Projeto de amplificadores a fibra dopada com érbio para sistemas baseados em multiplexação modal - Herbster, Adolfo Fernandes (2015)
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.