Orientador: Hugo Luis Fragnito / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-13T07:01:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rieznik_AndresAnibal_D.pdf: 2453403 bytes, checksum: 66544ed487a1cb0efeea1180adac25c3 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Apresentamos métodos para a otimização das simulações da propagação não linear da luz em fibras ópticas a través do Método de Split-Step Fourier (SSFM). Os dois efeitos considerados na modelagem da propagação são a dispersão e o efeito Kerr instantâneo. Estudamos tanto as equações acopladas considerando os dois modos principais de polarização quanto as equações escalares, estas últimas aplicáveis em situações em que o campo pode ser considerado um escalar, como em fibras isotrópicas com todos os campos linearmente polarizados e paralelos. Mostramos que o método que propomos para resolver as equações escalares é ordens de grandeza mais rápido do que outros métodos apresentados recentemente na literatura científica na modelagem de sistemas de transmissão de dados. No caso das equações acopladas, mostramos que o método proposto fornece resultados acurados na modelagem de amplificadores paramétricos e o utilizamos para validar um modelo analítico de seis ondas que nós mesmos desenvolvemos. Também utilizamos o método proposto para as equações acopladas para estudar o impacto das variações aleatórias da birrefringência sobre o ganho de amplificadores paramétricos, mostrando a importância da modelagem realista destas flutuações. Todos os códigos desenvolvidos são disponibilizados e distribuídos sob uma licença do tipo de software livre através de um portal criado na internet especialmente para esse fim. / Abstract: We introduce optimized models and algorithms for the simulation of non linear propagation in optical fibers using the split-step Fourier Method (SSFM). Dispersion and the Kerr effect are the two main effects considered in the simulations. We study the coupled equations, considering both polarization modes, as well as the scalar equation, which can be applied when the scalar approximation holds, as in isotropic fibers with all fields linearly polarized and parallels. We show that the method that we propose to solve the scalar equation is orders of magnitude faster than other methods recently introduced in the scientific literature for modeling transmission systems. In the coupled-equations case, we show that the proposed method gives accurate results for the modeling of parametric amplifiers, and use it to validate an analytical six-wave model that we developed. We also use the method for the coupled-equations to study the effects of randomly varying birefringence on parametric amplifiers gain, showing the importance of the accurate modeling of these fluctuations. All the codes developed in this thesis are available for download and distributed under a creative commons license in an internet site created specifically for this purpose. / Doutorado / Ótica / Doutor em Ciências

Orientadores: Edson Moschim, Marcelo Luís Francisco Abbade / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-19T01:03:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Costa_AndreLuizAguiarda_D.pdf: 10372929 bytes, checksum: d9a9fba8345bb6152e472fda3ff293e6 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho foram investigadas através de experimentos e simulações computacionais duas novas técnicas de processamento óptico de sinais, que utilizam amplificação paramétrica para multiplexar as informações de dois sinais binários em um único sinal multi-nível. Na primeira delas, o sinal multi-nível corresponde a um sinal quaternário em amplitude, enquanto na segunda este e um sinal ternário em amplitude. Ao contrario da amplificação paramétrica convencional, que utiliza um sinal de bombeio continuo (cw, continuous wave), em ambas as técnicas analisadas neste trabalho, tanto o sinal de bombeio quanto o sinal de prova são modulados em amplitude por duas sequências independentes de bits (informações). Tais sinais são acoplados e propagados por uma fibra óptica. A interação não-linear entre eles, decorrente do processo de amplificação paramétrica, proporciona a multiplexação das informações dos sinais de bombeio e de prova em uma mesma banda. Para os sinais quaternários, os sinais de bombeio e de prova podem apresentar ou não mesma taxa de transmissão, sendo possível ate dobrar a taxa de transmissão dos sinais originais. Verificou-se que a distribuição de seus níveis de potencia e controlada pelas razoes de extinção do sinal de bombeio e de prova. A máxima diferença obtida entre os resultados analíticos e de simulações em relação aos experimentais foi inferior a 1.4 dB. Os experimentos mostraram também que taxas de erro de bit (BER, Bit Erro Rate) inferiores a 7.6 .10-12 podem ser obtidas mesmo apos o sinal quaternário ser propagado por 75 km. Com relação aos sinais ternários, o sinal de prova deve apresentar uma taxa de transmissão N vezes maior que o sinal de bombeio, sendo N inteiro e maior que dois. A taxa de transmissão deste tipo de sinal multi-nível e a soma das taxas de transmissão dos sinais originais. Verificou-se também que com o ajuste da potencia do sinal de bombeio, e possível obter quaisquer razoes de extinção entre o terceiro e o segundo níveis, tornando possível adequar o sinal ternário para minimizar a BER independente do regime de ruído dominante. Apos a propagação do sinal ternário, por 40 km de uma rede de teste de campo, os melhores valores encontrados de BER foram inferiores a 3.5 10-15. Estes baixos valores de BER indicam que ambas as técnicas analisadas podem ser aplicadas a situações práticas / Abstract: In this work two new all-optical signal processing techniques are investigated through computer simulations and experiments; they utilize parametric amplification to multiplex information of two binary input signals into a single multi-level one. In the first of these techniques the multilevel signal corresponds to a quaternary-amplitude one, whereas in the other technique it is a ternary-amplitude signal. In opposition to conventional parametric amplification, where the pump is a continuous wave signal that interacts with one or more modulated probe signals, in both techniques analyzed in this work, the pump and probe signals are modulated by two independent bit sequences. Such signals are coupled and propagated through an optical fiber where parametric interaction causes information carried by these signals to be multiplexed in a single bandwidth. In the generation of quaternary-amplitude signals (QAS), the bit rates of the pump and probe signals may but do not need to be the same; thus, the QAS may convey twice information as each individual binary input signal. It is theoretically demonstrated and experimentally verified that the power level distribution of the QAS may be properly regulated by changing the extinction ratios of the pump and probe signals. Results concerning this analysis show that predictions based on the analytical model presented in this thesis and simulation results are at most 1.4 dB apart from experimental measurements; this is a quite good agreement. Experiments showed that bit error rates (BERs) as low as 7.6 .10-12 may be obtained even after the QAS is propagated for 75 km of standard fibers, with no filtering or any other kind of optimization. In the case of ternary-amplitude signals (TAS), the bit rate of the probe signal needs to be N times larger than the one the pump signal, where N is an integer number greater than 2. It is shown that the power level distribution of TAS may be arbitrarily chosen by simply adjusting the power associated with the "bit-1" pump level; this is an interesting feature because it allows the BER of the TAS to be minimized for any kind of dominant noise. In fact, in one of the presented experiments the TAS generated by parametric amplification was propagated by a 40-km long standard fiber link of a field-trial network and BERs inferior to 3.5 10-15 were obtained. The low BER values obtained by the QAS and TAS generated by parametric amplification suggest that both of the techniques investigated in this work could be utilized in practical applications / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutor em Engenharia Elétrica

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:05:17Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo7984_1.pdf: 2154802 bytes, checksum: c29ee67df93d2d1a717d1ce021fed20c (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2003 / Nessa tese estudamos do ponto de vista teórico e experimental, dois tipos de amplificadores ópticos, os Amplificadores Paramétricos de Fibra Óptica (FOPAs) e os Amplificadores de Fibra Dopada com Túlio (TDFAs) além de lasers de fibra óptica. Nos amplificadores paramétricos sinais copropagantes com um feixe intenso de bombeamento são amplificados devido à não linearidade Kerr da fibra ´óptica, que transforma fótons de bombeamento em fótons de sinal por mistura de quatro ondas ocasionada pela modulação do ´índice de refração da fibra ´óptica. O processo, para ocorrer de forma eficiente, requer o casamento de fase entre os fótons gerados, o que depende, por sua vez, das propriedades de dispersão da fibra. A amplificação por fibras dopadas explora a emissão estimulada da radiação. Nesses sistemas, a fluorescência de íons de terras raras, presentes no núcleo da fibra, e excitados por um feixe de bombeamento é estimulada durante a propagação dos sinais na fibra. Ao contrário dos FOPAs esse mecanismo requer fibras especiais dopadas com esses elementos que têm um papel ativo no sistema. Para os FOPAs, abordamos o uso da dispersão da velocidade de grupo e sua derivada segunda para projetar um FOPA com bombeamento único em um único segmento de fibra com ganho plano e mais largo que os FOPAs usuais. Obtivemos relações teóricas relacionadas com os parâmetros relevantes da fibra (não linearidade) e do sistema (potências do bombeamento e dos sinais) que permitem a determinação do comprimento de fibra ótimo e ganho máximo nessas condições. Também introduzimos um esquema de bombeamento em paralelo, permitindo obter maior largura de banda em futuros sistemas de telecomunicações com amplificadores baseados nessa tecnologia. Finalmente caracterizamos experimentalmente o ganho de FOPAs constituídos de fibras de dispersão deslocada (DSF) e com elevada não linearidade (HNLF). Foi possível obter, com esses experimentos, estimativas do comprimento de onda de dispersão nula e da curva de dispersão para valores próximos do zero de dispersão. Abordamos também os mecanismos de amplificação em fibras dopadas com túlio com duplo bombeamento em 800 nm e 1050nm com simulações teóricas baseadas nas equações de taxa, reproduzindo recentes resultados experimentais do nosso grupo de pesquisas. Ainda explorando fibras dopadas com túlio, construímos lasers para emissão em ~800nm e iii~1470nm com bombeamento em 1050nm e cavidades no espaço livre e em anel. Nessa última, a inserção de uma Fibra com Grade de Bragg (FBG) permitiu o travamento do comprimento de onda de emissão. Esses lasers foram caracterizados, em função do tipo de cavidade e da ocupação populacional dos níveis envolvidos no processo de emissão laser