Comutação por Conversão de Comprimento de Onda em Redes Ópticas

Estudo da eficiência de conversão utilizando o efeito Four-Wave Mixing

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Trabalho Realizado por:

João Manuel Barbosa de Oliveira

Rodrigo de Azevedo Carvalho

Índice

Introdução e MotivaçõesFour-Wave MixingConceitos de DFWMSimulação com Software ComercialSimulação MatLabConclusão

Introdução e Motivações

Tecnologia de Fibra Óptica

A razão custo/débito transportado diminui!

Cabos de cobre e coaxial não oferecem capacidade de tráfego para transportar o tráfego actual de forma económica

Introdução e Motivações

Actualmente temos:Transporte (nos ramos) fibra ópticaProcessamento (nos nós) electrónica

O problema:Limite físico: a electrónica está a ser usada no limite da velocidade de processamento!

A SOLUÇÃO!Desenvolver tecnologia de comutação All-Optical!

Aumentar de forma drástica a velocidade de processamento e a flexibilidade nos nós!

Introdução e Motivações

Rede óptica:

Evolução de uma rede com várias ligações P-P para uma rede comutada, com WDM e com encaminhamento com base no comprimento de onda

Esquema de Montagem

O esquema de montagem utilizado na obtenção de resultados experimentais foi o seguinte:

Four-Wave MixingÉÉ causado pela não linearidade de 3causado pela não linearidade de 3ªª ordemordem

Ocorre quando dois comprimentos de onda diferentes são injectados numa fibra não linear, dando origem a uma onda com uma nova frequência, conhecida como a conjugada (idler)

Degenerated FWM

1 Pumping Light

Equações NLSO efeito não linear DFWM é regido pelo sistema de equações diferenciais ordinárias de 1ª ordem equações NLS (Non-Linear Schrödinger):

( )( )( ) ) exp(22

2

) exp(222

) exp(2222

21

*23

23

22

213

3

21

*32

23

22

212

2

32*

112

32

22

111

zkjAAjAAAAjAdzdA

zkjAAjAAAAjAdzdA

zkjAAAjAAAAjAdzdA

Δ−++++−=

Δ−++++−=

Δ++++−=

γγα

γγα

γγα

Onde A1, A2 e A3 são as amplitudes complexas das ondas de pump, sinal e idler. Nas equações temos termos devido a: atenuação, modulação de fase e DFWM (transferência de potência entre frequências)

Condição de Phase-MismatchPara maximizar a eficiência de conversão, deveremos ter Δk = 0, que é a condição de phase mismatch. O factor de mismatch é:

( )[ ])(23)(2 010000122

31

212

20 λλλλλ

λλλλλπ

−+−−

−=Δ SDck

Onde:

D0 = dispersão ao comprimento de onda de referência λ0 (s/km/nm)S0= declive da dispersão ao comprimento de onda de referência λ0 (s/km/nm2)

Mismatch – condições especiaisGeralmente:

λ0= c.d.o. de dispersão nula (D0= 0)

22

31

012

12030 )()(2

λλλλλλλπ −−

−=ΔSck

Sintonizar laser de pump para λ1= λ0

Δk = 0

Problema

Se nestas condições Δk = 0, então adiferença de c.d.o entre o pump e o sinal não influencia a eficiência do processo!!!

Não faz sentido! A experimentação indica que tal não é verdade!

Inovação Expansão de 4ª Ordem

Expansão em série de Taylor de 4ªordem da constante de propagação (β)

( ) ( ) ( ) ( ) ( )40

30

2000 − + − + −

1 + − + = ωωβωωβωωβωωββωβ 4321 !4

1!3

1!2

Onde β4 depende não só dos parâmetros de dispersão D0 e S0, mas também de C0, a 2ª derivada da dispersão!

2

2

0)(

λλ

dDdC =

Pelo que sabemos, é a primeira vez que se usa este parâmetro na análise do efeito FWM/DFWM.

Eficiência de Conversão

A eficiência de DFWM é:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ Δ

−+

Δ+= −

−

2sin

)1(41 2

222

2 kLee

k L

L

α

α

ααη

A eficiência de conversão de λ:

LINeff ePL

zPLzP αηγξ −=

==

= 21

2

3 )()0()(

NOTA Onde Leff é o comprimento eficaz da fibra.

Software Comercial

Numa primeira fase do trabalho foram utilizados os seguintes softwares:

VPI PhotonicsOptSim

Devido aos seus sistemas de processamento numérico internos, não nos foi possível obter resultados válidos (a curva de eficiência era plana!)

Simulação MatLab

Software desenvolvido:

Cálculo Teórico da Eficiência de DFWM (expansão de β até 4ª ordem)

3NLS Shrödinger Solver

Cálculo da Eficiência - Analisador de ficheiros do OSA (Optical SpectrumAnalyser)

Simulação MatLabCálculo Teórico da Eficiência de DFWM

Resultados de simulação considerando o termo de 4ª ordem da expansão em série de Taylor da constante de propagação (β)

β4 = 0 β4 ≠ 0

Simulação MatLab3NLS Shrödinger Solver (I)

Resultados Teóricos Vs Simulação Resultados do trabalho PSTFC do ano 2003/2004

Simulação MatLab3NLS Shrödinger Solver (II)

Valores de Eficiência Máxima de Conversão

Valor máximo de Simulação

ξ = 11,3 dB

L = 17 439 m

Valor máximo por expressão aproximada (ln(3)/α)

ξ = 11,2 dB

L = 19 085 m

Simulação MatLab3NLS Shrödinger Solver (III)

Simulação MatLabCálculo da Eficiência – Analisador de ficheiros do OSA

Carrega os dados do OSA

Detecta os picos (filtrosdiferenciadores e de smooth)

Calcula eficiência de DFWM

Interface GUI

Conclusões

Os resultados de simulação obtidos estão de acordo com os teoricamente esperados

A análise dos resultados experimentais atéagora obtidos demonstram que…

FWM é um efeito que deve ser mais explorado já que possui imensas aplicações práticas, cada vez mais importantes no mundo actual e futuro

A Concluir…

Obtenção de mais resultados experimentais referentes a eficiência de conversão usando fibras PCF e DSF. Comparação dos resultados das simulações com os experimentais

Comutador Óptico 1X2 utilizando um Optical Couplere um Fiber Bragg Grating. Medição de taxa de erros e desempenho.

Estudo teórico e cálculo da eficiência de conversão utilizando séries de Volterra (em vez das equações NLS) caso seja realizado, será um feito pioneiro!

Possível Trabalho Futuro

Desenvolver uma Toolbox em MatLab para simular setups de óptica, sem recorrer a software comercial

Estudo mais aprofundado do cálculo de eficiência com séries de Volterra considerando: largura espectral não nula, sinal satélite, efeitos de Raman e Brillouin, etc.

Implementação de um comutador óptico mais complexo, com várias portas de entrada e de saída.

Alguma questão?

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