amplifiers with bursty/packeted traffic and the development of mitigation solutions based on optical clamping

Experimental assessment of some Raman fiber amplifiers solutions for coarse wavelength division multiplexing applications

Raman amplification will, in a closer future, penetrate into the access network, bringing new challenges and difficulties to be overcome. In this article, we present the performance assessment of Raman amplification solutions suitable for Coarse Wavelength Division Multiplexing (CWDM) access networks applications. For this purpose, a pumping scheme with three lasers allows a bandwidth of 78nm which is suitable for four CWDM channels. For this scheme, the gain and noise figure dependence with the pumping configuration was evaluated. The gain equalization was experimentally obtained based on a previously developed model using the Genetic Algorithm (GA) for pump allocation. A comparative study of Raman amplification in different types of Raman fibers (single mode fiber and dispersion shifted fiber) is also presented as well as the use of composite links. Those applications were tested in a local network and the obtained results comply with the modeling foreknowledge, showing the feasibility of Raman amplification over CWDM networks

Otimização de amplificadores híbridos RAMAN+EDFA utilizando reciclagem de bombeamento

In this work different configurations of hybrid amplifiers are studied, made by a Raman amplifier followed by an EDFA. Such amplifiers can be used to increase the transmission capacity in WDM based optical communication systems. The performance of different hybrid EDFA+Raman amplifiers is obtained using commercial software. Their performance is analyzed in terms of the global gain, ripple and noise figure. The design and development of new configurations of fiber amplifiers, such as Raman and erbium-doped fiber amplifiers operating in a combined system that allows recycling pump power, contributes to minimize the energy consumption of the entire transmission system. Raman amplifiers can be used along with the EDFA high output power capacity to add spectral shaping flexibility for broadband applications. This work applies a new technique to optimize Raman+EDFA hybrid amplifiers for WDM applications. It uses an analytical approximated model to determine the spectral shaping of the Raman gain stage avoiding the time-consuming process of spectral profile optimization. The optimization has been carried out on a hybrid Raman+EDFA amplifier configuration, using dispersion compensating fiber with multiple pump lasers in the Raman amplification stage. The optimization has focused on the global gain and its ripple factor for the hybrid amplifier. Results demonstrated that the Raman+EDFA hybrid amplifier under recycling residual Raman pump, allied with the proper selection of pump wavelengths and powers, enables the construction of broadband amplifiers with enhanced power conversion efficiency and high and flat gains. Results also show average high gain, lower ripple, and higher bandwidth than those found in the literature. Such results can contribute to a better knowledge of the advantages and drawbacks of hybrid Raman/EDFA amplifiers in optical links.CAPESNeste trabalho são estudadas configurações de amplificadores híbridos compostos por amplificador Raman em cascata com EDFA, a serem utilizados na expansão da capacidade de sistemas de comunicações óticas utilizando WDM. Foi realizado, mediante simulação em um pacote comercial, um estudo do desempenho de diferentes esquemas desses amplificadores híbridos Raman+EDFA, em termos do ganho global, ondulação (ripple) e figura de ruído. A flexibilidade do perfil espectral do amplificador Raman pode ser combinada com a alta capacidade de potência de saída do EDFA para obter aplicações de amplificadores híbridos banda larga. Este trabalho aplica uma nova técnica de otimização de amplificador híbrido Raman+EDFA para aplicações WDM. É utilizado o modelo de aproximação analítica com menor tempo de cálculo, para determinar o perfil espectral do estágio de amplificação Raman. A otimização foi realizada para uma configuração de amplificador híbrido Raman+EDFA utilizando uma fibra compensadora de dispersão (DCF) com múltiplos lasers de bombeamento no estágio Raman. A otimização foi focada no ganho global e na ondulação do amplificador híbrido resultante. Os resultados demonstraram que o amplificador híbrido Raman+EDFA com reciclagem de bombeamento residual Raman, combinado com uma seleção apropriada de potências e comprimentos de onda dos lasers de bombeamento Raman, possibilita a obtenção de amplificadores híbridos banda larga com maior eficiência de conversão de potência, ganho alto e plano. Os resultados também mostraram ganhos médios maiores, menor ondulação e largura de banda maior que os encontrados na literatura. Tais resultados podem contribuir para um melhor conhecimento das vantagens e desvantagens de amplificadores híbridos utilizados em enlaces óticos