Universidade de Aveiro Departamento de Física 2002 Paulo Sérgio Componentes optoelectrónicos para redes fotónicas de Brito André de alto débito Universidade de Aveiro Departamento de Física 2002 Paulo Sérgio Componentes optoelectrónicos para redes fotónicas de Brito André de alto débito dissertação apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos requisitos necessários à obtenção do grau de Doutor em Física, realizada sob a orientação científica do Doutor João de Lemos Pinto, Professor Catedrático do Departamento de Física da Universidade de Aveiro o júri presidente Doutor José Joaquim Cristino Teixeira Dias Professor Catedrático da Universidade de Aveiro Doutor José Rodrigues Ferreira da Rocha Professor Catedrático da Universidade de Aveiro Doutor João de Lemos Pinto Professor Catedrático da Universidade de Aveiro Doutor Henrique José Almeida da Silva Professor Associado da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra Doutor José Luís Campos de Oliveira Santos Professor Auxiliar da Faculdade de Ciências da Universidade do Porto Doutor José Maria Longras Figueiredo Professor Auxiliar da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade do Algarve Doutor Armando Humberto Moreira Nolasco Pinto Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro agradecimentos O trabalho apresentado nesta tese contou com a contribuição de enúmeras pessoas e instituições. Sem menosprezar todas as contribuições, gostaria de referir as mais substanciais. Em primeiro lugar, ao meu orientador Prof. Doutor João de Lemos Pinto pela oportunidade, pelo apoio e empenho pessoal manifestado e pela confiança em mim demonstrada nos últimos anos. Ao Prof. Doutor José Ferreira da Rocha por todo o apoio e confiança em mim colocada, nomeadamente, na atribuição da bolsa de doutoramento. Agradeço ao Prof. Doutor Hypolito Kalinwshoki pelas condições fornecidas e pela contribuição no estudo de redes de Bragg, enquanto visitei o Centro Federal de Tecnologia do Paraná. Aos meus colegas e amigos Prof. Doutor António Teixeira e Prof. Doutor Armando Nolasco Pinto pelo incansável apoio no decurso desta tese. À Dr. Teresa Almeida, ao Mestre Marcelino Pousa, ao Eng. Fernando Morgado e ao Mestre Rui Sá da Portugal Telecom Inovação pelo imenso apoio que me deram na implementação e testes laboratoriais. À Profª. Doutora Maria do Carmo Madeiros da Universidade do Algarve por tudo o que me transmitiu no estudo de amplificadores ópticos semicondutores. À Mestre Rosário Correia do Departamento de Física da Universidade de Aveiro pela ajuda na realização das medidas laboratoriais de Raman. Ao Prof. Doutor Paulo Monteiro pelos ensinamentos que me transmitiu desde que cheguei ao Instituto de Telecomunicações na área das altas frequências, e pelo apoio que sempre me dispensou. Ao Eng. Orlando Frazão do INESC-Porto pela contribuição no estudo de redes de Bragg gravadas em fibras ópticas. Os meus agradecimentos são também, dirigidos a todos os colegas e funcionários do Instituto de Telecomunicações por todo o apoio prestado. Gostaria de entre estes referir as contribuições do Mestre Mário Lima, Eng. Rogério Nogueira, Mestre Mário Rui, Prof. Doutor Nuno Borges, Mestre Paulo Almeida, Mestre Tiago Maia, Eng. Jorge Pinto e Mestre Pedro Tavares. Gostaria ainda de agradecer às seguintes instituições: à Universidade de Aveiro e ao Instituto de Telecomunicações – Aveiro, onde foi realizado o trabalho científico aqui descrito; ao Centro Federal de Tecnologia do Paraná no Brasil que me acolheu temporariamente; à Fundação para a Ciência e Tecnologia que através do Programa PRAXIS XXI, e do projecto DAWN, providenciou os recursos financeiros necessários à minha manutenção mensal, ao pagamento das propinas e à participação em diversas conferências cientificas; ao INESC-Porto e à PUC – Rio de Janeiro pelo fornecimento de redes de Bragg; à Portugal Telecom Inovação pela disponibilização de condições materiais e equipamento utilizados e à Portugal Telecom que contribuiu indirectamente através do financiamento de diversos projectos de investigação e desenvolvimento (EMITON, CAMADA, O-NODE, ANDES), onde foi possível realizar parte do trabalho científico aqui apresentado. À Maria Rute, pela paciência demonstrada e pelo apoio na redacção desta tese. Para todos, um bem haja. Paulo André resumo O presente trabalho tem por objectivo o estudo dos diversos componentes optoelectrónicos que constituem uma rede fotónica, com vista ao aumento da flexibilidade, débito, conectividade e desempenho. Para tal, são analisados os blocos e funções essenciais que permitem a implementação de uma rede óptica transparente e multiplexada no comprimento de onda. Inicialmente, caracterizaram-se os diversos componentes optoelectrónicos envolvidos em redes ópticas multicomprimento de onda, tendo-se dado uma ênfase especial ao meio de transporte de informação, nomeadamente, às propriedades não lineares das fibras ópticas. Foi implementado laboratorialmente um demonstrador de um nó óptico de extracção e inserção de canais sintonizável, baseado numa rede de Bragg gravada em fibra óptica, tendo esta configuração de nó evoluído para um estágio de protótipo comercial. Foi, também, implementado um demonstrador de um nó óptico de cruzamento de canais, completamente reconfigurável baseado em componentes discretos disponíveis comercialmente, onde se demonstra uma arquitectura estritamente não bloqueante. Foram estudadas as diversas técnicas de conversão de comprimento de onda e implementado um módulo capaz de realizar conversão de comprimentos de onda, no domínio óptico e independente do ritmo e formato de modulação, que suporta ritmos de transmissão de 2.5 Gbit/s, baseado na modulação cruzada do ganho num amplificador óptico semicondutor reflectivo. Por fim, foi desenvolvida uma metodologia transparente de análise do desempenho em sistemas de comunicações ópticas utilizando amostragem assíncrona. Foi derivado um modelo para os histogramas assíncronos em função das características dos impulsos, tendo-se implementado um módulo de análise de qualidade de serviço de uma rede óptica. abstract The present work intends to study several optoelectronic components used in a high speed photonic network, in order to increase flexibility, debit, connectivity and performance. The basic essentials blocks and functions to the implementation of a transparent and wavelength multiplexed optical network are analysed. Initially, the optolectronic components typically used in a multiwavelength network are characterised. A specific emphasis is focused on the transport medium, mainly the non-linear proprieties of the optical fibres. A tunable optical add-drop multiplexer node demonstrator based in a fibre Bragg grating was experimentally implemented. A completely reconfigurable optical cross connect based on commercially available discrete components was also implemented where a strictly non blocking architecture was demonstrated. Several optical wavelength conversion techniques were studied and a wavelength conversion module working on the optical domain, independent of the bitrate and signal format which support a 2.5 Gbit/s bitrate was implemented. This module is based on the cross gain modulation in a semiconductor optical reflective amplifier. An optical performance monitoring transparent methodology using asynchronous sampling was developed. A numerical model for the asynchronous histograms based on the optical pulses characteristics was derived. An optical network quality of service analysing module was implemented. índice o júri agradecimentos resumo abstract índice glossário de acrónimos constantes fundamentais Capítulo 1. Introdução 1.1 Enquadramento, motivação e objectivos 1 1.2 Perspectiva histórica dos sistemas de comunicações ópticas 5 1.3 Estado actual da tecnologia 7 1.4 Organização da tese 9 1.5 Principais contribuições 11 1.6 Referências 12 Capítulo 2. Fibra óptica 2.1 Introdução 19 2.2 Perspectiva histórica 21 2.3 Propagação de ondas electromagnéticas em fibras ópticas 22 2.3.1 Equações de Maxwell 23 2.3.2 Modos de propagação na fibra 28 2.3.3 Fibra monomodo 31 2.3.3.1 Determinação da área eficaz da fibra 35 2.3.4 Efeitos não lineares de ordem superior 37 2.4 Propriedades lineares 40 2.4.1 Atenuação 41 2.4.1.1 Medição da atenuação 44 2.4.2 Dispersão cromática 46 2.4.2.1 Medição da dispersão cromática 50 2.4.3 Birrefringência 54 2.4.3.1 Medição da birrefringência 59 2.5 Propriedades não lineares 64 2.5.1 Dispersão inelástica estimulada 64 2.5.1.1 Dispersão estimulada de Brillouin 65 2.5.1.1.1 Medição do coeficiente de ganho de Brillouin 69 2.5.1.2 Dispersão estimulada de Raman 75 2.5.1.2.1 Medição do coeficiente de ganho de Raman 78 2.5.2 Índice de refracção não linear 85 2.5.2.1 Auto modulação de fase 86 2.5.2.2 Modulação cruzada de fase 86 2.5.2.3 Mistura de quatro ondas 89 2.5.2.3.1 Determinação do índice de refracção não linear 92 2.6 Modelização da fibra óptica 95 2.7 Tipos de fibra utilizados na transmissão 98 2.8 Conclusão 100 2.9 Referências 101 Capítulo 3. Componentes optoelectrónicos 3.1 Introdução 109 3.2 Laser semicondutor 110 3.2.1 Equações de taxa 111 3.2.2 Caracterização do laser 115 3.2.3 Simulação 124 3.3 Moduladores electro-ópticos 131 3.3.1 Caracterização do modulador 132 3.3.2 Compensação da dispersão cromática 137 3.3.2.1 Verificação experimental 140 3.4 Amplificadores ópticos de fibra dopada com Érbio (EDFA) 141 3.4.1 Estrutura e princípios de funcionamento 142 3.4.2 Caracterização 148 3.5 Receptor óptico 153 3.5.1 Fotodetector 154 3.5.2 Caracterização do receptor 158 3.6 Filtros ópticos 160 3.6.1 Filtros não integrados na fibra 160 3.6.1.1 Filtro interferométrico de cavidade Fabry-Perot 160 3.6.1.2 Filtro baseado em redes de difracção 162 3.6.1.3 Filtro baseado em camadas periódicas dieléctricas 163 3.6.2 Redes de Bragg gravadas em fibras ópticas 164 3.6.2.1 Fundamentos das redes de Bragg 165 3.6.2.2 Caracterização 173 3.7 Conclusão 178 3.8 Referências 178 Capítulo 4. OADM - Nó óptico de extracção e inserção de canais 4.1 Introdução 185 4.2 Especificação de um arquitectura para o OADM 186 4.3 Implementação e teste do OADM 188 4.4 OADM selectivo 195 4.5 Protótipo de um OADM 201 4.5.1 Definição do cenário de simulação 202 4.5.2 Características requeridas para o OADM 203 4.5.3 Implementação e testes de caracterização do protótipo 207 4.6 Conclusão 210 4.7 Referências 210 Capítulo 5. OXC - Nó óptico de cruzamento de canais 5.1 Introdução 213 5.2 Especificação das funcionalidades do OXC a implementar 215 5.3 Implementação física do OXC 223 5.3.1 Tempo de configuração 224 5.3.2 Perdas de inserção 225 5.3.3 Capacidade de configuração 226 5.3.4 Degradação da relação sinal/ruído óptica 229 5.3.5 Degradação da taxa de erro do bit 231 5.4 Simulação do OXC 235 5.4.1 Taxa de erro do bit 235 5.4.2 Encadeamento 237 5.5 Conclusão 239 5.6 Referências 240 Capítulo 6. Conversão óptica de comprimento de onda 6.1 Introdução 243 6.2 Técnicas de conversão de comprimento de onda 244 6.3 Modulação cruzada do ganho 247 6.4 Implementação experimental 251 6.4.1 Caracterização do RSOA 251 6.4.2 Análise do desempenho da XGM 256 6.5 Conclusão 261 6.6 Referências 262 Capítulo 7. Monitorização óptica do desempenho 7.1 Introdução 265 7.2 Avaliação do desempenho de sistemas digitais 266 7.3 Monitorização óptica 270 7.4 Histogramas de amplitude assíncronos 273 7.4.1 Factor Q assíncrono 274 7.4.2 Modelo para histogramas assíncronos 277 7.4.3 Factor Q assíncrono na presença de degradação da forma do impulso 285 7.4.4 Estimativa da BER 290 7.5 Conclusão 293 7.6 Referências 293 Capítulo 8. Conclusões e trabalho futuro 8.1 Conclusões do trabalho realizado 297 8.2 Sugestões de trabalho futuro 299 Anexos Anexo A – Potência óptica em dBm 301 Anexo B - Propriedades fisicas da Sílica 302 Anexo C - Esfera de Poincaré 303 Anexo D - Plano da ITU de alocação de frequências 305 glossário de acrónimos ac Alternate Current Corrente alternada (análise em frequência) ASE Amplified Spontaneous Emission (noise) Emissão espontânea amplificada (ruído) ATM Asynchronous Transfer Mode Modo de transferência assíncrono AWG Arrayed Waveguide Grating Rede de difracção baseada em agregados de guias de onda BER Bit error ratio Taxa de erro do bit cc Complexo Conjugado CW Continuous Wave Sinal em contínuo DBR Distributed Bragg Reflector Reflector de Bragg distribuido (laser) dc Direct Current Corrente contínua (análise em contínuo) DCF Dispersion Compensation Fibre Fibra para a compensação de dispersão DEMUX Demultiplexer Desmutiplexador DEP Densidade Espectral de Potência DFB Distributed Feed Back Realimentação distribuída (laser) DSF Dispersion Shifted Fibre Fibra de dispersão deslocada EDFA Erbium Doped Fibre Amplifier Amplificador óptico de fibra dopada com Érbio FEC Forward Error Correction Código corrector de erros FBG Fibre Bragg Grating Rede de Bragg gravada em fibra óptica FSR Free Spectral Range Intervalo espectral livre FWM Four Wave Mixing Mistura de quatro ondas GVD Group Velocity Dispersion Dispersão da velocidade de grupo Im Componente Complexa (do argumento)