Neste trabalho, apresentamos inicialmente a implementação, no software PC-Simfo, de um algoritmo numérico eficiente capaz de simular os efeitos das não-linearidades em fibras ópticas monomodo. Para realizar esta tarefa, consideramos a Equação Não-Linear Generalizada de Schrödinger [184-186], que dentro de certas aproximações descreve a propagação de pulsos por fibras ópticas, e a resolvemos através do método de Split-Step Fourier [188-193].
O algoritmo implementado permite a descrição adequada do comportamento de pulsos com duração mínima de 50 fs e nos quais a polarização seja mantida durante a propagação. A implementação foi extensivamente testada e sempre mostrou uma excelente concordância com resultados da literatura no que diz respeito à atuação dos efeitos de Atenuação, Dispersões de Primeira e Segunda Ordem, Automodulação de Fase, Modulação Cruzada de Fase, Instabilidade Modulacional, Mistura de Quatro Ondas, Self-Steepening e Auto-Desvio de Freqüência.
Entretanto, como é baseado na solução da ENLGS, o modelo não prevê a descrição dos efeitos de Dispersão dos Modos de Polarização (PMD- Polarization Mode Dispersion), do Espalhamento Brillouin Estimulado e do Espalhamento Raman Estimulado. A inclusão destes efeitos, em um futuro próximo, é fortemente considerada.
A PMD poderá ser incluída através da solução de duas ENLGSs acopladas, uma descrevendo a propagação ao longo do eixo lento e outra ao longo do eixo rápido da fibra. Os efeitos de SBS e SRS poderão ser introduzidos a partir dos parâmetros de ganho Raman e Brillouin. Como estes parâmetros dependem do comprimento de onda e são característicos de cada tipo de fibra, uma possibilidade é permitir que o usuário alimente o PC-Simfo com uma tabela que descreva os espectros de ganho Raman e Brillouin da fibra a ser considerada. Além disto, para poder descrever corretamente o SBS nosso modelo deverá, de alguma forma, suportar a propagação de sinais na direção reversa.
O algoritmo implementado também foi elaborado de forma a realizar um número mínimo de operações dentro de determinadas classes típicas de simulações. Assim, dependendo dos parâmetros de entrada fornecidos pelo usuário, alguns cálculos previstos pela ENLGS são desprezados e o tempo de simulação é consideravelmente reduzido.
Durante este trabalho de implementação e testes, acreditamos ter apresentado duas contribuições que, até o ponto que conhecemos, não são abordadas pela literatura.
A primeira delas diz respeito ao estabelecimento de limites mínimo e máximo para o valor do passo longitudinal do método de Split-Step Fourier. Como discutido no Capítulo 3, a existência de um passo mínimo a partir do qual o método de SSF torna-se fisicamente justificável viabiliza a adoção de um critério de comparação com resultados obtidos a partir da escolha de uma determinada fase não-linear arbitrária. O problema desta estratégia é que as simulações realizadas com passo mínimo podem durar alguns dias, com os recursos computacionais disponíveis no momento (por exemplo, em um Pentium III, com 700 MHz de clock e 128 Mbytes de memória RAM).
Além disso, no mesmo Capítulo 3, descrevemos como os passos mínimo e máximo podem ser utilizados para a obtenção de uma fase não-linear média. Esta fase não-linear média pode ser utilizada por usuários que não tenham experiência com o método de Split-Step Fourier para obter resultados confiáveis na simulação.
A desvantagem deste procedimento é, novamente, o elevado tempo computacional. Apesar disso, a crescente evolução no desempenho dos microprocessadores deve viabilizar, nos próximos anos, a utilização desta fase não-linear média. Sei isso realmente ocoorer, é possível que este procedimento se torne atrativo até mesmo para usuários experientes, conseqüentemente, a determinação da fase não-linear poderá se tornar transparente aos usuários.
A segunda contribuição que acreditamos ter apresentado é relativa à proposta para multiplexação óptica de canais discutida no Capítulo 5. Podemos considerar que esta proposta foi motivada e fundamentada, principalmente, por três trabalhos da literatura.
No primeiro, Ono et al. [160] discutem possibilidades para aumentar a eficiência espectral de sistemas WDM. Entre estas possibilidades, a utilização de codificações diferentes da OOK despertou nosso interesse. A seguir, o trabalho de Walklin et al. [162], que apresenta uma análise teórica e experimental detalhada da utilização de diferentes formas de codificação óptica, foi extremamente importante para nos assegurar da viabilidade experimental da transmissão de sinais multiníveis. Por fim, a utilização de fibras altamente não-lineares como dispositivos ópticos seguiu a sugestão de Aso et. al [102], que as utilizava como conversores de comprimento de onda. Obviamente, estes trabalhos nos remeteram a vários outros [153]- [172] sobre os mesmos assuntos, que também nos forneceram subsídios valiosos para a realização de nossa pesquisa.
Nossa proposta, entretanto é original à medida em que sugere a multiplexação óptica de canais através da FWM. A idéia por trás dessa proposta parte do fato que dois canais co-
propagantes em uma fibra óptica monomodo gerarão, através da Mistura de Quatro Ondas, canais laterais que devem conter informação sobre os bits transmitidos nos dois canais geradores.
Isso não ocorre nos sistemas de comunicações óptica atuais devido à utilização da codificação OOK e, também, ao fato de a potência gerada nos canais laterais ser proporcional ao produto entre as potências dos canais geradores. Portanto, nossa proposta requer que a codificação OOK tenha a potência do bit 0 alterada para um valor não-nulo, a fim de que a multiplexação óptica torne-se possível.
Conseqüentemente, os canais gerados pela multiplexação óptica através da Mistura de Quatro Ondas terão quatro níveis possíveis de potência, correspondendo a uma codificação ASK- 4, estudada em detalhes em [162]. A principal vantagem desta codificação é o aumento na eficiência espectral, proporcionado aos sistemas de comunicações ópticas.
Demonstramos, através de simulações, a possibilidade de realização dessa proposta e apresentamos um estudo sobre os níveis de potência que devem ser utilizados na transmissão dos sinais ASK-4 gerados. Esse estudo também indicou a viabilidade da transmissão dos sinais ASK- 4, gerados a partir de nossa proposta, por enlaces de até 100km de comprimento em fibras DS em sistemas WDM de dois canais. Mostramos, também, que os critérios de recepção óptica estabelecidos por Walklin et al. [162] perdem a validade nos casos que a transmissão do sinal ASK-4 ocorre sob a influência de efeitos não-lineares.
Nossa proposta pode ser questionada quanto à elevada taxa de extinção dos sinais ASK-4 gerados pela multiplexação óptica. Isso porque essa condição requer que, para mantermos uma taxa de erros aceitável, trabalhemos com potências relativamente altas. Dessa forma, os efeitos não-lineares desempenharão um papel bastante relevante durante a propagação dos pulsos e, o conseqüente aumento da penalidade induzido por esses efeitos, diminuirá a distância de propagação do sinal. Esse problema pode ser relaxado com a utilização de fibras com baixo coeficiente não-linear, que começam a se tornar populares atualmente.
É importante ressaltar que em algumas simulações nós admitimos potências relativamente altas para os sinais ASK-4
(
10~20mW)
. Essas potências são maiores que a potência de limiar de Brillouin e, conseqüentemente, o SBS deveria ser considerado em nossas simulações. Entretanto, como comentado acima, este efeito não é descrito pela ENLGS utilizada em nossa implementação. A validade dessas simulações necessita que técnicas para elevar a potência deA multiplexação óptica de canais proposta e demonstrada está fundamentada em equações matemáticas bastante conhecidas [78], [85] e nossas simulações corroboraram as expectativas teóricas previstas por estas equações. Contudo, entre outros problemas, um sistema de simulações fornece resultados apenas para um conjunto fixo de parâmetros de entrada, que podem variar randomicamente em um sistema real [70]. Assim, a avaliação da aplicabilidade da estratégia proposta depende fortemente da confrontação com resultados experimentais.
Dessa forma, embora nosso grupo não disponha de laboratórios para a realização destes experimentos, acreditamos que a realização de experimentos relativos à técnica sugerida constitua uma extensão natural para uma possível continuidade de nosso trabalho. De fato, começamos a contatar outros grupos de pesquisa que possam colaborar para a execução desses experimentos.
Por outro lado, a pesquisa apresentada nesta tese esteve alinhada com a necessidade inicial e corrente de elaboração e validação de modelos que simulem a atuação de sistemas de comunicação óptica no PC-Simfo. É bastante provável que a maturidade que está sendo atingida pelo PC-Simfo permita que os futuros estudantes do LTF utilizem este software apenas como ferramenta para a pesquisa em comunicações ópticas e/ou efeitos não-lineares. Assim, possivelmente, os resultados experimentais poderão ter maior destaque.
Além disso, segundo nossa visão, um dos principais objetivos de softwares de simulação é a sua utilização para demonstrar, de forma rápida e econômica, a realização de propostas teóricas e optamos por seguir essa linha em nossa pesquisa.
Para finalizar, além de experimentos para verificar a validade de nossa proposta para realização da multiplexação óptica de canais, vários outros pontos são pensados para a continuidade de nossa pesquisa. Entre eles destacamos: a continuação dos estudos sobre a adequação dos níveis de potência do sinal ASK-4, gerados pela multiplexação óptica sugerida; a influência da utilização de amplificadores ópticos em cascata e de fibras de compensação de dispersão nos sistemas sugeridos; a inclusão de ruído em nossas simulações; levantamento sobre o tipo de fibra que torne a propagação dos sinais ASK-4, com taxa de extinção finita, mais viável; a possível geração de sinais duobinários através da Mistura de Quatro Ondas; o impacto dos canais propostos em sistemas WDM que suportem, também, a propagação de canais OOK e impacto da conversão de comprimento de onda decorrente da multiplexação no gerenciamento de tráfego de redes ópticas.
Publicações e Apresentações em Conferências durante o Doutorado:
1- - I.E. Fonseca, E. Moschim, M.L.F. Abbade, “Optical multiplexing through FWM in highly
nonlinear fibers: a novell device,” aceito para apresentação no ITS 2002. (Na data da defesa da tese, 20 de dezembro de 2001, esse trabalho estava em fase final de redação).
2- E. Moschim, M.L.F. Abbade, I.E. Fonseca, “Competition between FWM dynamics and modulational instability in dispersion shifted fibers,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, no 1, pp. 36-38, Jan. 2002. (Na data da defesa da tese, esse trabalho já havia sido aceito para publicação).
3- I.E. Fonseca, E. Moschim, M.L.F. Abbade, “Instabilidade modulacional em fibras de dispersão deslocada: influência da dinâmica da FWM e da compensação de dispersão,” 19o Simpósio Brasileiro de Telecomunicações, Sep. 2001.
4- M.L.F. Abbade, I.E. Fonseca, E. Moschim, “Influence of FWM dynamics on modulational instability in dispersion shifted fibers,” International Microwave and Optoeletronics Conference, Aug. 2001.
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