estudo e simulaÇÃo de tÉcnicas de planificaÇÃo de...

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

CAMPUS CURITIBA

GERÊNCIA DE PESQUISA E PÓS-GRADUAÇÃO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA INDUSTRIAL - CPGEI

RAFAEL HEY CORADIN

ESTUDO E SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS DE PLANIFICAÇÃO DE GANHO ÓPTICO E

EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA EM REDES WDM

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO

CURITIBA

AGOSTO -2008.

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iii

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática

Industrial

DISSERTAÇÃO

apresentada à UTFPR

para obtenção do grau de

MESTRE EM CIÊNCIAS

por

RAFAEL HEY CORADIN

ESTUDO E SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS DE

PLANIFICAÇÃO DE GANHO ÓPTICO E EQUALIZAÇÃO

DE POTÊNCIA EM REDES WDM

Banca Examinadora:

Orientador:

PROF. DR. ALEXANDRE DE ALMEIDA PRADO

POHL

UTFPR

Examinadores:

PROF. DR. JOSE LUIS FABRIS UTFPR

PROFa. DRa. MARIA JOSÉ PONTES UFES

PROFa. DRa. ROSANE FALATE UEPG

Curitiba, Julho de 2008.

v

RAFAEL HEY CORADIN

ESTUDO E SIMULAÇÃO DE TÉCNICAS DE PLANIFICAÇÃO DE

GANHO ÓPTICO E EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA EM REDES WDM

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Elétrica e Informática

Industrial da Universidade Tecnológica Federal do

Paraná, como requisito parcial para a obtenção do

grau de “Mestre em Ciências” – Área de

Concentração: Telemática.

Orientador: Prof. Dr. Alexandre de Almeida

Prado Pohl

Curitiba

2008

vi

Ficha catalográfica elaborada pela Biblioteca da UTFPR – Campus Curitiba

C787e Coradin, Rafael Hey Estudo e simulação de técnicas de planificação de ganho óptico e equaliza- ção de potência em redes wdm / Rafael Hey Coradin. Curitiba, UTFPR, 2008 XXI, 87 p. : il. ; 30 cm Orientador: Prof. Dr. Alexandre de Almeida Prado Pohl Dissertação (Mestrado) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pro- grama de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. Curitiba, 2008 Bibliografia: p. 81 – 87 1. Sistemas de telecomunicações. 2. Amplificadores ópticos. 3. Potências. I. Pohl, Alexandre de Almeida Prado, orient. II. Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e Informática Industrial. III. Título. CDD: 621.381535

vii

AGRADECIMENTOS

Ao professor Alexandre pela orientação e pelo suporte e compreensão nos momentos

de dificuldade para o prosseguimento do curso de mestrado. Mesmo estando, primeiro eu,

depois ele, a distâncias transoceânicas de Curitiba pudemos estar em sintonia com o objetivo

de realizar este trabalho.

Ao Amauri pela ajuda com as simulações e colaboração com o seu trabalho de

mestrado, que teve grande contribuição para os resultados obtidos neste. Em especial, pelo

desenvolvimento do EDPO.

À UTFPR por proporcionar um ensino de qualidade e de valor a sociedade. O corpo

docente mostrou-se de uma competência singular. Pude comprovar, em diversas

oportunidades, o respeito que possuem na comunidade científica nacional e internacional.

À minha família pelo apoio e incentivo. Foram eles quem me deram suporte quando

minha carga de atividades começava a refletir em alterações de saúde e humor durante os anos

do curso de mestrado.

A Deus pela constante inspiração. É Nele que encontro razões para continuar.

“A vida não é a que a gente viveu, mas a que a gente recorda, e como recorda para contá-la.” –

Gabriel García Márquez

ix

SUMÁRIO

SUMÁRIO.......................................................................................................................... IX

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................XIII

LISTA DE TABELAS ...................................................................................................XVII

RESUMO ......................................................................................................................XVIII

ABSTRACT .................................................................................................................... XIX

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .......................................................................XX

CAPÍTULO 1 ....................................................................................................................... 1

INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 1

1.1 MOTIVAÇÕES ........................................................................................................ 1

1.2 OBJETIVOS............................................................................................................. 3

1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO......................................................................... 3

CAPÍTULO 2 ....................................................................................................................... 5

AMPLIFICADORES ÓPTICOS ........................................................................................ 5

2.1 PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DOS EDFAS............................................................. 6

2.2 GANHO ................................................................................................................... 8

2.3 FIGURA DE RUÍDO................................................................................................ 9

2.4 SATURAÇÃO DOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS............................................ 10

2.5 APLICAÇÕES DOS EDFAS.................................................................................. 11

2.5.1 CONFIGURAÇÕES DOS EDFAS ......................................................................... 12

2.6 COMPRIMENTO DE ONDA DE BOMBEAMENTO ........................................... 15

x

2.7 DEGRADAÇÃO DA AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA EM SISTEMAS DINÂMICOS 16

2.8 PLANIFICAÇÃO DO GANHO ÓPTICO............................................................... 18

2.8.1 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FABRY-PEROT DO TIPO

ETALON............................................................................................................................. 19

2.8.2 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FILME FINO

DIELÉTRICO MULTI-CAMADAS.................................................................................... 20

2.8.3 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO AWG..................................... 21

2.8.4 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DO TIPO MACH ZEHNDER22

2.8.5 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE PERÍODO

LONGO (LPG).................................................................................................................... 23

2.8.6 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE BRAGG ...... 24

2.9 MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA DE EDFAS.................................... 27

CAPÍTULO 3 ..................................................................................................................... 37

AMBIENTE DE SIMULAÇÃO ........................................................................................ 37

3.1 REDE GIGA........................................................................................................... 37

3.2 VPITRANSMISSIONMAKER® E VPICOMPONENTMAKER® .............................. 41

3.3 CARACTERIZAÇÃO DO EDFA UTILIZADO PARA SIMULAÇÕES ................ 42

3.4 RELAÇÃO SINAL-RUÍDO ÓPTICA (OSNR)....................................................... 44

3.5 CARACTERIZAÇÃO DO FILTRO À GRADE DE BRAGG UTILIZADO PARA

AS SIMULAÇÕES.............................................................................................................. 45

3.5.1 PLANIFICAÇÃO DA ASE DE UM EDFA USANDO UMA ÚNICA GRADE DE

BRAGG............................................................................................................................... 48

3.6 TÉCNICA DE EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA UTILIZADA NAS

SIMULAÇÕES.................................................................................................................... 51

xi

3.7 TÉCNICA DE CONTROLE DE TRANSIENTES UTILIZADA NAS

SIMULAÇÕES.................................................................................................................... 52

CAPÍTULO 4 ..................................................................................................................... 55

SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA COM MÚLTIPLOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS

CASCATEADOS ............................................................................................................... 55

4.1 POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA PARA 1 EDFA E

DIFERENTES PARÂMETROS DE REJEIÇÃO DA GRADE DE BRAGG

EQUALIZADORA.............................................................................................................. 56

4.2 POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA

REDE GIGA – CASO SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS....................................... 58

4.3 OSNR EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA

REDE GIGA – CASO SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS....................................... 60


REDE GIGA – CASO COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE 4 CANAIS. .................................. 61

4.5 OSNR EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA

REDE GIGA – CASO COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE 4 CANAIS. .................................. 65

4.6 DESVIO DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA SEM

ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS ................................................................................... 67

4.7 DESVIO DE OSNR EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA SEM


4.8 DESVIO DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA COM

ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS.................................................................................... 69

4.9 DESVIO DE OSNR EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA COM


CAPÍTULO 5 ..................................................................................................................... 77

5.1 ARTIGOS ACEITOS EM CONGRESSOS.................................................................... 78

xii

CONCLUSÃO.................................................................................................................... 77

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................................. 81

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Diagrama esquemático dos níveis de energia para a fibra dopada com érbio com

destaque para as transições ocasionadas pelo bombeamento de 980 nm (três níveis) e

1480 nm (dois níveis). ..................................................................................................... 7

Figura 2.2 – Alteração do perfil de ganho para diferentes potências de bombeamento. (ZHU,

2002)............................................................................................................................... 9

Figura 2.3 – Configuração co-propagante de um EDFA (VPI PHOTONICS, 2007). ........... 13

Figura 2.4 – EDFA com bombeamento contra-propagante (VPI PHOTONICS, 2007). ....... 13

Figura 2.5 – EDFA com bombeamento bidirecional............................................................ 14

Figura 2.6 – EDFA com dois estágios. ................................................................................ 15

Figura 2.7 – Princípio de operação do filtro de planificação de ganho do tipo etalon

(MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000).. .................................................................. 19

Figura 2.8 – Espectro de ganho de um EDFA com filtro do tipo Etalon para planificação de

ganho (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000).. ........................................................ 20

Figura 2.9 – Característica de ganho de um EDFA com planificação de ganho por filtro de

filme fino multicamadas (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002)................................ 21

Figura 2.10 – Configuração do guia de onda do filtro de planificação de ganho à AWG.

(VALLON, CHEVALLIER, GUIZIOU et al, 2003). ..................................................... 21

Figura 2.11 – Espectro ASE original e equalizado do EDTFA (SUZUKI, KITOH, SUZUKI

et al, 2002). ................................................................................................................... 22

Figura 2.12 – Esquemático de um EDFA com ganho equalizado usando um filtro LPG com

as fontes de teste usadas para medir o aplanamento e o ruído. Todos os isoladores

produzem 40 dB de isolamento e 1 dB de perda por inserção (WYSOCKI, JUDKINS,

ESPINDOLA et al, 1997).............................................................................................. 23

Figura 2.13 – Espectro de ganho do EDFA com planificação para dois níveis de sinal.

Estágio 1 com 76 mW de potência de bombeamento a 980 nm. Estágio 2 com potências

de bombeamento de 34,5 mW e 74,5 mW a 1480 nm, respectivamente (WYSOCKI,

JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997)............................................................................ 24

Figura 2.14 – Espectros da ASE para o sistema amplificador com bombeamento bidirecional,

com e sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002). ...................... 25

Figura 2.15 – Espectros da ASE para o EDFA com bombeamento contra-propagante, com e

sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002). ................................ 26

xiv

Figura 2.16 – Espectro simulado na saída do amplificador para um pente de sinais aplicados,

com inserção do filtro (contra-propagante). ................................................................... 26

Figura 2.17 - Modelo de equalização dinâmica utilizando VOAs (MOCKI, 2006). ............. 29

Figura 2.18 - Realimentação óptica para supressão de transientes (CHUNG, KIM e CHAE,

1996)............................................................................................................................. 30

Figura 2.19 - Oscilações de relaxação e SHB. (a) grande SHB; (b) SHB reduzido e oscilação

de relaxação aumentada e; (c) Grande oscilação de relaxação. Canal sobrevivente em

1552,3 nm (LUO, ZYSKIND, SUN, et al, 1997). .......................................................... 32

Figura 2.20 - Modelo de controle automático de ganho eletrônico (BOTHA, 2005). ........... 33

Figura 2.21 - Controle de Bombeamento Simulado, 1 de 4 canais é retirado (MOCKI, 2006).

...................................................................................................................................... 34

Figura 3.1 – Configuração atual da Rede GIGA. Os triângulos representam a localização dos

EDFAs. ......................................................................................................................... 38

Figura 3.2 - Modelo da Rede GIGA criado no VPI (MOCKI, 2006).................................... 40

Figura 3.3 – Módulo do VPI utilizado para simulações de EDFA........................................ 43

Figura 3.4 – Curva de ganho característica do módulo EDFA utilizado nas simulações da

Rede GIGA. .................................................................................................................. 43

Figura 3.5 – Potência de entrada total em cada EDFA da Rede GIGA................................. 44

Figura 3.6 – Display de saída do Channel Analyzer ............................................................ 45

Figura 3.7 - Representação esquemática de uma rede de Bragg em fibras ópticas (ANDRÉ,

PINTO, ABE et al, 2001). ............................................................................................. 46

Figura 3.8 – Tela de configuração dos parâmetros do módulo FBG Filter do VPI. .............. 48

Figura 3.9 – Espectro da grade de Bragg utilizada para planificação do ganho dos EDFAs da

Rede GIGA. Em vermelho o espectro da transmissão e em amarelo o espectro da

reflexão. ........................................................................................................................ 50

Figura 3.10 – Detalhe da montagem: EDFA mais filtro FBG. ............................................. 50

Figura 3.11 – Espetro do ruído ASE de um EDFA sem planificação (tracejado amarelo)

sobreposto ao espectro do mesmo EDFA após a adição de um filtro FBG para

planificação de ganho (tracejado em vermelho). ............................................................ 51

Figura 3.12 – Diagrama esquemático do EDPO (MOCKI, 2006). ....................................... 52

Figura 3.13 – Modelo desenvolvido no VPI da técnica de controle do laser de bombeamento.

...................................................................................................................................... 53

Figura 4.1 – Esquemático utilizado para simulações de planificação de ganho de um único

EDFA............................................................................................................................ 56

xv

Figura 4.2 – Potência em Watts considerando as potências de saída de um único EDFA e

diferentes valores de rejeição do filtro a grade de Bragg. ............................................... 57

Figura 4.3 – Desvio de potência dos canais da Rede GIGA na saída do módulo EDFA + FBG

em função de diferentes valores de rejeição da grade de Bragg. ..................................... 58

Figura 4.4 – Potência na recepção da rede GIGA para o caso sem adição/remoção de canais

para quatro situações: sem qualquer equalização, apenas com planificação de ganho,

apenas com equalização de potência, com planificação de ganho e equalização de

potência......................................................................................................................... 59

Figura 4.5 – OSNR na recepção da rede GIGA para o caso sem adição/remoção de canais

para quatro situações: sem equalização de potência ou planificação de ganho, apenas com

planificação de ganho, apenas com equalização de potência, com planificação de ganho e

equalização de potência. ................................................................................................ 60

Figura 4.6 – Potência dos canais na recepção do sistema para quatro situações: com

planificação de ganho e de potência, apenas com equalização de potência, apenas com

planificação de ganho e sem nenhum tipo de equalização. Casos com substituição de

canais de 1 mW no site de São Paulo............................................................................. 62



planificação de ganho e sem nenhum tipo de equalização de potência ou planificação de

ganho. Casos com substituição de canais de 2 mW no site de São Paulo. ....................... 63

Figura 4.8 – OSNR dos canais na recepção do sistema pra quatro situações: com planificação

de ganho e de potência, apenas com equalização de potência, apenas com planificação de

ganho e sem nenhum tipo de equalização ou planificação. Casos com substituição de

canais de 1 mW no site de São Paulo. ............................................................................ 65

Figura 4.9 – OSNR dos canais na recepção do sistema para quatro situações: com


planificação de ganho e sem equalização de potência ou planificação de ganho. Casos

com substituição de canais de 2 mW no site de São Paulo. ............................................ 66

Figura 4.10 – Desvio de potência em função do número de EDFAs percorrido (distância no

enlace) pelos canais na Rede GIGA. Caso sem atuação do OADM................................ 68

Figura 4.11 – Desvio de OSNR em função do número de EDFAs percorrido pelos canais na

Rede GIGA. Caso sem atuação do OADM. ................................................................... 69

Figura 4.12 – Evolução do desvio de potência na Rede GIGA em função da distância. Caso

onde 4 canais de 1 mW são substituídos no site de São Paulo ........................................ 70

xvi

Figura 4.13 – Desvio de potência em função do número de EDFAs percorrido pelos canais

na Rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 2 mW

de potência no site São Paulo ........................................................................................ 71


Rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 1 mW de

potência no site São Paulo. ............................................................................................ 73


rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 2 mW de

potência no site São Paulo. ............................................................................................ 73

xvii

LISTA DE TABELAS

TABELA 2.1: Valores típicos de potência de saída e de figura de ruído para diferentes tipos

de aplicações dos EDFAs. ............................................................................................. 12

TABELA 2.2: Principais parâmetros para seleção do filtro de aplanamento de ganho. ......... 27

TABELA 3.1: Características de atenuação e dispersão da Rede GIGA (MOCKI, 2006). .... 39

TABELA 3.2: Características de compensação de dispersão (MOCKI, 2006). ..................... 41

TABELA 4.1: Canais utilizados nas simulações da Rede GIGA........................................... 55

TABELA 4.2: Desvio de potência na recepção da Rede GIGA para quatro situações. Casos

sem OADM................................................................................................................... 59

TABELA 4.3: Desvio de OSNR na recepção da Rede GIGA para quatro situações. Casos sem

OADM.......................................................................................................................... 61

TABELA 4.4: Evolução do desvio de potência e técnicas aplicadas. Casos com 4 canais de 1

mW e com 4 canais de 2 mW de potência adicionados no site de São Paulo. ................. 64

TABELA 4.5: Evolução do desvio de OSNR em relação às técnicas para equalização de

potência e planificação de ganho aplicadas. Caso com 4 canais de 1 mW adicionados e

caso com 4 canais de 2 mW adicionados no site de São Paulo. ...................................... 67

TABELA 4.6: Desvio de potência na recepção da Rede GIGA. Caso onde um canal é retirado

no site de São Paulo. ..................................................................................................... 75

xviii

RESUMO

Neste trabalho são estudadas e comparadas as principais técnicas utilizadas para o

controle das degradações sofridas pelos sinais ópticos em sistemas WDM no que se refere ao

uso de EDFAs. O problema da não-uniformidade do seu perfil de ganho, o desnível de

potências causados por variações aleatórias no seu sinal de entrada e a influência dos

transientes de potência óptica na rede são abordados. As técnicas de planificação de ganho

utilizando grades de Bragg, de equalização de potência baseada em atenuadores ópticos

variáveis e de controle de transientes utilizando o método de controle automático do laser de

bombeamento são analisadas isoladamente e em atuação conjunta utilizando o software para

simulação de enlaces ópticos VPI®. As simulações reproduzem o ambiente da rede de

desenvolvimento GIGA, que interliga instituições de ensino brasileiras, e permitem que seja

proposta uma configuração na qual os desníveis de OSNR e potência óptica dos canais em sua

recepção sejam minimizados.

xix

STUDY AND SIMULATION OF GAIN FLATTENING AND POWER EQUALIZATION

TECHNIQUES IN WDM NETWORKS

ABSTRACT

In this document, the main techniques used to control the degradations suffered by the

optical signals in WDM systems when using EDFAs are studied and compared. The non-

linearity of the gain profile, the unbalanced power due to input signal excursions and the

optical power transients in the network are considered. The gain-flattening using fiber Bragg

gratings, the power equalization based on variable optical attenuators and the transient

suppression using the automatic pumping power control techniques are, isolated and

combined, analyzed using the optical physical layer simulation software VPI®. The

simulations reproduce the environment of a network called GIGA which integrate Brazilian

research and development institutions, and their outcome permits the proposal of an optimum

technique to minimize the unbalanced power and OSNR at the reception end.

xx

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AOTF – Acousto-Optic Tunable Filter

ASE – Amplified Spontaneous Emission

AWG – Arrayed Waveguide Grating

BER – Bit Error Rate

CPqD – Centro de Pesquisa e Desenvolvimento

dB – Decibéis

dBm – dB mili-Watt

DCF – Dispersion Compensating Fiber

EDFAs – Erbium Doped Fiber Amplifiers

EDTFA – Erbium Doped Telluride Fiber Amplifier

EDPO – Equalizador de Potências

ESA – Excited State Absorption

FSR – Free Spectral Range

FWM – Four Wave Mixing

Gbps – Giga-bits por segundo

ITU – International Telecommunication Union

LPG – Long Period Grating

m – metro

MHz – mega-hertz

mW – miliwatt

MZI – Mach Zehnder Interferometer

NF – Noise Figure

OADM – Optical Add-Drop Multiplexer

OSA – Optical Spectrum Analyzer

OSNR – Optical Signal to Noise Ratio

OXC – Optical Cross Connect

PDL – Polarization Dependent Loss

PLC – Planar Lightwave Circuit

RF – Rádio-Frequência

RIN – Relative Intensity Noise

SBS – Stimulated Brillouin Scattering

xxi

SPM – Self Phase Modulation

SRS – Stimulated Raman Scattering

SHB – Spectral Hole Burning

SH∆ – Super High Delta

SOA – Semiconductor Optical Amplifier

SNR – Signal to Noise Ratio

Tb/s – Terabits por Segundo

THz – Tera-Hertz

UV – Ultra-Violeta

VOA – Variable Optical Attenuator

VPI – Virtual Photonics Incorporated

WDM – Wavelength Division Multiplexing

µs – microssegundos

1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1 MOTIVAÇÕES

A popularização da Internet, em meados da década de 90, iniciou um crescimento

exponencial no tráfego de dados das redes de comunicações. Esse crescimento continua

aumentando devido à utilização de serviços que necessitam de uma maior largura de banda,

tais como teleconferência, processamento em tempo real, transmissão de alta definição, entre

outros. Esse crescente volume de tráfego impõe novas demandas tanto na tecnologia de

transmissão quanto no desenvolvimento das redes de transporte da informação (KITAYAMA,

MASETTI-PLACCI, PRATI, 2004).

O desenvolvimento da tecnologia WDM (Wavelength Division Multiplexing)

proporcionou um enorme crescimento na capacidade de transporte de informação dos

sistemas de comunicações ópticas. Esse crescimento foi em grande parte possível pelo

advento da amplificação óptica, mais precisamente pelo desenvolvimento dos amplificadores

a fibra dopada com érbio (EDFAs), que são dispositivos capazes de amplificar múltiplos

comprimentos de onda em uma mesma fibra (SUN, SRIVASTAVA, ZHOU et al, 1999;

(DESURVIRE, BAYART, DESTHIEUX et al, 2002).

A amplificação proporcionada pelos EDFAs (Erbium Doped Fiber Amplifiers) atua

em uma ampla faixa de comprimentos de onda em torno de 1550 nm, que coincide com a

janela de comunicação onde a fibra apresenta as menores perdas. Além disso, a amplificação

é feita de forma transparente à taxa de transmissão e ao formato de modulação. Devido a essa

banda de operação e a sua localização espectral, os EDFAs tornaram-se uma tecnologia de

importância estratégica, habilitando a implementação de enlaces ópticos com múltiplos

comprimentos de onda.

No que diz respeito à transparência dos EDFAs quanto à taxa de transmissão e

formatos de modulação, pode-se dizer que esta característica possibilitou transmissão

simultânea de diversos serviços, além do fato de possibilitar atualizações no sistema óptico

sem necessidade da troca do equipamento repetidor (OLIVEIRA, 2004).

Em um EDFA, a amplificação possui um máximo em torno de um comprimento de

onda de 1,53 µm, decaindo até um valor no qual a intensidade se torna aproximadamente

constante, próximo a 1,565 µm. A maior eficiência na fluorescência do EDFA é próxima a

2

1,53 µm, por isso é a região onde o ganho é maior para canais aplicados em torno desse valor.

Em sistemas multi-canais, como os WDM, significa que aqueles canais em 1,53 µm são mais

amplificados do que os que são aplicados, por exemplo, na região de 1,55 µm, o que é

indesejável em termos de sistemas de comunicação, pois cada canal teria um nível de

amplificação, fazendo com que a recepção fosse complicada e difícil de controlar. A faixa em

torno de 1,53 µm pode ser utilizada se sua amplitude for equalizada ou aproximada ao

restante da faixa útil, de forma que todos os canais aplicados ao longo da faixa de

comprimento de onda que o amplificador opera possam ter o mesmo ganho. O mesmo efeito

ocorre de maneira análoga com os demais amplificadores ópticos que utilizam a emissão

estimulada.

As diferenças de ganho podem gerar efeitos degenerativos no sinal transmitido, como

interferência entre canais adjacentes (crosstalk linear), e levar a fenômenos de não linearidade

na fibra, relacionados à potência óptica transmitida por canal (CHRAPLYVY, 1990). Em

redes dinâmicas, tem-se ainda o problema dos transientes de ganho gerados pelo amplificador,

quando acontece variação na potência de entrada total (PAVEL, 2002).

Sem a planificação do ganho do EDFA e o controle dos transientes é impossível

acoplar na fibra sinais ópticos na banda de alto ganho e na banda de baixo ganho ao mesmo

tempo e obter uma recepção adequada, reduzindo o número de canais possíveis.

Muitos métodos têm sido propostos com o intuito de melhorar o desempenho dos

amplificadores ópticos no que diz respeito à planificação do ganho e equalização da potência

óptica.

O objetivo de extrair um ganho plano de amplificadores ópticos pode ser obtido

utilizando-se filtros ópticos com um perfil de perdas oposto ao perfil de ganho deste

amplificador (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000).

O filtro para planificação de ganho requer flexibilidade para aplicação com diferentes

tipos de EDFAs, características de ganho e comprimento de onda. Além disso, é necessário

que tenha pouca perda por dependência da polarização (PDL – Polarization Dependent Loss)

e alta capacidade de reprodução de perfis espectrais.

A planificação de ganho utilizando diferentes componentes passivos já foi investigada.

Filtros ópticos como Fabry-Perot do tipo etalon (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000),

filtros dielétricos de filme fino (Thin Film Layers) (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002),

filtros à grade de Bragg (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002) e grades de período

longo (WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997), e filtros do tipo Mach-Zehnder

(SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al, 2002) foram propostos. Nenhuma dessas técnicas, porém,

3

consolidou-se como padrão até o momento.

Da mesma forma, faz-se imprescindível a aplicação de técnicas que controlem as

oscilações no ganho em função das variações aleatórias de potência na entrada do EDFA e na

rede. Destacam-se as técnicas de equalização baseada em atenuadores ópticos, a de supressão

de transientes totalmente óptica e o controle automático do laser de bombeamento.

Um estudo comparativo detalhado das particularidades, vantagens e desvantagens

destas diferentes técnicas poderá trazer respostas em busca do modelo mais adequado às

aplicações que estão surgindo.

1.2 OBJETIVOS

Este trabalho busca fazer uma análise comparativa, através de simulações, dos

diferentes métodos para planificação de ganho de EDFAs e controle de potências ópticas,

comparando algumas técnicas e configurações conhecidas na literatura.

São realizadas simulações utilizando-se o software de análise de enlaces ópticos VPI®

(Virtual Photonics Incorporated), da Virtual Photonics (VPI PHOTONICS). Esse software

permite simular o comportamento dessas técnicas em um ambiente composto com outros

elementos de rede como multiplexadores, atenuadores ópticos e add-drops.

Os métodos que apresentam maiores vantagens podem ser utilizados também para

melhorar o desempenho dos sinais ópticos da rede GIGA (SCARABUCCI, PARADISI,

BARROS et al, 2005), uma rede experimental que interliga cerca de 20 instituições de ensino

e pesquisa entre os estados da região Sudeste brasileira, por meio de uma infra-estrutura

óptica de alta velocidade e que também serve como laboratório de desenvolvimento e suporte

a projetos de comunicações ópticas, protocolos de Internet, serviços e aplicações para

telecomunicações e aplicações científicas.

Os objetivos a serem atingidos são, portanto: a planificação do perfil de ganho dos

amplificadores a fibra dopada com érbio, a equalização e controle de transientes de sinais de

potência (neste caso, 8 canais ópticos com espaçamento de 200 GHz) e o conseqüente

aumento da OSNR (Optical Signal to Noise Ratio) no enlace.

1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO

4

Esta dissertação está estruturada em 5 capítulos. No capítulo 2 é feita uma apresentação

detalhada sobre a amplificação óptica, em especial sobre os amplificadores a fibra dopada

com érbio e suas diferentes configurações, além de uma análise comparativa das principais

técnicas utilizadas para a planificação do ganho de EDFAs e a equalização de potência ópticas

em sistemas compostos por estes amplificadores. O capítulo 3 descreve o ambiente da Rede

GIGA e o software VPI, utilizado para simulação desta. É feita também a caracterização dos

módulos utilizados para amplificação óptica e para a planificação do ganho. O capítulo 4

apresenta os resultados das simulações das técnicas de planificação de ganho baseada em a)

grades de Bragg, b) equalização de potência óptica baseada em um EDPO (Equalizador de

Potências) e c) supressão de transientes por controle do laser de bombeamento no ambiente

dinâmico modelado da Rede GIGA. O capítulo 5 resume os principais resultados obtidos e

discute a eficiência das técnicas empregadas.

5

CAPÍTULO 2

AMPLIFICADORES ÓPTICOS

Antes da era dos amplificadores puramente ópticos, os sinais transmitidos em fibras

ópticas eram amplificados ou regenerados eletronicamente, ou seja, eram convertidos para o

domínio elétrico, regenerados e novamente convertidos para o domínio óptico.

Todavia esse processo de conversão submetia os sinais aos limites impostos pela

eletrônica, tais como: a largura de banda dos sistemas eletrônicos, que é incapaz de explorar a

elevada taxa de transmissão em uma fibra, as fontes de ruído características do processo de

conversão opto-eletrônica, e o atraso adicional decorrente dessas conversões em nós

intermediários de uma rede. O advento dos amplificadores ópticos veio tornar os sistemas de

longa distância WDM viáveis e atraentes.

Os amplificadores ópticos a fibra dopada com terras raras aumentam a amplitude do

sinal óptico por meio de emissão estimulada. A intensidade da amplificação é determinada,

entre outros fatores, pelo material dopante. No caso do érbio isso ocorre em aproximadamente

1,55 µm, o que o torna particularmente interessante para sistemas de comunicação óptica, pois

é a região em que o espectro dos sinais ópticos apresenta menores valores de atenuação em

fibras. (SÄCKINGER, 2005).

Para sistemas WDM, é desejável ao amplificador óptico operar em grandes larguras de

banda, permitir altas potências de saída, ganho equalizado para todos os comprimentos de

onda, baixo ruído, prevenir diafonia, ter um ganho controlável, ser eficiente no uso da energia

e ser produzido a baixo custo.

O primeiro estudo do ganho de amplificadores a fibra dopada com íons da família dos

terras raras data de 1964 (KOESTER, SNITZER, 1964). No entanto, só em meados da década

de 1980 ocorreram demonstrações do processo de amplificação óptica através de fibras

dopadas com érbio (DESURVIRE, SIMPSON, BECKER, 1987; POOLE, PAYNE, MEARS

et al, 1986).

Existem hoje outras tecnologias de amplificação óptica com vasta aplicabilidade nos

sistemas de comunicações ópticas. Dentre elas, destacam-se os amplificadores Raman e os

amplificadores ópticos semicondutores, denominados SOAs (Semiconductor Optical

Amplifiers). No entanto, em relação aos EDFAs, ambos possuem ao menos uma desvantagem

que inviabiliza seu desempenho em sistemas de transmissão WDM de alta capacidade. No

caso dos amplificadores Raman, os níveis de bombeamento necessários para alcançar os

6

valores de ganho oferecidos por EDFAs são muito altos. Por exemplo, lasers diodo com até 1

W de bombeamento são utilizados em amplificadores Raman. Dadas essas dificuldades, os

amplificadores Raman são empregados principalmente como pré-amplificadores (ZOLTÁN,

GÁBOR, LÁZLÓ et al, 2003). Já o SOA, que é muito utilizado como chave óptica e

conversor de comprimentos de onda, quando utilizado como amplificador ainda apresenta

alguns problemas, tais como: alta perda de inserção, alta figura de ruído, sensibilidade à

polarização, e, principalmente, uma elevada intermodulação durante a amplificação de sinais

WDM (AGRAWAL, 2001).

Para que a fibra dopada com érbio seja capaz de prover a amplificação de sinais em sua

faixa de operação, é necessário que os íons de érbio, que compõem a sua estrutura, sejam

excitados através da absorção de alguma forma de energia. Para tanto, a fonte de energia

utilizada é a luz proveniente dos chamados “lasers de bombeamento”, lasers semicondutores

que operam em comprimentos de onda específicos que coincidem com uma das faixas do

espectro de absorção do érbio. Diversas faixas espectrais podem ser utilizadas para o

bombeamento dos amplificadores, no entanto, por razões referentes à eficiência do processo

de amplificação, apenas duas destas faixas são utilizadas: 980 nm e 1480 nm.

2.1 PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DOS EDFAS

Um amplificador óptico absorve luz em um comprimento de onda como fonte de

energia para amplificar a luz em um outro comprimento de onda. A essa fonte de

transferência de energia, denominamos de bombeamento. No caso dos EDFAs, utiliza-se um

laser para o bombeamento em uma fibra cujo núcleo contém íons de érbio.

O princípio de operação do ganho de um EDFA pode ser entendido com o diagrama

de três níveis de energia da figura 2.1.

O nível de energia 1 é chamado de estado fundamental, o nível 2 de estado

metaestável ou intermediário e o nível 3 de estado excitado. A amplificação de um sinal de

entrada requer inicialmente uma inversão de população, que pode ser obtida usando

comprimentos de onda de bombeamento de 980 nm e/ou 1480 nm (OLIVEIRA, 2004).

7

Figura 2.1 – Diagrama esquemático dos níveis de energia para a fibra dopada com érbio

com destaque para as transições ocasionadas pelo bombeamento de 980 nm (três níveis) e

1480 nm (dois níveis).

Quando o bombeamento é feito a 980 nm, os íons de érbio são excitados do estado

inicial para o estado final. Após excitados alguns desses íons decaem para o estado

metaestável e depois para o inicial, resultando tanto em emissões espontâneas quanto

estimuladas, como mostrado na figura 2.1. O tempo de vida no estado metaestável é maior do

que o tempo de transição do estado final para o metaestável (da ordem de ms e µs

respectivamente), o que contribui para que os íons de érbio se acumulem e gerem a inversão

de população.

Se o amplificador é bombeado com comprimento de onda de 1480 nm, o processo

pode ser aproximado com apenas dois níveis de energia sendo envolvidos. Neste caso, os íons

de érbio são excitados do estado inicial para o metaestável gerando a inversão de população.

Então, quando um fóton na faixa de comprimentos de onda entre 1500 nm e 1660 nm se

propaga em uma fibra dopada com érbio com inversão de população, isto causa emissões

estimuladas, resultando em amplificação do sinal. Os fótons emitidos são coerentes com os

incidentes (KAMINOW, KOCH, 1997).

Além do processo de emissão estimulada, responsável pela amplificação do sinal, há o

processo de emissão espontânea. O problema da geração de fótons pelo processo de emissão

espontânea é que estes são capazes de estimular o surgimento de outros fótons, de forma que

o processo de amplificação não se limita apenas ao sinal de entrada, mas também, aos fótons

aleatórios gerados pelo processo de emissão espontânea. Por esse motivo, os fótons gerados

por emissão espontânea são considerados “ruídos” indesejados neste processo de amplificação

óptica. Ao processo de amplificação do ruído em um EDFA dá-se o nome emissão espontânea

8

amplificada, (ASE - Amplified Spontaneous Emission), que constituem uma importante fonte

de ruído nos sistemas de transmissão que utilizam EDFAs (MILO, 2003).

Os níveis do ruído ASE constituem, portanto, um parâmetro importante no projeto de

enlaces com EDFAs. Pode-se dizer que três parâmetros são de fundamental importância na

caracterização dos EDFAs: a figura de ruído, o ganho, e a potência de saída. Os valores desses

parâmetros são determinantes para definição da localização ou aplicação dos EDFAs ao longo

dos enlaces de comunicações ópticas.

2.2 GANHO

O ganho do EDFA é o parâmetro no qual se concentram as atenções deste trabalho.

Ele desperta especial interesse devido ao seu perfil não constante, que é alterado conforme as

características do sinal de entrada e do sinal de bombeamento do amplificador. Pode-se dizer

que o ganho de um amplificador óptico a fibra dopada depende dos seguintes parâmetros: o

comprimento de onda do sinal de entrada, a potência do sinal de entrada e a potência do laser

de bombeamento.

O valor em decibéis do ganho de um EDFA é definido por:

×=

)(

)(log10)(

mWP

mWPdBG

e

s (1)

onde sP é a potência de saída do amplificador e eP a potência de entrada.

Para pequenos sinais de entrada o ganho do amplificador é maior, pois à medida que o

sinal de entrada aumenta, o ganho do amplificador diminui. Essa região de grandes sinais de

entrada é conhecida como região de saturação (OLIVEIRA, 2004).

No caso da dependência do laser de bombeamento, o que ocorre é que a quantidade de

portadores excitados aumenta conforme a potência do bombeamento aumenta,

proporcionando ganhos maiores. Da mesma forma, os valores de ganho diminuem com

potência de bombeamento mais baixas.

Há ainda uma dependência do ganho com o comprimento da fibra dopada envolvida.

Quanto maior o comprimento do meio ativo, maior a capacidade de amplificação deste.

A figura 2.2 exemplifica essa variação do perfil de ganho de um EDFA para diferentes

valores de potência de bombeamento.

9

Figura 2.2 – Alteração do perfil de ganho para diferentes potências de bombeamento.

(ZHU, 2002).

2.3 FIGURA DE RUÍDO

A figura de ruído (NF – noise figure) é um parâmetro comumente especificado para

amplificadores e permite uma fácil comparação entre diferentes configurações.

No caso do EDFA, a figura de ruído é ditada pelo ruído de emissão espontânea (ASE –

Amplified Spontaneous Emission) e depende do comprimento de onda. A NF é definida por:

S

E

OSNR

OSNRNF = (2)

onde OSNRE é a relação sinal ruído na entrada e OSNRS é a relação sinal ruído na saída do

amplificador. Ela indica, numericamente, a quantidade de ruído adicionada ao sinal pelo

amplificador.

A figura de ruído pode ser medida de diversas formas. Uma delas, comumente utilizada,

consiste em medir o nível de ASE no comprimento de onda do sinal. Para isto, é realizada

uma média entre o nível de ASE medido à direita e à esquerda do comprimento de onda do

sinal (PASE), além de considerar o ganho e variação v∆ . Essa relação é dada pela expressão

10

∆−×=

vGhv

PNF ASE

)1(log10 (3)

onde G é o ganho do amplificador, h é a constante de Planck e v∆ é a largura de banda óptica

(resolução do analisador de espectro) utilizada para medir a ASE (DE BARROS, ROSOLEM,

2000).

Em alguns sistemas, o ruído ASE tende a saturar o amplificador, causando problemas na

amplificação dos canais, a ponto de degradar a relação sinal ruído na saída do amplificador. O

limite quântico da figura de ruído nos EDFAs é de 3 dB (AGRAWAL 1997). No entanto, na

prática, a figura de ruído dos EDFAs fica em torno de 4 a 8 dB. A inserção de ruído, causada

pelo amplificador, deteriora o desempenho de sistemas de comunicações via fibras ópticas,

podendo até inviabilizar a transmissão. O problema do ruído é particularmente crítico quando

os sistemas operam na região de dispersão anômala da fibra, devido à excitação de um

fenômeno não-linear conhecido como instabilidade de modulação (MI – modulation

instability) que aumenta o ruído do amplificador (KIKUCHI, 1993), degradando a relação

sinal ruído óptica (MURAKAMI, SAITO, 1992).

2.4 SATURAÇÃO DOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS

Os amplificadores ópticos sofrem uma redução no ganho à medida que a potência de

entrada é aumentada além de um certo nível, mantidas as condições de operação (mesmo

comprimento de fibra e mesma potência de bombeamento). A maioria dos amplificadores

sofre uma redução gradual no ganho com o aumento da potência de entrada quando a potência

de saída máxima é atingida. Esse efeito é conhecido como saturação de ganho.

O aumento da potência do sinal de entrada acelera o processo de decaimentos de íons do

estado excitado a inversão de população da fibra. Isso começa a ocorrer na saída da fibra,

onde a potência é máxima. Então o ganho é reduzido até o equilíbrio entre a absorção do

bombeamento e a recombinação estimulada e espontânea ser novamente atingido

(AGRAWAL, 2001).

A potência de saída saturada corresponde à potência medida na saída do amplificador após

uma queda de 3 dB (compressão de ganho) em relação ao ganho de pequeno sinal do

amplificador. Para se obter a potência de saída saturada de um EDFA, deve-se,

primeiramente, medir a curva de ganho em função da potência de saída. A partir desta,

observa-se a potência de saída para a qual o ganho cai a 3 dB.

11

2.5 APLICAÇÕES DOS EDFAS

Os EDFAs podem ser utilizados de três formas distintas, que diferem entre si pelas suas

funções no sistema de comunicações ópticas e pela posição dos amplificadores em relação à

linha de transmissão. As três formas básicas de aplicação dos amplificadores ópticos são:

amplificador de potência (booster), amplificador de linha (in-line) e pré-amplificador

(KUMAR, 2006).

Os amplificadores de potência localizam-se na saída dos transmissores e têm como função

aumentar a potência do sinal de entrada da fibra. Nesses amplificadores, o parâmetro de maior

importância é a potência de saída, pois eles devem operar na condição de saturação de ganho.

Simplificadamente, quanto maior a potência injetada na fibra, mais longo pode ser o enlace

antes do primeiro ou próximo receptor ou amplificador. No entanto, a partir de um limite de

potência, começam a aparecer efeitos não-lineares que causam degradação do sinal e inserem

penalidades ao sistema. Os principais efeitos não-lineares gerados em sistemas compostos

por EDFAs são descritos na seção 2.7.

Os amplificadores de potência operam com sinais de entrada cujas potências estão em

torno de 0 dBm. Nessa condição, operam em regime de saturação e seu ganho é baixo se

comparado ao valor possível para pequenos sinais. No entanto podem apresentar,

relativamente às demais configurações, um baixo nível de ASE pois o alto nível do sinal de

entrada reduz, também, o ganho para a emissão espontânea. Devido a isso, a figura de ruído é

normalmente alta.

Atualmente existem amplificadores de potência que possuem potências de saída de até 36

dBm, porém valores típicos de potência de saída estão em torno de 17 dBm (OLIVEIRA,

2004).

Os pré-amplificadores são EDFAs que têm como característica principal uma baixa

inserção de ruído ao sinal. Os mesmos são posicionados na entrada dos receptores ópticos de

forma a aumentar a potência para a recepção, graças à baixa inserção de ruído. Os pré-

amplificadores operam na região linear da curva de ganho dos amplificadores (região de

pequenos sinais). Nesses amplificadores, o parâmetro principal de projeto é a figura de ruído,

uma vez que se está interessado na amplificação de sinais de baixa potência, com o maior

ganho e a menor influência da ASE possíveis.

12

Como operam na região do ganho de pequenos sinais, os pré-amplificadores apresentam

alto ganho e baixa potência de saída, quando comparado ao mesmo amplificador operando

com alta potência. Porém, o nível de ASE nos pré-amplificadores é maior do que nos

amplificadores de potência. Os valores típicos de potência de entrada são da ordem de -40

dBm.

Já os amplificadores de linha são amplificadores de baixo ruído, posicionados ao longo da

linha de transmissão que têm a função de compensar a atenuação devido à propagação do

sinal através da fibra óptica. Esses amplificadores são projetados para terem alto ganho, de

forma a manter o maior espaçamento possível entre estes dispositivos. Por outro lado, eles

devem também apresentar uma baixa figura de ruído (porém, normalmente é maior que a dos

pré-amplificadores), para evitar o acúmulo excessivo da ASE ao longo da linha de

transmissão de forma a comprometer a recepção.

Valores de ganho e de potência de saída de amplificadores de linha têm valores

intermediários aos boosters e pré-amplificadores.

A tabela 2.1 mostra valores típicos de potência de saída e de figura de ruído para EDFAs e

suas aplicações de booster, amplificador em linha e pré-amplificador.

TABELA 2.1: Valores típicos de potência de saída e de figura de ruído para diferentes tipos

de aplicações dos EDFAs.

Aplicação do EDFA Potência de saída

(dBm) Figura de Ruído

(dB) Booster 10 a 19 5

Em linha 0 a 19 4,5

Pré-Amplificador até -9 4,5

Fonte: (HANARO, 2007)

2.5.1 CONFIGURAÇÕES DOS EDFAS

Os EDFAs podem ser projetados de maneira que o bombeamento e o sinal de entrada

tenham direções opostas , configuração conhecida como bombeamento contra-propagante. O

desempenho é praticamente o mesmo do bombeamento co-propagante quando a potência do

sinal de entrada é pequena o suficiente para manter o amplificador não-saturado. Com relação

13

à figura de ruído, no regime de saturação, o desempenho é melhor para a configuração contra-

propagante, principalmente pelo papel da ASE (IIZUKA, 2001).

Na configuração bidirecional, o amplificador é bombeado nas duas direções

simultaneamente utilizando dois lasers localizados nas extremidades da fibra. A configuração

tem a desvantagem de requerer dois lasers para o bombeamento (IIZUKA, 2001).

A Figura 2.3 ilustra a configuração básica de um EDFA, também conhecida como

configuração com bombeamento co-propagante, uma vez que o sinal e o bombeamento se

propagam no mesmo sentido. Essa configuração é indicada para o caso de pré-amplificadores,

pois apresenta uma baixa figura de ruído, podendo também ser utilizada como amplificador

de linha (VPI PHOTONICS, 2007).

Figura 2.3 – Configuração co-propagante de um EDFA (VPI PHOTONICS, 2007).

A configuração com bombeamento contra-propagante é mostrada na figura 2.4. Nessa

configuração, o acoplador é localizado na saída da fibra dopada, com o bombeamento se

propagando no sentido contrário ao sinal. Esse tipo de EDFA maximiza a potência de saída e

o ruído ASE do amplificador devido à maior concentração de bombeamento na saída da fibra

dopada. Dessa maneira, essa configuração torna-se indicada para utilização como

amplificador de potência (booster).

Figura 2.4 – EDFA com bombeamento contra-propagante (VPI PHOTONICS, 2007).

14

Já a configuração de EDFAs com bombeamento bidirecional, é resultado da propagação

do bombeamento nas duas direções possíveis: co e contra-propagante.

Para implementação do amplificador com bombeamento bidirecional, são necessários dois

multiplexadores WDM, para acoplar o bombeamento com o sinal em ambas as extremidades

da fibra. Essa configuração pode também ser implementada com apenas um laser de

bombeamento e um divisor de potência (splitter) dividindo uma parte da potência para cada

uma das extremidades da fibra. O amplificador com bombeamento bidirecional apresenta alto

ganho e alta potência de saída, podendo o mesmo ser utilizado como amplificador de potência

ou amplificador de linha. A figura 2.5 ilustra um EDFA com bombeamento bidirecional.

Figura 2.5 – EDFA com bombeamento bidirecional.

Idealmente, um amplificador deveria apresentar um alto ganho com baixa figura de ruído.

No entanto, nenhuma das configurações para o EDFA apresentadas até aqui possui estas

características. Uma maneira de se chegar próximo às características de um amplificador ideal

é conjugando-se a operação das configurações discutidas anteriormente em um só

amplificador. Isso pode ser feito utilizando-se mais de um estágio de fibra dopada com érbio

com as mais diversas variações de propagação para o bombeamento. A este amplificador dá-

se o nome de amplificador de múltiplos estágios.

A vantagem de se usar um amplificador de múltiplos estágios é a de se poder fazer uma

redução do nível de ruído entre os estágios através do uso de um filtro ou de um isolador

óptico. Uma desvantagem, é a penalidade causada pela inserção desse filtro.

Várias formas de projetar amplificador de múltiplos estágios são conhecidas. A figura 2.6

ilustra um dos casos possíveis de amplificador de múltiplos estágios, que é um amplificador

15

de dois estágios com um bombeamento co-propagante no primeiro estágio e outro contra-

propagante no segundo estágio.

Figura 2.6 – EDFA com dois estágios.

2.6 COMPRIMENTO DE ONDA DE BOMBEAMENTO

Nos primeiros EDFAs comerciais, os comprimentos de onda de bombeamento de 514-800

nm foram os mais utilizados. Isto ocorreu porque os lasers nesse comprimento de onda já

tinham a tecnologia estabelecida, sendo fabricados a partir de algumas mudanças na

composição do material do laser de sinal localizado em 1550 nm. Porém, depois, foram

observadas uma série de vantagens relativas à uma maior eficiência para produzir emissão

estimulada e ao projeto do amplificador com o bombeamento no comprimento de onda de 980

nm.

Por razões de eficiência, os bombeamentos utilizados para o EDFA operam em 1480 nm e

980 nm, porém cada um tem suas particularidades.

Operar com um bombeamento em 980 nm diminui as absorções de estado excitado (ESA

– excited state absorption) indesejadas, que acontecem em torno do comprimento de onda de

1550 nm e que se faz mais presente quando se utiliza o bombeamento em 1480 nm. A ESA

diminui a eficiência de bombeamento. A figura de ruído de amplificadores bombeados em

980 nm pode ser até 2 dB menor do que a figura de ruído de amplificadores bombeados em

1480 nm. Existem também vantagens do uso do bombeamento em 980 nm que não estão

relacionadas à fibra dopada com érbio. Por exemplo, os amplificadores bombeados em 980

nm possuem um menor consumo de energia e o desempenho de componentes, em particular,

16

de acopladores WDM, nessa faixa de comprimento de onda é maior que aqueles na faixa de

1480 nm.

No entanto, algumas desvantagens para a operação com bombeamento em 980 nm

também existem. Uma delas é o fato de que as fibras monomodo em 980 nm apresentam

diâmetro do núcleo menor, e com isso as perdas por curvatura em 1550 nm são maiores. Esta

desvantagem se reflete na montagem do amplificador, devido à necessidade de um maior

cuidado ao posicionar a fibra dopada, porque se deve evitar curvaturas que possam causar

atenuação.

2.7 DEGRADAÇÃO DA AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA EM SISTEMAS DINÂMICOS

As perdas que ocorrem ao longo de um enlace óptico não têm a mesma distribuição no

espectro que o ganho óptico de um EDFA. Devido a esse fato, relações sinal-ruído (OSNRs)

de portadoras com diferentes comprimentos de onda têm valores variados. Essa discrepância

de valores é ainda exacerbada quando se considera o efeito de vários EDFAs cascateados ao

longo de uma mesma rede óptica.

Uma diferença grande na OSNR dos canais pode decorrer na danificação de sistemas e

receptores dinâmicos que possuem margem de potência reduzida. Além disso, um sistema

equalizado possui uma OSNR alta para muito mais canais que um não-equalizado

(WILLNER, HWANG, 1993).

Outro fator de risco de degradação do sinal causado pela acumulação do desnível de

potência das portadoras em enlaces com vários estágios de amplificação é a diafonia. A

diafonia surge no enlace quando filtros são utilizados. Esses filtros inserem ruído no enlace

por deixarem passar parte da potência óptica de canais para seus adjacentes. Por exemplo, se o

canal 2 de um enlace WDM tem uma potência muito elevada, parte dessa potência será

inserida nos canais 1 e 3 na forma de ruído. Se a diafonia gerada for muito forte, um bit 0

transmitido pode ser considerado como bit 1 no receptor. Esse ruído degrada também a

OSNR.

A diafonia aparece mesmo em redes ópticas estáticas, mas é mais perceptível em

enlaces dinâmicos, com o aumento da quantidade de dispositivos como multiplexadores,

demultiplexadores, acopladores e roteadores (filtros).

Também causadores de degradação, existe ainda os efeitos não-lineares da fibra.

Esses efeitos dependem da potência óptica total inserida (CHRAPLYVY, 1990; AGRAWAL

17

e BOYD, 1992). Das não linearidades conhecidas, pode-se citar o Espalhamento Raman

Estimulado (SRS – Stimulated Raman Scattering), o Espalhamento Brillouin Estimulado

(SBS – Stimulated Brillouin Scattering) e a Mistura de Quatro Ondas (FWM – Four-Wave

Mixing).

Essas não-linearidades restringem o uso de alta potência óptica total nas fibras, ou, de

outro ponto de vista, restringem a potência óptica máxima por canal inserido na fibra.

O SRS surge de uma interação entre uma freqüência óptica e a vibração das moléculas

que constituem as fibras. Quando acontece essa interação, parte da potência óptica do sinal é

transferida para uma freqüência mais baixa, na direção co-propagante ou contra-propagante,

reduzindo a potência inicial da portadora.

O Espalhamento Raman limita a potência óptica por canal que pode ser aplicada à

fibra, e pode chegar a absorver 50% da potência do canal. A sobreposição do comprimento de

onda gerado pelo espalhamento com um canal de transmissão gera o ruído característico do

SRS. Esse espalhamento depende também do espaçamento entre os canais.

A banda de ganho Raman é grande, da ordem de 13 THz (CHRAPLYVY,1990;

AGRAWAL e BOYD, 2001) onde o limite de potência diminui na proporção de 1 / N, onde

N é o número de canais. À medida que o número de canais aumenta, aumentam também as

interações entre eles e o limite de potência dos canais passa a cair na proporção de 1 / N2.

O SBS aparece de interações do sinal óptico com ondas acústicas na rede cristalina da

sílica. Devido a isso, parte da potência óptica é convertida em uma nova onda, de freqüência

mais baixa, no sentido contra-propagante. Este efeito de não linearidade deteriora o sinal e

gera um forte sinal óptico de volta para o laser transmissor (CHRAPLYVY, 1990).

O espalhamento Brillouin limita a potência máxima por canal na fibra, mas essa

potência não sofre alteração com o número de canais. O SBS tem banda estreita, entre 20

MHz e 100 MHz (CHRAPLYVY,1990), aproximadamente, devido ao tempo de vida dos

portadores acústicos (fônons) que é muito alto.

A inserção de um canal com potência óptica maior do que os canais que se propagam

no enlace pode gerar o SBS, que domina a interação das não linearidades para uma

quantidade pequena de canais.

O SBS também pode surgir devido à característica dinâmica do ganho do EDFA, que

é dependente da potência de entrada total do amplificador. Com a variação da potência de

entrada, o ganho do EDFA muda, resultando em uma variação na potência de todos os canais

presentes, até que o sistema retorne ao equilíbrio (CHRAPLYVY,1990). Até o equilíbrio, o

EDFA apresenta variações rápidas em seu ganho, da ordem de centenas de microssegundos.

18

Estes fenômenos são conhecidos como transientes, e são responsáveis por gerar erros no

receptor. O resultado desta variação transiente nas potências ópticas dos canais presentes no

enlace é a geração de erros no momento da inserção ou retirada de um ou mais canais, que

ocorrem em curtos períodos de tempo (bursts de erro).

Por fim, o FWM resulta da interação de dois sinais ópticos co-propagantes que se

misturam formando dois novos sinais ópticos, como bandas laterais, em 2f1 – f2 e 2f2 - f1,

onde f1 e f2 são os sinais envolvidos na interação.

Essa não-linearidade depende fortemente da característica de dispersão da fibra e do

espaçamento entre os canais. Devido à característica de dispersão cromática da fibra, as

frequências geradas e geradoras têm diferentes velocidades de grupo. Isso reduz o casamento

de fase entre os sinais geradores/gerados, reduzindo a eficiência do efeito.

Esses sinais podem se sobrepor a outros comprimentos de onda presentes na fibra e

este tipo de degradação aumenta à medida que a separação entre canais diminui.

O FWM é a não linearidade que mais restringe a potência óptica por canal inserido na

fibra em sistemas WDM. Entretanto, por depender em grande parte do espaçamento entre os

canais do enlace, o SBS acaba dominando a restrição de potência quando o espaçamento é

grande. O SRS torna-se dominante para uma grande quantidade de canais. Essa não

linearidade pode ter influência ainda maior que o FWM em sistemas com espaçamento

pequeno, mas com elevado número de canais.

Em redes dinâmicas, onde existe roteamento de comprimentos de onda, e dispositivos

conhecidos como roteadores ópticos e módulos de inserção e derivação ópticos (OADM), os

efeitos não lineares podem ser acentuados.

Outros efeitos não-lineares perceptíveis em sistemas WDM são também a auto

modulação de fase (SPM – Self Phase Modulation) e a Modulação de Fase Cruzada (XDM).

2.8 PLANIFICAÇÃO DO GANHO ÓPTICO

Para contornar os problemas causados pela não-equalização entre canais em redes

ópticas, diversas técnicas têm sido estudadas. As técnicas de planificação de ganho são

aquelas que consistem na implementação de filtros ópticos passivos atuando em conjunto com

os amplificadores ópticos de maneira a tornar plano o perfil da ASE.

Esse tipo de técnica tem sido utilizado com especial interesse em enlaces de longa

distância, como aplicações submarinas, dentre outras razões pela facilidade de implementação

19

e pelo baixo custo comparado com técnicas dinâmicas.

A seguir são apresentados os modelos para tornar plano o ganho de amplificadores

ópticos mais utilizados na literatura e suas características.

2.8.1 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FABRY-PEROT DO TIPO

ETALON

Os filtros de Fabry-Perot utilizam o fenômeno da interferência entre espelhos

dispostos em paralelo no meio.

O filtro para planificação de ganho do tipo etalon consiste de vários filtros etalon com

diferentes amplitudes e fases para compensar as características de ganho e comprimento de

onda assimétricas dos EDFAs. A figura 2.7 mostra o princípio de operação do filtro de

planificação de ganho do tipo etalon. Nesse caso são usados quatro filtros de etalon com

diferentes fases, compensando com perdas em comprimento de onda as diferentes amplitudes

de ganho do EDFA. O controle fino da espessura e reflectância de cada filtro de etalon é

imprescindível para se conseguir a amplitude e fase desejada.

Figura 2.7 – Princípio de operação do filtro de planificação de ganho do tipo etalon (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000)..

A figura 2.8 mostra a característica de ganho de um EDFA com planificação de ganho

20

por filtros Fabry-Perot do tipo etalon. A faixa de comprimentos de onda corresponde de 1530

nm a 1560 nm. O desvio de ganho é de 0,32 dB. A planificação obtida se estende até 1565

nm. (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000).

Figura 2.8 – Espectro de ganho de um EDFA com filtro do tipo Etalon para planificação

de ganho (MIZUNO, NISHI, MIMURA et al, 2000)..

2.8.2 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DE FILME FINO DIELÉTRICO

MULTI-CAMADAS

Estruturalmente, um filme fino dielétrico multicamadas consiste em uma série de

camadas alternadas de materiais com alto e baixos índices de refração, depositados em um

substrato de vidro. Geralmente, o comprimento de onda de referência, ou comprimento de

onda central, é ajustado nas proximidades do perfil de perda em questão, e cada camada de

filme fino tem uma espessura óptica de aproximadamente um quarto do comprimento de onda

central.

O filtro de filme fino dielétrico multicamadas tem a vantagem de fornecer um perfil de

perdas para compensar o ganho do amplificador óptico a partir de um único elemento e com

isso proporcionar perdas por inserção menores. A desvantagem é que os perfis de perda ideais

requerem uma deposição precisa de mais de 70 camadas, o que está além da capacidade das

tecnologias de controle de espessura óptica existentes.

Um protótipo de filtro de planificação de ganho foi fabricado para uso com um EDFA

de 13 dB de ganho. A figura 2.9 mostra o resultado da característica de ganho obtida com este

protótipo. A perda por inserção foi de menos de 0,1 dB e o desvio de planificação próximo a

21

0,01 dB (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002).

Figura 2.9 – Característica de ganho de um EDFA com planificação de ganho por filtro de

filme fino multicamadas (MIMURA, MIZUNO, IIDA et al, 2002).

2.8.3 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO AWG

Este filtro consiste em um demultiplexador AWG (Arrayed Waveguide) com 47 canais

de saída, um arranjo de 47 atenuadores, e um multiplexador para recombinar os sinais. Os

atenuadores estáticos consistem em guias de onda de comprimentos específicos ajustados de

acordo com a atenuação que se deseja.

.

Figura 2.10 – Configuração do guia de onda do filtro de planificação de ganho à AWG.

(VALLON, CHEVALLIER, GUIZIOU et al, 2003).

Para as AWGs, três parâmetros devem ser levados em consideração: Passo do arranjo

d (com uma separação de guia de onda constante de 2 µm), passo do guia de onda de saída

dout (mesma separação) e o comprimento do ajuste para o guia de onda da entrada. A ordem

da interferência foi fixada em 20 e o número de guias de onda do arranjo em 100, e o

comprimento focal ajustado para manter o espaçamento entre os canais em 0,81 nm, d e dout

foram fixados em 8 µm (VALLON, CHEVALLIER, GUIZIOU et al, 2003).

22

2.8.4 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO DO TIPO MACH ZEHNDER

Outra técnica demonstrada na literatura planifica o ganho utilizando interferômetros de

Mach-Zhender. Um grupo da NTT Corporation, Japão, (SUZUKI, KITOH, SUZUKI et al,

2002) demonstrou esse equalizador de grande largura espectral. O equalizador consiste em 10

MZIs (Mach Zehnder Interferometer) cascateados. A faixa espectral cobre as bandas C e L e

os MZIs equalizam a ASE de um EDTFA em uma faixa de 68 nm com 0,9 dB de variação

apenas.

Figura 2.11 – Espectro ASE original e equalizado do EDTFA (SUZUKI, KITOH,

SUZUKI et al, 2002).

O equalizador consiste em matrizes MZIs assimétricas cuja porta de saída é cascateada

à porta de entrada do próximo estágio.

Cada MZI consiste em um braço assimétrico entre dois acopladores variáveis, que são

MZIs com braços simétricos. A amplitude de filtragem de cada estágio é determinada pelos

acopladores variáveis, as taxas de acoplamento de cada um são controladas por deslocadores

de fase termo-ópticos. O comprimento de onda de filtragem também é controlado pelos

deslocadores de fase no braço assimétrico

A perda por inserção foi de 9 dB, composta pela perda do acoplamento da fibra (3 dB),

perda da propagação do guia de onda (2 dB), perda da transformação Fourier (1 dB) e perda

do dispositivo de variação da polarização (3 dB), podendo ser otimizada (SUZUKI, KITOH,

SUZUKI et al, 2002).

23

2.8.5 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE PERÍODO

LONGO (LPG)

Planificação do ganho de um EDFA em uma faixa espectral de 40 nm usando grades

de período longo (LPG – Long Period Grating) também já foi demonstrado (WYSOCKI,

JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997). O design do EDFA com planificação de ganho é

mostrado na figura 2.12. O amplificador consiste em um EDFA de duplo estágio, onde o

Estágio 1 é bombeado a 980 nm e o Estágio 2 bombeado a 1480 nm. Um filtro LPG foi

colocado entre os estágios juntamente com um isolador. A função desse filtro é ajustar o perfil

do sinal proveniente do primeiro estágio para que na saída do segundo estágio esse esteja

planificado.

O filtro usado produziu um máximo de 14 dB de atenuação em 1558 nm, muito

próximo à atenuação necessária nesse comprimento de onda para o espectro ideal que torna o

ganho planificado. Quanto maior a faixa do espectro que se deseja manter planificado esse

ganho, maior é a atenuação necessária. Por exemplo, para equalizar o ganho em uma banda de

40 nm é mais de três vezes maior que a necessária para equalizar em uma banda de 33 nm

(WYSOCKI, JUDKINS, ESPINDOLA et al, 1997).

Figura 2.12 – Esquemático de um EDFA com ganho equalizado usando um filtro LPG

com as fontes de teste usadas para medir o aplanamento e o ruído. Todos os isoladores

produzem 40 dB de isolamento e 1 dB de perda por inserção (WYSOCKI, JUDKINS,

ESPINDOLA et al, 1997).

O espectro resultante é mostrado na figura 2.13 para duas condições. Para ambos os

casos, o bombeamento a 980 nm foi de 76 mW no Estágio 1. Na primeira, um sinal de -10,2

dBm em 1550 nm foi amplificado para 10,8 dBm usando 34,5 mW de potência de

bombeamento do Estágio 2. Na segunda, um sinal de -6.1 dBm em 1550 nm foi amplificado

24

para 14,8 dBm usando uma potência de bombeamento de 74,5 mW no Estágio 2. Os dois

casos produziram o mesmo ganho e o mesmo espectro. O ganho foi equalizado para não mais

de 1 dB de variação em uma faixa de 40 nm de 1528,7 nm a 1568,7 nm e não mais que 0,7 dB

para uma banda de 37 nm, de 1529 nm a 1566 nm.

Figura 2.13 – Espectro de ganho do EDFA com planificação para dois níveis de sinal.

Estágio 1 com 76 mW de potência de bombeamento a 980 nm. Estágio 2 com potências de

bombeamento de 34,5 mW e 74,5 mW a 1480 nm, respectivamente (WYSOCKI, JUDKINS,

ESPINDOLA et al, 1997).

2.8.6 PLANIFICAÇÃO DE GANHO USANDO FILTRO A GRADES DE BRAGG

Fugihara, Kalinowski e André (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002)

apresentaram um método de planificação de ganho, utilizando apenas uma única grade de

Bragg para planificação da ASE. A grade tem a função de atuar como um filtro cujo espectro

de perdas tem um perfil aproximadamente inverso ao do ganho do EDFA, para planificação

desse.

Foram feitas simulações com um EDFA funcionando nas direções contra-propagante e

bidirecional, usando um laser de bombeamento na configuração contra-propagante com 90

mW a 980 nm, e um laser co-propagante com 70 mW a 1480 nm. A fibra dopada foi

previamente otimizada para a configuração contra-propagante, tendo 28 m de comprimento.

25

Nas simulações o filtro foi posicionado entre dois trechos da fibra dopada de iguais

comprimentos. O intuito deste posicionamento foi o de suprimir efeitos de perda ocasionados

no primeiro trecho. A grade de Bragg foi centrada em 1530 nm e as simulações realizadas

tanto para o caso bidirecional como para o caso contra-propagante.

O resultado da simulação para o espectro da emissão espontânea amplificada (ASE)

nessas duas configurações pode ser visto nas figuras 2.14 e 2.15, situações sem e com a grade

de Bragg inserida.

Os resultados dessas simulações permitem observar a melhora significativa na

planificação do espectro da ASE com a inserção da grade. Para o bombeamento bidirecional,

figura 2.14, a rejeição ótima do filtro foi de 13 dB, com redução do pico principal da ASE em

torno de 9 dB; para o bombeamento contra-propagante a profundidade ótima foi encontrada

como sendo 17 dB, figura 2.15, reduzindo o pico principal em 8,5 dB. É possível notar ainda

que o EDFA com bombeamento bidirecional obteve melhor resultado em termos de

planificação do espectro. A diferença entre o ponto mais alto, X, e o mais baixo, Y, do

espectro planificado é de 1,6 dB para o sistema bidirecional e 3,8 dB para o sistema contra-

propagante, diferença bastante reduzida frente àquelas sem o filtro, que era de 13 dB e 15 dB,

respectivamente. Essa redução na diferença entre os valores máximo e mínimo mostra a

eficiência do efeito de um único filtro na planificação do espectro.

Figura 2.14 – Espectros da ASE para o sistema amplificador com bombeamento

bidirecional, com e sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002).

26

Figura 2.15 – Espectros da ASE para o EDFA com bombeamento contra-propagante, com

e sem uso de filtro (FUGIHARA, KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002).

O efeito do filtro com a presença de sinais em um pente de 20 canais pode ser visto na

figura 2.16. Os 20 canais, distanciados em 200 GHz, foram lançados simultaneamente, cada

um com potência de 1 mW, através de um enlace com 150 km de fibra óptica antes de

atingirem o amplificador com –30 dBm por canal. A figura 2.16 mostra o espectro resultante

com a presença do filtro na configuração contra-propagante. Para a configuração bidirecional

a aparência do perfil espectral é similar, diferenciando apenas nos valores da amplitude dos

canais de sinal aplicados.

Figura 2.16 – Espectro simulado na saída do amplificador para um pente de sinais

aplicados, com inserção do filtro (contra-propagante).

O efeito causado pela rede de Bragg é, então, percebido nos canais centrados em torno

de 1,53 µm (máximo do espectro da ASE) que apresentam agora amplitude comparável aos

27

demais canais. A redução na amplitude dos canais em torno de 1,54 µm é uma limitação

devida ao tipo de filtro óptico utilizado, composto por uma única rede de Bragg.

As CFBGs (Chirped Fiber Bragg Gratings) são grades de Bragg cujo processo de

fabricação de pode ser controlado de maneira a obter-se um perfil de transmissão contrário a

um determinado perfil de ganho de um EDFA o mais próximo possível para mantê-lo sem

oscilações. Variações de 0,1 dB apenas em uma faixa espectral de 36 nm já foram

demonstradas com esse tipo de grade (GUY, LAUZON, ROCHETTE et al, 2000).

A tabela 2.2 mostra um resumo dos principais métodos passivos para planificação do

ganho de EDFAs através dos parâmetros de maior importância para seleção do filtro: faixa

espectral de atuação, ripple (diferença entre o ponto de maior e de menor potência no

espectro) da ASE e perdas causadas por inserção.

TABELA 2.2: Principais parâmetros para seleção do filtro de planificação de ganho.

Filtro Faixa Espectral de

Atuação (nm)

Ripple

(dB)

Perdas por

Inserção (dB) Referência

Fabry-Perot 35 nm,

de 1530 nm a 1565 nm 0,32 1,5

(MIZUNO, NISHI,

MIMURA et al, 2000)

Filme Fino

Dielétrico

32 nm,

de 1530 nm a 1562 nm 0,15 0,5

(MIMURA, MIZUNO,

IIDA et al, 2002)

Mach-

Zehnder

69 nm,

de 1540 nm a 1609 nm 0,9 9

(SUZUKI, KITOH,

SUZUKI et al, 2002)

Grades de

Bragg

36 nm,

de 1526 nm a 1562 nm 0,1 0,5

(GUY, LAUZON,

ROCHETTE et al, 2000)

LPG 40 nm,

de 1528 nm a 1568 nm 1 1

(WYSOCKI, JUDKINS,

ESPINDOLA et al, 1997)

2.9 MÉTODOS DE CONTROLE DE POTÊNCIA DE EDFAS

Além dos métodos passivos para planificação do ganho descritos na seção 2.8, existem

outros métodos que buscam controlar dinamicamente os sinais de potência na saída dos

EDFAs. Quando o desnivelamento destes sinais é simplesmente causado pela ação do perfil

irregular da ASE em canais ópticos, o mais comum é utilizar-se atenuadores ópticos variáveis

28

para equalização. Quando o desnivelamento das potências de saída do EDFA é causado por

mudanças aleatórias nas potências de entrada dos amplificadores ópticos, os chamados

transientes de potência, as técnicas mais utilizadas são a supressão totalmente óptica e o

controle do laser de bombeamento.

2.9.1 MÉTODO DE EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA UTILIZANDO ATENUADORES

ÓPTICOS

Os atenuadores ópticos variáveis (VOA – Variable Optical Attenuator) são

dispositivos bastante conhecidos e utilizados em redes ópticas. Esses dispositivos atenuadores

permitem que o nível de atenuação possa ser alterado de acordo com a necessidade,

mecanicamente, via parafusos de sintonia, ou através de corrente elétrica, que permite

alteração dinâmica das potências.

Atualmente, os VOAs controlados por corrente elétrica são capazes de atingir

atenuações de 40 dB, com baixa perda de inserção e tempos de resposta reduzidos, em torno

de 5 ms. Outros dispositivos, tais como filtros acusto-ópticos e filtros a cristal líquido, podem

ser utilizados com o mesmo modelo de equalização (WILLNER, HUANG, ZOU et al, 1996).

Entretanto, o sistema de controle destes filtros é um pouco mais complexo, requerendo

controles eletrônicos especializados para geração de sinais senoidais de alta freqüência e

tornando-os mais adequados para esse esquema de equalização.

A técnica de equalização utilizando VOAs consiste em aplicar uma atenuação ao canal

de acordo com a potência do mesmo ou dos demais canais do enlace. Pode operar

estaticamente, aplicando atenuações de forma a planificar o perfil de ganho do amplificador.

Entretanto, o formato mais interessante é usar um algoritmo dinâmico de controle, assim as

atenuações podem ser alteradas de acordo com as potências ópticas dos canais.

O modelo utilizado tem o formato apresentado na figura 2.17. Essa figura mostra um

equalizador para 8 canais WDM, composto por um arranjo de VOAs, um arranjo de

fotodetectores que têm a finalidade de medir as potências ópticas em cada canal

separadamente e um bloco de controle, que utiliza o valor da potência medida pelos

fotodetectores, calcula a atenuação necessária em cada VOA e aplica o valor de atenuação.

Com a variação das potências dos canais na entrada, o bloco de controle recalcula as

atenuações, mantendo os canais de saída sempre com potências muito próximas.

29

Figura 2.17 - Modelo de equalização dinâmica utilizando VOAs (MOCKI, 2006).

A vantagem deste modelo é que permite atuação forçada e independente em cada

canal. Por exemplo, o controle pode ser configurado para excluir um canal (atenuação

máxima), forçar uma atenuação específica ou mesmo deixa um determinado canal sem

controle de atenuação, atuando somente nos demais.

A principal desvantagem é a necessidade de separação dos canais através de

demultiplexadores e reagrupamento via multiplexadores. Esses filtros normalmente possuem

uma perda por inserção elevada, da ordem de 3,5 dB. Além disso, fica claro que a quantidade

de canais é limitada, devido à quantidade de dispositivos independentes que devem ser

utilizados. Para um enlace de 40 canais, por exemplo, seriam necessários 40 VOAs e 40

fotodetectores, somando-se a isso a complexidade do bloco de controle que aumenta

consideravelmente.

2.9.2 TRANSIENTES DE GANHO

Fenômenos dinâmicos ligados à característica de operação e construção dos

amplificadores ópticos à fibra dopada, conhecidos como transientes de ganho, são grandes

causadores de distúrbios nos sistemas ópticos. O resultado desses fenômenos dinâmicos são

oscilações do ganho do EDFA que ocorrem principalmente quando há variação na potência

total de entrada. Essas variações ocorrem basicamente devido a dinâmica de geração e

utilização de íons excitados presentes no processo de amplificação a partir da emissão

estimulada. O processo de geração de íons excitados depende principalmente do

30

bombeamento e a utilização desses íons na amplificação está ligada às emissões estimuladas

causadas pelo sinal de entrada. Para pequenos sinais de entrada no EDFA o ganho é

praticamente constante. Quando os sinais de entrada aumentam, o ganho do EDFA sofre uma

redução, devido ao efeito da saturação.

Para supressão de transientes de ganho, basicamente duas técnicas são utilizadas e têm

sido demonstradas com eficácia (PAVEL, 2002; CHUNG, KIM e CHAE, 1996; YU e

O`MAHONY, 1997). A primeira é uma técnica totalmente óptica de supressão, a outra utiliza

controle de laser de bombeamento para atuar dinamicamente no amplificador óptico.

2.9.2.1 SUPRESSÃO TOTALMENTE ÓPTICA

Uma vez que o EDFA tem seu ganho dependente da potência de entrada total, é

possível utilizar um sinal óptico de controle, de forma a anular as diferenças de potência de

entrada no amplificador. Isso pode ser feito (CHUNG, KIM e CHAE, 1996), fazendo uma

realimentação na entrada. A figura 2.18 mostra o esquema de supressão.

Figura 2.18 - Realimentação óptica para supressão de transientes (CHUNG, KIM e

CHAE, 1996).

Uma vez que o canal de controle realimenta o amplificador, ele também estará

concorrendo com os sinais de entrada pelo ganho. Ajustando o atenuador para que o canal de

controle se torne dominante, e como o amplificador opera em regime de saturação, este canal

passa a absorver as oscilações de entrada e os demais canais se mantêm praticamente

invariáveis. A sintonia do canal de controle é feita por intermédio do filtro óptico

sintonizável. Em saturação o EDFA tem seu perfil de ganho com menor desnível de

potências. Com esse modelo então, os transientes oriundos do EDFA diminuem e o ganho é

31

planificado. Entretanto existem desvantagens nesse modelo devido a fenômenos que ocorrem

no EDFA, conhecidos como oscilações de relaxação e o Spectral Hole Burning (SHB) (LUO,

ZYSKIND, SUN, et al, 1997).

As oscilações de relaxação aparecem devido ao fato que os mecanismos de controle

não operam instantaneamente no sistema, provocando oscilações amortecidas na potência

óptica dos canais. Essas oscilações ocorrem na ordem de µs e o tempo de resposta do sistema

é de ms. O Spectral Hole Burning é responsável pelo ganho não retornar exatamente ao ponto

de operação após a retirada ou inserção de um canal. Esse fenômeno surge quando um sinal

de alta potência reduz a população média de íons de érbio, diminuindo a amplitude do ganho

do amplificador. Esses dois fenômenos ocorrem devido a características intrínsecas do érbio,

como tempo de resposta, e não podem ser completamente eliminadas (METHA, 2003).

Dependendo do comprimento de onda utilizado no controle, os dois mecanismos,

oscilações de relaxação e SHB, apresentam influências diferentes (LUO, ZYSKIND, SUN, et

al, 1997). Quanto mais o comprimento de onda de controle se aproxima dos comprimentos de

onda dos canais transmitidos, mais pronunciado é o fenômeno das oscilações de relaxação e

menor é o SHB. Por outro lado, a medida que o canal de controle se afasta dos canais

transmitidos, o SHB aumenta e as oscilações de relaxação diminuem. Dessa forma, torna-se

impossível escolher um comprimento de onda que elimine os dois efeitos simultaneamente.

As figuras 2.19 (a), 2.19 (b) e 2.19 (c) demonstram esses efeitos para diferentes comprimentos

de onda de controle (1532nm, 1540nm e 1555nm, respectivamente).

Na figura 2.19 (a), o comprimento de onda do canal de controle é de 1532 nm e

percebe-se o efeito do SHB exacerbado e praticamente nenhum efeito de oscilações de

relaxação. No caso da figura 2.19 (b), o comprimento de onda de canal de controle é de 1540

nm e observa-se um aumento da oscilação de relaxação. O SHB nesse caso é bastante

reduzido. Já na figura 2.19 (c), caso onde o comprimento de onda do controle é de 1555 nm,

o SHB é imperceptível e o efeito das oscilações de relaxação é bastante acentuado (LUO,

ZYSKIND, SUN, et al, 1997).

32

Figura 2.19 - Oscilações de relaxação e SHB. (a) grande SHB; (b) SHB reduzido e

oscilação de relaxação aumentada e; (c) Grande oscilação de relaxação. Canal sobrevivente

em 1552,3 nm (LUO, ZYSKIND, SUN, et al, 1997).

33

2.9.2.2 CONTROLE AUTOMÁTICO DE BOMBEAMENTO

Essa técnica utiliza um controle eletrônico, agindo diretamente no laser de

bombeamento, de forma a corrigir as variações do ganho com a alteração da potência total de

entrada do amplificador.

A potência do laser de bombeamento tem influência direta sobre o ganho e perfil do

EDFA. Controlando dinamicamente a corrente de polarização do laser, e consequentemente a

potência, pode-se variar o ganho conforme a necessidade. É necessário utilizar um

fotodetector na entrada do EDFA para medir a variação de potência total e com isso calcular a

alteração na polarização do laser de bombeamento. Esse controle deverá corrigir a oscilação

de ganho do EDFA. Na figura 2.20 tem-se um diagrama simplificado da técnica de controle

automático do bombeamento utilizado um circuito de controle eletrônico.

Figura 2.20 - Modelo de controle automático de ganho eletrônico (BOTHA, 2005).

A vantagem desse método é a simplicidade. O controle deve ser feito muito

rapidamente, seu tempo de resposta deve ser de poucos micro-segundos, para que seja

possível corrigir satisfatoriamente as flutuações de ganho. O modelo da figura 2.20 não

permite a correção de ganho do EDFA quando este varia devido a fatores externos, que não a

variação de potência de entrada, como por exemplo, variações de temperatura ambiente. Para

corrigir esse fator externo é necessária uma técnica de realimentação. Essa realimentação

mede a saída do EDFA e verifica se a correção via bombeamento foi bem sucedida, caso

contrário é feito um ajuste fino na corrente de polarização, mantendo o valor do ganho

estável, independente das variações de potência de entrada. Uma desvantagem, porém, das

técnicas de controle do bombeamento é o elevado custo de as implementar em todos os

EDFAs de um enlace com amplificadores em cascata. É sugerido posicioná-los

34

estrategicamente em EDFAs do enlace que sofram maiores efeitos dos transientes de ganho

(PANTOJA, VÉLIZ, 2002).

A variação do ganho do amplificador pode ser verificada na figura 2.21 para um

sistema com controle automático de ganho simulado com o VPI TransmissionMaker®. A

simulação utiliza 4 canais WDM, com taxa de 10 Gbps, inseridos em um amplificador óptico

a fibra dopada com érbio com controle eletrônico de laser de bombeamento (980nm). O

bombeamento inicia em 25 mW. Após a execução de 5 iterações (aproximadamente 250 µs

depois do início da simulação), o canal 1 é cortado.

Observa-se uma flutuação da potência óptica de bombeamento no momento em que

um dos canais entre quatro com 0 dBm de potência é retirado. Essa simulação utiliza controle

de laser de bombeamento com realimentação (somente a potência óptica de saída é

monitorada).

Uma parte do sinal óptico total na saída do EDFA é utilizada como amostra para que o

controle calcule a alteração que deve ser feita no bombeamento, de forma a fazer o ganho

retornar ao seu estado anterior. É perceptível uma leve variação no ganho do EDFA no

momento em que ocorre a mudança de bombeamento (MOCKI, 2006).

Figura 2.21 - Controle de Bombeamento Simulado, 1 de 4 canais é retirado (MOCKI,

2006).

35

A oscilação percebida na potência do laser de bombeamento deve-se ao tipo de

controle utilizado para calcular a nova corrente de polarização do laser. O tempo de resposta

médio é de 400 µs (aproximadamente de 250 µs a 650 µs do início da simulação). Esse

controle não é perfeito, uma vez que se nota uma pequena diferença entre a potência total

antes e depois da retirada do canal de aproximadamente 3 mW Essas imperfeições do controle

se devem às características dos componentes eletrônicos utilizados, configurados com

parâmetros reais.

37

CAPÍTULO 3

AMBIENTE DE SIMULAÇÃO

Este capítulo detalha o ambiente computacional no qual as simulações foram

realizadas. O ambiente procura retratar o comportamento de um sistema real no qual canais

são adicionados e retirados, ou seja, um sistema cuja potência média varia no tempo. Para tais

simulações foi utilizado o software para análise de enlaces ópticos conhecido como VPI

TransmissionMaker®.

3.1 REDE GIGA

Para simulações de uma rede com vários EDFAs cascateados utilizou-se o modelo que

representa a rede experimental conhecida como GIGA.

A Rede GIGA é um enlace óptico de testes que liga Campinas ao Rio de Janeiro,

passando por várias cidades que opera, com 8 portadoras ópticas, cujo espaçamento é de 200

GHz (SCARABUCCI, PARADISI, BARROS et al, 2005). Essa rede visa à avaliação de

dispositivos, protocolos, serviços e aplicações. Os oito canais operam atualmente com tráfego

de dados de até 2,5 Gbps, prevendo-se uma expansão para 16 canais com taxa de 10 Gbps.

A distância do enlace, desde a cidade de Campinas até o Rio de Janeiro é de

aproximadamente 670 km. Essa rede experimental também é usada para testes e validação de

equipamentos ópticos e medidas experimentais. A figura 3.1, mostra um diagrama lógico

simplificado da configuração atual da Rede GIGA.

Para usar a Rede GIGA como base é preciso fazer uma transcrição do diagrama da

figura 3.1 para um modelo de simulação do VPI. A figura 3.2 apresenta o modelo criado no

VPI (MOCKI, 2006).

Esse modelo possui algumas características a mais do que a Rede GIGA atualmente

instalada. No modelo de simulação é possível usar taxas de 1,25 Gbps e 2,5 Gbps sem a

necessidade de correção de dispersão no enlace. Porém, para 10 Gbps a dispersão torna-se

crítica, o que exige a inclusão de fibras do tipo DCF (Dispersion Compensating Fiber) em

pontos estratégicos do enlace para compensação da dispersão. Optou-se ainda por dosar a

compensação em diferentes pontos do enlace, dividindo as fibras DCF entre os estágios de

amplificação (sites). O sinal chega no site Rio de Janeiro, então, com compensação total da

38

dispersão do enlace. A rede GIGA em seu estado atual apresenta apenas derivação estática,

entretanto, nas simulações incluiu-se um OADM em São Paulo.

Figura 3.1 – Configuração atual da Rede GIGA. Os triângulos representam a localização dos EDFAs.

Os valores de dispersão e os comprimentos de fibra utilizados podem ser verificados

nas tabelas 3.1 e 3.2. Foi considerada uma fibra DCF com um coeficiente de dispersão igual a

-90 ps/nm.km e atenuação de 0.6 dB/km. Esses valores são encontrados comercialmente.

A compensação de dispersão foi obtida zerando a dispersão em cada trecho do enlace.

Isso foi feito de forma a facilitar os cálculos e a simulação final. A tabela 3.2 mostra as

distâncias calculadas para a compensação de dispersão da Rede GIGA. O tamanho do enlace

aumenta em 125 km, aproximadamente, chegando quase a 800 km. O que aumenta também é

a perda de potência, inserida na rede pelo acréscimo das fibras DCF, cuja atenuação média de

é 0,6 dB/km. Essa perda não afeta profundamente o sistema, entretanto o ganho dos

amplificadores muda em cada estágio de amplificação, devido ao acréscimo de fibras DCF e

conseqüente mudança nos valores das potências de entrada. O comprimento da fibra DCF

necessária em cada trecho é calculada por:

0=×+× SMFSMFDCFDCF DLDL (4)

onde DCFL e SMFL são: o comprimento da fibra DCF e o comprimento da fibra SMF, e DCFD

e SMFD são: a dispersão da fibra DCF e a dispersão da fibra SMF, respectivamente

39

(AGRAWAL, 2001).

TABELA 3.1: Características de atenuação e dispersão da Rede GIGA (MOCKI, 2006).

Número do

Enlace Enlaces

Distância (km)

Atenuação SMF

(dB/km)

Atenuação Total (dB)

Atenuação Extra (dB)*

Dispersão SMF

(ps/nm.km)

Dispersão Total

(ps/nm)

1 Campinas/Jundiaí 70,3 0,339 23,83 2,54 17 1195,1

2 Jundiaí/SP 76 0,34 25,84 0 17 1292

3 SP/IAQ.MF 47,3 0,208 9,83 5,08 17 804,1

4 IAQ.MF/S.J.Campos 79,2 0,217 17,18 0 17 1346,4

5 S.J.Campos/Lorena 103,7 0,217 22,50 0 17 1762,9

6 Lorena/Volta Redonda 136,5 0,215 29,34 0 17 2320,5

7 Volta Redonda/ Barra

do Piraí 38,4 0,206 7,91 0 17 652,8

8 Barra do Piraí/ RJ 111 0,212 23,53 0 17 1887

Totais 662,4 159,98 7,62 11260,8

* perda nos filtros Multiplexadores e demultiplexadores presentes no enlace

O Rio de Janeiro foi considerado fim de curso, e os resultados obtidos na simulação

têm esse ponto como sendo sua referência.

As características das fibras SMF (Single Mode Fiber) utilizadas são as mesmas

fornecidas pela Fundação CPqD e são mostradas na tabela 3.1. Nessa mesma tabela, as

atenuações extras consideradas são devido aos filtros multiplexadores e demultiplexadores,

que apresentam características similares aos componentes usados na Rede GIGA.

40

Figura 3.2 - Modelo da Rede GIGA criado no VPI (MOCKI, 2006).

41

TABELA 3.2: Características de compensação de dispersão (MOCKI, 2006).

Número do

Enlace Enlaces

Distância (km)

Atenuação DCF

(dB/km)

Dispersão DCF

(ps/nm.km)

Distância DCF (km)

Atenuação Total (dB)

Dispersão total

(ps/nm)

1 Campinas/Jundiaí 70,3 0,6 -90 13,27 7,96 -1195,1

2 Jundiaí/SP 76 0,6 -90 14,35 8,61 -1292

3 SP/IAQ.MF 47,3 0,6 -90 8,93 5,36 -804,1

4 IAQ.MF/S.J.Campos 79,2 0,6 -90 14,96 8,97 -1346,4

5 S.J.Campos/Lorena 103,7 0,6 -90 19,58 11,75 -1762,9

6 Lorena/Volta Redonda 136,5 0,6 -90 25,7 15,47 -2320,5

7 Volta Redonda/ Barra

do Piraí 38,4 0,6 -90 7,25 4,35 -652,8

8 Barra do Piraí/ RJ 111 0,6 -90 20,96 12,58 -1887

Totais 662,4 125,12 75,07 -11260,8

3.2 VPITRANSMISSIONMAKER® E VPICOMPONENTMAKER®

O VPI é um conjunto de aplicativos, compostos pelo TransmissionMaker® e o

ComponentMaker®, capaz de realizar diversas simulações e modelamentos de sistemas de

comunicação óptica. Esse conjunto de softwares é desenvolvido pela VPI Photonics, uma

divisão da VPI Systems (VPI PHOTONICS).

O ambiente de simulação é bastante parecido com outros softwares mais conhecidos

como o Simulink do Matlab e o Labview® da National Instruments®. O aplicativo fornece uma

vasta quantidade de blocos que realizam funções específicas e, podem ser interligados para

formar outros módulos. Ele permite ainda simular uma série de componentes ópticos, como

multiplexadores e demultiplexadores, fontes laser, EDFAs e acopladores, entre outros. Para

simulações é necessário conectar os blocos e configurar os parâmetros de interesse dos

mesmos como largura de banda de atuação, perdas por inserção, entre outros.

42

A programação das interações é desenvolvida na linguagem Tcl/Tk diretamente no

ambiente. Pode-se também interagir com funções do Matlab ou códigos escritos em C++.

O sistema possui um módulo de interatividade, onde é possível executar uma

simulação e fazer alterações nas características dos blocos enquanto o projeto está rodando, de

forma manual ou automatizada.

3.3 CARACTERIZAÇÃO DO EDFA UTILIZADO PARA SIMULAÇÕES

Para as simulações realizadas neste trabalho, utilizou-se o módulo EDFA -

AmpEDFA_RateEqStat_V2 do VPI mostrado na figura 3.3. Esse módulo permite alterar uma

série de características do EDFA como: comprimento da fibra dopada utilizada, freqüência e

potência do bombeamento co-propagante e contra-propagantes. Para as simulações da seção

3.5.1, por exemplo, foi utilizado um bombeamento de 14 mW de potência no comprimento de

onda de 1480 nm e em um trecho de 14 m de fibra dopada.

Uma característica importante para análise das simulações é definir o modo de

operação do EDFA. Para tanto, traçou-se a curva característica de um EDFA como aqueles

utilizados para o modelamento da Rede GIGA. Isso foi feito lançando-se diferentes valores de

potência de entrada e calculando-se, a partir do valor de potência da saída, o ganho óptico.

A figura 3.4 mostra a curva característica do módulo EDFA obtida. O limite de

saturação ficou em torno de -10 dBm para o sinal de entrada, quando os valores de ganho

decaem em 3 dB. Para valores de potência de entrada menores que este limiar, o EDFA opera

em regime de ganho linear.

Nas simulações da Rede GIGA, mostradas no capítulo 4, os amplificadores operam no

regime de saturação em toda a extensão da rede, ou seja, com potências maiores que o limiar

de saturação. A figura 3.5 mostra a potência de entrada de cada um dos EDFAs da rede GIGA

para um caso onde são lançados 8 canais com 1mW no EDFA de número 1. Nessa situação,

nenhum canal foi adicionado ou removido e nenhuma técnica para equalização dos mesmos

foi utilizada.

43

Figura 3.3 – Módulo do VPI utilizado para simulações de EDFA.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

-60 -40 -20 0 20

Potência de entrada (dBm)

Ganho (dB)

Figura 3.4 – Curva de ganho característica do módulo EDFA utilizado nas simulações da

Rede GIGA.

44

0

3

6

9

12

15

18

21

24

0 2 4 6 8 10

Número de EDFAs

Potência de Entrada Total (dBm)

Figura 3.5 – Potência de entrada total em cada EDFA da Rede GIGA.

3.4 RELAÇÃO SINAL-RUÍDO ÓPTICA (OSNR)

O módulo ViOSA Channel Analyzer fornece uma leitura direta da OSNR para cada

canal se as opções Parametrized Signals (Sinais Parametrizados) e Noise Bins (Alocação de

Ruído) são selecionadas. A OSNR também pode ser lida diretamente das potências de sinal e

potências de ruído.

O viOSA Channel Analyzer fornece ainda a OSNR de forma tabulada para todos os

canais com sinais parametrizados, como pode ser observado na figura 3.6.

A OSNR na saída de um EDFA é dada por:

Pn

PoutOSNR =

(5)

onde Pout é a potência óptica do sinal na saída do EDFA e Pn é a potência óptica do ruído,

predominantemente o chamado ruído ASE. Ou em termos da potência de entrada:

Pn

GPinOSNR

×=

(6)

45

Figura 3.6 – Display de saída do Channel Analyzer

onde Pin é a potência óptica de entrada do sinal no EDFA eG é o ganho óptico do

amplificador. Esta equação é válida para o regime linear de operação do EDFA.

Outros fatores, como a configuração de bombeamento, podem influenciar no valor da

OSNR de um sistema. Uma rede constituída por EDFAs com bombeamento em 980 nm, por

exemplo, apresenta valores de OSNR maiores que outra com bombeamento em 1480 nm e

mesma potência. Isso é devido à influência do ruído RIN (Relative Intensity Noise) que é

proporcional ao inverso da freqüência óptica (VPI PHOTONICS, 2007). O RIN é o ruído que

caracteriza as pequenas flutuações aleatórias da potência óptica do laser transmissor.

3.5 CARACTERIZAÇÃO DO FILTRO À GRADE DE BRAGG UTILIZADO PARA AS

SIMULAÇÕES

46

A técnica dos filtros a grades de Bragg foi utilizada nas simulações por algumas razões

que incluem: a grande faixa espectral em que pode atuar, a baixa perda por inserção e o ripple

residual pequeno após a planificação, comparado com outros métodos, como visto na Tabela

2.2.

Uma grade de Bragg é obtida através da modulação periódica do índice de refração do

núcleo de uma fibra óptica. É fabricada pela exposição da fibra a um padrão de interferência

da radiação ultravioleta (UV) na região de comprimentos de onda próxima a 248 nm. Esse

processo de gravação é baseado no mecanismo foto-sensível, que é característico de fibras

dopadas com Germânio.

Um feixe de luz com grande largura de banda lançada em uma fibra que contém uma

grade de Bragg tem uma parcela do sinal refletida devido às propriedades difrativas desta

estrutura. O comprimento de onda central da banda refletida é expresso pela condição de

Bragg (OTHONOS, KALLI, 1999):

λΒ = 2. neff. Λ (7)

onde λΒ é o comprimento de onda central, neff é o índice de refração efetivo do modo guiado e

Λé o período da modulação de índice gravado na estrutura. A Figura 3.7 mostra um diagrama

de uma grade de Bragg e os respectivos espectros de reflexão e transmissão (MOKTAR,

2005, KASHYAP, 1999).

Figura 3.7 - Representação esquemática de uma rede de Bragg em fibras ópticas

(ANDRÉ, PINTO, ABE et al, 2001).

47

O período das grades de Bragg pode variar de 1 a 20 nm e sua refletividade pode se

aproximar de 100 %. Avanços na tecnologia de fabricação de grades resultaram na utilização

destes elementos em diversas aplicações, particularmente para a filtragem de banda estreita

em aplicações de planificação de ganho óptico. Posicionamentos diferentes de grades no meio

de amplificação podem proporcionar um ganho plano em uma faixa espectral grande. Isso é

resultado da amplificação diferenciada provocada por cada comprimento de onda refletido.

Porém, uma desvantagem comum destes filtros passivos é o compromisso entre a

largura de banda de atuação e as perdas geradas em sua aplicação como elemento de

planificação de ganho. Maiores atenuações são necessárias nos comprimentos de onda de pico

de ganho para se obter uma largura de banda maior. Isto impacta a figura de ruído ou a

potência de saída e o ganho do amplificador, dependendo de onde o filtro é posicionado e na

potência de bombeamento requerida para os estágios de amplificação.

Para minimizar as perdas por inserção, um filtro à grade de Bragg para planificação de

ganho deve ser utilizado na transmissão ou então vir acompanhado de um circulador óptico.

As perdas na transmissão dependem da variação do índice de refração da grade, assim

como são inversamente proporcional à taxa de gorjeio (chirp). Essa relação é obtida ajustando

a perda de transmissão medida com a variação da modulação do índice de refração, ou

variando a taxa de chirp por uma função não-linear. Estes parâmetros estão relacionados de

acordo com as equações (MOKTAR, 2005):

|)(|

78.14))().(()( 2

zCRznzzT ×=∆ δη (8)

=10

2

105447.6

|)(|))().((

−××

zDznz δη (9)

onde )(zT∆ é a perda de transmissão em dB, )(zη é a fração da potência modal na grade,

)(znδ é a modulação do índice de refração, )(zCR é a taxa de gorjeio na grade ( )(zCR ≠ 0) e

)(zD é a dispersão numa dada posição da grade. Esses parâmetros podem variar seu valor ao

longo da grade de maneira a formar as perdas distribuídas na transmissão. Em outras palavras,

as perdas de transmissão desejadas para um comprimento de onda de operação particular são

induzidas em uma posição específica da grade na qual os valores dos parâmetros são únicos.

Também é válido destacar que a dispersão na grade não terá maiores conseqüências para os

48

sinais na transmissão, uma vez que estes não provocam diferenças de caminho, ao contrário

dos sinais refletidos (MOKTAR, 2005).

Uma grade de Bragg pode ser modelada utilizando o módulo Filter_FBG_TLM_Opt

do VPI, que representa a grade por um filtro com resposta ao impulso infinita. Filtros de

grades múltiplas podem ser formados conectando esses módulos em série ou em outras

topologias. A figura 3.8 mostra o módulo do filtro à grade de Bragg contido no VPI que foi

utilizado nas simulações de planificação de ganho óptico dos EDFAs da Rede GIGA e os

parâmetros que podem ser configurados nele.

Figura 3.8 – Tela de configuração dos parâmetros do módulo FBG Filter do VPI.

3.5.1 PLANIFICAÇÃO DA ASE DE UM EDFA USANDO UMA ÚNICA GRADE DE

BRAGG

Em uma primeira situação, uma única grade é adicionada à saída de um EDFA. Essa

grade tem um perfil de perdas ajustado de maneira a contrapor o perfil de ganho do EDFA.

Isso é possível ajustando-se alguns dos seus parâmetros como: largura de banda, freqüência

49

central de atuação e rejeição espectral. A figura 3.10 mostra a montagem esquemática do

posicionamento do filtro a grade de Bragg localizado na saída do sinal de um EDFA, para

simulação. A grade utilizada possui os seguintes parâmetros: freqüência central de 1533 nm,

largura de banda de 19,6 nm e rejeição espectral de 13 dB. A figura 3.9 mostra o perfil

espectral de transmissão e de reflexão de uma grade de Bragg com parâmetros configurados

no VPI de 19,6 nm para largura de banda e 6 dB para a rejeição espectral. A figura 3.11

mostra um diagrama do ruído ASE do EDFA simulado para o caso em que a grade não está

no sistema da figura 3.10 sobreposto à situação na qual ela está inserida. O comprimento de

onda do laser de bombeamento utilizado foi de 1480 nm nesse caso, de forma a facilitar a

visualização, juntamente com o ruído ASE, no analisador de espectros. O OSA (Optical

Spectrum Analyzer) foi conectado à saída do EDFA, antes da grade, para verificar o perfil do

ruído antes da planificação (tracejado em amarelo na figura) e à saída de transmissão da

grade, onde pode ser observada a planificação (tracejado em vermelho na figura). Conseguiu-

se manter o sinal da ASE com um ripple de menos de 1 dB em uma faixa de

aproximadamente 30 nm, de comprimentos de onda de 1530 nm até 1560 nm.

50

Figura 3.9 – Espectro da grade de Bragg utilizada para planificação do ganho dos

EDFAs da Rede GIGA. Em vermelho o espectro da transmissão e em amarelo o espectro da

reflexão.

Figura 3.10 – Detalhe da montagem: EDFA mais filtro FBG.

51

Figura 3.11 – Espetro do ruído ASE de um EDFA sem planificação (tracejado amarelo)

sobreposto ao espectro do mesmo EDFA após a adição de um filtro FBG para planificação de

ganho (tracejado em vermelho).

3.6 TÉCNICA DE EQUALIZAÇÃO DE POTÊNCIA UTILIZADA NAS SIMULAÇÕES

Mocki, Kalinowski e Pohl (MOCKI, KALINOWSKI, POHL, 2005) estudaram os

efeitos da equalização de potência óptica e seu comportamento na Rede GIGA. Nesse

trabalho foi sugerida uma configuração com a utilização de um Equalizador de Potências

Ópticas (EDPO) entre o terceiro e o quarto EDFA da rede para a equalização da potência dos

canais (ver figura 3.1). O EDPO é baseado no método de equalização de potência utilizando

atenuadores ópticos descrito na sessão 2.9.1. O método consiste de um dispositivo onde os

canais são individualmente separados por meio de um demultiplexador. A potência é então

direcionada a um conjunto de fotodetectores, no qual o sinal sofre conversão para o domínio

elétrico. No bloco de processamento eletrônico os valores de potência são armazenados e

comparados por meio de uma rotina que primeiro aponta o desnível de potência entre os

canais. Baseado nesse resultado, diferentes tensões são aplicadas aos atenuadores pertencentes

52

ao bloco de entrada e os canais sofrem atenuações, ou não, proporcionais a sua potência

inicial.

A figura 3.12 mostra o diagrama do equalizador de potências EDPO criado no VPI,

utilizado nas simulações da Rede GIGA.

Figura 3.12 – Diagrama esquemático do EDPO (MOCKI, 2006).

3.7 TÉCNICA DE CONTROLE DE TRANSIENTES UTILIZADA NAS SIMULAÇÕES

Além das técnicas de equalização de potência e planificação de ganho, usou-se

também para as simulações uma técnica de controle de transientes do Laser de Bombeamento

como a descrita na seção 2.9.2.2. O modelo criado no VPI é mostrado na figura 3.13.

O modelo utiliza a técnica de realimentação, usando a potência de saída total do

amplificador como base para cálculo da corrente do laser de bombeamento, através de um

bloco de controle, que altera a potência do laser de acordo com a necessidade.

O corte dos canais em uma rede simulada utilizando esta técnica causa uma pequena

variação instantânea de potência de saída do EDFA, que logo é corrigida pelo sistema de

supressão de transientes. Quanto maior a queda da potência de saída, ou seja, maior o

transiente, mais lenta é a estabilização da potência de bombeamento.

53

Figura 3.13 – Modelo desenvolvido no VPI da técnica de controle do laser de

bombeamento.

Deve-se observar que o ambiente computacional pode apresentar algumas diferenças

com relação a sistemas reais devido ao tempo de resposta do controle no caso da simulação

ser praticamente em tempo real.

55

CAPÍTULO 4

SIMULAÇÃO DE UM SISTEMA COM MÚLTIPLOS AMPLIFICADORES ÓPTICOS

CASCATEADOS

As simulações que seguem consideram a Rede GIGA com 8 portadoras ópticas, na

faixa de comprimentos de onda de 1528,8 a 1534,3 nm e com canais espaçados em 0,8 nm,

tabela 4.1, conforme a recomendação G.692 da ITU1 (ITU-T, 2007), lançados no site de

Campinas com 1 mW de potência por canal, a uma taxa de 10 Gbps. Os comprimentos de

onda foram escolhidos de maneira a utilizar a faixa do espectro onde o ganho do EDFA

apresenta maior variação, próximo a 1530 nm. Entre o terceiro e o quarto EDFA, site de São

Paulo, os quatro canais de maior comprimento de onda são retirados e substituídos por outros

quatro canais de mesmos comprimentos de onda por um Add-drop óptico (OADM). Isso é

feito, nesse trabalho, de forma a forçar situações extremas onde a equalização destes torne-se

mais perceptível.

TABELA 4.1: Canais utilizados nas simulações da Rede GIGA.

Canais utilizados

Frequência (THz)

Comprimento de onda (nm)

1 195,5 1534,53

2 195,6 1533,74

3 195,7 1532,96

4 195,8 1532,18

5 195,9 1531,39

6 196,0 1530,61

7 196,1 1529,83

8 196,2 1529,05

1 ITU – International Telecommunications Union - Órgão da ONU responsável pelo estabelecimento de

normas e padrões em telecomunicações.

56

4.1 POTÊNCIA EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA PARA 1 EDFA E

DIFERENTES PARÂMETROS DE REJEIÇÃO DA GRADE DE BRAGG

EQUALIZADORA.

Para selecionar o valor ótimo de rejeição do filtro FBG para planificação de ganho a

ser utilizado para equalização dos canais, simulou-se inicialmente um único EDFA, com as

mesmas características dos amplificadores utilizados na Rede GIGA citados anteriormente.

Os 8 canais são aqueles listados na tabela 4.1 com 1 mW de potência, conforme esquema

mostrado na figura 4.1. A potência óptica dos canais na saída do módulo EDFA + FBG foi

observada para os seguintes valores de rejeição da grade: 0 dB, 2 dB, 4 dB, 6 dB, 8 dB e 10

dB. Os parâmetros de freqüência central de atuação e largura espectral utilizados foram os

mesmos obtidos na seção 3.5.1., 1533 nm e 19,6 nm respectivamente.

Figura 4.1 – Esquemático utilizado para simulações de planificação de ganho de um único

EDFA.

A figura 4.2 mostra a potência em Watts, observada na saída do módulo EDFA + filtro

FBG, para os diferentes comprimentos de onda, no caso onde apenas um EDFA é analisado.

Os pontos representam os canais ópticos, unidos por segmentos para melhor visualização das

diferentes configurações.

57

Figura 4.2 – Potência em Watts considerando as potências de saída de um único EDFA e

diferentes valores de rejeição do filtro a grade de Bragg.

O desvio de potência é considerado como sendo a diferença entre a maior e a menor

potência medida dentre os canais. Os desvios de potência, em decibéis, observados para os

diferentes valores de rejeição da grade de Bragg equalizadora, são mostrados na figura 4.3. As

medidas são tomadas na porta de transmissão do módulo (onde está localizado o analisador de

canais na figura 4.1).

Observou-se um desvio de potência mínimo de 1,17 dB entre os canais para o caso do

filtro FBG com valor de rejeição de 6 dB. O desvio de potência para o caso sem planificação é

de 3,57 dB.

Os resultados mostrados na seqüência são baseados em simulações que buscam

comparar o desempenho da Rede GIGA entre a situação na qual os amplificadores atuam sem

qualquer tipo de equalização, e os possíveis benefícios ou prejuízos da utilização da técnica de

planificação de ganho baseado em grades de Bragg e da técnica de equalização de potência

baseada em um EDPO, utilizadas em conjunto ou não. A dissertação “Equalizador Dinâmico

de Potências Ópticas em Redes WDM” (MOCKI, 2006) propôs a utilização do EDPO, usado

de forma isolada no site de São Paulo e de forma conjunta nos sites São Paulo e Rio de

Janeiro, para equalizar a potência dos canais da Rede GIGA quando da utilização destes em

regime dinâmico e sujeitos à ação de Add-drops no sistema. As simulações tiveram por

objetivo comparar a eficiência das duas técnicas e mostrar se poderia haver algum benefício

em seu emprego simultâneo na Rede GIGA. Contudo, diferentemente do trabalho

58

mencionado, a banda utilizada para transmissão dos canais neste trabalho foi deslocada para a

região de comprimentos de onda de 1530 nm, onde o EDFA apresenta maiores variações de

seu perfil de ganho.

Figura 4.3 – Desvio de potência dos canais da Rede GIGA na saída do módulo EDFA + FBG

em função de diferentes valores de rejeição da grade de Bragg.

Em uma primeira situação simulou-se a rede GIGA sem remoção e substituição de

canais (OADM), ou seja, os 8 canais são lançados no site Campinas e percorrem toda a rede,

os 10 EDFAs, e são observados na recepção, site do Rio de Janeiro. Foram simuladas quatro

situações: a) sem qualquer tipo de equalização, b) apenas com planificação de ganho por

filtros FBG adicionados aos EDFAs, c) apenas com equalização de potência por um EDPO

localizado no site de São Paulo, e d) por ambas as equalizações atuando simultaneamente.


REDE GIGA – CASO SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS

Esta simulação é de especial interesse para a avaliação do comportamento das técnicas

de planificação e equalização óptica em enlaces estáticos e com EDFAs localizados

estrategicamente para a regeneração da potência óptica lançada na entrada. Ela não representa

uma situação em que haja variação de potência óptica ao longo do enlace, seja ela gerada por

queda de canais ou por variações devido à presença de OADMs ou roteadores.

59

A figura 4.4 mostra a potência dos 8 canais observada a recepção do sistema, site do

Rio de Janeiro, para as quatro situações.

Figura 4.4 – Potência na recepção da rede GIGA para o caso sem adição/remoção de canais

para quatro situações: sem qualquer equalização, apenas com planificação de ganho, apenas

com equalização de potência, com planificação de ganho e equalização de potência.

A tabela 4.2 mostra de forma resumida o desvio de potência obtido na recepção do sistema

para esses quatro casos.

Observou-se uma melhora no desvio de potência dos canais com a variação de 27,2 dB no

caso em que nenhuma técnica de equalização óptica é aplicada, e passando para 1,6 dB para o

caso onde as técnicas de planificação de ganho a grades de Bragg e de equalização de

potência por um EDPO são aplicadas em conjunto.

Comparando as simulações onde apenas a técnica de planificação de ganho a grades de

Bragg é utilizada com a simulação onde ambas planificação a filtros FBG e equalização de

potência baseada no EDPO atuam em conjunto, percebe-se que o desvio de potência tem uma

pequena diferença: 92,6% e 94,1% de melhora, respectivamente. Isso se deve ao fato de não

haver a atuação de OADMs ou roteadores, ou seja, o desvio de potência entre os canais para o

caso sem equalização deve-se principalmente ao perfil irregular do ganho na região de

comprimentos de onda próximos de 1530 nm, sendo a aplicação da técnica de planificação de

ganho óptico a alternativa mais adequada para reduzir este desvio.

60

TABELA 4.2: Desvio de potência na recepção da Rede GIGA para quatro situações de equalização. Casos sem OADM.

Técnica Utilizada Desvio de Potência na

recepção (dB)

Sem Planificação de Ganho ou Equalização Potência 27,2

Apenas com Equalização de Potência (EDPO) 17,1

Apenas com Planificação de Ganho (FBG) 2,0

Com Equalização de Potência (EDPO) e Planificação de Ganho (FBG)

1,6

4.3 OSNR EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA REDE

GIGA – CASO SEM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS

A figura 4.5 mostra a OSNR em função do comprimento de onda dos 8 canais

observada na recepção do sistema, site do Rio de Janeiro, para as mesmas quatro situações,

simuladas na seção 4.2, sem haver a atuação do OADM. A tabela 4.3 mostra de forma

resumida o resultado obtido neste estudo.

Figura 4.5 – OSNR na recepção da rede GIGA para o caso sem adição/remoção de canais

para quatro situações.

61

A tabela 4.3 mostra de forma resumida o desvio de OSNR obtido na recepção do

sistema para os quatro casos.

TABELA 4.3: Desvio de OSNR na recepção da Rede GIGA para quatro situações. Casos

sem OADM.

Técnica Utilizada Desvio de OSNR na recepção

(dB)

Sem Planificação de Ganho ou Equalização de Potência 17,0

Apenas com Equalização de Potência (EDPO) 10,1


Com Equalização de Potência (EDPO) e Planificação de Ganho (FBG)

1,6

Os valores do desvio de OSNR apontam para resultados melhores utilizando apenas a

técnica para planificação de ganho em detrimento à técnica em que a equalização de ganho

baseada no EDPO atua em conjunto com a técnica de aplanamento.

Como para o caso do desvio de potência, o desvio de OSNR varia pouco utilizando-se

a técnica de planificação de ganho apenas, ou, a partir de seu uso conjunto com a técnica de

equalização de potência, a variação é de 1,1 dB e 1,6 dB, respectivamente, contra 17 dB para

o caso sem qualquer equalização. Esses resultados sugerem a utilização apenas de uma

técnica para planificação do ganho óptico em configurações de rede onde não há variações de

potência em decorrência da adição ou remoção de canais por OADMs.


REDE GIGA – CASO COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE 4 CANAIS.

Nesta simulação, os quatro canais de menor comprimento de onda foram retirados e

substituídos por outros quatro, com o mesmo comprimento de onda e mesma potência (1

mW) no site de São Paulo, a fim de simular a atuação de um add-drop óptico. A potência de

cada canal na recepção do sistema para as mesmas quatro situações tratadas na seção 4.2 é

mostrada na figura 4.6.

62



planificação de ganho e sem nenhum tipo de equalização. Casos com substituição de canais de

1 mW no site de São Paulo

No caso de um sistema sem qualquer tipo de equalização, os 4 canais substituídos são

devolvidos ao sistema, neste caso, com uma potência menor que os que são mantidos. Como

não é feito qualquer tipo de equalização ao longo do enlace, os canais chegam à recepção com

um claro desnível entre os quatro primeiros e os quatro últimos canais, da ordem de 20 dB.

Ao se utilizar o equalizador de potências EDPO no site onde atua o OADM, os canais são

equalizados logo após a substituição, porém esta equalização é pontual (realizada no site São

Paulo), e ao ser amplificado por outros EDFAs antes de chegar à recepção, acabam

novamente sofrendo alteração nas potências ópticas ao atravessarem o restante da rede até a

recepção.

Se apenas a planificação de ganho é utilizada ao longo da rede, os canais mantêm-se nos

mesmos patamares de potência, porém o desvio de potência entre elas causada pela

substituição de quatro destes canais no site de São Paulo não pode ser revertida. A atuação das

duas técnicas em conjunto, porém, consegue fazer com que a variação temporal, devida à

remoção e adição de canis, e a variação espacial, desenvolvida ao longo da rede pelo

cascateamento de EDFAs, das potências possam ser contornadas. Entretanto os canais

63

apresentam um valor de desnível de potência na recepção do sistema inferior às demais

técnicas atuando isoladamente.

Com o objetivo de observar o valor de potência que os canais adicionados devem ter

para que o desvio de potência na recepção da rede tenha um valor mínimo, observou-se

também o comportamento da Rede GIGA, quando os quatro canais de menor comprimento de

onda foram retirados e substituídos por outros quatro, com o mesmo comprimento de onda e 2

mW de potência no site de São Paulo, e não 1 mW, como feito anteriormente.

A potência de cada canal na recepção do sistema para as mesmas quatro situações é




planificação de ganho e sem nenhum tipo de equalização de potência ou planificação de

ganho. Casos com substituição de canais de 2 mW no site de São Paulo.

A tabela 4.4 mostra de forma resumida o desvio de potência obtido na recepção do

sistema para os quatro casos de ajuste de ganho em análise quando 4 canais foram retirados e

substituídos no site de São Paulo por canais de 1mW de potência (e mesmo comprimento de

onda) e também o caso onde os canais substituídos têm 2 mW de potência.

Comparando os resultados obtidos para as duas situações, observa-se que o desvio na

recepção da rede diminui de 38,7 dB quando os canais adicionados são de 1 mW para 35 dB

no caso de canais de 2 mW adicionados, na situação onde nenhuma técnica de equalização é

64

utilizada e quando apenas a técnica de planificação do ganho é aplicada, a desequalização,

neste caso, diminui de 11,3 dB para 8,8 dB quando são considerados, respectivamente, 1 mW

e 2 mW para as potências de canais adicionados.

Já nas situações onde é utilizado o equalizador de potências esse desnível é menor. No

caso onde ele é a única técnica utilizada tem-se um desnível de potência de 18,2 dB para a

situação em que os canais substituídos têm 1 mW e 18,7 dB para o caso onde os canais

substituídos têm 2 mW. Quando as técnicas de planificação de ganho e de equalização de

potências são utilizadas em conjunto, o desvio de potência é de 2,5 dB tanto para canais

substituídos com 1mW quanto 2 mW. Esses resultados devem-se ao fato do EDPO tomar o

canal com menor potência e equalizar os demais, sem considerar a variação entre eles, ou

seja, independente do desvio entre as potência dos canais ao chegar no site de São Paulo.

Nesse local eles são substituídos e depois equalizados, e o que se obtém na recepção é apenas

o desnível gerado no trecho São Paulo - Rio de Janeiro, ou seja, em São Paulo os canais têm a

mesma potência, mas a medida que passam pelos últimos EDFAs da rede, os canais com

comprimento de onda mais próximos a 1530 nm têm a potência óptica aumentada em maiores

proporções que os demais, independente de as portadoras substituídas no OADM serem de 1

mW ou 2 mW.

TABELA 4.4: Evolução do desvio de potência e técnicas aplicadas. Casos com 4 canais de 1

mW e com 4 canais de 2 mW de potência adicionados no site de São Paulo.

Técnica utilizada Desvio de potência na

recepção – canais de 1 mW adicionados (dB)

Desvio de potência na recepção – canais de 2 mW

adicionados (dB) Sem Planificação de

Ganho ou Equalização de Potência

38,7 35,0

Apenas com Equalização de Potência (EDPO)

18,2 18,7

Apenas com Planificação de Ganho (FBG)

11,3 8,8

Com Equalização de Potência (EDPO) e de

Ganho (FBG) 2,5 2,5

65

4.5 OSNR EM FUNÇÃO DO COMPRIMENTO DE ONDA NA RECEPÇÃO DA REDE

GIGA – CASO COM ADIÇÃO/REMOÇÃO DE 4 CANAIS.

Da mesma forma, a OSNR dos canais observada na recepção do sistema, para o caso

onde os 4 canais de menor comprimento de onda são substituídos, é mostrada na figura 4.8.

Figura 4.8 – OSNR dos canais na recepção do sistema pra quatro situações: com planificação

de ganho e de potência, apenas com equalização de potência, apenas com planificação de

ganho e sem nenhum tipo de equalização ou planificação. Casos com substituição de canais

de 1 mW no site de São Paulo.

Com relação à OSNR, o comportamento dos canais é semelhante ao que o corre com

as potências ópticas. Os canais substituídos no site de São Paulo têm potência menor que os

demais e, portanto, uma relação sinal-ruído menor. Isso faz com que em um sistema sem

equalização tenha um desnível significativo de sinal, da ordem de 20 dB, entre eles neste

ponto. Com a atuação do EDPO, tem-se uma equalização temporal deste desnível. A

planificação de ganho mantém os canais equalizados espectralmente ao longo da rede, e

ambas as técnicas atuando em conjunto fazem com que o desnível de OSNR seja o menor

dentre as técnicas verificadas.

66

Da mesma forma que a potência, a OSNR foi também observada quando os quatro

canais de menor comprimento de onda foram retirados e substituídos por outros quatro, com o

mesmo comprimento de onda e 2 mW de potência no site de São Paulo.

A OSNR de cada canal na recepção do sistema para as mesmas quatro situações é


Figura 4.9 – OSNR dos canais na recepção do sistema para quatro situações: com


planificação de ganho e sem equalização de potência ou planificação de ganho. Casos com

substituição de canais de 2 mW no site de São Paulo.

A tabela 4.5 mostra de forma numérica o comportamento do desvio de OSNR obtido

na recepção do sistema para os quatro casos: sem planificação de ganho ou de potência,

apenas a equalização de potência, apenas planificação de ganho e planificação de ganho e

equalização de potência e 4 canais são substituídos no site de São Paulo.

67

TABELA 4.5: Evolução do desvio de OSNR em relação às técnicas para

equalização de potência e planificação de ganho aplicadas. Caso com 4 canais de

1 mW adicionados e caso com 4 canais de 2 mW adicionados no site de São

Paulo.

Técnica utilizada Desvio de OSNR na

recepção – canais de 1 mW adicionados (dB)

Desvio de OSNR na recepção – canais de 2 mW

adicionados (dB) Sem Planificação de

Ganho ou Equalização de Potência

27,5 24,5

Apenas com Equalização de Potência (EDPO)

11,0 11,1

Apenas com Planificação de Ganho (FBG)

11,4 8,5

Com Equalização de Potência (EDPO) e

Planificação de Ganho (FBG)

2,2 1,8

4.6 DESVIO DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA SEM

ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS

O desvio de potência dos canais deve-se manter estável, não só na recepção, mas ao

longo de toda a rede, para evitar que erros na transmissão dos dados ocorram em pontos

intermediários e sejam propagados até a recepção.

O comportamento do desvio de potência ao longo de toda a extensão da Rede GIGA

foi observado para as quatro situações: sem equalização de potência ou planificação de ganho,

apenas com planificação de ganho, apenas com equalização de potência e com ambas,

planificação de ganho e equalização de potência.

A figura 4.10 mostra como o desvio de potência se comporta ao longo da Rede GIGA

para o caso onde não há adição/remoção de canais em nenhum trecho de sua extensão.

Observa-se, da análise da figura 4.10, que o desvio de potência entre os canais da

banda C ao longo da rede aumenta seu valor em toda a extensão, a cada EDFA que as

portadoras percorrem, no caso sem qualquer equalização. Este fato deve-se ao ganho ter o

perfil irregular em todos os EDFAs da rede. Devido a esse fato, os canais mais próximos ao

comprimento de onda de 1530 nm terão sua potência aumentada em proporção maior que os

demais, sendo este efeito ainda exacerbado à medida que mais EDFAs são cascateados.

68

Figura 4.10 – Desvio de potência em função do número de EDFAs percorrido (distância no

enlace) pelos canais na Rede GIGA. Caso sem atuação do OADM.

A utilização do EDPO no site de São Paulo (EDFAs 3 e 4) permite a redução desse

desnível, porém, a correção é pontual, se restringindo a este site e no restante da rede o

desnível volta a aumentar, o que é indesejável.

A aplicação da técnica de planificação de ganho a grades Bragg em cada EDFA da

rede mostra-se, então, como a alternativa mais eficiente, pois consegue fazer com que o

desvio de potência entre os canais mantenha-se num patamar constante em toda a rede, como

pode-se observar na curva com triângulos fechados da figura 4.10. A aplicação conjunta desta

com a equalização de potência baseada no EDPO pouco modifica o comportamento do desvio

de potência ao longo da rede neste caso em particular pois a inexistência de OADMs e

roteadores na rede impede surtos de potência que justifiquem a utilização desta.

4.7 DESVIO DE OSNR EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA SEM


A figura 4.11 mostra como o desvio de OSNR se comporta ao longo da Rede GIGA

para o caso onde não há adição/remoção de canais em nenhum trecho de sua extensão.

69


Rede GIGA. Caso sem atuação do OADM.

O comportamento do desvio de OSNR é semelhante ao do desvio de potência: no caso

de não haver qualquer tipo de equalização o desvio aumenta gradativamente com a quantidade

de EDFAs cascateados. A técnica de equalização de potência produz uma melhora apenas

pontual e a técnica de planificação de ganho mostra-se a mais adequada para manter esse

desvio constante ao longo da rede. O uso das duas técnicas atuando em conjunto não gera

maiores vantagens em relação à técnica de planificação atuando de forma isolada.

4.8 DESVIO DE POTÊNCIA EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA COM

ADIÇÃO/REMOÇÃO DE CANAIS.


para o caso onde os quatro canais de menor comprimento de onda são removidos e

substituídos por outros quatro, com 1mW de potência e mesmos comprimentos de onda.

70

Figura 4.12 – Evolução do desvio de potência na Rede GIGA em função da distância.

Caso onde 4 canais de 1 mW são substituídos no site de São Paulo

De forma semelhante ao que ocorre no caso em que não há a atuação de um OADM na

rede, o desvio de potência aumenta à medida que mais EDFAs são cascateados quando não há

uma técnica de equalização sendo aplicada. Aqui, porém, esse aumento é ainda maior no site

de São Paulo, terceiro e quarto EDFAs, quando 4 dos canais são substituídos e os canais que

os substituem possuem uma potência menor que os demais.

O salto no valor do desvio de potência neste ponto pode ser contornado com a

implementação de uma técnica de equalização de potência, como bem pode ser observado na

curva representada por círculos cheios da figura 4.12, quando é introduzido o EDPO entre o

terceiro e o quarto EDFA. Nesse caso, o aumento do desvio observado na curva representada

por triângulos abertos (sem equalização) não acontece e, ao contrário, é reduzido pela ação do

equalizador de potências.

A desvantagem da utilização do EDPO é que sua atuação se restringe ao ponto onde

está localizado na rede e o desvio volta a crescer no restante do trecho percorrido pelos canais.

A técnica de planificação de ganho consegue impedir que os desvio de potência entre

os canais cresça indefinidamente com a quantidade de EDFAs, pois mantém o ganho de todos

os canais praticamente igual ao longo da rede. Porém, como observa-se na curva representada

por pontos triangulares cheios da figura 4.12, uma vez desequalizadas as potência dos canais,

ela não consegue corrigir esta diferença. É o que ocorre no terceiro site, a potência dos quatro

71

canais substituídos difere da potência dos canais remanescentes e a técnica de planificação

apenas manterá esta diferença no trecho restante em que os canais tiverem que se propagar.

A utilização das técnicas de planificação de ganho e de equalização de potência

atuando em conjunto consegue agregar as propriedades de ambas, mantendo o desvio de

potência praticamente constante ao longo de todo o enlace, conforme representado na curva

com círculos abertos. Enquanto a utilização do EDPO equaliza os canais quando alguns deles

são substituídos por outros de potência desigual, as grades de Bragg associadas aos EDFAs

evitam com que haja um crescimento em cascata deste desvio ao longo da rede em

decorrência do perfil de ganho irregular dos amplificadores.


para o caso onde os quatro canais de menor comprimento de onda são removidos e

substituídos por outros quatro, com 2mW de potência.

Figura 4.13 – Desvio de potência em função do número de EDFAs percorrido pelos canais

na Rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 2 mW de

potência no site São Paulo.

A situação com adição de canais de 2 mW tem um comportamento semelhante à

situação onde os canais adicionados têm 1 mW. No caso onde não há qualquer tipo de

equalização, nota-se que o desvio de potência entre os canais aumenta ao longo da rede, e de

forma mais acentuada após o quarto EDFA, onde há a substituição dos quatro primeiros

72

canais. A equalização de potência consegue diminuir esta diferença, porém seu efeito é

pontual à localização onde é aplicada, no caso, no site de São Paulo, e volta a aumentar no

restante do sistema. A planificação de ganho, aplicada em cada EDFA, faz com que o desvio

de potência mantenha-se em um nível constante ao longo da rede, porém as variações bruscas

de potência causadas pela substituição dos canais no site de São Paulo fazem com que este

nível tenha um crescimento também brusco, o que é indesejável. A utilização das duas

técnicas em conjunto permite um comportamento que une os benefícios de ambas, ou seja,

evita o surto do desvio de potência após a atuação do OADM, e mantém seu nível em um

valor constante em toda a extensão da rede.

Se utilizadas as técnicas de planificação de ganho e equalização de potências, o desvio

de potência ao longo do enlace vai apresentar um valor próximo de 2,5 dB em toda sua

extensão, independente dos canais adicionados terem potência de 1 mW ou 2 mW.

4.9 DESVIO DE OSNR EM FUNÇÃO DA DISTÂNCIA – REDE GIGA COM


As figura 4.14 e 4.15 mostram respectivamente como o desvio de OSNR se comporta

ao longo da Rede GIGA para o caso onde os quatro canais de menor comprimento de onda

são removidos e substituídos por outros quatro, com 1mW e 2mW de potência.

No caso da relação sinal-ruído óptica na rede, o efeito do desvio tem uma diferença de

comportamento quando comparado com o desvio de potência, em especial, no caso da

equalização de potência pelo EDPO. Isso porque no site de São Paulo, os canais inseridos

apresentam uma potência menor do que aqueles substituídos e o ruído permanece o mesmo

neste ponto. Esse fato causa uma discrepância em relação aos canais que são mantidos no

sistema e faz com que o desvio da relação sinal ruído se eleve neste trecho do enlace.

A utilização das técnicas de planificação de ganho e equalização de potência em

conjunto mostra-se a mais atrativa mais uma vez. Isso porque tende a diminuir o desvio do

OSNR entre os canais no trecho após o OADM até a recepção, ao contrário das demais

técnicas.

73


Rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 1 mW de



rede GIGA. Caso onde 4 canais são removidos e substituídos por 4 canais de 2 mW de


74

4.10 CONTROLE DE TRANSIENTES ORIGINADOS NA REDE GIGA De maneira a verificar a melhor técnica para manter a equalização entre os canais na

recepção de um sistema com efeitos de transientes de potência acentuados, simulou-se a Rede

GIGA em uma situação onde um dos canais é retirado, e não há qualquer substituição destes.

O módulo utilizado para o controle de transientes é o que está descrito na seção 3.6.

A técnica baseada no controle do laser de bombeamento foi estrategicamente

posicionada no site de São Paulo, onde o efeito do transiente é mais acentuado, pois o canal

com menor comprimento de onda é removido causando uma variação brusca na potência de

entrada do EDFA. O papel do controle é, então, compensar a mudança do valor do ganho

causado por esta variação.

Quatro situações foram simuladas: sem qualquer tipo de equalização, apenas com

planificação de ganho, com planificação de ganho e equalização de potência e com

planificação de ganho e controle de transientes, quando se retirou o canal com menor

comprimento de onda no site de São Paulo. A potência dos canais na recepção do sistema para

estas quatro situações é mostrada na figura 4.16. O desvio de potência entre os canais

remanescentes, para essas quatro situações, está resumido na tabela 4.8.

Figura 4.16 – Potência óptica dos 7 canais remanescentes na recepção da rede GIGA para

quatro situações.

75

TABELA 4.6: Desvio de potência na recepção da Rede GIGA. Caso onde um canal é retirado

no site de São Paulo.

Técnica Utilizada Desvio de potência na recepção (dB)

Sem Planificação de Ganho ou Equalização

de Potência 20,3


Com Planificação de Ganho (FBG) e

Equalização de Potência (EDPO) 3,3

Com Planificação de Ganho (FBG) e

Controle de Transientes (Laser de

bombeamento)

1,3

Para o caso sem qualquer tipo de equalização, os canais 5 e 6 têm uma amplificação

maior que os demais, isto por estarem situados na região espectral próxima do pico de ganho

do EDFA. Ao longo da rede esta diferença no ganho se acumula, gerando um desvio de

potência entre os sete canais que chega a 20,3 dB na recepção. Contribui ainda para o

aumento deste nivelamento o fato do ganho óptico do EDFA ter um aumento quando da

retirada do canal 8, no site de São Paulo. É devido a esse transiente que se utilizou aqui a

técnica de controle usando o laser de bombeamento.

Como visto na seção 4.8., a inclusão de uma técnica de equalização de potência

permite uma equalização temporal, neste ponto, mas espacialmente é pouco eficiente.

Entretanto, o filtro FBG é uma alternativa que pode auxiliar com a manutenção do desvio de

potência ao longo da rede em níveis mais estáveis, conforme confirmado pela tabela 4.6.

Mas é com as técnicas de planificação de ganho e controle de transientes atuando em

conjunto, que os valores de desvio de potência podem ser otimizados, como se observa da

tabela 4.6. A redução do desvio de potência chega a ser de 20,3 dB para o caso sem qualquer

técnica de equalização para 1,3 dB.

77

CAPÍTULO 5

CONCLUSÃO

Neste trabalho apresentou-se uma análise das características dinâmicas de enlaces WDM,

principalmente no que se refere à inclusão de amplificadores à fibra dopada com érbio e suas

particularidades com relação ao ganho óptico. As principais técnicas para planificação deste

ganho foram apresentadas, sendo escolhida a técnica que utiliza uma grade de Bragg para as

simulações realizadas. As simulações também levaram em consideração as técnicas de

equalização de potência óptica e controle de transientes.

Um fator que precisa ser considerado em sistemas WDM é o perfil não plano de ganho

dos amplificadores a fibra dopada. Essa característica restringe o uso de toda a banda de

amplificação do EDFA, impedindo a inserção de um maior número de comprimentos de onda

nos sistemas. Uma tabela comparativa com os principais parâmetros de interesse para seleção

do filtro para planificação do ganho óptico é apresentada no capítulo 2 (tabela 2.2).

A planificação da ASE de um EDFA utilizando-se uma única grade de Bragg é

demonstrada no capítulo 3. Manteve-se o ripple menor que 1 dB em uma faixa de

aproximadamente 30 nm de largura espectral do ruído ASE do EDFA.

Foi simulado, também, um único EDFA com filtro à grade de Bragg para planificação de

ganho de maneira a selecionar o valor ótimo da rejeição do filtro que proporciona um desvio

de potência mínimo entre os canais da Rede GIGA. Um gráfico do desvio de potência do

sistema em função da rejeição da grade foi obtido. Os parâmetros obtidos e sugeridos são de 6

dB para a rejeição da grade de Bragg que acompanha cada EDFA do enlace e posicionada no

comprimento de onda de 1533 nm. Para essa configuração o desvio de potência entre os 8

canais da rede simulada teve um desvio de 1,17 dB. Uma avaliação do desempenho do desvio

óptico semelhante a essa foi realizada por Fugihara, Kalinowski e André (FUGIHARA,

KALINOWSKI, ANDRÉ, 2002). Nesse trabalho, 20 canais foram lançados na região do

espectro de maior ganho dos EDFAs e o desvio obtido com uma única grade de Bragg

equalizadora foi de 2 dB. O efeito em um enlace com mais EDFAs cascateados porém não foi

estudado.

Em seguida foram mostrados os efeitos da técnica que utiliza um filtro a grades de Bragg

no ambiente dinâmico da Rede GIGA e sua utilização em conjunto com técnicas de

equalização de potência óptica.

78

Para isso, foi simulado o comportamento de 8 canais situados na região de comprimentos

de onda onde a variação do ganho dos EDFAs é maior (próximo à 1530 nm), que foram

lançados no site de Campinas com recepção no site do Rio de Janeiro. Foram simuladas e

analisadas 4 situações: sem planificação de ganho ou equalização de potência, apenas com

planificação de ganho (filtro FBG), apenas com equalização de potência (EDPO), e com

ambas, planificação de ganho e de potência (FBG e EDPO).

O desvio de potência entre os canais observados melhorou de 27,17 dB no caso sem

equalização de potência ou planificação do ganho, para 1,65 dB para o caso onde há

planificação de ganho por filtros FBG e equalização de potência por EDPO atuando em

conjunto. Nessa simulação não foram adicionados ou removidos canais, o que fez com que a

atuação do EDPO atuando como única fonte equalizadora não fosse tão eficaz, como

observado na figura 4.4. A utilização de equalizadores de ganho associados aos EDFAs

proporciona um desvio de potência e OSNR, praticamente constante ao longo de toda a Rede

GIGA. Nas figuras 4.10 e 4.11, casos sem OADM e onde se tem apenas planificação de

ganho atuando, nota-se que o desvio de potência, em nenhum ponto da Rede foi superior a

2,03 dB e o de OSNR, não maior que 1,13 dB. Esses resultados se contrapõem aos valores do

caso onde não há qualquer tipo de método de controle do ganho e da potência de saída do

EDFA, variando de 2,94 dB a 27,34 dB para o desvio de potência e de 1,26 dB a 16,98 dB

para o desvio de OSNR. Ou seja, para redes sem adição ou remoção de canais, a utilização de

uma técnica de equalização de potência faz-se desnecessária, sendo sugerido apenas a

aplicação da técnica de planificação de ganho baseada nos filtros à grade de Bragg.

Observando-se os casos de uma rede dinâmica, ou seja, com atuação de um OADM,

percebe-se que apenas a planificação de ganho não é suficiente. Enquanto que no caso sem

OADM a atuação conjunta da planificação de ganho e equalização de potência causou uma

melhora do desvio de potência na recepção de 2,03 dB para 1,65 dB apenas e o desvio de

OSNR aumentou de 1,13dB para 1,56 dB, para um caso com atuação de remoção e

substituição de canais por outros de 2 mW de potência, por exemplo, no site de São Paulo a

melhora foi de 8,77 dB para 2,49 dB para o desvio de potência e de 8,46 dB para 1,82 dB para

o desvio de OSNR. Os valores para utilização da técnica de equalização de potência atuando

isoladamente são de 18,7 dB e 11,1 dB neste caso. A adição de canais com 2 mW de potência

no site com OADM apresentou menor desvio que quando adicionados canais com 1 mW, isso

porque ao chegar nesse site, os canais remanescentes têm potência mais próximas a 2 mW que

a 1 mW.

79

Esses resultados confirmam o proposto nesse trabalho, para sistemas com variações

aleatórias de potência causadas pela substituição de canais, a utilização de uma técnica

passiva de planificação do ganho óptico para equalização espectral das potências ópticas em

conjunto com uma técnica de equalização temporal, no caso a técnica baseada no EDPO, é

sugerida.

Foi simulado também um sistema onde há apenas canais retirados ao longo da Rede

GIGA de maneira a se verificar o efeito de transientes de potência no sistema. A utilização de

uma técnica de controle baseada no laser de bombeamento atuando em conjunto com a

técnica de planificação de ganho, otimizou o desvio de potência para este caso. O valor do

desvio entre os sete canais remanescentes diminuiu de 20,3 dB no caso sem qualquer tipo de

equalização para 1,3 dB.

Os resultados obtidos neste trabalho apontam para utilização de técnicas diferentes,

dependendo das características do enlace, para contornar os efeitos degradantes na

transmissão de portadoras ópticas em sistemas WDM em comprimentos de onda da janela de

1530 nm. Para enlaces estáticos (sem OADM) sugere-se a utilização de uma técnica de

planificação de ganho apenas. Para redes com substituição de canais, ou seja, variações de

potência grandes, a sugestão é da utilização de uma técnica de planificação de ganho em

conjunto com uma técnica para equalização de potência de maneira à suprir as

“desequalizações” temporais e espectrais do sinal. E para sistemas onde existe um forte efeito

de transientes de ganho, como pelo desligamento de canais ao longo da rede, a sugestão é de

utilizar-se uma técnica de controle automático de transientes estrategicamente posicionada de

modo a suprimir estas oscilações e uma técnica de planificação de ganho para manter o

patamar das potências das portadoras constante em toda sua extensão.

Como trabalhos futuros sugere-se a aplicação de outras técnicas para planificação de

ganho para a Rede GIGA e a planificação de ganho em sistemas dinâmicos constituídos por

outros tipos de amplificadores ópticos: Raman, SOA, entre outros, e a combinação destas

técnicas com as de equalização de potência óptica e controle de transientes.

Sugere-se também, o estudo de planificação de ganho e equalização de potência na

Rede GIGA utilizando-se 16 canais ou mais e como isto se somaria ao gerenciamento da

dispersão para o sistema operando a 10 Gbps. E, ainda, a implementação prática das

configurações desenvolvidas neste trabalho.

80

5.1 ARTIGOS ACEITOS EM CONGRESSOS

CORADIN, R. H., POHL, A. A. P., Análise do Aplainamento de Ganho Óptico e da

Equalização de Potência em Sistemas WDM, XXVI Simpósio Brasileiro de

Telecomunicações - SBrT’08, 02-05 de Setembro de 2008, Rio de Janeiro, RJ.

81

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88

RESUMO:

Neste trabalho são estudadas e comparadas as principais técnicas utilizadas para o controle

das degradações sofridas pelos sinais ópticos em sistemas WDM no que se refere ao uso de

EDFAs. O problema da não-uniformidade do seu perfil de ganho, o desnível de potências

causados por variações aleatórias no seu sinal de entrada e a influência dos transientes de

potência óptica na rede são abordados. As técnicas de planificação de ganho utilizando

grades de Bragg, de equalização de potência baseada em atenuadores ópticos variáveis e de

controle de transientes utilizando o método de controle automático do laser de

bombeamento são analisadas isoladamente e em atuação conjunta utilizando o software

para simulação de enlaces ópticos VPI®. As simulações reproduzem o ambiente da rede de

desenvolvimento GIGA, que interliga instituições de ensino brasileiras, e permitem que

seja proposta uma configuração na qual os desníveis de OSNR e potência óptica dos canais

em sua recepção sejam minimizados.

PALAVRAS-CHAVE

Redes WDM, Amplificadores à Fibra Dopada com Érbio, Dispositivos Fotônicos.

ÁREA/SUB-ÁREA DE CONHECIMENTO

3.04.00.00-7: Engenharia Elétrica

3.04.06.00-5: Telecomunicações

3.04.06.03-0: Descrição: Sistemas de Telecomunicações

.

2007

Nº: 462

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