Este trabalho apresenta um estudo analítico da aplicação do Interferômetro de Gires-Tournois (GTI, Gires-Tournois Interferometer) em linearização de moduladores eletroópticos de intensidade. Os dispositivos abordados consistem, basicamente, em Moduladores Interferométricos do tipo Mach-Zehnder (Mach-Zehnder Modulator, MZM) ou equivalentes, em cujas estruturas foram adicionadas os GTI, como técnica de linearização de sua característica de transmissão. Os moduladores assim obtidos apresentam configurações tais que utilizam estruturas de microondas a parâmetros concentrados, sendo os conceitos apresentados através do ponto de vista de óptica volumétrica. Serão abordados inicialmente os fundamentos de modulação eletroóptica, com ênfase no efeito eletroóptico, conhecimentos esses necessários ao entendimento do processo de modulação eletroóptica. Os moduladores de fase de parâmetros concentrados e parâmetros distribuídos são apresentados. Aborda-se também o modulador eletroóptico tipo Mach-Zehnder, convencionalmente empregado na maioria dos enlaces ópticos atuais e que servirá de referência na avaliação dos modulares com características de baixa distorção. Abordam-se as cavidades GTI em sua estrutura original, derivada do interferômetro de Fabry-Perot, para em seguida analisar seu emprego como modulador eletroóptico de fase, na situação em que a cavidade óptica é preenchida com material eletroopticamente ativo. O modulador linearizado de intensidade, empregando apenas uma célula GTI em versão birrefringente, é apresentada e analisada. Por fim, quantiza-se a distorção desta última configuração, através da determinação de sua faixa dinâmica livre de distorção, SFDR (Spur-Free Dynamic Range) e compara-se com o caso convencional empregando o MZM. Finalmente, são apresentadas as conclusões obtidas ao longo desta tese, bem como algumas sugestões de continuidade dos trabalhos nesta linha de pesquisa.

Este trabalho está organizado com o objetivo de apresentar um estudo teórico e experimental do enlace de sinais analógicos de RF por fibra óptica empregando técnica de multiplexagem por divisão de comprimento de onda (WDM) sem amplificação. Este enlace apresenta uma arquitetura utilizando moduladores eletro-ópticos do tipo Mach-Zehnder e multiplexadores/demultiplexadores do tipo Arrayed Waveguide Grating (AWG). O emprego deste enlace a fibra óptica visa à transmissão de sinais de RF às antenas remotamente localizadas em relação à estação geradora do sinal, distribuição de sinais de RF e recepção de sinais de RF de um parque de antenas distribuídas remotamente da estação de análise de sinais. Realizou-se uma análise de alguns dos parâmetros de desempenho do enlace, bem como de alguns efeitos que o afetam. Esta análise se pautou em cálculos referentes às características individuais dos diversos componentes que integram o sistema. Posteriormente, foi implementada a verificação e validação dos cálculos com base em medições feitas no Laboratório de Guerra Eletrônica do ITA. Estes cálculos se basearam em fundamentos teóricos sobre alguns fenômenos físicos presentes nos dispositivos empregados neste tipo de enlace WDM passivo. Estes fenômenos são a propagação da onda eletromagnética em meios anisotrópicos e não lineares, efeito eletro-óptico, linearidade de moduladores, multiplexagem óptica no AWG, perdas por inserção e diafonia. Foram propostas arquiteturas de enlaces passivos do tipo WDM NxN (com o demutiplexador) e do tipo WDM Nx1 (sem o demutiplexador). Respeitaram-se as características individuais dos componentes constituintes do enlace e as condições de operação do sistema, tais como a tensão de polarização, a influência da intensidade do sinal óptico na fibra óptica e a influência do meio óptico no sinal de RF modulado acoplado a fibra óptica e convertido no fotodetector. Empregaram-se os parâmetros S para análise do sistema. As formulações matemáticas para o cálculo do ganho de potência do sinal de RF no enlace foram discutidas e inter-relacionadas. Estas formulações matemáticas dão origem ao método com reduzidas quantidades de simplificações aplicando o teorema de Graf e ao método para pequenos sinais. Foram também abordados os efeitos de distorção harmônica inerentes ao processo de modulação do sinal óptico e os efeitos que a dispersão no meio de propagação óptica produzem no sinal de RF de saída do enlace, bem como os limites de potência para evitar os efeitos não lineares na fibra óptica. Verificou-se em laboratório a consistência do método de cálculo do ganho de potência de RF que emprega o teorema de Graf. Foram apresentas algumas aplicações do enlace de sinais analógico de RF a fibra óptica com o emprego de WDM, sem amplificação óptica, em geração de sinais em raias de cenários de GE simulados, em recepção remota de sinais (tanto para fins militares como civis) e em distribuição de sinais a bordo de navios.

Made available in DSpace on 2018-08-02T00:00:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 tese_3859_DissertacaoMestradoJesseGomesdosSantos.pdf: 1635307 bytes, checksum: 4b377fb82afb8122f9903a637214c4c9 (MD5) Previous issue date: 2011-05-04 / Embora centenária, a tecnologia óptica para transmissão em espaço livre ainda pode ser considerada bastante desconhecida, pois durante décadas as pesquisas nesta área do conhecimento permaneceram restritas aos meios militares. Esta restrição é justificada em virtude de o sistema óptico no espaço livre depender intensamente do ambiente atmosférico e, portanto, está sujeito às intempéries existentes neste meio. Porém, a partir do século XXI, o desenvolvimento da tecnologia voltada à transmissão por fibra óptica, similar a em discussão, vem contribuindo, ainda que de forma lenta, para que o sistema óptico no espaço livre expanda seus domínios. A utilização da técnica de transmissão Ortoghonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) é mais um instrumento capaz de ajudar este sistema de comunicação a enfrentar as adversidades existentes no ambiente atmosférico. Diante desta constatação, esta dissertação apresenta os resultados de testes experimentais realizados em laboratório que mostram o desempenho obtido pela utilização em conjunto destas duas tecnologias para interligar ponto a ponto duas estações sem fio em meio a ambientes com e sem turbulência. Os resultados apresentados neste trabalho de pesquisa mostram que a utilização do OFDM no sistema de comunicação óptico em espaço livre é possível e possibilita em parte do tempo manter o enlace de comunicação ativo, mesmo durante a ocorrência de fenômenos adversos como a turbulência óptica.

Esta tese apresenta um estudo teórico da aplicação de moduladores eletroópticos em enlaces analógicos a fibra óptica, empregando a técnica de modulação de intensidade e detecção direta. A modulação de intensidade é obtida através do modulador eletroóptico de tipo Mach-Zehnder, sendo o enlace empregado para a transmissão de sinais de RF. Foram abordados inicialmente os fundamentos da propagação de onda em meios anisotrópicos e do efeito eletroóptico, necessários ao entendimento do processo de modulação eletroóptica. Os moduladores de fase de parâmetros concentrados e de parâmetros distribuídos foram apresentados. Abordou-se também o modulador eletroóptico tipo Mach-Zehnder, onde expressões que descrevem as componentes espectrais do campo elétrico do sinal óptico de saída do modulador, bem como da intensidade óptica, foram deduzidas com base nas tensões de polarização aplicadas aos eletrodos do modulador, além da amplitude e defasagem entre os sinais de RF modulante. Dois casos particulares de modulação foram estudados: a modulação em banda lateral dupla e a modulação em banda lateral única. O desempenho do enlace foi analisado em função do ganho de potência, da figura de ruído e da faixa dinâmica, sendo estes parâmetros estimados com base nas características individuais dos diversos componentes que constituem o enlace, em condições de operação típicas. Os efeitos que a dispersão ocorrida no enlace produzem no sinal de RF de saída foram abordados para os dois tipos de modulação de intensidade analisados. Aplicações desta técnica de transmissão de sinais de RF foram apresentadas como forma de ressaltar o potencial de emprego deste sistema em situações em que as linhas de transmissão convencionais não atendem aos requisitos de desempenho impostos. Finalmente foram apresentadas as conclusões obtidas ao longo do desenvolvimento desta tese, bem como algumas sugestões de continuidade dos trabalhos nesta linha de pesquisa.

A distorção em moduladores eletroópticos integrados, amplamente utilizados em enlaces ópticos, é analisada em termos da faixa dinâmica livre de distorção (Spurious Free Dynamic Range-SFDR), especialmente a causada pela intermodulação de terceira ordem. As características de transmissão de vários tipos de moduladores eletroópticos integrados são apresentadas por meio de modelagens adequadas para uma análise comparativa de suas SFDR. Os seguintes tipos de moduladores são estudados: modulador com cavidade em anel (Ring Resonator Modulator - RRM), modulador Mach-Zehnder com cavidade em anel (Ring Resonator Assisted Mach-Zehnder Modulator - RAMZ), modulador com acoplador direcional, modulador com junção "Y" e o modulador Mach-Zehnder (MZM). Para cada modulador, calculam-se as distorções por intermodulações, especialmente as de terceira ordem, as distorções harmônicas, bem como a composição espectral do sinal na saída de cada modulador. Em outras palavras, os parâmetros ópticos, eletrônicos e geométricos, de cada modulador, são selecionados de forma a evidenciar as não-linearidades de suas características de transmissão. Por exemplo, a análise desenvolvida revela que no caso dos moduladores como o acoplador direcional e junção "Y", uma seleção adequada do comprimento de interação e do espaçamento entre os guias de onda, em combinação com a escolha adequada da voltagem de polarização propicia SFDR da ordem de 126.7dB - Hz4/5 e 125.6dB - Hz4/5 , respectivamente. Com respeito aos moduladores com cavidade em anel e Mach-Zehnder e com cavidade em anel, selecionando-se o coeficiente de acoplamento entre o guia de onda óptico e a cavidade e a voltagem de polarização, obtém-se SFDR da ordem de 126.3dB - Hz4/5 e 128dB - Hz4/5 , respectivamente. Uma vez que a faixa dinâmica do MZM operando em quadratura é igual a 108.6dB - Hz2/3, conclui-se que alguns dos moduladores eletroópticos analisados proporcionam SFDR com 17 dB a 19.4 dB superior à do MZM.

Esta dissertação apresenta um estudo e caracterização da transmissão de sinais analógicos de radiofrequência por meio de fibras ópticas empregando dois tipos de modulação: direta e externa. Na análise desenvolvida para modulação direta é considerado um diodo laser DFB como fonte de modulação, enquanto que para enlaces envolvendo modulação externa, considera-se um modelo composto por um modulador eletro-óptico de tipo Mach-Zehnder com substrato de LiNbO3. Em ambos os casos se aplica a técnica de modulação de intensidade e detecção direta. Fundamentos básicos acerca dos dispositivos ópticos empregados e modulação eletro-óptica são abordados nos capítulos iniciais para conceituação básica sobre o assunto. Em seguida é considerado um estudo analítico dos parâmetros essenciais para caracterização de enlaces ópticos analógicos, os quais compreendem ganho de potência, figura de ruído e faixa dinâmica. Na modelagem das figuras de mérito são considerados parâmetros intrínsecos de elementos do sistema, de forma a permitir uma observação direta de sua influência no comportamento funcional de um enlace. Testes experimentais envolvendo diferentes arquiteturas de enlaces com modulação externa são realizados para verificação e validação do modelo teórico apresentado. Para a aplicação de sinais analógicos de RF com freqüências próximas a 1 GHz foi obtido um valor de faixa dinâmica livre de distorções de 103,6 dB.Hz2/3, para uma potência óptica de 19 mW. Valores de ganho de potência da ordem de -33 dB até +20 dB foram alcançados para as diferentes configurações de enlaces apresentados. A figura de ruído medida para os enlaces variou de 46 dB a 5,8 dB. Em todas as medidas o modulador foi ajustado para operação na região de quadratura.

Neste trabalho foram estudados guias ópticos para atuarem como sensores ou em sistemas sensores. Ênfase especial foi dada em guias ópticos retangulares, para dispositivos ópticos integrados, e fibras ópticas elípticas. A analise de fibras ópticas elípticas resultou em um modelamento pratico para projeto das mesmas em aplicações onde se deseja operar com dois modos guiados, situação esta que se mostra muito atraente para implementação de diversos tipos de sensores a fibra óptica. A seguir estendeu-se as aplicações dos dispositivos em guia óptico bimodal com a proposição e analise de dois dispositivos inéditos: o filtro de modos em guia assimétrico, e o sensor a campo evanescente em guia óptico bimodal.

Esta tese explora o tema de fotônica em RF visando a transmissão e o processamento de sinais radar em fibra óptica. Realiza-se um estudo teórico e experimental de um enlace analógico a fibra óptica com faixa de frequência de 0,5 a 18 GHz, considerando seu emprego como linha de transmissão de RF isoladamente, bem como usando pré-amplificação e pós-amplificação de RF. O enlace a fibra óptica é caracterizado com relação ao ganho de potência, à figura de ruído e à faixa dinâmica livre de sinais espúrios de intermodulação de terceira ordem. Valores experimentais de figura de ruído de até 4,2 dB e faixa dinâmica de 107,5 dB.Hz2/3 são obtidos, com ganho médio de 10 dB em toda faixa de frequência do enlace. A transmissão em fibra óptica de um sinal radar pulsado é analisada em condições de laboratório e também em uma rede de fibra óptica externa, que é usada como "backbone" de comunicações digitais do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial da Aeronáutica (DCTA). Uma análise comparativa do uso de fibra óptica e cabos coaxiais para transmissão de sinais de RF é realizada. Duas novas técnicas de controle fotônico da fase de RF em um enlace analógico a fibra óptica são apresentadas. A primeira técnica é baseada no controle da polarização da luz acoplada em um percurso de fibra óptica mantenedora de polarização. A segunda técnica baseia-se no controle da intensidade de duas fontes laser, com comprimentos de onda distintos, moduladas com o sinal de RF. Faixas de variação de fase de 180 são obtidas. Duas topologias de linhas de alimentação de RF com controle amplitude, fase e tempo de retardo são apresentadas, usando os defasadores fotônicos apresentados nesta tese em associação com linhas de retardo de RF com chaveamento de comprimento de fibra.

Na tese apresenta-se a aplicação da Abordagem de Domínio Espectral para o estudo de moduladores eletroópticos integrados com substratos estratificados. As configurações dos moduladores utilizam estruturas de microondas do tipo ondas caminhantes, com seção transversal limitada por paredes condutoras. Os substratos são constituídos por material eletroóptico e camadas dielétricas isotrópicas. A rede de eletrodos planos, utilizada para configurar o campo de modulação, é posicionada em uma interface apropriada do substrato estratificado, e os guias ópticos do tipo canal, estão localizados na camada eletroóptica. A modelagem da interação eletroóptica, para um modulador faixa larga, deve levar em consideração as características de propagação do sinal óptico e do campo elétrico de modulação. Para os guias ópticos obtém-se uma representação análitica para o campo óptico, aplicando-se hipóteses simplificadoras. Por outro lado, o estudo do campo elétrico de modulação, levando-se em consideração os efeitos de dielétricos em multicamadas, da rede de eletrodos com assimetria geométrica e da blindagem elétrica, é realizado através do método de Abordagem de Domínio Espectral. A formulação desenvolvida é aplicada para moduladores com substratos cujos eixos cristalinos são orientados arbitrariamente em relação aos geométricos. Contudo, ênfase especial especial é dedicada aos moduladores que utilizam CPS e CPW com substratos de LiNbO3 ou LiTaO3, com cortes -Z ou -X e buffer-layer de SiO2, por apresentarem grande importância prática. Para moduladores com multi eletrodos, que utilizam um modo de propagação dominante quase-TEM, é apresentado um modelo fundamentado na representação do sinal de modulação através de uma linha de transmissão equivalente. Leva-se em consideração os efeitos do descasamento entre as velocidades dos sinais óptico e de modulação, e os coeficientes de reflexão nas estremidades dos eletrodos. A largura de faixa e a tensão de meia-onda de moduladores são discutidas em detalhes para diversas configurações de interesse prático.

A comunicação óptica no espaço livre (Free Space Optical Communication - FSO) é atualmente uma área na fotônica de grande interesse, demonstrado pelos estudos realizados por diversos grupos de pesquisas da área, devido aos benefícios oferecidos como a imunidade a bloqueio e interferência, facilidade de instalação, mobilidade, inexistência de uma regulamentação oficial para emprego, grande largura de banda, velocidade de transmissão e permitir o acesso a ultima milha (last mile). Para aplicações do FSO na área de defesa, estes benefícios citados são de grande importância, principalmente a imunidade a bloqueio e interferência. O fator limitante no desempenho do enlace FSO são os efeitos atmosféricos causados pela atenuação, composta pelo fenômeno de absorção e espalhamento, a turbulência atmosférica, representada principalmente pelo efeito da cintilação, além do fenômeno da dispersão atmosférica, pouco comentado na literatura. A conseqüência destes efeitos atmosféricos é a degradação do sinal óptico, reduzindo sua intensidade e alcance de propagação. Com isso, a fim de analisar o desempenho do enlace analógico de FSO, este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo teórico do enlace empregando modulação externa através do modulador eletroóptico Mach-Zehnder de dupla entrada, detecção direta e sem amplificação, recorrendo aos conceitos de efeito eletroóptico, propagação do feixe óptico na atmosfera sob o efeito da atenuação, turbulência e dispersão atmosférica e as técnicas de detecção óptica através da fotodetecção. A partir dos conceitos, são modeladas expressões analíticas do sinal óptico na modulação analógica tipo banda lateral dupla (Double Side Band - DSB) e banda lateral simples (Single Side Band - SSB) na saída do transmissor e o modelo analítico do sinal de RF na saída do receptor sob influência dos fenômenos atmosféricos em questão. Definido os modelos citados, realiza-se a análise de desempenho do enlace a partir de dados atmosféricos de Manaus/AM e parâmetros de dispositivos disponíveis no mercado. O resultado deste estudo é apresentado através do balanço de potência óptica do enlace, da potência de RF em relação ao comprimento do enlace e das figuras de mérito, através da combinação das equações do ganho de RF, figura de ruído e da faixa dinâmica livre de espúrios. No fim desta dissertação, são apresentadas as conclusões com base nos conceitos apresentados e resultados obtidos, além da sugestão de trabalhos futuros para esta linha de pesquisa.