Amplificadores ópticos à fibra dopada com érbio são dispositivos de grande importância em sistemas de comunicações ópticas. O projeto otimizado de um enlace óptico maximiza o aproveitamento dos amplificadores, reduzindo os custos de implantação do enlace. São analisados os princípios de funcionamento destes amplificadores, explicitando-se suas características mais notáveis através da montagem e caracterização de dois protótipos. É também feito um estudo sobre a influência da potência de emissão espontânea, produzida pelo amplificador, na recepção óptica. Este estudo é feito através da análise dos principais ruídos associados aos sistemas ópticos. Baseado neste estudo, é desenvolvido um modelo matemático para o cálculo da penalidade causada pela potência de emissão espontânea. Os resultados previstos por este modelo são comparados com experimentos de laboratório. / Erbium doped fiber amplifiers are very important devices in optical systems. The optimized project of an optical link increases the use of these amplifiers, reducing installation costs. In this work, the most remarkable characteristics of these devices are shown, using two prototypes. The influence of the spontaneous emission power, generated by the amplifier, on optical receptions is also studied. This is done trough the analyses of the most relevant noises associated to optical systems. Based on that, a mathematical model is developed to calculate the penalty caused bye the spontaneous emission power. The results predicted by this model are compared to pratical data.

Amplificadores ópticos à fibra dopada com érbio são dispositivos de grande importância em sistemas de comunicações ópticas. O projeto otimizado de um enlace óptico maximiza o aproveitamento dos amplificadores, reduzindo os custos de implantação do enlace. São analisados os princípios de funcionamento destes amplificadores, explicitando-se suas características mais notáveis através da montagem e caracterização de dois protótipos. É também feito um estudo sobre a influência da potência de emissão espontânea, produzida pelo amplificador, na recepção óptica. Este estudo é feito através da análise dos principais ruídos associados aos sistemas ópticos. Baseado neste estudo, é desenvolvido um modelo matemático para o cálculo da penalidade causada pela potência de emissão espontânea. Os resultados previstos por este modelo são comparados com experimentos de laboratório. / Erbium doped fiber amplifiers are very important devices in optical systems. The optimized project of an optical link increases the use of these amplifiers, reducing installation costs. In this work, the most remarkable characteristics of these devices are shown, using two prototypes. The influence of the spontaneous emission power, generated by the amplifier, on optical receptions is also studied. This is done trough the analyses of the most relevant noises associated to optical systems. Based on that, a mathematical model is developed to calculate the penalty caused bye the spontaneous emission power. The results predicted by this model are compared to pratical data.

Os sistemas ópticos atuais, baseados em fibras monomodo, operam próximos ao limite teórico da capacidade. Sistemas ópticos baseados em multiplexação modal (Mode Division Multiplexing – MDM) possibilitam o aumento da capacidade do sistema por meio do uso de fibras de poucos modos. Nestes sistemas, a propriedade de ortogonalidade entre os modos propagantes permite que cada modo espacial carregue um sinal óptico específico. O amplificador à fibra dopada com érbio (Erbium-Doped Fiber Amplifier – EDFA) segue fundamental para assegurar a transmissão em longas distâncias. No entanto, devido às distintas distribuições de intensidade dos modos que compõem o sinal de entrada, cada modo experimenta diferentes valores de ganho. Desta forma, o objetivo principal no projeto de EDFAs de poucos modos (Few-Mode Erbium-Doped Fiber Amplifier – FM-EDFA) é determinar os melhores parâmetros opto-geométricos da fibra para produzir uma amplificação eficiente. A metodologia normalmente empregada é baseada na resolução das equações de taxa e de propagação. Nesta tese, é proposta uma metodologia alternativa de projeto de FM-EDFA, baseada em uma nova figura de mérito. Este parâmetro quantifica o nível de inversão da população dos íons na fibra a partir da integral de superposição (overlap integral), considerando tanto o perfil de dopagem da fibra dopada com érbio para poucos modos (Few-Mode Erbium-Doped Fiber – FM-EDF) quanto as distribuições de intensidade dos sinais de entrada e de bombeio. A aplicação desta metodologia permite reduzir, em cerca de 25-40 vezes, o número de resoluções das equações de taxa e de propagação e, consequentemente, diminuir o tempo de processamento e reduzir o esforço computacional. Como consequência da maior velocidade de processamento, torna-se possível a aplicação de métodos de otimização mais rigorosos, permitindo uma busca em um espaço irrestrito de soluções. Especificamente, a partir de uma metodologia baseada em algoritmos genéticos, obteve-se um perfil de dopagem otimizado. É também demonstrado que os perfis com geometria circular exibem melhores características, como excelente desempenho do FM-EDFA e maior facilidade de fabricação. Por meio da análise da figura de mérito, é mostrado que o desempenho do FM-EDFA é afetado pelas características do modo de bombeio. Finalmente, o desempenho de um sistema óptico MDM é avaliado, simulado por meio da integração entre as ferramentas MatLab® e VPItransmissionMakerTM, comprovando a necessidade do projeto de um amplificador específico para sistemas MDM. / Modern optical systems based on single-mode fiber, operate close to the theoretical capacity limit. By using few-mode fibers, optical systems based on modal division multiplexing (MDM) allows increased system capacity. In these systems, orthogonality between the propagating modes allows each spatial mode to carry a specific optical signal. The erbium doped fiber amplifier (EDFA) remains essential to ensure long distance transmission. However, due to the distinct intensity profile distributions of the modes which comprise the input signal, each mode experiences a different value of optical gain. Thus, the main objective in the few-mode EDFA design (FM-EDFA) is to determine the best opto-geometrical fiber parameters in order to produce an efficient amplification. The methodology normally used is based on the simultaneous resolution of the rate and propagation equations. In this thesis, we propose an alternative methodology for the FM-EDFA design, based on a new figure of merit which quantifies the level of population inversion for the Er ions in the fiber, by means of a overlap integral considering both the doping profile of the few-mode erbium doped fiber (FM-EDF) as well as the intensity distributions of the optical signals and pump beams. This methodology reduces, by a factor of 25-40, the number of resolutions of the rate and propagation equations, thereby decreasing processing time and computational effort. As a consequence of the improved processing speed, it becomes possible to apply more rigorous optimization methods in an unrestricted solution space. Specifically, by using a genetic algorithm technique, we obtained an optimized doping profile. It is also shown that profiles with circular geometry exhibit improved features, such as excellent FM-EDFA performance and ease of manufacturing. By analyzing the figure of merit, it is shown that the FM-EDFA performance is affected by the characteristics of the pump mode. Finally, the performance of an MDM optical system is evaluated, by integrating Matlab and VPI simulation tools, to demonstrate the need for specific amplifier designs in MDM systems.

Os sistemas ópticos atuais, baseados em fibras monomodo, operam próximos ao limite teórico da capacidade. Sistemas ópticos baseados em multiplexação modal (Mode Division Multiplexing – MDM) possibilitam o aumento da capacidade do sistema por meio do uso de fibras de poucos modos. Nestes sistemas, a propriedade de ortogonalidade entre os modos propagantes permite que cada modo espacial carregue um sinal óptico específico. O amplificador à fibra dopada com érbio (Erbium-Doped Fiber Amplifier – EDFA) segue fundamental para assegurar a transmissão em longas distâncias. No entanto, devido às distintas distribuições de intensidade dos modos que compõem o sinal de entrada, cada modo experimenta diferentes valores de ganho. Desta forma, o objetivo principal no projeto de EDFAs de poucos modos (Few-Mode Erbium-Doped Fiber Amplifier – FM-EDFA) é determinar os melhores parâmetros opto-geométricos da fibra para produzir uma amplificação eficiente. A metodologia normalmente empregada é baseada na resolução das equações de taxa e de propagação. Nesta tese, é proposta uma metodologia alternativa de projeto de FM-EDFA, baseada em uma nova figura de mérito. Este parâmetro quantifica o nível de inversão da população dos íons na fibra a partir da integral de superposição (overlap integral), considerando tanto o perfil de dopagem da fibra dopada com érbio para poucos modos (Few-Mode Erbium-Doped Fiber – FM-EDF) quanto as distribuições de intensidade dos sinais de entrada e de bombeio. A aplicação desta metodologia permite reduzir, em cerca de 25-40 vezes, o número de resoluções das equações de taxa e de propagação e, consequentemente, diminuir o tempo de processamento e reduzir o esforço computacional. Como consequência da maior velocidade de processamento, torna-se possível a aplicação de métodos de otimização mais rigorosos, permitindo uma busca em um espaço irrestrito de soluções. Especificamente, a partir de uma metodologia baseada em algoritmos genéticos, obteve-se um perfil de dopagem otimizado. É também demonstrado que os perfis com geometria circular exibem melhores características, como excelente desempenho do FM-EDFA e maior facilidade de fabricação. Por meio da análise da figura de mérito, é mostrado que o desempenho do FM-EDFA é afetado pelas características do modo de bombeio. Finalmente, o desempenho de um sistema óptico MDM é avaliado, simulado por meio da integração entre as ferramentas MatLab® e VPItransmissionMakerTM, comprovando a necessidade do projeto de um amplificador específico para sistemas MDM. / Modern optical systems based on single-mode fiber, operate close to the theoretical capacity limit. By using few-mode fibers, optical systems based on modal division multiplexing (MDM) allows increased system capacity. In these systems, orthogonality between the propagating modes allows each spatial mode to carry a specific optical signal. The erbium doped fiber amplifier (EDFA) remains essential to ensure long distance transmission. However, due to the distinct intensity profile distributions of the modes which comprise the input signal, each mode experiences a different value of optical gain. Thus, the main objective in the few-mode EDFA design (FM-EDFA) is to determine the best opto-geometrical fiber parameters in order to produce an efficient amplification. The methodology normally used is based on the simultaneous resolution of the rate and propagation equations. In this thesis, we propose an alternative methodology for the FM-EDFA design, based on a new figure of merit which quantifies the level of population inversion for the Er ions in the fiber, by means of a overlap integral considering both the doping profile of the few-mode erbium doped fiber (FM-EDF) as well as the intensity distributions of the optical signals and pump beams. This methodology reduces, by a factor of 25-40, the number of resolutions of the rate and propagation equations, thereby decreasing processing time and computational effort. As a consequence of the improved processing speed, it becomes possible to apply more rigorous optimization methods in an unrestricted solution space. Specifically, by using a genetic algorithm technique, we obtained an optimized doping profile. It is also shown that profiles with circular geometry exhibit improved features, such as excellent FM-EDFA performance and ease of manufacturing. By analyzing the figure of merit, it is shown that the FM-EDFA performance is affected by the characteristics of the pump mode. Finally, the performance of an MDM optical system is evaluated, by integrating Matlab and VPI simulation tools, to demonstrate the need for specific amplifier designs in MDM systems.

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:04:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7747_1.pdf: 5223397 bytes, checksum: 3e431007612ff82c1f4e6038f0175432 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2006 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No trabalho descrito nessa tese, utilizamos duas técnicas interferométricas. A refletometria óptica coerente no domínio das freqüências (COFDR, sigla para coherent optical frequency domain reflectometry ) e a tomografia por coerência óptica (TCO), cuja sigla em inglês é OCT para optical coherence tomography , ambas baseadas no interferômetro de Michelson. Essas técnicas foram utilizadas para aplicações em comunicações ópticas e na geração de imagens médicas e odontológicas. Faremos uma descrição geral sobre as técnicas de interferometria óptica. Discorremos um pouco sobre o desenvolvimento da interferometria na história da ciência e sobre alguns interferômetros e suas aplicações principais. As diferentes fontes de luz que podem ser utilizadas também serão discutidas. Descreveremos os princípios da técnica de COFDR e sua aplicação em comunicações ópticas, especialmente na caracterização de amplificadores ópticos. Iremos também descrever sobre o amplificador baseado em fibra dopada com túlio (AFDT) que foi desenvolvido em nossos laboratórios e as diferentes formas de bombeamento que podem ser empregadas. Mostraremos como a técnica de COFDR é eficiente, não só para otimizar o comprimento da fibra dos amplificadores, mas também como uma ferramenta importante na análise da dinâmica dos processos de bombeamento, sem que, para isso, a fibra tenha sido cortada. Juntamente com outras técnicas, o AFDT desenvolvido foi totalmente caracterizado e um protótipo desenvolvido. A partir deste ponto, será dada ênfase à tomografia por coerência óptica. Inicialmente descrevemos sobre a técnica de TCO, suas características básicas e algumas das suas principais aplicações. Também falaremos sobre a aplicação da tomografia óptica na odontologia, área que vem crescendo bastante e cada vez mais se utilizando de recursos ópticos para melhoria e precisão dos tratamentos e dos diagnósticos. Iremos mostrar os resultados obtidos em dois experimentos onde essa técnica é empregada: na caracterização de fendas em restaurações dentárias com amálgama e resina composta; e no teste da viabilidade do uso dessa técnica para acesso a informações da polpa do dente de ratos. Mostraremos como é possível construir imagens tomográficas dessa estrutura dos tecidos biológicos, no nosso caso dos dentes, de forma não invasiva e sem causar nenhum dano (não é necessária a remoção do tecido, a análise pode ser feita in situ). Também será demonstrado como a técnica de TCO é sensível para a visualização da estrutura interna das amostras. Iremos descrever sobre uma variação muito importante na técnica de TCO, a detecção no domínio de Fourier. Descreveremos sobre experimentos dos quais participei durante meu doutorado sanduíche no M.I.T., sob a orientação do professor James Fujimoto, pioneiro no desenvolvimento dessa técnica. Descreveremos sobre as duas variações da TCO no domínio de Fourier, a tomografia por coerência óptica espectral (spectral OCT ou SOCT) e a tomografia por coerência óptica com a fonte com comprimento de onda variável (swept source OCT), este último é similar ao COFDR aplicado par geração de imagens tomográficas. Iremos descrever dois experimentos usando TCO espectral realizados no M.I.T. e com aplicações diretas na medicina, mais especificamente na oftalmologia. O primeiro experimento foi o desenvolvimento de um equipamento clínico utilizado para gerar imagens da retina humana e colocado em uma clínica oftalmológica, onde pacientes poderiam ter a sua retina observada. Apresentaremos alguns resultados, imagens de olhos normais e com patologias, mostrando a qualidade das imagens geradas por esse dispositivo. No segundo experimento, foi realizado o desenvolvimento de um instrumento para gerar imagens da retina de ratos e camundongos in vivo. O objetivo final desse equipamento é ser capaz de identificar pequenas mudanças na morfologia da retina desses animais, modelos para algumas doenças humanas da retina. Apresentaremos as vantagens dessa forma de detecção, comparada a TCO no domínio temporal, com relação à velocidade e sensitividade. Por ultimo, faremos uma revisão dos trabalhos realizados, a partir do qual chegamos às nossas conclusões. Falaremos sobre a importância dessas duas técnicas, COFDR e TCO, em cada uma das áreas em que são aplicadas e como esse trabalho poderá ser continuado. Essa tese teve como objetivo maior mostrar como técnicas de interferometria baseadas em dispositivos desenvolvidos há mais de um século continuam atuais e que cada vem mais têm ganhado importante papel em várias áreas do conhecimento. A ciência, em especial a óptica, tem se tornado cada vez mais aplicada. Experimentos desenvolvidos nos laboratórios têm se transformado em equipamentos comerciais cada vez mais rapidamente e é preciso acompanhar esse ritmo. Projetos multidisciplinares e a associação da universidade com a indústria são os caminhos corretos para manter a ciência atual e produtiva

[pt] Diferentes tipos de lasers podem ser usados para gerar pulsos de luz com uma ampla faixa de durações de pulso, energias e potências de pico. As técnicas de Q-switching e mode-locked são relatadas há anos por vários autores e pesquisadores e são frequentemente utilizadas na geração de lasers de pulso ultracurto com duração de pulso no domínio do tempo na faixa de nanossegundos até femtossegundos. Uma configuração, com ganho fornecido por um amplificador óptico semicondutor (SOA) e amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) é proposta e emprega a técnica de gerenciamento de dispersão para gerar um trem de pulsos ópticos exibindo alta potência de pico, taxa de repetição ultra-baixa e largura temporal curta, habilitando que este laser seja usado como uma fonte para aplicações de alta resolução em reflectometria óptica no domínio do tempo (OTDR). A operação mode-locked é conhecida por ocorrer apenas em lasers ordenados padrão por um longo tempo e até recentemente foi encontrado também em lasers de fibra aleatórios desordenados (RFL). Embora tenha havido progresso no sentido de travar modos espaciais e longitudinais em lasers aleatórios, a literatura carece de relatos sobre geração de pulsos limitada por transformada de Fourier, apesar das muitas décadas de campo. O autor demonstra experimentalmente um mode-locked random fiber laser (MLRFL) operando como um refletômetro óptico de domínio do tempo sensível à fase. Aqui, a saída total do laser fornece o sinal de detecção, em contraste com o pequeno sinal retroespalhado medido em um OTDR convencional. O laser opera como um sensor acústico distribuído (DAS) e sensor de temperatura distribuído (DTS). / [en] Different types of lasers can be used to generate light pulses with a wide range of pulse durations, energies and peak powers. Q-switching and mode-locked techniques have been reported for years by several authors and researchers and are frequently used in the generation of ultra-short-pulse lasers with time-domain pulse durations from the nanosecond to femtosecond range. A configuration, with gain provided by a semiconductor optical amplifier (SOA) and erbium-doped fiber amplifier (EDFA) is proposed and employ the dispersion management technique to generate a train of optical pulses exhibiting high-peak-power, ultralow repetition rate, and fast temporal width, enabling this laser to be used as a source for high-resolution optical time domain reflectometer (OTDR) applications. The mode-locking operation has been known to occur only in standard ordered lasers for a long time and until recently it was found to also occur in disordered random fiber lasers (RFL). Although progress has been made towards locking spatial and longitudinal modes in random lasers, the literature lacks reports on Fourier transform-limited pulse generation despite the many decades of the field. The author experimentally demonstrates a mode-locked random fiber laser (MLRFL) operating as a lasing phase-sensitive optical time domain reflectometer based on random feedback from a sensing fiber. Here, the full output of the laser provides the sensing signal, in contrast to the small backscattered signal measured in a conventional OTDR. The laser operates as a distributed acoustic sensor (DAS) and distributed temperature sensor (DTS).