BR102021022826A2

BR102021022826A2 - METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE COEFFICIENT OF NONLINEARITY OF THE INDEX OF REFRACTION OF SINGLE MODE OPTICAL GUIDES.

Info

Publication number: BR102021022826A2
Application number: BR102021022826-1A
Authority: BR
Inventors: Carine Mineto; Fábio Donati Simões; Lucas Silva Schanner; Luís Gustavo Maciel Riveros; Rafael Carvalho Figueiredo; Tiago Sutili
Original assignee: Fundacao Cpqd - Centro De Pesquisa E Desenvolvimento Em Telecomunicacoes
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-30

Abstract

Inseridos nos campos da Engenharia de Telecomunicações e da Metrologia, baseado em transmissão de sinal óptico modulado senoidalmente em baixa frequência, recuperado por receptor coerente com sinal de referência como oscilador local e pós-processado digitalmente para mensuração do desvio de fase não linear em função da potência instantânea e consequente estimação do parâmetro não linear do índice de refração.

Inserted in the fields of Telecommunications Engineering and Metrology, based on transmission of a sinusoidally modulated optical signal at low frequency, recovered by a coherent receiver with a reference signal as a local oscillator and digitally post-processed for measuring the non-linear phase shift as a function of the instantaneous power and consequent estimation of the non-linear parameter of the refractive index.

Description

METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING THE COEFFICIENT OF NONLINEARITY OF THE INDEX OF REFRACTION OF SINGLE MODE OPTICAL GUIDES.

[001] Trata o presente relatório descritivo de um aparato para medições e método para a determinação do índice de refração não linear de fibras ou guias ópticos com base na caracterização de uma luz monocromática, na faixa de comprimentos de onda desejada, após sua propagação pelo material sob teste. Como princípio de funcionamento, o invento mede a variação instantânea de fase de um sinal sonda em função da potência desse mesmo sinal lançada no guia óptico em teste, a partir da qual é deduzido o índice de refração efetivo do guia óptico em teste. A invenção também tem por propósito a redução da complexidade do arranjo experimental e dos algoritmos de pós-processamento para a aquisição e processamento das informações coletadas durante a medição, bem como a complexidade e os requisitos técnicos do aparato usado na geração dos sinais ópticos. Como reflexo dessa redução de complexidade, consegue-se uma redução nos custos dos insumos, do espaço ocupado e do tempo de execução das medições. Por fim, outro propósito da invenção é a possibilidade da determinação de termos de ordem mais elevada do coeficiente de não linearidade do índice de refração do guia óptico em teste ou material testado.[001] This descriptive report deals with an apparatus for measurements and method for determining the non-linear refractive index of fibers or optical guides based on the characterization of a monochromatic light, in the desired wavelength range, after its propagation through the material under test. As a working principle, the invention measures the instantaneous phase variation of a probe signal as a function of the power of that same signal launched into the optical guide under test, from which the effective refractive index of the optical guide under test is deduced. The invention also has the purpose of reducing the complexity of the experimental arrangement and of the post-processing algorithms for the acquisition and processing of information collected during the measurement, as well as the complexity and technical requirements of the apparatus used in the generation of optical signals. As a result of this reduction in complexity, there is a reduction in the cost of inputs, the space occupied and the time taken to carry out the measurements. Finally, another purpose of the invention is the possibility of determining higher order terms of the coefficient of non-linearity of the refractive index of the optical guide under test or tested material.

APPLICATION FIELD

[002] O método e aparato de medição do coeficiente de não linearidade do índice de refração de guias ópticos monomodo, objeto da presente invenção, se insere no campo da Engenharia de Telecomunicações e da Metrologia, mais precisamente, nas subáreas de comunicações ópticas, dispositivos ópticos e física dos materiais. Especificamente, consiste em uma metodologia e aparato para a medição do coeficiente de não linearidade (comumente denominado n2) do tipo Kerr em substratos de sílica (como, especificamente, é o caso das fibras ópticas empregadas em sistemas de transmissão de sinais fotônicos de alta capacidade), mas não limitada a essa aplicação, podendo ser expandido para a caracterização de outros materiais de interesse. Para tanto, o objetivo central da invenção é prover uma técnica de medição e arranjo experimental que permita medir a variação do índice de refração de um guia óptico em função da potência óptica aplicada. Essa técnica faz uso de uma montagem relativamente simples, trabalhando em frequências na faixa das dezenas de megahertz (MHz), com baixos níveis de potências ópticas e com possibilidade de medição dos termos não lineares de mais alta ordem, além de boa precisão e reprodutibilidade nos resultados. Após a aquisição dos dados, a metodologia permite a determinação dos parâmetros desejados fazendo uso de etapas de processamento digital de sinais de baixa complexidade, as quais podem ser implementadas em qualquer linguagem de programação ou, até mesmo, em planilhas eletrônicas. A principal aplicação deste método de medição do índice de refração não linear se dá na caracterização de guias ópticas dos mais diversos tipos: fibras de propagação, de compensação de dispersão cromática, dopadas ou de alta não linearidade, além de qualquer outro material pelo qual a luz se propague.[002] The method and apparatus for measuring the non-linearity coefficient of the refractive index of single-mode optical guides, object of the present invention, falls within the field of Telecommunications Engineering and Metrology, more precisely, in the subareas of optical communications, optical devices and material physics. Specifically, it consists of a methodology and apparatus for measuring the coefficient of non-linearity (commonly called n2) of the Kerr type in silica substrates (as, specifically, is the case of optical fibers used in high-capacity photonic signal transmission systems), but it is not limited to this application, and can be expanded to the characterization of other materials of interest. Therefore, the central objective of the invention is to provide a measurement technique and experimental arrangement that allows measuring the variation of the refractive index of an optical guide as a function of the applied optical power. This technique makes use of a relatively simple setup, working at frequencies in the range of tens of megahertz (MHz), with low levels of optical power and with the possibility of measuring higher order nonlinear terms, in addition to good precision and reproducibility of the results. After data acquisition, the methodology allows the determination of the desired parameters using low-complexity digital signal processing steps, which can be implemented in any programming language or even in electronic spreadsheets. The main application of this method of measuring the non-linear refractive index is in the characterization of optical guides of the most diverse types: propagation fibers, chromatic dispersion compensation, doped or high non-linearity fibers, in addition to any other material through which light propagates.

OBJECTIVE OF THE INVENTION

[003] A presente invenção tem por objetivo propor um método de medição do coeficiente de índice de refração não linear (n2) de um guia óptico, podendo também ser usada como ferramenta para mensurar efeitos físicos que induzam variações de tal índice de refração, como, por exemplo, estresse mecânico, térmico e/ou campo magnético. Para tanto, o procedimento de medição proposto permite determinar as variações de fase causadas a um sinal sonda propagando-se em um guia óptico de teste, praticamente em tempo real. Esse procedimento faz uso de equipamentos facilmente encontráveis no mercado, em laboratórios acadêmicos, industriais ou de pesquisa.[003] The present invention aims to propose a method of measuring the non-linear refractive index coefficient (n2) of an optical guide, which can also be used as a tool to measure physical effects that induce variations in such refractive index, such as, for example, mechanical, thermal and/or magnetic field stress. Therefore, the proposed measurement procedure allows determining the phase variations caused to a probe signal propagating in an optical test guide, practically in real time. This procedure makes use of equipment that is easily available on the market, in academic, industrial or research laboratories.

[004] Destaca-se que o método objetiva a realização de tal caracterização empregando uma montagem de custo reduzido, especialmente quando comparada a outras metodologias, como as baseadas na medição do espectro óptico do sinal sonda ou aquelas que dependem da geração de pulsos ópticos de curta duração (centenas de picossegundos ou menos). Adicionalmente, ressalta-se também que o método proposto não depende de calibrações prévias baseadas em guias ópticos cujo índice de refração não linear em função da potência aplicada seja conhecido a priori. De modo complementar, outro objetivo da invenção é permitir que a execução das medições seja realizada empregando níveis de potência de sinal sonda bastante reduzida em comparação a outros métodos previamente propostos na literatura técnica. Por fim, a invenção proposta também objetiva viabilizar a aquisição de uma base de dados experimentais bastante grande, permitindo melhorar ainda mais a precisão das medidas por meio do cálculo da média dos resultados obtidos em uma única varredura de duração curta.[004] It should be noted that the method aims to carry out such characterization using a low-cost assembly, especially when compared to other methodologies, such as those based on measuring the optical spectrum of the probe signal or those that depend on the generation of short-duration optical pulses (hundreds of picoseconds or less). Additionally, it is also emphasized that the proposed method does not depend on previous calibrations based on optical guides whose non-linear refractive index as a function of the applied power is known a priori. Complementarily, another objective of the invention is to allow the execution of the measurements to be carried out using very low probe signal power levels compared to other methods previously proposed in the technical literature. Finally, the proposed invention also aims to enable the acquisition of a very large experimental database, allowing to further improve the accuracy of measurements by calculating the average of the results obtained in a single scan of short duration.

PROBLEM TO BE RESOLVED

[005] O atual estado da técnica para sistemas ópticos de comunicação faz uso de formatos de modulação de alta complexidade em altas taxas de símbolos (resultando em canais ópticos com capacidade de transmissão de centenas de gigabits por segundo) multiplexados em polarização e em comprimento de onda (ocupando centenas de nanômetros de espectro), de modo a resultar em capacidades agregadas de centenas de terabits por segundo por guia óptico. Os avanços científicos e tecnológicos que permitiram tais sistemas são fruto, em grande medida, do refinamento das técnicas de mitigação e controle de efeitos degradantes de natureza linear e não linear, as quais exploram desde o projeto e manufatura de componentes ópticos e elétricos com melhor desempenho, até o uso de algoritmos de processamento digital de sinais especialmente desenvolvidos para tal fim.[005] The current state of the art for optical communication systems makes use of highly complex modulation formats at high symbol rates (resulting in optical channels with a transmission capacity of hundreds of gigabits per second) multiplexed in polarization and wavelength (occupying hundreds of nanometers of spectrum), in order to result in aggregate capacities of hundreds of terabits per second per optical guide. The scientific and technological advances that have allowed such systems are largely the result of the refinement of techniques for mitigating and controlling degrading effects of a linear and non-linear nature, which range from the design and manufacture of optical and electrical components with better performance, to the use of digital signal processing algorithms specially developed for this purpose.

[006] Apesar de tais esforços, sistemas ópticos de alta capacidade ainda são fundamentalmente limitados por efeitos deletérios de natureza não linear, os quais geram interdependência entre a fase e a amplitude do próprio canal ou de canais vizinhos, gerando um embaralhamento nas informações codificadas intracanal ou entre canais adjacentes. Um dos parâmetros fundamentais para o entendimento, mensuração e compensação de tais fenômenos é o coeficiente de refração não linear, o qual dá a intensidade da distorção de fase imposta a determinado sinal em função da potência óptica total propagada pelo guia de onda a cada instante. Dessa forma, métodos que permitam a mensuração completa e precisa de tal parâmetro de forma rápida, barata e confiável são cruciais para a caracterização de fibras ópticas e/ou guias de onda a serem empregados para a transmissão de canais ópticos de alta capacidade.[006] Despite such efforts, high-capacity optical systems are still fundamentally limited by deleterious effects of a non-linear nature, which generate interdependence between the phase and amplitude of the channel itself or neighboring channels, generating a scrambling of intrachannel encoded information or between adjacent channels. One of the fundamental parameters for understanding, measuring and compensating for such phenomena is the non-linear refraction coefficient, which gives the intensity of the phase distortion imposed on a given signal as a function of the total optical power propagated by the waveguide at each instant. Thus, methods that allow the complete and precise measurement of this parameter in a fast, cheap and reliable way are crucial for the characterization of optical fibers and/or waveguides to be used for the transmission of high capacity optical channels.

[007] Ocorre que, conforme será detalhado na análise do Estado da Técnica, os métodos disponíveis atualmente, em sua maioria, demandam arranjos experimentais de alta complexidade, o conhecimento prévio de outros parâmetros de difícil obtenção ou processos de calibragem ou inferências indiretas dos parâmetros de interesse. Em específico, a presente invenção objetiva propor uma solução para tal problemática, oferecendo um método e aparato experimental baseados em equipamentos comerciais de baixo custo e amplamente disponíveis no mercado, resultando em um arranjo simples, compacto e de baixo consumo energético, que permite a caracterização direta e rápida do parâmetro de interesse.[007] It happens that, as will be detailed in the analysis of the State of the Technique, the currently available methods, for the most part, demand highly complex experimental arrangements, prior knowledge of other parameters that are difficult to obtain or calibration processes or indirect inferences of the parameters of interest. Specifically, the present invention aims to propose a solution to this problem, offering a method and experimental apparatus based on commercial equipment of low cost and widely available in the market, resulting in a simple, compact and low energy consumption arrangement, which allows the direct and quick characterization of the parameter of interest.

STATE OF THE TECHNIQUE

[008] Diversas técnicas de medição da porção não linear do índice de refração de guias ópticos são conhecidas no atual estado da técnica. Considerando somente o efeito da susceptância de terceira ordem na variação não linear do índice de refração, que é a manifestação mais significativa no caso de guias ópticos em SiO2, pode-se aproximar o comportamento do índice de refração do guia conforme mostrado na Equação 1:
(λ) = 0(λ) + 2(λ)I Eq. 1onde no(λ) é o índice de refração efetivo da fibra, n2(λ) é o coeficiente de não linearidade de terceira ordem da fibra e / é a intensidade do campo óptico, a qual pode ser determinada pela expressão:

onde P é a potência óptica incidente em uma fibra com área efetiva Aeff. Portanto, pode-se concluir que o índice de refração de uma fibra óptica é composto, basicamente, por duas partes, uma parte constante e característica de cada fibra para cada comprimento de onda e a outra dependente da intensidade do campo óptico aplicado à fibra. Especificamente, o coeficiente de não linearidade reflete a variação do índice de refração em função da potência do sinal aplicada. Já o índice de refração efetivo da fibra é dependente do índice de refração do núcleo, da casca da fibra, da sua geometria e do comprimento de onda do sinal. Aplicando-se a Equação 2 na Equação 1 obtém-se uma expressão que é função da potência e da constante de não linearidade n2/Aeff.

[008] Several techniques for measuring the non-linear portion of the refractive index of optical guides are known in the current state of the art. Considering only the effect of third-order susceptance on the nonlinear variation of the refractive index, which is the most significant manifestation in the case of optical guides in SiO2, the behavior of the refractive index of the guide can be approximated as shown in Equation 1:
(λ) = 0(λ) + 2(λ)I Eq. 1where no(λ) is the effective refractive index of the fiber, n2(λ) is the third order non-linearity coefficient of the fiber and / is the intensity of the optical field, which can be determined by the expression:

where P is the optical power incident on a fiber with effective area Aeff. Therefore, it can be concluded that the refractive index of an optical fiber is basically composed of two parts, a constant part and characteristic of each fiber for each wavelength and the other dependent on the intensity of the optical field applied to the fiber. Specifically, the non-linearity coefficient reflects the variation of the refractive index as a function of the applied signal power. The effective index of refraction of the fiber is dependent on the index of refraction of the core, the fiber shell, its geometry and the signal wavelength. Applying Equation 2 to Equation 1, we obtain an expression that is a function of the power and the non-linearity constant n2/Aeff.

[009] A medição da constante de não linearidade n2/Aeff é, para fins de uso em programas de simulação ou para a modelagem matemática de enlaces ópticos, mais interessante que a do coeficiente de não linearidade n2 isoladamente, uma vez que supre a necessidade de ter-se conhecimento completo e independente dos parâmetros n2 e Aeff Tal abordagem é especialmente vantajosa considerando-se que a medição da área efetiva do modo de propagação usa técnicas e equipamentos diferentes daqueles usados para a determinação de n2 ou de n2/Aeff, sendo que a última, conforme aqui proposto, pode ser determinada através de uma única medida, fornecendo informação suficiente para a modelagem não linear do enlace óptico.[009] The measurement of the non-linearity constant n2/Aeff is, for purposes of use in simulation programs or for the mathematical modeling of optical links, more interesting than that of the non-linearity coefficient n2 alone, since it meets the need to have complete and independent knowledge of the n2 and Aeff parameters. the latter, as proposed here, can be determined through a single measurement, providing enough information for the non-linear modeling of the optical link.

[010] As técnicas de medição da constante de não linearidade do índice de refração citadas na literatura técnica são baseadas, fundamentalmente, em seis diferentes abordagens:
P-SPM: Um pulso óptico gaussiano estreito é transmitido através de uma fibra óptica, diversos valores de potência de lançamento são aplicados e o perfil espectral de saída é medido. O valor de n2/Aeff é determinado a partir do espectro do sinal óptico no final da fibra, onde o número de picos presentes no espectro óptico determinará o valor da auto-modulação de fase sofrida, permitindo determinar o valor de n2/Aeff.
CW-SPM: A constante de não linearidade é calculada através da geração de produtos da mistura de quatro ondas. Duas portadoras ópticas são inseridas na fibra com amplitudes iguais e comprimentos de onda muito próximos. O valor de n2/Aeff é determinado em função da amplitude das raias geradas em função do produto da mistura de quatro ondas (FWM) entre as portadoras transmitidas e da potência lançada.
XPM: Usa um princípio parecido com o método CW-SPM, mas uma das portadoras é transmitida em uma potência muito mais baixa que a outra, fazendo que o fenômeno dominante seja basicamente o da modulação cruzada de fase (XPM). Quando a portadora de maior potência é modulada em amplitude, a de menor potência sofre uma modulação de fase, permitindo a determinação de n2/Aeff.
Interferométrico: Usa a detecção da variação de fase por efeito Kerr através de um interferômetro auto-alinhado. Um sinal pulsado é gerado, amplificado e introduzido em um interferômetro óptico de Mach-Zehnder com braços de comprimentos diferentes. Na saída do interferômetro, o sinal é aplicado à fibra em teste que possui um espelho rotador de Faraday na saída, refletindo o sinal de volta. Esse sinal passa outra vez pelo interferômetro e é adquirido na entrada e na saída do interferômetro, permitindo a comparação da fase do sinal nos dois pontos.
S-SPM: Um sinal modulado senoidalmente é aplicado à entrada de uma fibra e seu espectro óptico é medido na saída. Um programa de simulação é usado para determinar o coeficiente de não linearidade por comparação com o espectro de saída.
FWM: A intensidade da amplitude dos produtos de mistura de quatro ondas é usada para determinar o coeficiente de não linearidade de uma fibra. Dois sinais são aplicados a ela, sendo que um é despolarizado. As raias geradas pela mistura de quatro ondas são medidas na saída por um analisador de espectro óptico.[010] The measurement techniques for the non-linearity constant of the refractive index cited in the technical literature are fundamentally based on six different approaches:
P-SPM: A narrow Gaussian optical pulse is transmitted over an optical fiber, various launch power values are applied, and the output spectral profile is measured. The value of n2/Aeff is determined from the spectrum of the optical signal at the end of the fiber, where the number of peaks present in the optical spectrum will determine the value of the phase self-modulation suffered, allowing to determine the value of n2/Aeff.
CW-SPM: The non-linearity constant is calculated by generating four-wave mixing products. Two optical carriers are inserted into the fiber with equal amplitudes and very close wavelengths. The value of n2/Aeff is determined as a function of the amplitude of the rays generated as a function of the product of the four-wave mixing (FWM) between the transmitted carriers and the launched power.
XPM: Uses a principle similar to the CW-SPM method, but one of the carriers is transmitted at a much lower power than the other, making the dominant phenomenon basically that of cross-phase modulation (XPM). When the higher power carrier is amplitude modulated, the lower power carrier is phase modulated, allowing the determination of n2/Aeff.
Interferometric: It uses the detection of phase variation by Kerr effect through a self-aligned interferometer. A pulsed signal is generated, amplified and introduced into a Mach-Zehnder optical interferometer with arms of different lengths. At the output of the interferometer, the signal is applied to the fiber under test which has a Faraday rotator mirror at the output, reflecting the signal back. This signal passes through the interferometer again and is acquired at the input and output of the interferometer, allowing comparison of the phase of the signal at the two points.
S-SPM: A sinusoidally modulated signal is applied to the input of a fiber and its optical spectrum is measured at the output. A simulation program is used to determine the coefficient of non-linearity by comparison with the output spectrum.
FWM: The amplitude intensity of the four-wave mixing products is used to determine the coefficient of non-linearity of a fiber. Two signals are applied to it, one of which is depolarized. The streaks generated by mixing the four waves are measured at the output by an optical spectrum analyzer.

[011] Empregando os princípios de funcionamento descritos acima, diversas metodologias foram propostas na literatura técnica para a medição do coeficiente não linear de fibras ópticas, conforme descrito nos parágrafos subsequentes. É importante destacar que nenhum dos trabalhos emprega o conceito de medição proposto na presente invenção, o qual faz uso da aquisição, no domínio do tempo, de sinais senoidais em baixa frequência transmitidos pela fibra óptica sob teste, os quais posteriormente podem ser utilizados para o cálculo da intensidade da distorção não linear imposta pelo fenômeno de auto-modulação de fase e, consequentemente, determinação do parâmetro n2/Aeff.[011] Employing the operating principles described above, several methodologies have been proposed in the technical literature for measuring the nonlinear coefficient of optical fibers, as described in the subsequent paragraphs. It is important to emphasize that none of the works employs the measurement concept proposed in the present invention, which makes use of the acquisition, in the time domain, of sinusoidal signals at low frequency transmitted by the optical fiber under test, which can later be used to calculate the intensity of the non-linear distortion imposed by the phenomenon of phase self-modulation and, consequently, determination of the n2/Aeff parameter.

[012] Na patente US2020/0056958A1, “Nonlinearity measuring method and nonlinearity measuring device”, é relatado um método adequado exclusivamente para a caracterização do parâmetro não linear em fibras ópticas com múltiplos núcleos, o qual emprega como princípio de funcionamento o método descrito acima como P-SPM. O método de medição propõe a caracterização de uma fibra óptica a partir de suas duas extremidades opostas, a qual possui uma pluralidade de núcleos se estendendo entre a primeira extremidade e a segunda extremidade. O método de medição de não linearidade inclui, como um aspecto, pelo menos uma etapa de preparação, uma etapa de lançamento de luz, uma etapa de detecção de luz e uma etapa de análise. Na etapa de preparação, uma fonte de luz laser e uma unidade de detecção, cada uma opticamente conectada a qualquer núcleo específico da pluralidade de núcleos na primeira extremidade da fibra óptica a ser medida, são preparadas. Na etapa de lançamento de luz, a luz proveniente da fonte de luz laser incide no núcleo específico da primeira extremidade. Na etapa de detecção de luz, a luz que é emitida do núcleo específico na primeira extremidade é recebida pela unidade de detecção, permitindo a mensuração da intensidade da luz em um componente de comprimento de onda específico causado pela não linearidade óptica da fibra óptica a ser caracterizada. Na etapa de análise, a não linearidade óptica da fibra óptica a ser medida é determinada com base na intensidade da luz de um comprimento de onda específico. Como um aspecto da invenção, alguns dos caminhos ópticos do arranjo experimental devem ser implementados empregando fibras ópticas de referência, cujo parâmetro não linear é previamente conhecido. Dessa forma, na etapa de análise, a não linearidade óptica da fibra óptica a ser medida é determinada como um valor relativo à já conhecida não linearidade da fibra óptica de referência. Alternativamente, um pulso de luz proveniente de um laser pode incidir no núcleo específico da primeira extremidade na etapa de lançamento e uma mudança temporal na intensidade do pulso em um determinado comprimento de onda ser determinada na etapa de detecção de luz. Nesse caso, na etapa de análise, a não linearidade óptica é determinada com base na mudança temporal na intensidade do componente de comprimento de onda específico.[012] In patent US2020/0056958A1, “Nonlinearity measuring method and nonlinearity measuring device”, a method exclusively suited for the characterization of the nonlinear parameter in optical fibers with multiple cores is reported, which uses as operating principle the method described above as P-SPM. The measurement method proposes the characterization of an optical fiber from its two opposite ends, which has a plurality of cores extending between the first end and the second end. The non-linearity measurement method includes, as an aspect, at least a preparation step, a light throw step, a light detection step and an analysis step. In the preparation step, a laser light source and a detection unit, each optically connected to any specific core of the plurality of cores at the first end of the optical fiber to be measured, are prepared. In the light-throwing step, the light coming from the laser light source is focused on the specific core of the first end. In the light detection step, the light that is emitted from the specific core at the first end is received by the detection unit, allowing measurement of the light intensity at a specific wavelength component caused by the optical nonlinearity of the optical fiber to be characterized. In the analysis step, the optical nonlinearity of the optical fiber to be measured is determined based on the light intensity of a specific wavelength. As an aspect of the invention, some of the optical paths of the experimental array must be implemented using reference optical fibers, whose non-linear parameter is previously known. Thus, in the analysis step, the optical non-linearity of the optical fiber to be measured is determined as a relative value to the already known non-linearity of the reference optical fiber. Alternatively, a pulse of light from a laser can be focused on the specific core of the first end in the launch step and a temporal change in the intensity of the pulse at a given wavelength be determined in the light detection step. In this case, in the analysis step, the optical non-linearity is determined based on the temporal change in the intensity of the specific wavelength component.

[013] Na patente US7869014B2, “System for measuring the wavelength dispersion and nonlinear coefficient of an optical fiber", é apresentado um método que permite especificar simultaneamente a dispersão cromática da fibra e o coeficiente não linear do seu índice de refração em um comprimento de onda específico, empregando, para tanto, como princípio de funcionamento uma variante reflexiva do método FWM. Na invenção proposta, um sinal sonda pulsado de luz e um de bombeio, também pulsado, são acoplados na fibra óptica a ser medida. Então, a oscilação de potência retroespalhada da sonda pelo espalhamento de Rayleigh ou da luz de batimento gerada na fibra por efeitos não lineares é medida. Em seguida, a frequência instantânea da oscilação de potência medida é obtida e a dependência da frequência instantânea em relação à oscilação de potência da luz de bombeio em uma direção longitudinal da fibra óptica também é obtida. Com base em tais parâmetros, a taxa de mudança na direção longitudinal entre o descasamento de fase e o coeficiente não linear das fibras ópticas é obtida a partir da dependência da frequência instantânea, permitindo a verificação da distribuição de dispersão de comprimento de onda longitudinal e a distribuição do coeficiente não linear longitudinal da fibra óptica simultaneamente.[013] In the patent US7869014B2, "System for measuring the wavelength dispersion and nonlinear coefficient of an optical fiber", a method is presented that allows to simultaneously specify the chromatic dispersion of the fiber and the nonlinear coefficient of its refraction index at a specific wavelength, using, for this purpose, a reflective variant of the FWM method as an operating principle. Then, the backscattered power swing of the probe by Rayleigh scattering or of the beat light generated in the fiber by non-linear effects is measured. Then, the instantaneous frequency of the measured power swing is obtained and the dependence of the instantaneous frequency on the power swing of the pumping light in a longitudinal direction of the optical fiber is also obtained. Based on such parameters, the rate of change in the longitudinal direction between the phase mismatch and the nonlinear coefficient of the optical fibers is obtained from the dependence of the instantaneous frequency, allowing the verifying the longitudinal wavelength dispersion distribution and the longitudinal nonlinear coefficient distribution of the optical fiber simultaneously.

[014] Na patente CA2401372, “Method and device for easily and rapidly measuring nonlinear refractive index of optical fiber", são apresentados um método e um dispositivo para especificar o coeficiente não linear do índice de refração de uma fibra, os quais têm como princípio de operação uma variante do método S-SPM. Para tanto, uma fonte de luz em um determinado comprimento de onda é modulada senoidalmente em uma determinada frequência e aplicada a uma das extremidades da fibra em teste, cuja potência óptica média é controlada no transmissor. Após atravessar a fibra, o sinal óptico é convertido em sinal elétrico por um conversor opto-elétrico e seu sinal de saída é também acoplado a uma amostra do sinal elétrico do gerador no transmissor. O conjunto de sinais elétricos no receptor é capturado e processado por um computador, permitindo a obtenção do valor do índice de refração não linear para aquele valor de potência óptica aplicada na fibra através de uma análise comparativa com os resultados obtidos através do uso da equação não linear de Schroedinger. O método pressupõe o uso prévio de caracterizações em diversos guias de referência, cujos índices de refração não linear e os valores de dispersão cromática são previamente conhecidos e tabelados. Como parâmetro medido, é feita uma varredura em frequência do sinal modulante, sendo a amplitude desse sinal na saída da fibra sob teste confrontada com o sinal senoidal elétrico de mesma frequência proveniente do transmissor. Dependendo das condições de propagação (incluindo a dispersão cromática da fibra em teste, a amplitude da modulação em fase, a potência do sinal óptico inserido na fibra e seu índice de refração não linear), haverá uma frequência de modulação na qual a amplitude do sinal detectado na saída da fibra será nula. Fazendo-se simulações de propagação do sinal ao longo da fibra é possível determinar esse comportamento, variando-se os parâmetros simulados de propagação, e descobrir para qual índice de refração não linear a frequência onde o nulo de amplitude ocorre.[014] In patent CA2401372, "Method and device for easily and rapidly measuring nonlinear refractive index of optical fiber", a method and a device are presented for specifying the nonlinear coefficient of the refractive index of a fiber, which have as their operating principle a variant of the S-SPM method. the fiber, the optical signal is converted into an electrical signal by an opto-electrical converter and its output signal is also coupled to a sample of the electrical signal from the generator in the transmitter. The set of electrical signals in the receiver is captured and processed by a computer, allowing the obtainment of the value of the non-linear refractive index for that value of optical power applied to the fiber through a comparative analysis with the results obtained through the use of the non-linear Schroedinger equation. The method presupposes the previous use of characterizations in several reference guides, whose non-linear refractive indices and chromatic dispersion values are previously known and tabulated. As a measured parameter, a frequency sweep of the modulating signal is performed, and the amplitude of this signal at the output of the fiber under test is compared with the electrical sinusoidal signal of the same frequency coming from the transmitter. Depending on the propagation conditions (including the chromatic dispersion of the fiber under test, the amplitude of the phase modulation, the power of the optical signal inserted in the fiber and its non-linear refractive index), there will be a modulation frequency at which the amplitude of the signal detected at the fiber output will be zero. By carrying out signal propagation simulations along the fiber, it is possible to determine this behavior, varying the simulated propagation parameters, and find out for which nonlinear index of refraction the frequency where the amplitude null occurs.

[015] Na patente US005661554A, “Method of and device for measuring the nonlinear refractive index in a single mode optical fibre”, é apresentado um método e um dispositivo baseados na medição do alargamento espectral sofrido por um pulso de alta potência devido ao efeito Kerr, cujo princípio de funcionamento enquadra-se no método descrito anteriormente como P-SPM. Quando operando em condições em que a dispersão da velocidade do grupo na fibra, a absorção e o efeito Raman possam ser ignorados, o pulso tem características que dão origem apenas à auto-modulação de fase, situação na qual o campo elétrico em cada posição de tempo ao longo do pulso tem uma frequência instantânea. De acordo com a invenção, um sinal compreendendo um trem de pulsos ópticos com largura espectral limitada é enviado para a fibra, cujos pulsos devem ter um comprimento de onda próximo ao comprimento de onda de dispersão zero da fibra e uma potência alta e variável, de modo a dar origem à auto-modulação de fase. Como meio de análise, mede-se o alargamento espectral dos pulsos que saem da fibra, através da mensuração de uma série de valores da potência de pico dos pulsos. Sendo o alargamento espectral uma função linear da potência de pico de acordo com um fator que depende do índice de refração não linear, o coeficiente angular da linha que representa a referida função é determinado e o índice de refração não linear é obtido a partir deste coeficiente angular.[015] In patent US005661554A, “Method of and device for measuring the nonlinear refractive index in a single mode optical fiber”, a method and a device based on measuring the spectral broadening suffered by a high power pulse due to the Kerr effect is presented, whose operating principle fits in the method previously described as P-SPM. When operating under conditions where fiber group velocity dispersion, absorption, and Raman effect can be ignored, the pulse has characteristics that give rise only to phase self-modulation, in which case the electric field at each time position along the pulse has an instantaneous frequency. According to the invention, a signal comprising a train of optical pulses with limited spectral width is sent to the fiber, whose pulses must have a wavelength close to the zero dispersion wavelength of the fiber and a high and variable power, in order to give rise to phase self-modulation. As a means of analysis, the spectral broadening of the pulses leaving the fiber is measured by measuring a series of peak power values of the pulses. Since the spectral broadening is a linear function of the peak power according to a factor that depends on the nonlinear refractive index, the angular coefficient of the line that represents said function is determined and the nonlinear refractive index is obtained from this angular coefficient.

[016] Na patente US6771360B2, “Method and apparatus for measuring wavelength dispersion and/or nonlinear coefficient of optical fiber”, são apresentados um método e um aparato para medir o valor de dispersão cromática em um determinado comprimento de onda e/ou o coeficiente de não linearidade de fibras ópticas, ambos tendo seu princípio de operação enquadrados no método descrito anteriormente como FWM. A partir do exposto na patente, pode-se concluir que o método proposto determina o coeficiente de não linearidade e o valor de dispersão cromática com alta precisão, sem a influência da potência de emissão, do comprimento da fibra óptica de teste ou do espaçamento do comprimento de onda da fonte de luz. A invenção faz uso de uma luz de bombeio e de um sinal de luz sonda propagados por uma fibra óptica de teste. A partir de tais sinais, o método propõe a variação do espaçamento de comprimento de onda de pico entre a referida luz de bombeio e a referida luz de sinal sonda e medir a intensidade óptica da mistura de quatro ondas gerada na fibra óptica de teste em função de tal espaçamento. Com base em tais sinais, mede-se o valor máximo da intensidade óptica de mistura de quatro ondas em cada espaçamento de comprimento de onda do espectro, a partir do qual obtém-se o coeficiente não linear e/ou valor de dispersão de comprimento de onda da fibra sob teste.[016] In the US6771360B2 patent, “Method and apparatus for measuring wavelength dispersion and/or nonlinear coefficient of optical fiber”, a method and an apparatus for measuring the chromatic dispersion value at a given wavelength and/or the nonlinear coefficient of optical fibers are presented, both having their principle of operation framed in the method previously described as FWM. From what is exposed in the patent, it can be concluded that the proposed method determines the non-linearity coefficient and the chromatic dispersion value with high precision, without the influence of the emission power, the length of the test optical fiber or the spacing of the wavelength of the light source. The invention makes use of a pumping light and a probe light signal propagated by an optical test fiber. From such signals, the method proposes to vary the peak wavelength spacing between said pumping light and said probe signal light and measure the optical intensity of the four-wave mixture generated in the test optical fiber as a function of such spacing. Based on such signals, the maximum value of the four-wave mixing optical intensity at each wavelength spacing of the spectrum is measured, from which the non-linear coefficient and/or wavelength dispersion value of the fiber under test is obtained.

[017] Na patente US7692849B2, “Method for measuring nonlinear optical properties, and optical amplifier and optical transmission system using same”, e na sua versão alternativa US8068275B2, “Method for measuring nonlinear optical properties”, é apresentado um arranjo experimental para caracterização das propriedades ópticas não lineares de determinado sistema óptico, cujo princípio de operação se enquadra no método anteriormente descrito como FWM. Para tanto, uma luz de entrada é fornecida a um amplificador óptico e, posteriormente, propagada pela fibra óptica sob caracterização. De modo complementar, a energia de uma luz na direção oposta é medida, obtendo assim um limite de ocorrência de espalhamento estimulado de Brillouin (SBS - Stimulated Brillouin Scattering) na fibra óptica com base no resultado da medição. Usando o limite de ocorrência do SBS, uma relação entre a potência de luz de entrada e uma quantidade de ocorrência da auto-modulação de fase (SPM) ou semelhante na fibra óptica é obtida, permitindo que seja estabelecido um laço de controle do amplificador óptico, de modo que a ocorrência de SPM ou semelhante na fibra óptica seja suprimida. Como resultado, torna-se possível medir com precisão, com uma configuração simples, as propriedades ópticas não lineares da fibra óptica em teste, além de permitir a supressão da degradação da relação sinal-ruído óptica devido a efeitos ópticos não lineares. Ressalta-se que a patente em si não trata diretamente de um método de medição do valor do índice de refração não linear da fibra, mas sim de um aparato para melhorar os resultados por meio da limitação da potência do sinal aplicada à fibra de maneira a reduzir significativamente a potência retropropagada devido ao SBS e ao espalhamento Raman estimulado (SRS - Stimulated Raman Scattering). Na patente é citado, a título de exemplo, um método de medição do índice de refração não linear de uma fibra em teste baseado na modulação cruzada de fase (XPM), o qual baseia-se em um sistema convencional de medição da XPM. Nele, uma saída de luz de uma fonte de luz de bombeio é modulada em intensidade de acordo com um sinal de saída de um oscilador e é despolarizada. Esta luz de bombeio e uma saída de luz de sonda são acopladas por um acoplador óptico a uma fibra óptica em teste, de forma que a luz da sonda seja submetida à modulação de fase através do XPM. Um componente de frequência gerado por esta modulação de fase é recebido por um sistema de recepção heteródino, de modo que uma quantidade de deslocamento de fase da luz de sonda pode ser obtida e, consequentemente, o índice de refração não linear pode ser obtido.[017] In the patent US7692849B2, “Method for measuring nonlinear optical properties, and optical amplifier and optical transmission system using same”, and in its alternative version US8068275B2, “Method for measuring nonlinear optical properties”, an experimental arrangement for characterizing the nonlinear optical properties of a certain optical system is presented, whose operating principle fits in the method previously described as FWM. For this purpose, an input light is supplied to an optical amplifier and subsequently propagated through the optical fiber under characterization. Complementarily, the energy of a light in the opposite direction is measured, thus obtaining a limit of occurrence of stimulated Brillouin scattering (SBS - Stimulated Brillouin Scattering) in the optical fiber based on the result of the measurement. Using the occurrence threshold of SBS, a relationship between the input light power and an amount of occurrence of phase auto-modulation (SPM) or the like in the optical fiber is obtained, allowing an optical amplifier control loop to be established, so that the occurrence of SPM or the like in the optical fiber is suppressed. As a result, it becomes possible to accurately measure, with a simple setup, the non-linear optical properties of the optical fiber under test, in addition to allowing the suppression of degradation of the optical signal-to-noise ratio due to non-linear optical effects. It should be noted that the patent itself does not deal directly with a method of measuring the value of the non-linear refractive index of the fiber, but with an apparatus to improve the results by limiting the signal power applied to the fiber in order to significantly reduce the back-propagated power due to SBS and stimulated Raman scattering (SRS - Stimulated Raman Scattering). The patent cites, by way of example, a method for measuring the non-linear refractive index of a fiber under test based on cross-phase modulation (XPM), which is based on a conventional XPM measurement system. In it, a light output from a pumping light source is modulated in intensity according to an output signal from an oscillator and is depolarized. This pumping light and a probe light output are coupled by an optocoupler to an optical fiber under test, so that the probe light undergoes phase modulation through the XPM. A frequency component generated by this phase modulation is received by a heterodyne receiving system, so that a phase-shifted amount of the probe light can be obtained and, consequently, the non-linear refractive index can be obtained.

[018] Ressalta-se que as patentes destacadas na busca de anterioridade aqui apresentada possuem diversas diferenças em comparação com a invenção proposta no presente pedido de patente, seja nos seus princípios de operação, no arranjo experimental, no tipo de pós-processamento dos dados usado ou mesmo no campo de aplicação. O princípio da medição e da técnica deste pedido de patente é baseado numa medição direta no domínio temporal da variação de fase de um sinal óptico modulado proveniente de uma fonte de luz no comprimento de onda no qual deseja-se obter a informação do coeficiente de não linearidade do índice de refração. Além disso, o arranjo experimental proposto usa componentes de baixa complexidade e especificações bastante limitadas em termos de resposta em frequência, podendo ser implementado facilmente com componentes e instrumentos de baixo custo. Outro fator relevante da ideia deste pedido de patente é a simplicidade do algoritmo usado na determinação do coeficiente de não linearidade do índice de refração do guia óptico medido, limitando-se ao uso de médias entre diversas medidas e filtragens em banda de frequência limitada que pode ser feita por meio de filtros elétricos acoplados ao sistema de captura de dados ou implementados através de algoritmos apropriados no pós-processamento numérico dos sinais capturados. Com o uso de equipamentos adequados, o processo de medição proposto neste pedido de patente apresenta boa reprodutibilidade nos resultados, não faz uso de dispositivos e equipamentos em altas frequências, é de baixa complexidade para implementação computacional, não faz uso de sinais ópticos e/ou elétricos de alta potência, permite uma montagem sem a necessidade de ajustes prévios e calibrações sofisticadas e ainda permite fazer as medições de maneira rápida, diferentemente dos procedimentos propostos nas patentes citadas anteriormente, que apresentam uma ou mais desvantagens com relação a esta metodologia.[018] It should be noted that the patents highlighted in the prior art search presented here have several differences compared to the invention proposed in the present patent application, whether in their operating principles, in the experimental arrangement, in the type of data post-processing used or even in the field of application. The measurement principle and technique of this patent application is based on a direct measurement in the time domain of the phase variation of a modulated optical signal coming from a light source at the wavelength at which it is desired to obtain information on the coefficient of non-linearity of the index of refraction. Furthermore, the proposed experimental arrangement uses low-complexity components and very limited specifications in terms of frequency response, and can be easily implemented with low-cost components and instruments. Another relevant factor behind the idea of this patent application is the simplicity of the algorithm used to determine the coefficient of non-linearity of the refractive index of the measured optical guide, limited to the use of averages between different measurements and filtering in a limited frequency band, which can be done by means of electrical filters coupled to the data capture system or implemented through appropriate algorithms in the numerical post-processing of the captured signals. With the use of appropriate equipment, the measurement process proposed in this patent application presents good reproducibility of results, does not use devices and equipment at high frequencies, is of low complexity for computational implementation, does not use high-power optical and/or electrical signals, allows assembly without the need for prior adjustments and sophisticated calibrations and even allows measurements to be taken quickly, unlike the procedures proposed in the patents cited above, which have one or more disadvantages in relation to this methodology.

DESCRIPTION OF FIGURES

[019] A seguir são descritas as figuras que acompanham a presente proposta de invenção, permitindo uma descrição detalhada do seu princípio de operação, do arranjo experimental e do pós-processamento demandados e dos resultados esperados.[019] The figures accompanying the present invention proposal are described below, allowing a detailed description of its principle of operation, the experimental arrangement and the post-processing required and the expected results.

[020] A Figura 1 apresenta o arranjo experimental preferencial para a implementação da patente proposta, considerando um receptor óptico com diversidade de polarização. Para tanto, no transmissor, um laser sintonizável (L.S.) gera uma portadora óptica monocromática coerente e de menor largura de linha possível, a qual tem sua potência óptica dividida (Div. Pot. Opt.) em uma parcela a ser modulada, gerando o sinal sonda, e outra empregada como referência e oscilador local (Local). Emprega-se um sinal modulante triangular (Vmod) e uma corrente de polarização (Vpoi) para controlar a operação do modulador de Mach-Zehnder (MZM), o qual, por inserir uma alta perda de inserção, pode demandar o uso de um amplificador óptico (A.O.) em sua saída. A seguir o sinal é lançado na fibra ou guia de onda óptico a ser caracterizado (Guia óptico) e recebido (Sinal) por um receptor óptico em fase e quadratura com diversidade de polarização (Rx. IQ). As quatro componentes de microondas na saída do receptor óptico (Ix, Qx, Iy e Qy) são então amostradas e armazenadas por um osciloscópio elétrico (Osc.) sincronizado (Sinc) com o sinal triangular modulante, permitindo o seu posterior processamento por um computador pessoal (PC).[020] Figure 1 shows the preferred experimental arrangement for the implementation of the proposed patent, considering an optical receiver with polarization diversity. For this purpose, in the transmitter, a tunable laser (L.S.) generates a coherent monochromatic optical carrier with the smallest possible line width, which has its optical power divided (Div. Pot. Opt.) into a portion to be modulated, generating the probe signal, and another used as a reference and local oscillator (Local). A triangular modulating signal (Vmod) and a polarization current (Vpoi) are used to control the operation of the Mach-Zehnder modulator (MZM), which, due to its high insertion loss, may require the use of an optical amplifier (O.A.) at its output. Next, the signal is launched into the fiber or optical waveguide to be characterized (Optical Guide) and received (Signal) by an optical receiver in phase and quadrature with polarization diversity (Rx. IQ). The four microwave components at the output of the optical receiver (Ix, Qx, Iy and Qy) are then sampled and stored by an electrical oscilloscope (Osc.) synchronized (Sinc) with the modulating triangular signal, allowing its subsequent processing by a personal computer (PC).

[021] A Figura 2 apresenta uma implementação alternativa da invenção, na qual se faz uso de um receptor óptico coerente em quadratura de fase, que permite apenas a detecção de sinais em uma polarização óptica. Como o sinal sonda, ao propagar-se pelo guia óptico em teste, pode mudar de polarização, a recepção do sinal pode ser incompleta, com a perda da informação contida na polarização ortogonal do sinal sonda que chega ao receptor. Portanto, para garantir que o máximo de potência óptica seja recebida, se faz necessário adicionar um controle de polarização (C.P.) na entrada do receptor. Em um caso específico no qual o próprio guia de onda a ser caracterizado mantenha constante a polarização óptica do sinal sonda, o uso do controlador de polarização não se faz necessário. Outra diferença notável se dá pelo receptor em fase e quadratura (Rx. IQ) possuir somente duas saídas elétricas (I e Q), uma vez que ele não permite a recuperação de informações presentes na polarização ortogonal.[021] Figure 2 shows an alternative implementation of the invention, in which use is made of a coherent optical receiver in quadrature phase, which only allows the detection of signals in an optical polarization. As the probe signal, when propagating through the optical guide under test, can change polarization, signal reception may be incomplete, with loss of information contained in the orthogonal polarization of the probe signal that arrives at the receiver. Therefore, to ensure that the maximum optical power is received, it is necessary to add a polarization control (C.P.) to the receiver input. In a specific case in which the waveguide to be characterized keeps the optical polarization of the probe signal constant, the use of the polarization controller is not necessary. Another notable difference is that the receiver in phase and quadrature (Rx. IQ) has only two electrical outputs (I and Q), since it does not allow the recovery of information present in the orthogonal polarization.

[022] A Figura 3 apresenta esquematicamente a relação entre o sinal elétrico modulante (Vmod) e o sinal óptico modulado (Sinal Óptico) obtido na saída do modulador de Mach-Zehnder (MZM). Para tanto, o sinal elétrico Vmod, gerado pelo gerador de funções, na frequência desejada e com formato triangular de modulação em amplitude, é aplicado à entrada de rádio frequência (RF) do modulador com o intuito de gerar uma forma de onda de modulação em amplitude em formato senoidal na saída do modulador óptico. Esse sinal de modulação é combinado com um sinal elétrico em corrente contínua de polarização (Vpo/), de modo a garantir que a modulação senoidal de amplitude do sinal de saída do modulador tenha a menor distorção possível, reduzindo o conteúdo harmônico da modulação enquanto proporciona a maior excursão possível na amplitude do sinal sonda. Especificamente na implementação empregada para exemplificar o método aqui proposto, em uma relação governada pela curva de transmitância do modulador eletro-óptico, a modulação de potência do sinal de saída do modulador óptico assume o formato senoidal quando o modulador usado é baseado em interferômetro de Mach-Zehnder modulado por um sinal elétrico de formato triangular. Dependendo de tal curva de transmitância, o sinal elétrico modulante pode ter que ser ajustado quando forem empregados outras possíveis arquiteturas de moduladores eletro-ópticos sem que o método aqui proposto perca sua generalidade.[022] Figure 3 schematically shows the relationship between the modulating electrical signal (Vmod) and the modulated optical signal (Optical Signal) obtained at the output of the Mach-Zehnder modulator (MZM). For this purpose, the electrical signal Vmod, generated by the function generator, at the desired frequency and with a triangular shape of amplitude modulation, is applied to the radio frequency (RF) input of the modulator in order to generate an amplitude modulation waveform in sinusoidal format at the output of the optical modulator. This modulation signal is combined with a polarization direct current electrical signal (Vpo/), in order to ensure that the sinusoidal amplitude modulation of the modulator output signal has the lowest possible distortion, reducing the harmonic content of the modulation while providing the greatest possible excursion in the amplitude of the probe signal. Specifically in the implementation used to exemplify the method proposed here, in a relationship governed by the transmittance curve of the electro-optical modulator, the power modulation of the optical modulator output signal assumes a sinusoidal format when the modulator used is based on a Mach-Zehnder interferometer modulated by an electrical signal with a triangular shape. Depending on such transmittance curve, the modulating electrical signal may have to be adjusted when other possible architectures of electro-optical modulators are used without the method proposed here losing its generality.

[023] A Figura 4 apresenta o diagrama esquemático de um receptor óptico coerente em quadratura de fase em duas polarizações. Esse receptor é composto basicamente por dois receptores ópticos coerentes em quadratura de fase de polarização única (Rx IQx e Rx IQy), cada qual recebendo uma parcela da potência óptica de entrada proveniente de um divisor de polarização (Div. Pol) no caso do sinal sonda (Sinal) ou de um acoplador óptico (Acopl. 50/50) no caso do oscilador local (Local). A estrutura interna de cada receptor óptico coerente de polarização única conta com guias de atraso de 90o (90o) e acopladores ópticos (Acopl. 50/50) de modo a permitir que, em sua saída, sejam separadas as componentes em fase e em quadratura do sinal sonda. Por fim, cada sinal óptico é fotodetectado resultando nos sinais elétricos (Ix, Qx, Iy e Qy), referentes aos componentes em fase (I e Q) e em quadratura de cada polarização recebida (x e y).[023] Figure 4 shows the schematic diagram of a coherent optical receiver in phase quadrature in two polarizations. This receiver is basically composed of two coherent optical receivers in phase quadrature of single polarization (Rx IQx and Rx IQy), each receiving a portion of the input optical power from a polarization divider (Div. Pol) in the case of the probe signal (Signal) or from an optical coupler (Coupl. 50/50) in the case of the local oscillator (Local). The internal structure of each single polarization coherent optical receiver has 90o delay guides (90o) and optical couplers (50/50 Coupling) in order to separate the in-phase and quadrature components of the probe signal at its output. Finally, each optical signal is photodetected resulting in electrical signals (Ix, Qx, Iy and Qy), referring to the in-phase (I and Q) and quadrature components of each received polarization (x and y).

[024] A Figura 5 mostra a variação do comprimento efetivo da fibra (Leff) em função do seu comprimento físico (L), bem como as assíntotas de cada uma das curvas. Como exemplificação, são representadas curvas para dois valores de atenuação da fibra e para um determinado comprimento de onda.[024] Figure 5 shows the variation in the effective length of the fiber (Leff) as a function of its physical length (L), as well as the asymptotes of each of the curves. As an example, curves are represented for two fiber attenuation values and for a given wavelength.

[025] A Figura 6 ilustra o conjunto de resultados referentes à variação de fase em graus de um sinal óptico sonda, modulado a 50 MHz em função da potência instantânea em miliwatts (mW) desse sinal. São mostrados os resultados obtidos ao longo de diversos intervalos equivalentes ao período de modulação de sinal sonda. Nesse caso, foi considerado que a fonte de luz usada tinha uma largura de banda de 100 kHz e que uma potência de pico de 10 mW foi aplicada a uma fibra em teste do tipo monomodo (SMF -Single Mode Fiber) com 50 km de comprimento. Como as amostras foram tomadas ao longo de ciclos do sinal sonda muito separadas, as fases iniciais de cada amostra foram normalizadas para zero.[025] Figure 6 illustrates the set of results referring to the phase variation in degrees of an optical probe signal, modulated at 50 MHz as a function of the instantaneous power in milliwatts (mW) of that signal. The results obtained over several intervals equivalent to the probe signal modulation period are shown. In this case, it was assumed that the light source used had a bandwidth of 100 kHz and that a peak power of 10 mW was applied to a 50 km long single-mode fiber (SMF -Single Mode Fiber) under test. As the samples were taken over widely separated probe signal cycles, the initial phases of each sample were normalized to zero.

GENERAL DESCRIPTION OF THE INVENTION

[026] A presente proposta de patente de invenção refere-se a um aparato de medição e método para a determinação precisa do índice de refração não linear de guias ópticos, sejam eles fibras ópticas ou guias em óptica integrada de qualquer espécie. O invento baseia-se na variação do índice de refração do guia óptico em teste em função da potência óptica aplicada a ele, apresentando atividade inventiva ao empregar um princípio de operação ainda não explorado na literatura técnica, de forma a diferenciar-se fundamentalmente dos demais métodos desenvolvidos para fins semelhantes pela sua montagem experimental, pós-processamento demandado e, em alguns casos, campo de aplicação. Dessa forma, a presente invenção apresenta vantagens significativas dada a simplicidade do arranjo experimental, facilidade de implementação, baixo custo, simplicidade de implementação, baixo nível tecnológico dos dispositivos demandados, velocidade, precisão e capacidade de operação em diversos comprimentos de onda.[026] The present patent proposal relates to a measuring apparatus and method for the precise determination of the non-linear refractive index of optical guides, whether they are optical fibers or integrated optics guides of any kind. The invention is based on the variation of the refractive index of the optical guide under test as a function of the optical power applied to it, presenting an inventive activity by employing an operating principle not yet explored in the technical literature, in order to fundamentally differentiate itself from other methods developed for similar purposes due to its experimental assembly, required post-processing and, in some cases, field of application. Thus, the present invention has significant advantages given the simplicity of the experimental arrangement, ease of implementation, low cost, simplicity of implementation, low technological level of the required devices, speed, accuracy and capacity to operate at different wavelengths.

[027] O arranjo experimental, em linhas gerais, é composto, especificamente no que se refere ao dito transmissor, por: uma fonte de luz monocromática e coerente, geralmente um laser, podendo ser sintonizável ou fixo; uma fonte de tensão constante e regulável de baixa potência elétrica; um gerador de funções, preferencialmente operável na faixa de dezenas de megahertz e capaz de gerar formas de onda triangulares (outras formas de onda são aplicáveis sem perda de generalidade do método); um divisor de potência óptica mantenedor de polarização; e um modulador óptico, preferencialmente baseado no interferômetro de Mach-Zehnder e com fator de gorjeio nulo.[027] The experimental arrangement, in general terms, is composed, specifically with regard to said transmitter, by: a monochromatic and coherent light source, usually a laser, which can be tunable or fixed; a constant and adjustable voltage source of low electrical power; a function generator, preferably operable in the range of tens of megahertz and capable of generating triangular waveforms (other waveforms are applicable without loss of generality of the method); a polarization-maintaining optical power divider; and an optical modulator, preferably based on the Mach-Zehnder interferometer and with zero chirp factor.

[028] Já no que se refere ao dito receptor, o arranjo experimental é composto por: um receptor óptico em quadratura de fase, preferencialmente operando em dupla polarização óptica; e um osciloscópio de quatro canais com frequência máxima de operação maior ou igual à frequência de modulação do sinal. Alternativamente, sem que o método perca sua generalidade, é possível também que o mesmo seja adaptado para a operação do arranjo com um receptor de polarização simples e um osciloscópio de dois canais. Por fim, dependendo das condições da medida, é possível que um amplificador óptico seja necessário para amplificar a potência do sinal lançado, entretanto sem que haja a necessidade do mesmo possuir um complexo sistema de controle ou realimentação, conforme demandado por outros métodos que compõem o atual estado da técnica.[028] With regard to said receiver, the experimental arrangement comprises: an optical receiver in phase quadrature, preferably operating in dual optical polarization; and a four-channel oscilloscope with a maximum operating frequency greater than or equal to the signal modulation frequency. Alternatively, without the method losing its generality, it is also possible that it be adapted for the operation of the array with a single polarization receiver and a two-channel oscilloscope. Finally, depending on the measurement conditions, it is possible that an optical amplifier is necessary to amplify the power of the launched signal, however without the need for it to have a complex control or feedback system, as demanded by other methods that make up the current state of the art.

[029] O princípio básico empregado para a implementação do método baseia-se na propagação de um sinal sonda modulado em intensidade através da fibra ou guia óptico em teste, de modo a permitir a monitoração da variação de sua fase instantânea em função da potência instantânea aplicada ao guia óptico em teste. Com base na mensuração e pós-processamento de tal variação é possível determinar o índice de refração não linear da fibra ou guia óptico em teste de modo direto e simples.[029] The basic principle employed for the implementation of the method is based on the propagation of an intensity modulated probe signal through the fiber or optical guide under test, in order to allow the monitoring of the variation of its instantaneous phase as a function of the instantaneous power applied to the optical guide under test. Based on the measurement and post-processing of such variation, it is possible to determine the non-linear refractive index of the fiber or optical guide under test in a direct and simple way.

[030] Ademais, por se basear em frequências de modulação da ordem de dezenas de megahertz, tanto a parte relativa à modulação do sinal luminoso quanto à captura dos sinais no receptor são feitos por equipamentos comerciais de baixo custo, amplamente disponíveis no mercado ou facilmente implementáveis (no caso de uso de circuitos de amostragem). De modo complementar, a montagem é compacta, não necessitando de muito espaço ou consumo de energia elétrica para sua operação, além de ser simples de montar e operar. Por fim, também devido ao uso de frequências de modulação na ordem de dezenas de megahertz, fatores que causam deformações no formato de pulso do sinal sonda transmitido, como a dispersão cromática e por modo de polarização, tornam-se desprezíveis.[030] Furthermore, as it is based on modulation frequencies of the order of tens of megahertz, both the part related to the modulation of the light signal and the capture of signals in the receiver are done by low-cost commercial equipment, widely available on the market or easily implemented (in the case of using sampling circuits). In addition, the assembly is compact, not requiring much space or electricity consumption for its operation, in addition to being simple to assemble and operate. Finally, also due to the use of modulation frequencies in the order of tens of megahertz, factors that cause deformations in the pulse shape of the transmitted probe signal, such as chromatic dispersion and by polarization mode, become negligible.

[031] Especificamente, na proposta de implementação do método aqui empregada como exemplificação de sua operação, é usado como instrumento de aquisição dos dados das medições um osciloscópio de 2 ou 4 canais, dependendo da configuração da montagem. No atual estado da técnica, os osciloscópios de baixo custo, mesmo portáteis, apresentam ou superam os 100 MHz de banda, taxa de captura de dados de 1G amostras/s (Sa/s) e memória para 100.000 pontos, sendo capazes de efetuar 25 mil medições em 1 décimo de milésimo de segundo, características suficientes para a implementação da técnica proposta com adequada precisão e confiabilidade. De fato, a capacidade de realizar milhares de medições consecutivas reduz significativamente as incertezas dos resultados devidos a ruídos e instabilidades no sinal sonda, os quais são inerentes a geração e recepção de sinais fotônicos, enquanto minimiza significativamente os efeitos causados por perturbações mecânicas ou térmicas no guia óptico em teste advindos de efeitos ambientais.[031] Specifically, in the proposed implementation of the method used here as an example of its operation, a 2- or 4-channel oscilloscope is used as an instrument for acquiring measurement data, depending on the assembly configuration. In the current state of the art, low-cost oscilloscopes, even portable ones, have or exceed 100 MHz of bandwidth, data capture rate of 1G samples/s (Sa/s) and memory for 100,000 points, being capable of performing 25 thousand measurements in 1 tenth of a thousandth of a second, characteristics sufficient for the implementation of the proposed technique with adequate precision and reliability. In fact, the ability to perform thousands of consecutive measurements significantly reduces the uncertainties of the results due to noise and instability in the probe signal, which are inherent to the generation and reception of photonic signals, while significantly minimizing the effects caused by mechanical or thermal disturbances in the optical guide under test arising from environmental effects.

[032] No que tange ao processamento dos dados, um mínimo de esforço computacional é necessário, não necessitando de programas de computador sofisticados, sendo que os cálculos demandados podem ser executados usando-se uma planilha de cálculo ou código de baixa complexidade, implementado empregando a linguagem de programação mais adequada para o usuário. Usando-se algum programa de processamento automático, é possível realizar as medições e calcular os resultados em períodos menores que um segundo, permitindo, assim, seu uso como medidor em tempo real. O arranjo também permite diversos processos para a melhoria da precisão dos resultados, como filtragens do sinal e amostragens múltiplas para o cálculo de médias. Tais abordagens permitem diminuir as incertezas de medição, causadas principalmente pelos ruídos dos equipamentos envolvidos e a variação da frequência de oscilação da fonte de luz usada.[032] With regard to data processing, a minimum of computational effort is required, not requiring sophisticated computer programs, and the required calculations can be performed using a spreadsheet or low-complexity code, implemented using the most appropriate programming language for the user. Using some automatic processing program, it is possible to carry out the measurements and calculate the results in periods smaller than one second, thus allowing its use as a meter in real time. The arrangement also allows several processes to improve the accuracy of the results, such as signal filtering and multiple sampling for calculating averages. Such approaches make it possible to reduce measurement uncertainties, caused mainly by the noise of the equipment involved and the variation in the oscillation frequency of the light source used.

[033] Alternativamente, caso o osciloscópio usado permita uma taxa de amostragem dos sinais superior à frequência de modulação, é possível capturar os dados de variação de fase em diversos pontos da forma de onda, correspondentes a diversos valores de potências instantâneas, permitindo assim a determinação de termos de ordem superior do coeficiente de não linearidade do guia óptico em teste. Já o uso de uma fonte luminosa coerente sintonizável permite também que seja determinado o coeficiente de não linearidade do guia óptico em teste para a faixa de comprimentos de onda que se desejar, permitindo uma caracterização mais abrangente do coeficiente de não linearidade do guia óptico em teste. Por fim, o método proposto também permite a caracterização dos termos não lineares de mais alta ordem, relativos a variações da susceptibilidade do material do guia óptico em função da potência do sinal sonda aplicado. Essa possibilidade é particularmente difícil quando são usados métodos baseados em espectroscopia óptica, comumente apresentados no estado da técnica, especialmente em materiais onde a susceptibilidade óptica de grau diferente de 2 é baixa, como no caso da sílica, usada em fibras ópticas e certos guias ópticos integrados.[033] Alternatively, if the oscilloscope used allows a sampling rate of the signals higher than the modulation frequency, it is possible to capture the phase variation data at different points in the waveform, corresponding to different values of instantaneous powers, thus allowing the determination of higher order terms of the non-linearity coefficient of the optical guide under test. The use of a tunable coherent light source also allows the determination of the non-linearity coefficient of the optical guide under test for the desired range of wavelengths, allowing a more comprehensive characterization of the non-linearity coefficient of the optical guide under test. Finally, the proposed method also allows the characterization of higher order non-linear terms, related to variations in the susceptibility of the optical guide material as a function of the power of the applied probe signal. This possibility is particularly difficult when using methods based on optical spectroscopy, commonly presented in the state of the art, especially in materials where the optical susceptibility of degree different from 2 is low, as in the case of silica, used in optical fibers and certain integrated optical guides.

DETAILED DESCRIPTION AND EMBODIMENT OF THE INVENTION

[034] A presente invenção propõe um método direto para caracterização do índice de refração não linear de fibras ou guias ópticos, de modo a diminuir a incerteza nos valores obtidos, bem como reduzir a complexidade, os requisitos técnicos e os custos do arranjo de testes. Tais características se tornam possíveis uma vez que o seu princípio de operação é baseado em sinais de baixa frequência (na casa dos megahertz), apresentando, consequentemente, menor ruído e melhor discretização nos dados coletados, permitindo assim uma maior precisão dos resultados, além de ter um custo reduzido devido às especificações menos críticas, em termos de banda elétrica requerida dos equipamentos usados.[034] The present invention proposes a direct method for characterizing the nonlinear refractive index of fibers or optical guides, in order to reduce the uncertainty in the obtained values, as well as reduce the complexity, technical requirements and costs of the test arrangement. Such characteristics become possible since its operating principle is based on low frequency signals (in the megahertz range), consequently presenting less noise and better discretization in the collected data, thus allowing greater accuracy of the results, in addition to having a reduced cost due to the less critical specifications, in terms of the required electrical bandwidth of the used equipment.

[035] Para tanto, o método aqui proposto baseia-se na determinação do coeficiente não linear do índice de refração pela mensuração da fase de um sinal óptico sonda modulado em amplitude que, propagando-se por um guia óptico (fibra óptica ou guia integrado) ou material óptico bruto, sofra uma variação do índice de refração em função da potência do sinal aplicado. A sua fase instantânea é comparada com uma amostra do mesmo sinal não modulado, definido como sinal de referência, que se propaga por um outro caminho óptico de comprimento desprezível. Por fim, para a determinação do coeficiente de variação do índice de refração não linear, como será detalhado no presente documento, deve-se levar em consideração a potência óptica de sinal aplicada em cada instante.[035] Therefore, the method proposed here is based on the determination of the non-linear coefficient of the refractive index by measuring the phase of an amplitude-modulated optical probe signal that, propagating through an optical guide (optical fiber or integrated guide) or raw optical material, undergoes a variation of the refractive index as a function of the power of the applied signal. Its instantaneous phase is compared with a sample of the same unmodulated signal, defined as the reference signal, which propagates along another optical path of negligible length. Finally, to determine the coefficient of variation of the non-linear refractive index, as will be detailed in this document, the optical power of the signal applied at each moment must be taken into account.

[036] A diferença de fase entre o sinal óptico sonda e o sinal óptico de referência é determinada, fundamentalmente, por dois fatores: o comprimento do guia óptico de teste e o índice de refração do guia óptico em teste. Ao propagar-se pelo guia óptico, a fase do sinal varia em função da própria propagação da onda que é dependente do comprimento do guia e do seu índice de refração. O índice de refração do guia, por sua vez, apresenta uma parcela de seu valor que é constante e uma outra, chamada de índice de refração não linear, que varia à medida que a potência do sinal aumenta. Uma vez que o sinal sonda e o sinal de referência têm origem na mesma fonte de luz de potência constante, cujo comprimento de onda também é mantido constante durante o processo de medição, eles mantêm o mesmo comprimento de onda até chegarem ao receptor. Portanto, qualquer variação de fase que ocorra em função da potência óptica dos sinais propagantes deverá estar relacionada com a parcela não linear do índice de refração, permitindo a sua inferência a partir da análise proposta.[036] The phase difference between the optical probe signal and the optical reference signal is fundamentally determined by two factors: the length of the test optical guide and the refractive index of the optical guide under test. When propagating through the optical guide, the phase of the signal varies as a function of the propagation of the wave itself, which is dependent on the length of the guide and its index of refraction. The index of refraction of the guide, in turn, presents a portion of its value that is constant and another, called the nonlinear index of refraction, which varies as the signal power increases. Since the probe signal and the reference signal originate from the same constant power light source, whose wavelength is also kept constant during the measurement process, they maintain the same wavelength until they reach the receiver. Therefore, any phase variation that occurs as a function of the optical power of the propagating signals must be related to the non-linear portion of the refractive index, allowing its inference from the proposed analysis.

[037] Uma possível realização do arranjo experimental proposto é apresentado na Figura 1, na qual se faz uso de um receptor de fase em quadratura com diversidade de polarização. No esquemático apresentado, especificamente no que se refere a geração dos sinais de interesse, um sinal óptico de amplitude constante e comprimento de onda escolhido é gerado pelo laser sintonizável (1). Esse sinal deve ser do tipo monomodo, tanto transversalmente quanto longitudinalmente, apresentando apenas uma raia espectral, a menor largura de banda possível, o menor valor de ruído intrínseco (RIN -Relative Intensity Noise), além da maior estabilidade de amplitude e comprimento de onda. Esse sinal é acoplado através de uma fibra mantenedora da polarização (2) a um divisor de potência óptica (3) também mantenedor da polarização óptica. O divisor de potência óptica (3) possui duas saídas com fibras mantenedoras da polarização (4): uma responsável por acoplar parte do sinal ao modulador óptico (5), enquanto a segunda é responsável por acoplar a outra parcela do sinal de saída à entrada do oscilador local (12) do receptor óptico coerente em quadratura de fase (14).[037] A possible realization of the proposed experimental arrangement is shown in Figure 1, which makes use of a quadrature-phase receiver with polarization diversity. In the presented schematic, specifically with regard to the generation of the signals of interest, an optical signal of constant amplitude and chosen wavelength is generated by the tunable laser (1). This signal must be of the single-mode type, both transversely and longitudinally, presenting only one spectral line, the smallest possible bandwidth, the lowest value of intrinsic noise (RIN -Relative Intensity Noise), in addition to greater amplitude and wavelength stability. This signal is coupled through a polarization maintaining fiber (2) to an optical power divider (3) also maintaining the optical polarization. The optical power divider (3) has two outputs with polarization-maintaining fibers (4): one responsible for coupling part of the signal to the optical modulator (5), while the second is responsible for coupling the other portion of the output signal to the input of the local oscillator (12) of the coherent optical receiver in phase quadrature (14).

[038] Ao ser aplicado ao modulador óptico (5) o sinal óptico de amplitude e comprimento de onda constantes, provenientes do divisor de potência óptica (3) será modulado em amplitude de acordo com sua curva de transmitância e com o sinal elétricos de polarização Vpol (6) e de modulação Vmod (7). O modulador óptico, idealmente, deverá apresentar o menor valor possível de parâmetro de gorjeio (também chamado de chirp) de modo a evitar que a modulação em frequência causada pelo modulador interfira nos resultados da medição proposta. Dessa forma, é recomendável o uso de moduladores ópticos baseados em interferometria, como o modulador de Mach-Zehnder, os quais apresentam gorjeio desprezível. Entretanto, levando-se em consideração o gorjeio imposto pelo modulador na etapa de pós-processamento, o uso de outras arquiteturas de moduladores eletro-ópticos não impede, nem descaracteriza, o método aqui proposto.[038] When applied to the optical modulator (5), the optical signal of constant amplitude and wavelength, coming from the optical power divider (3) will be amplitude modulated according to its transmittance curve and the electrical signal of polarization Vpol (6) and modulation Vmod (7). The optical modulator, ideally, should present the lowest possible value of the chirp parameter (also called chirp) in order to prevent the frequency modulation caused by the modulator from interfering with the results of the proposed measurement. Therefore, it is recommended the use of optical modulators based on interferometry, such as the Mach-Zehnder modulator, which present negligible chirping. However, taking into account the chirp imposed by the modulator in the post-processing stage, the use of other electro-optical modulator architectures does not prevent, nor mischaracterize, the method proposed here.

[039] As amplitudes dos sinais de polarização (Vpol) e de modulação (Vmod) devem ser ajustadas de forma a garantir que a excursão da amplitude do sinal óptico de saída tenha a maior razão de extinção possível sem que exceda os limites superior e inferior da curva de transmitância. Conforme apresentado na Figura 3, a aplicação de um sinal triangular devidamente ajustado a um MZM garante que o sinal de saída receba uma modulação em amplitude em formato senoidal na mesma frequência e fase do sinal elétrico aplicado, minimizando a formação de harmônicas no espectro óptico de saída. A maximização da razão de extinção do sinal óptico garante que a varredura do sinal atinja a maior variação possível de amplitude relativa, possibilitando leituras na maior gama de amplitudes possível dentro das limitações dos dispositivos empregados no arranjo experimental.[039] The amplitudes of the polarization (Vpol) and modulation (Vmod) signals must be adjusted to ensure that the amplitude excursion of the output optical signal has the highest possible extinction ratio without exceeding the upper and lower limits of the transmittance curve. As shown in Figure 3, the application of a properly adjusted triangular signal to an MZM ensures that the output signal receives amplitude modulation in a sinusoidal format at the same frequency and phase as the applied electrical signal, minimizing the formation of harmonics in the output optical spectrum. The maximization of the optical signal extinction ratio guarantees that the signal sweep reaches the greatest possible variation of relative amplitude, allowing readings in the widest range of amplitudes possible within the limitations of the devices used in the experimental arrangement.

[040] O sinal elétrico de polarização Vpol, responsável pelo ajuste do ponto de operação do modulador óptico (5), é proveniente de uma fonte de tensão ajustável, contínua, estabilizada e de baixo ruído (6), preferencialmente com capacidade de ajuste de tensão de saída da ordem de décimos de Volt ou menor. Já o sinal elétrico de modulação Vmod é proveniente de um gerador de sinais ajustável em frequência e amplitude (7). Idealmente, tal gerador de sinais deve apresentar a capacidade de prover sinais na faixa de frequências de dezenas de megahertz ou superior, amplitude ajustável até o valor de tensão de meia onda do modulador (frequentemente por volta de 5 V) ou superior, baixa distorção harmônica e baixo ruído. A conexão elétrica de saída do gerador de sinais (9) deve ser feita através de cabos coaxiais de baixas perdas, podendo também apresentar uma derivação para a entrada de sinal de sincronismo (17) no osciloscópio (16). Esta conexão é facultativa e visa melhorar a sincronia da base de tempo das medições, principalmente quando o osciloscópio usado não apresenta recursos de sincronia baseados na amplitude do sinal de entrada ou quando os sinais medidos se apresentarem particularmente ruidosos.[040] The electrical polarization signal Vpol, responsible for adjusting the operating point of the optical modulator (5), comes from an adjustable, continuous, stabilized and low noise voltage source (6), preferably with output voltage adjustment capability of the order of tenths of a Volt or less. The electrical signal of Vmod modulation comes from a signal generator adjustable in frequency and amplitude (7). Ideally, such a signal generator should have the ability to provide signals in the frequency range of tens of megahertz or higher, adjustable amplitude up to the half-wave voltage value of the modulator (often around 5 V) or higher, low harmonic distortion and low noise. The electrical connection to the output of the signal generator (9) must be made through low-loss coaxial cables, which may also have a derivation for the synchronism signal input (17) on the oscilloscope (16). This connection is optional and aims to improve the synchronization of the measurement time base, mainly when the oscilloscope used does not have synchronization resources based on the amplitude of the input signal or when the measured signals are particularly noisy.

[041] Uma vez modulado em amplitude, o sinal óptico de saída do modulador óptico (5), doravante referido como sinal sonda, é acoplado ao guia óptico em teste (11) e propaga-se por ele. A depender das especificações de potência da fonte de luz empregada (1) e da perda de inserção do modulador eletro-óptico (5), pode-se fazer necessário o emprego de um amplificador óptico (10) entre a saída do modulador de Mach-Zehnder e a entrada do guia óptico a ser caracterizado, conexão essa que deverá ser realizada por fibras ópticas com menor comprimento possível (8), tipicamente cordões ópticos com alguns centímetros de comprimento.[041] Once amplitude modulated, the optical output signal of the optical modulator (5), hereinafter referred to as the probe signal, is coupled to the optical guide under test (11) and propagates through it. Depending on the power specifications of the light source used (1) and the insertion loss of the electro-optical modulator (5), it may be necessary to use an optical amplifier (10) between the output of the Mach-Zehnder modulator and the input of the optical guide to be characterized, a connection that should be made using optical fibers with the shortest possible length (8), typically optical cords a few centimeters long.

[042] Ao atravessar o guia óptico em teste (11), cada valor instantâneo de amplitude do sinal sonda sofrerá uma variação de fase proporcional à potência instantânea aplicada por conta da auto-modulação de fase. Dessa forma, sinais de baixa amplitude terão sua fase na saída do guia óptico em teste dependendo basicamente do componente linear do seu índice de refração e do comprimento do guia óptico em teste. Sinais de amplitude maiores, dado o fenômeno de auto-modulação de fase, sofrerão também uma alteração de fase proporcional à potência instantânea e ao coeficiente de não linearidade do índice de refração do guia óptico em teste, permitindo sua caracterização pelo método proposto.[042] When crossing the optical guide under test (11), each instantaneous value of the probe signal amplitude will suffer a phase variation proportional to the instantaneous power applied due to the phase self-modulation. Thus, low amplitude signals will have their phase at the output of the optical guide under test depending basically on the linear component of their refractive index and the length of the optical guide under test. Larger amplitude signals, given the phase self-modulation phenomenon, will also undergo a phase change proportional to the instantaneous power and to the non-linearity coefficient of the refractive index of the optical guide under test, allowing its characterization by the proposed method.

[043] Na saída da fibra encontra-se um receptor óptico coerente em quadratura de fase (14) que receberá tanto o sinal sonda na saída do guia óptico em teste (13) quanto o oscilador local (12). O receptor óptico coerente em quadratura (14) poderá ser de dupla polarização ou de polarização simples, conforme indicado por arranjo experimental alternativo na Figura 2, sendo que, no caso de polarização simples, um controlador de polarização (20) deverá ser acoplado à sua entrada para garantir que o sinal sonda seja recebido em sua completude em uma única polarização óptica.[043] At the fiber output there is a coherent optical receiver in phase quadrature (14) that will receive both the probe signal at the output of the optical guide under test (13) and the local oscillator (12). The quadrature coherent optical receiver (14) may be dual-polarized or single-polarized, as indicated by an alternative experimental arrangement in Figure 2, and in the case of single-polarized, a polarization controller (20) must be coupled to its input to ensure that the probe signal is received in its entirety in a single optical polarization.

[044] Idealmente, os níveis das potências ópticas aplicadas ao receptor coerente (14) devem ser os mais altos possíveis, sem que ocorra a saturação dos fotodetectores internos ao receptor. Por exemplo, em receptores de sistemas coerentes comerciais do tipo DP-QPSK operando a 100 Gb/s, a potência do sinal de entrada (13) é de aproximadamente 0 dBm, enquanto que a do oscilador local (12) é por volta de +10 dBm. No caso específico das medições feitas usando o método aqui proposto, as condições ótimas serão determinadas em função das características apresentadas pelo guia óptico em teste (11), bem como as demais características do arranjo implementado.[044] Ideally, the levels of optical power applied to the coherent receiver (14) should be as high as possible, without saturating the photodetectors inside the receiver. For example, in receivers of commercial coherent systems of the DP-QPSK type operating at 100 Gb/s, the power of the input signal (13) is approximately 0 dBm, while that of the local oscillator (12) is around +10 dBm. In the specific case of measurements made using the method proposed here, the optimal conditions will be determined depending on the characteristics presented by the optical guide under test (11), as well as the other characteristics of the implemented array.

[045] O receptor óptico coerente em quadratura de fase (14) de dupla polarização possui quatro saídas elétricas (15), correspondendo às componentes em fase e em quadratura (I e Q, respectivamente) de cada polarização do sinal óptico (x e y), denominadas: Ix, Qx, Iy e Qy. Alternativamente, quando o receptor óptico usado é de uma única polarização, o receptor óptico coerente em quadratura de fase (14) possuirá somente duas saídas elétricas (15), correspondendo ao sinal em fase (I) e em quadratura (Q).[045] The dual-polarization quadrature-phase coherent optical receiver (14) has four electrical outputs (15), corresponding to the in-phase and quadrature components (I and Q, respectively) of each polarization of the optical signal (x and y), called: Ix, Qx, Iy and Qy. Alternatively, when the optical receiver used is of a single polarization, the quadrature-phase coherent optical receiver (14) will have only two electrical outputs (15), corresponding to the in-phase (I) and quadrature (Q) signal.

[046] Um diagrama esquemático de um receptor coerente em quadratura de fase de dupla polarização é apresentado na Figura 4, sendo composto por híbridas de 90o, responsáveis pela combinação adequada dos sinais ópticos, e por conjuntos de fotodetectores balanceados, responsáveis pela conversão dos sinais ópticos para o domínio elétrico. No esquema apresentado, é possível perceber que o dispositivo é composto, fundamentalmente, por dois receptores ópticos coerentes em quadratura de fase de polarização única (30 e 31). A potência de entrada de cada um de tais receptores de polarização única se dá por um divisor de potência óptica em polarização (34), para a entrada referente ao sinal sonda (32), e por um acoplador óptico (35), para a entrada referente ao oscilador local (33). Uma vez dividida a potência aplicada à entrada referente ao sinal sonda (32), cada componente é aplicada à respectiva parte do circuito para a separação das componentes em fase e em quadratura e às respectivas transduções do domínio óptico para o domínio elétrico. Internamente, cada receptor coerente de polarização única conta com novos acopladores ópticos para divisão da potência do sinal sonda (36 e 45) e do oscilador local (37 e 46), rotores de fase em 900 para uma das componentes do oscilador local (38 e 47), e mais um conjunto de acopladores ópticos para combinação dos sinais de saída (39, 40, 48 e 49). Por fim, os sinais ópticos são convertidos para o domínio elétrico por fotodetectores balanceados (41,42, 43, 44, 50, 51,52 e 53) gerando as correntes de saída Ix, Qx, Iy e Qy, respectivas às componentes em fase (I) e em quadratura (Q) de ambas as polarizações ópticas (x e y).[046] A schematic diagram of a dual-polarization quadrature-phase coherent receiver is shown in Figure 4, consisting of 90o hybrids, responsible for the proper combination of optical signals, and balanced photodetector sets, responsible for converting optical signals to the electrical domain. In the presented diagram, it is possible to perceive that the device is composed, fundamentally, by two coherent optical receivers in phase quadrature of single polarization (30 and 31). The input power of each such single polarization receiver is provided by an optical power divider in polarization (34), for the input referring to the probe signal (32), and by an optocoupler (35), for the input referring to the local oscillator (33). Once the power applied to the input referring to the probe signal (32) is divided, each component is applied to the respective part of the circuit for the separation of the in-phase and quadrature components and the respective transductions from the optical domain to the electrical domain. Internally, each single-polarization coherent receiver has new optocouplers for dividing the power of the probe signal (36 and 45) and the local oscillator (37 and 46), phase rotors at 900 for one of the components of the local oscillator (38 and 47), and another set of optocouplers for combining the output signals (39, 40, 48 and 49). Finally, the optical signals are converted to the electrical domain by balanced photodetectors (41, 42, 43, 44, 50, 51, 52 and 53) generating the output currents Ix, Qx, Iy and Qy, corresponding to the in-phase (I) and quadrature (Q) components of both optical polarizations (x and y).

[047] Por fim, as correntes elétricas de saída do receptor óptico coerente em quadratura de fase (15), correspondendo às amplitudes dos campos elétricos dos sinais ópticos deslocados em frequência para a banda base pelo fenômeno eletro-óptico de batimento durante a sua fotodetecção, são aplicadas às entradas de sinal do osciloscópio (16). Ao osciloscópio também pode ser aplicada uma amostra do sinal elétrico de modulação (7) à sua entrada de sincronismo (17). A amostragem e a armazenagem dos sinais provenientes da saída do receptor óptico coerente em quadratura de fase (15) são feitas pelo osciloscópio (16) conectado (19) a um computador externo (18). O computador externo (18) é o responsável pela execução do processamento dos sinais para a obtenção dos parâmetros de não linearidade do guia óptico em teste (11), podendo, adicionalmente, incluir etapas de processamento de sinais visando reduzir o impacto deletério de fontes de ruído óptico e/ou elétrico, as quais podem envolver o cálculo da média de diversas amostras, a interpolação de resultados, a eliminação por filtragem de sinais espúrios e ruídos, não estando, porém, limitadas a essas abordagens. Arranjos equivalentes podem ser utilizados para a captura dos sinais de interesse, inclusive contando com o processamento dos dados no próprio osciloscópio através da execução de médias e/ou filtragens digitais adequadas.[047] Finally, the electrical output currents of the coherent optical receiver in quadrature phase (15), corresponding to the amplitudes of the electric fields of the optical signals shifted in frequency to the baseband by the electro-optical phenomenon of beating during its photodetection, are applied to the oscilloscope signal inputs (16). A sample of the electrical modulation signal (7) can also be applied to the oscilloscope at its synchronism input (17). Sampling and storage of the signals from the output of the coherent quadrature-phase optical receiver (15) are performed by the oscilloscope (16) connected (19) to an external computer (18). The external computer (18) is responsible for executing the signal processing to obtain the non-linearity parameters of the optical guide under test (11), and may additionally include signal processing steps aimed at reducing the deleterious impact of optical and/or electrical noise sources, which may involve calculating the average of several samples, interpolation of results, elimination by filtering spurious signals and noise, not being, however, limited to these approaches. Equivalent arrangements can be used to capture the signals of interest, including processing the data on the oscilloscope itself through the execution of adequate digital averages and/or filtering.

[048] O princípio de operação do método proposto pela presente invenção considera que a diferença de fase entre os sinais sonda e de referência depende da diferença de comprimento do caminho óptico de propagação entre o transmissor e o receptor e de suas características de índice de refração. Enquanto o sinal de referência atravessa um guia óptico muito mais curto que o percurso do sinal sonda, com potência constante, atenuação desprezível e não sujeito a interferências externas, o sinal sonda é modulado em amplitude antes de ser propagado pelo guia óptico em teste. Quando a potência que atravessa o guia óptico em teste varia em amplitude, o índice de refração varia em função da amplitude do sinal aplicado ao guia, ocasionando uma variação da fase do sinal sonda que chega ao receptor óptico coerente em quadratura de fase. Ao mensurar a intensidade de tal variação de fase, empregando-se como referência o sinal do oscilador local, e previamente conhecendo-se a amplitude do sinal sonda aplicado, seu formato de modulação, a atenuação do guia em teste e seu comprimento, se faz possível a estimação do valor do índice de refração não linear do guia óptico sob teste.[048] The principle of operation of the method proposed by the present invention considers that the phase difference between the probe and reference signals depends on the difference in the length of the optical path of propagation between the transmitter and the receiver and its refractive index characteristics. While the reference signal crosses an optical guide much shorter than the path of the probe signal, with constant power, negligible attenuation and not subject to external interference, the probe signal is amplitude modulated before being propagated by the optical guide under test. When the power that crosses the optical guide under test varies in amplitude, the refractive index varies as a function of the amplitude of the signal applied to the guide, causing a phase variation of the probe signal that arrives at the coherent optical receiver in phase quadrature. By measuring the intensity of such phase variation, using the local oscillator signal as a reference, and previously knowing the amplitude of the applied probe signal, its modulation format, the attenuation of the guide under test and its length, it is possible to estimate the value of the non-linear refractive index of the optical guide under test.

[049] Especificamente, a medição da constante de não linearidade n2(A) é feita através da medição do coeficiente de não linearidade e da medição da Aeff, multiplicando-se os valores respectivos. À rigor, mesmo Aeff não é constante em função do comprimento de onda, necessitando-se de um conjunto completo de medidas da Aeff por comprimento de onda para uma correta caracterização de n2. Por essa razão, além da praticidade de uso em programas de simulação de transmissão óptica, é que se mede o coeficiente de não linearidade. Dessa maneira, torna-se mais conveniente a determinação do coeficiente de não linearidade em função do comprimento de onda n2/Aeff(A) do que a medição do valor de n2 diretamente, ainda assim, esse valor pode ser facilmente determinado se o valor de Aeff for conhecido.[049] Specifically, the measurement of the non-linearity constant n2(A) is performed by measuring the non-linearity coefficient and measuring the Aeff, multiplying the respective values. Strictly speaking, even Aeff is not constant as a function of wavelength, requiring a complete set of Aeff measurements per wavelength for a correct characterization of n2. For this reason, in addition to the practicality of use in optical transmission simulation programs, the non-linearity coefficient is measured. In this way, it becomes more convenient to determine the coefficient of nonlinearity as a function of the wavelength n2/Aeff(A) than to measure the value of n2 directly, even so, this value can be easily determined if the value of Aeff is known.

[050] Para tanto, o método considera que o campo elétrico do sinal sonda pode ser dividido entre os campos nas duas polarizações ortogonais enquanto que o campo elétrico do sinal de referência tem apenas uma polarização. Cada polarização do sinal sonda possui informações em fase com o sinal de referência e em quadratura. Todos os campos possuem frequência de modulação da portadora ω0 e podem ser expressos como:
Esx = EIxsen(ω0t) + EQxcos(ω0t) Eq. 4
Esy = EIysen(ω0t) + EQycos(ω0t) Eq. 5
ERef = ELOsen(ω0t) Eq. 6
nas quais, na entrada do receptor óptico, Esx é a amplitude do campo do sinal sonda na polarização x, Esy é a amplitude do campo do sinal sonda na polarização y, ELO é a amplitude do campo do sinal de referência, Elx é a amplitude do campo em fase na polarização x, EQx é a amplitude do campo em quadratura na polarização x, Ely é a amplitude do campo em fase na polarização y e EQy é a amplitude do campo em quadratura na polarização y.[050] Therefore, the method considers that the electric field of the probe signal can be divided between the fields in the two orthogonal polarizations while the electric field of the reference signal has only one polarization. Each polarization of the probe signal has information in phase with the reference signal and in quadrature. All fields have carrier modulation frequency ω0 and can be expressed as:
Esx = EIxsen(ω0t) + EQxcos(ω0t) Eq. 4
Esy = EIysen(ω0t) + EQycos(ω0t) Eq. 5
ERef = ELOsen(ω0t) Eq. 6
where, at the input of the optical receiver, Esx is the amplitude of the probe signal field at x polarization, Esy is the amplitude of the probe signal field at y polarization, ELO is the amplitude of the reference signal field, Elx is the amplitude of the field in phase at x polarization, EQx is the amplitude of the quadrature field at x polarization, Ely is the amplitude of the field in phase at y polarization, EQy is the amplitude of the quadrature field at y polarization.

[051] Conforme detalhado no esquemático da Figura 4, no receptor óptico coerente em quadratura, o sinal sonda é dividido de acordo com cada polarização e passa por dois divisores de potência óptica que o divide em partes iguais de potência para cada polarização. O sinal de referência passa por três divisores de potência óptica que também o divide em potências iguais nas saídas a cada passagem. Assumindo que as perdas sofridas, tanto pelo sinal sonda quanto pelo sinal de referência, estejam limitadas à divisão de potência, a intensidade do campo elétrico que efetivamente chega aos fotodetectores é:

[051] As detailed in the schematic of Figure 4, in the quadrature coherent optical receiver, the probe signal is divided according to each polarization and passes through two optical power dividers that divide it into equal parts of power for each polarization. The reference signal passes through three optical power dividers that also divide it into equal powers at the outputs on each pass. Assuming that the losses suffered by both the probe signal and the reference signal are limited to the power division, the intensity of the electric field that actually reaches the photodetectors is:

[052] Considerando que cada híbrida de 900 possui quatro saídas, num total de oito quando consideradas as duas polarizações do sinal sonda, os campos elétricos normalizados referentes às potências ópticas aplicadas a cada fotodetector são mostrados na tabela abaixo:

onde En (para 1 ≤ n ≤ 8) representa os campos elétricos em cada fotodiodo, In (para 1 ≤ n ≤ 8) representa as correntes em cada fotodiodo com responsividade n, e a constante j indica um deslocamento de 900 na fase do sinal óptico.[052] Considering that each 900 hybrid has four outputs, a total of eight when considering the two polarizations of the probe signal, the normalized electric fields referring to the optical powers applied to each photodetector are shown in the table below:

where En (for 1 ≤ n ≤ 8) represents the electric fields in each photodiode, In (for 1 ≤ n ≤ 8) represents the currents in each photodiode with responsiveness n, and the constant j indicates a shift of 900 in the phase of the optical signal.

[053] Novamente, conforme indicado no esquemático do receptor coerente apresentado na Figura 4, os pares de fotodetectores (41 e 41, 43 e 44, 50 e 51 e 52 e 53) são associados de maneira tal que a corrente de saída de cada par seja a diferença entre as correntes nos referentes fotodetectores. Assim, desenvolvendo as equações da Eq. 10 até a Eq. 17, obtém-se:
I1 = η(Esx2 + 2ESxERef + ERef2) Eq. 18
I2 = η(Esx2 - 2ESxERef + ERef2) Eq. 19
I3 = η(ESx2 + 2jESxERef + ERef2) Eq. 20
I4 = η(ESx2 - 2jESxERef + ERef2) Eq. 21
I5 = η(ESy2 + 2ESyERef + ERef2) Eq. 22
I6 = η(ESy2 - 2ESyERef + ERef2) Eq. 23
I7 = η(Esy2 + 2jESyERef + ERef2) Eq. 24
I8 = η(Esy2 - 2jESyERef + ERef2) Eq. 25[053] Again, as indicated in the schematic of the coherent receiver shown in Figure 4, the pairs of photodetectors (41 and 41, 43 and 44, 50 and 51 and 52 and 53) are associated in such a way that the output current of each pair is the difference between the currents in the respective photodetectors. Thus, developing the equations of Eq. 10 to Eq. 17, we get:
I1 = η(Esx2 + 2ESxERef + ERef2) Eq. 18
I2 = η(Esx2 - 2ESxERef + ERef2) Eq. 19
I3 = η(ESx2 + 2jESxERef + ERef2) Eq. 20
I4 = η(ESx2 - 2jESxERef + ERef2) Eq. 21
I5 = η(ESy2 + 2ESyERef + ERef2) Eq. 22
I6 = η(ESy2 - 2ESyERef + ERef2) Eq. 23
I7 = η(Esy2 + 2jESyERef + ERef2) Eq. 24
I8 = η(Esy2 - 2jESyERef + ERef2) Eq. 25

[054] A seguir, ainda com base no esquemático apresentado na Figura 4, pode-se definir que:
IIX = I1 -I2 Eq. 26
IQx = I3 - I4 Eq. 27
lIY = I5 - I6 Eq. 28
IQy = 17 - 18 Eq. 29
das quais, obtém-se:
IIx = 4ηEsxELO Eq. 30
IQX = 4ηjEsxELO Eq. 31
lIY = 4ηEsyELO Eq. 32
IQy = 4ηjESyELO Eq. 33
onde j indica uma variação de 90o na fase do sinal de referência.[054] Next, still based on the schematic shown in Figure 4, it can be defined that:
IIX = I1 -I2 Eq. 26
IQx = I3 - I4 Eq. 27
lIY = I5 - I6 Eq. 28
IQy = 17 - 18 Eq. 29
from which you get:
IIx = 4ηExxELO Eq. 30
IQX = 4ηjEsxELO Eq. 31
liY = 4ηEsyELO Eq. 32
IQy = 4ηjESyELO Eq. 33
where j indicates a 90o variation in the phase of the reference signal.

[055] A seguir, aplicando-se as Equações de 7 a 9 nas Equações de 30 até 33, obtém-se:

as quais resultam em:

[055] Then, applying Equations 7 to 9 in Equations 30 to 33, we obtain:

which result in:

[056] Uma vez que a resposta em frequência elétrica dos fotodetectores não permite a operação na faixa de 2ω0, na ordem das centenas de terahertz, os termos nessas frequências são eliminados das Equações 38 a 41, resultando em:

as quais serão convertidas de corrente para tensão por meio de uma resistência de carga ou ganho de um amplificador de transimpedância de valor R, resultando em:

[056] Since the electrical frequency response of the photodetectors does not allow operation in the range of 2ω0, in the order of hundreds of terahertz, the terms at these frequencies are eliminated from Equations 38 to 41, resulting in:

which will be converted from current to voltage through a load resistance or gain of an R-valued transimpedance amplifier, resulting in:

[057] Após a conversão para tensão, os sinais serão amostrados pelo osciloscópio ou sistema equivalente de amostragem e processados por um computador externo ou pelo próprio osciloscópio, caso suas características técnicas permitam. Em tal estágio, reagrupando os sinais em fase e em quadratura de acordo com a sua polarização, definem-se:

permitindo que a fase instantânea do sinal seja determinada a partir de:

de modo que a fase acumulada ao longo da propagação através de um guia óptico é dada por:
( , , ) = ( , ) λ( ) Eq. 53
onde k0 é o número de onda e L é o comprimento do guia.[057] After conversion to voltage, the signals will be sampled by the oscilloscope or equivalent sampling system and processed by an external computer or by the oscilloscope itself, if its technical characteristics allow. At this stage, regrouping the in-phase and quadrature signals according to their polarization, we define:

allowing the instantaneous phase of the signal to be determined from:

so that the accumulated phase along propagation through an optical guide is given by:
( , , ) = ( , ) λ( ) Eq. 53
where k0 is the wave number and L is the guide length.

[058] Uma vez que, de acordo com a Equação 3, define-se que o índice de refração equivalente do guia é composto por uma parte contínua e uma parte variável em função da potência aplicada, a Equação 53 pode ser reescrita na seguinte forma:
( , , ) = L( , ) + NL( , , ) Eq. 54
na qual é a fase total, L é a fase devida à parte linear do índice de refração e NL é a fase devida à parte não linear.[058] Since, according to Equation 3, it is defined that the equivalent refractive index of the guide is composed of a continuous part and a variable part depending on the applied power, Equation 53 can be rewritten as follows:
( , , ) = L( , ) + NL( , , ) Eq. 54
where is the total phase, L is the phase due to the linear part of the refractive index, and NL is the phase due to the non-linear part.

[059] Portanto, Considerando-se a Equação 3, aplicando-se na Equação 53 e escrevendo-a na forma da Equação 54, obtém-se:

onde:

nas quais Leff é o comprimento efetivo da fibra para a não linearidade e α é a atenuação linear do guia óptico em teste.[059] Therefore, considering Equation 3, applying it to Equation 53 and writing it in the form of Equation 54, we obtain:

where:

where Leff is the effective fiber length for non-linearity and α is the linear attenuation of the optical guide under test.

[060] Para a implementação prática do método, caso o guia em teste seja uma fibra óptica, o valor de Leff(λ) pode ser determinado previamente através da medida do comprimento do guia óptico com o uso de um reflectômetro óptico de domínio do tempo (OTDR - Optical Time Domain Reflectometer). Já a sua atenuação em função do comprimento de onda pode ser medida para a região de comprimentos de onda de interesse, usando, por exemplo, uma fonte de luz de banda larga ou um laser sintonizável e um analisador de espectro óptico. De modo exemplificativo, a Figura 5 mostra o crescimento dos valores de Leff em função do comprimento total do guia óptico em teste para dois valores distintos do fator de atenuação da fibra (dados em dB/km), bem como os valores assintóticos de Leff para fibras de comprimento infinito. Conforme apresentado nos casos específicos explorados na Figura 5, para fibras ópticas convencionais, com coeficiente de perda de 0,18 dB/km e 0,2 dB/km e comprimentos infinitos, os valores de Leff são 24,13 km e 21,71 km, respectivamente.[060] For the practical implementation of the method, if the guide under test is an optical fiber, the value of Leff(λ) can be previously determined by measuring the length of the optical guide using an optical time domain reflectometer (OTDR - Optical Time Domain Reflectometer). Their attenuation as a function of wavelength can be measured for the wavelength region of interest using, for example, a broadband light source or a tunable laser and an optical spectrum analyzer. As an example, Figure 5 shows the growth of Leff values as a function of the total length of the optical guide under test for two different values of the fiber attenuation factor (data in dB/km), as well as the asymptotic Leff values for fibers of infinite length. As shown in the specific cases explored in Figure 5, for conventional optical fibers, with a loss coefficient of 0.18 dB/km and 0.2 dB/km and infinite lengths, the Leff values are 24.13 km and 21.71 km, respectively.

[061] A seguir, separando-se os termos das componentes lineares e não lineares mostrados na Equação 55, obtém-se:

com as quais pode-se determinar o valor de n2/Aeff através da variação da potência de entrada e monitoramento da variação de fase da saída, como mostrado em:

onde o parâmetro d /dP é calculado através da variação da fase medida em função da variação de potência P lançada pela modulação óptica.[061] Next, separating the terms of the linear and nonlinear components shown in Equation 55, we obtain:

with which you can determine the value of n2/Aeff by varying the input power and monitoring the phase variation of the output, as shown in:

where the parameter d /dP is calculated through the variation of the measured phase as a function of the variation of power P launched by the optical modulation.

[062] Uma vez que o formato do sinal óptico de teste é conhecido previamente e, assumindo o uso de modulação elétrica em formato triangular em um modulador do tipo Mach-Zehnder, sabe-se que a variação da potência óptica do sinal lançado no guia óptico em teste é senoidal, como mostra a Figura 3. Dessa forma, torna-se possível a determinação da potência instantânea do sinal sonda lançado no guia óptico em teste. Considera-se também que, como a frequência de modulação do sinal sonda é baixa para que efeitos de dispersão cromática e de polarização e não linearidades não causem alterações significativas no formato de pulso do sinal sonda recebido, é também possível determinar o valor instantâneo da potência óptica através dos sinais capturados pelo osciloscópio e normalizados pela potência óptica de pico do sinal de entrada do guia óptico em teste. Dessa forma, o sinal elétrico no osciloscópio que representa o valor instantâneo da potência recebida pode ser determinado por:

[062] Since the format of the optical test signal is previously known and, assuming the use of electrical modulation in a triangular shape in a Mach-Zehnder-type modulator, it is known that the variation in the optical power of the signal launched in the optical guide under test is sinusoidal, as shown in Figure 3. Thus, it becomes possible to determine the instantaneous power of the probe signal launched in the optical guide under test. It is also considered that, as the modulation frequency of the probe signal is low so that chromatic dispersion and polarization effects and non-linearities do not cause significant changes in the pulse shape of the received probe signal, it is also possible to determine the instantaneous value of the optical power through the signals captured by the oscilloscope and normalized by the peak optical power of the input signal of the optical guide under test. In this way, the electrical signal on the oscilloscope that represents the instantaneous value of the received power can be determined by:

[063] O fator de normalização pode ser determinado experimentalmente, conectando-se o receptor óptico coerente à saída do transmissor e capturando os sinais de saída. Sabendo-se o formato do sinal de modulação e sua potência média (medida com um medidor de potência óptica) pode-se determinar a potência de pico do sinal sonda e, consequentemente, calcular o fator de normalização a ser aplicado ao sinal P da Equação 61.[063] The normalization factor can be experimentally determined by connecting the coherent optical receiver to the transmitter output and capturing the output signals. Knowing the format of the modulation signal and its average power (measured with an optical power meter) it is possible to determine the peak power of the probe signal and, consequently, calculate the normalization factor to be applied to the P signal of Equation 61.

[064] Já para poder dimensionar a faixa de potência aplicável à medida, deve-se conhecer à priori a faixa de variação esperada da fase. A expressão matemática da variação de fase em função da potência de sinal aplicada é facilmente determinável a partir da Equação 60, considerando-se uma excursão de valores de potência entre 0 e a potência de pico Pmax:

onde ∆ϕ é a máxima variação de fase desejada[064] In order to dimension the power range applicable to the measurement, the range of expected phase variation must be known a priori. The mathematical expression of the phase variation as a function of the applied signal power is easily determined from Equation 60, considering an excursion of power values between 0 and the peak power Pmax:

where ∆ϕ is the maximum desired phase variation

[065] Para exemplificar a aplicação da Equação 62, pode-se considerar uma bobina de fibra do tipo SMF-28 com L = 50 km, α = 0,18 dB/km, n2 = 2,6.10-20 m2W-1 , Aeff = 8.10-11 m2 e λ = 1550 nm, para a qual tem-se que a variação de fase por potência de sinal aplicado é de 27,78 rad/W. Dessa forma, para que a variação de fase medida seja inferior a π rad, a potência de pico do sinal deve ser menor que 113 mW.[065] To exemplify the application of Equation 62, one can consider a fiber coil of the SMF-28 type with L = 50 km, α = 0.18 dB/km, n2 = 2.6.10-20 m2W-1 , Aeff = 8.10-11 m2 and λ = 1550 nm, for which the phase variation per applied signal power is 27, 78 rad/W. Thus, for the measured phase variation to be less than π rad, the peak power of the signal must be less than 113 mW.

[066] Para a aplicação prática do método, deve-se considerar que as variações de fase causadas pela diferença entre as frequências instantâneas das portadoras do sinal modulado (sonda) e do sinal que chega à entrada do oscilador local aumentam a imprecisão nas medidas. Portanto, a frequência de modulação do sinal sonda deve ser muito maior que a largura de linha da fonte óptica do sinal de maneira a limitar a variação de fase devida à diferença entre as frequências instantâneas da portadora do sinal sonda e do sinal do oscilador local dentro do intervalo de um período de excursão máxima da amplitude do sinal sonda.[066] For the practical application of the method, it must be considered that the phase variations caused by the difference between the instantaneous frequencies of the carriers of the modulated signal (probe) and the signal that arrives at the input of the local oscillator increase the imprecision in the measurements. Therefore, the modulation frequency of the probe signal must be much greater than the linewidth of the optical source of the signal in order to limit the phase shift due to the difference between the instantaneous frequencies of the probe signal carrier and the local oscillator signal within the range of a maximum excursion period of the probe signal amplitude.

[067] Conforme possibilitado pelo atual estado da técnica, considerando o uso de fontes ópticas com larguras de linha da ordem de dezenas ou centenas de quilohertz é conveniente o uso de frequência de modulação do sinal sonda da ordem de dezenas de megahertz. Nessa faixa de valores conseguem-se algumas vantagens como a limitação do custo do arranjo de medições enquanto que os efeitos da dispersão cromática e de polarização do guia em teste são desprezíveis. Filtragens do tipo passa-banda centradas na frequência de modulação e suas harmônicas, além do cálculo das médias dos resultados de diversas medidas também podem ser feitas para melhorar a precisão do resultado pós-processado dos dados obtidos, minimizando os efeitos da variação de frequência de portadora entre o sinal sonda e o do oscilador local, além de reduzir a amplitude dos ruídos.[067] As made possible by the current state of the art, considering the use of optical sources with line widths in the order of tens or hundreds of kilohertz, it is convenient to use a modulation frequency of the probe signal in the order of tens of megahertz. In this range of values, some advantages are achieved, such as limiting the cost of the measurement arrangement, while the effects of chromatic dispersion and polarization of the guide under test are negligible. Band-pass filtering centered on the modulation frequency and its harmonics, in addition to calculating the averages of the results of several measurements, can also be performed to improve the accuracy of the post-processed result of the obtained data, minimizing the effects of the carrier frequency variation between the probe signal and that of the local oscillator, in addition to reducing the amplitude of noise.

[068] Um exemplo de resultado obtido pelo método é mostrado na Figura 6, onde é apresentado um gráfico da variação de fase do sinal sonda em função da potência instantânea aplicada. A partir da curva mostrada no gráfico pode-se determinar o parâmetro d /dP e, aplicando-se esses dados à Equação 60, determinar não apenas o valor de n2/Aeff como os termos de mais alta ordem da componente não linear do índice de refração.[068] An example of the result obtained by the method is shown in Figure 6, where a graph of the phase variation of the probe signal as a function of the applied instantaneous power is shown. From the curve shown in the graph, the d /dP parameter can be determined and, applying these data to Equation 60, determine not only the n2/Aeff value but also the highest order terms of the non-linear component of the refractive index.

BENEFITS

[069] Conforme detalhado no presente relatório descritivo, o objeto de invenção proposto apresenta uma solução inovadora e única para a mensuração do coeficiente de não linearidade do índice de refração de guias ópticos monomodo. Em específico, ao empregar uma técnica de caracterização direta e baseada em sinais de relativa baixa frequência, o método pode ser executado com equipamentos de baixa complexidade e baixo custo, reduzindo os requerimentos de implementação. Ademais, o método também não é suscetível a influência de fenômenos como a dispersão cromática e de polarização, os quais usualmente requerem complexos processos para serem eliminados ou compensados em técnicas de medição de tal parâmetro. Adicionalmente, o método requer um pós processamento dos sinais adquiridos de baixa complexidade, o qual pode ser realizado no próprio osciloscópio responsável pelas capturas ou em computador pessoal, fazendo uso de qualquer linguagem de programação que o usuário julgue adequada. Por fim, o fato de tal processamento demandar somente capturas com curta duração, possibilita que o usuário realize uma pluralidade de capturas sucessivas, empregando técnicas de média ou filtragem digital para eliminação de instabilidades inerentes a tais medidas. Em uma visão geral, o método permite que a mensuração do coeficiente de não linearidade do índice de refração seja realizada de modo simples, rápido e pouco custoso, representando ganhos significativos para a caracterização de guias ópticos.[069] As detailed in this descriptive report, the proposed object of invention presents an innovative and unique solution for measuring the non-linearity coefficient of the refractive index of single-mode optical guides. Specifically, by employing a direct characterization technique based on relatively low frequency signals, the method can be performed with low-complexity and low-cost equipment, reducing implementation requirements. Furthermore, the method is also not susceptible to the influence of phenomena such as chromatic and polarization dispersion, which usually require complex processes to be eliminated or compensated in measurement techniques for such a parameter. Additionally, the method requires low-complexity post-processing of the acquired signals, which can be performed on the oscilloscope responsible for the captures or on a personal computer, using any programming language that the user deems appropriate. Finally, the fact that such processing requires only short-term captures makes it possible for the user to carry out a plurality of successive captures, using averaging techniques or digital filtering to eliminate instabilities inherent to such measurements. In an overview, the method allows the measurement of the coefficient of non-linearity of the refractive index to be carried out in a simple, fast and inexpensive way, representing significant gains for the characterization of optical guides.

Claims

Method for determining the non-linear component of the refractive index of optical waveguides, characterized by the transmission of an amplitude-modulated optical signal through the optical guide to be characterized, reception using a coherent optical receiver in phase quadrature, analogue-to-digital conversion, digital data acquisition, measurement of the phase shift relative to the non-modulated reference signal, calculation of the intensity of the phase shift as a function of the optical power at each instant of time and consequent estimation of the non-linear parameter of the refractive index.

Method for determining the non-linear component of the refractive index of optical waveguides, according to claim 1, characterized in that it allows the characterization of the waveguide under test in different spectral regions by tuning the wavelength of the emission of the coherent monochromatic optical source used to generate the optical signal.

Method for determining the non-linear component of the refractive index of optical waveguides, according to claim 1, characterized in that the optical signal is modulated, preferably, in frequency a few orders of magnitude above the line width of the monochromatic optical source used to generate such signal.

Method for determining the non-linear component of the refractive index of optical waveguides, according to claim 1, characterized in that the optical signal is modulated, preferably, sinusoidally, or following another previously known waveform, through a triangular modulating electrical signal applied to a Mach-Zehnder modulator or equivalent electro-optical modulator.

Method for determining the non-linear component of the refractive index of optical waveguides, according to claim 1, characterized in that coherent reception is carried out considering signals with single or double optical polarization and using a sample of the optical carrier in continuous wave mode, prior to its sinusoidal modulation, as a local oscillator.

Method for determining the non-linear component of the refractive index of optical waveguides, according to claim 1, characterized by the digital acquisition of the received data considering a plurality of subsequent acquisitions to calculate time averages and/or digital filtering to reduce optical noise levels and eliminate instabilities.

Method for determining the nonlinear component of the refractive index of optical waveguides, according to claim 1, characterized by the possibility of determining the higher order terms of the nonlinear refractive index of the optical guide under test by sampling the signals received at rates higher than the modulation frequency used.

Apparatus for measuring the non-linearity coefficient of the refractive index of optical waveguides characterized by containing a monochromatic laser, an optical power divider, a Mach-Zehnder type modulator or equivalent, an electric signal generator, an electric source in direct current, the optical waveguide under test, a coherent optical receiver of single or dual polarization, an oscilloscope and a device for data acquisition and post-processing, allowing the proposed characterization according to any one of claims 1 to 7.

Apparatus for measuring the non-linearity coefficient of the refractive index of optical waveguides, according to claim 8, characterized in that it contains, alternatively, an optical amplifier to provide optical gain to the probe signal in order to compensate for the insertion loss of the other optical devices that make up the proposed apparatus.

Apparatus for measuring the non-linearity coefficient of the refractive index of optical waveguides, according to claim 8, characterized in that it contains, alternatively, a polarization control to maximize the received optical power if the coherent optical receiver used is capable of receiving only a single optical polarization.