PT777925E

PT777925E - Geracao de impulsos escuros

Info

Publication number: PT777925E
Application number: PT95929177T
Authority: PT
Inventors: Kevin Smith; Daniel Moutinho Pataca; Monica De Lacerda Rocha
Original assignee: British Telecomm
Priority date: 1994-08-23
Filing date: 1995-08-22
Publication date: 2001-04-30
Also published as: CA2198121A1; WO1996006471A1; DE69519736T2; AU697588B2; US5784395A; JPH10504659A; AU3263895A; DE69519736D1; EP0777925B1; EP0777925A1; CA2198121C

Description

Γ

DESCRIÇÃO "GERAÇÃO DE IMPULSOS ESCUROS"

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um gerador de impulsos ópticos, para gerar impulsos escuros, tais como impulsos escuros de soiitões.

Fundamento da Invenção

Considera-se usualmente um impulso óptico como compreendendo uma explosão de radiação de uma portadora óptica, com uma dada forma de envolvente de modulação. Quando o impulso tem uma forma inicial da envolvente, por exemplo U(t) = N sech (t), onde N é um número inteiro, o impulso pode ser transmitido como um solitão, numa fibra óptica. Para essas fornas particulares da envolvente, a dispersão de comprimentos de onda, produzida no impulso pela fibra, ou o chamado "gorjeio" ("chirp") , é contrabalançado pela dependência não linear, da fibra, do índice de refracção em relação à amplitude, que produz uma auto-modulação de fase (SPM) por meio da qual a fase do impulso é modulada pela sua própria intensidade. Este contrabalanço resulta no impulso auto-sustentado ou solitão, que tende a manter a forma da sua envolvente, com o tempo, enquanto é transmitido ao longo da fibra. A natureza não dispersiva dos soiitões torna-os atractivos para a transmissão de dados através de fibras ópticas ao longo de grandes distâncias. 1

Um impulso que tem as características que se acaba de descrever é conhecido como impulso claro. É igualmente possível gerar os denominados impulsos escuros, tais como solitões escuros, que ocorrem quando uma explosão de radiação óptica, essencialmente contínua, contém intervalos temporais ou zonas temporais com radiação de intensidade reduzida. Tais intervalos são conhecidos como impulsos escuros. Pode demonstrar-se que, para o caso particular de solitões, os solitões escuros podem ter uma forma geral da envolvente dada por U(t) = N tanh (t), onde N é um número inteiro. Para uma discussão mais completa, faz-se referência a "Non-linear propagation effects in optical fibers: numerical studies - K.J. Blow & N.J. Doran Chapter 4, Optical Solitons - Theory and Experiments, editado por J.R. Taylor, Cambridge University Press 1992.

Tal como é aqui usado, o termo impulso escuro inclui quer um impulso preto, no qual a intensidade cai até zero, quer um impulso cinzento, no qual a queda de intensidade só parcialmente tende para zero.

Os solitões escuros têm sido produzidos experimentalmente, por exemplo, como se descreve nas páginas 394-396 de "Optical Solitons-Theory and Experiment" supra. Nesta disposição, as componentes de frequência dos impulsos provenientes de um laser de corante são dispersas espacialmente por meio de uma grelha, e depois ponderadas por meio de uma máscara. As componentes de amplitude ponderadas resultantes são depois recombinadas por uma outra grelha. Portanto, as componentes do impulso resultante, com amplitudes ponderadas, são depois transmitidas com um perfil temporal desejado, de acordo com uma transformação de Fourier, da forma desejada do impulso. Utilizando-se esta técnica, podem gerar-se impulsos escuros 2 estreitamente semelhantes aos solitões pretos e cinzentos esperados.

Porém, um problema com este dispositivo anterior é que a transformação de Fourier realizada pela máscara e as grelhas não é facilmente controlável. A utilização de um modulador para introdução dos sinais de modulação, para produzir solitões claros, está descrita em D.M. Pataca et al "Actively Mode-locked Pr3+-doped fluoride fibre laser", Electronics Letters June 1994, Vol. 30, N.° 12, p. 964-5. Neste dispositivo, a fibra dopada com praseodímio (Pr3+) está incluída numa cavidade ressonante bombada por um laser de bombagem de Nd:YAG. A cavidade é definida por um espelho semi-reflector, numa extremidade da fibra e um espelho completamente reflector na outra. A cavidade inclui também um modulador electro-óptico. Em utilização, o modulador é accionado por uma onda sinusoidal, que produz variações sinusoidais, positivas e negativas, no índice de refracção do modulador, de modo a modular em fase a luz que ressoa na cavidade. Se se escolher o período de modulação de modo a corresponder ao tempo de trânsito da luz que ressoa na cavidade, designa-se a cavidade como cavidade com modo bloqueado. A modulação sinusoidal de fase produzida pelo modulador provoca um "gorjeio" (chirp), positivo e negativo, em alternâncias sucessivas da frequência de modulação. Quando o gorjeio resultante fbr negativo, ele compensa a característica de dispersão do Pr3+, de modo que se produzem solitões claros durante as sucessivas alternâncias negativas da onda de modulação. Para as outras alternâncias, o gorjeio positivo que é produzido adiciona-se à dispersão produzida pela fibra e, como consequência, produzem-se impulsos largos instáveis. 3

Faz-se referência também a E.J. Green na K. Smith, Electronics Letters, Vol. 28, N.° 18, 27 de Agosto de 1992, p. 1 741 - 1 743, onde se descreve uma outra configuração de laser com modo bloqueado, que pode produzir solitões claros.

Produziram-se solitões escuros utilizando-se um modulador electro-óptico, mas sem utilização de uma técnica de bloqueio de modo, como se descreve por W. Phao et al, Optics Letters, Vol. 5, N.° 8, 15 de Abril de 1990, p. 405-407.

Sumário da Invenção A presente invenção proporciona uma via aperfeiçoada para a produção de impulsos escuros.

Em termos latos, como se define nas reivindicações independentes 1, 3 e 17, a presente invenção proporciona um gerador de impulsos ópticos que compreende uma fonte de radiação óptica, um meio dispersivo opticamente, através do qual passa a radiação óptica, um modulador, e uma fonte de sinais de modulação, sendo o modulador operativo para modular em fase a radiação óptica, de acordo com os sinais de modulação, de modo tal que se produzem impulsos escuros na radiação óptica. A fonte de radiação pode compreender um laser que é bloqueado no modo, pelo modulador. Mais particularmente, o gerador de impulsos ópticos e o processo correspondente de gerar impulsos escuros, de acordo com a invenção, pode compreender uma cavidade óptica, um meio dispersivo opticamente, na cavidade, meios para produzir a ressonância 4 óptica no interior da cavidade e um modulador para modular em fase ciclicamente sinais na cavidade para bloquear o modo de ressonância para produzir impulsos com uma periodicidade dada, sendo as caracteristicas dispersivas da cavidade e as caracteristicas de modulação de fase do modulador seleccionadas para produzir impulsos de saida escuros. 0 meio dispersivo opticamente no interior da cavidade pode compreender urr. guia de ondas óptico, por exemplo uma fibra óptica, dopada para proporcionar uma caracteristica dada de dispersão dos comprimentos de onda.

Enquanto que o gerador de acordo com a invenção gera impulsos escuros, ele pode também ser configurado para produzir impulsos claros e, para isso, a cavidade pode também incluir meios dispersivos com uma caracteristica de dispersão dos comprimentos de onda pré-determinada, de modo que a radiação ressonante na cavidade fique sujeita à dispersão dos comprimentos de onda em função das caracteristicas de dispersão quer do guia de ondas, quer dos meios dispersivos.

Os meios dispersivos podem ser constituídos por uma grelha, com retículos que têm uma frequência espacial que varia ao longo do seu comprimento. 0 modulador pode compreender um modulador óptico, por exemplo uma fibra óptica ligada na cavidade, com uma fonte de modulação óptica para dirigir os impulsos de modulação óptica para uma fibra, para modular as suas caracteristicas ópticas. Deste modo, pode obter-se a modulação de fase que produz o bloqueio de modo. 5

Breve Descrição dos Desenhos

Para uma melhor compreensão da invenção, descreve-se agora uma forma de realização da mesma, dada a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos, cujas figuras representam: A fig. 1, uma ilustração esquemática de um laser e fibra de fluoreto dopado com Pr3+, que é capaz de gerar impulsos claros; A fig. 2a, a modulação de fase produzida pelo modulador representado na fig. 1; A fig. 2b, as características de fase e "gorjeio" produzidas pelo modulador na fig. 2a; A fig. 2c, os impulsos de saída resultantes para as alternâncias sucessivas da modulação de fase produzida pelo aparelho da fig. 1; A fig. 3, uma forma de realização de acordo com a invenção; A fig. 4a, a modulação de fase produzida no aparelho da fig. 3; A fig. 4b, esquematicamente, a saída do laser da fig. 3; A fig. 5, uma ilustração esquemática da grelha de gorjeio escalonada que pode ser usada na fig. 3 para suportar impulsos claros; A fig. 6, a reflexão da caracteristica da grelha de gorjeio representada na fig. 5; A fig. 7a, impulsos escuros produzidos pelo aparelho da fig. 3, quando se usa um espelho semi-reflector como saída, a 700 MHz; A fig. 7b, resultados correspondentes com o espelho, a 2,8 GHz; e 6 A fig. 7c, resultados correspondentes quando o espelho é substituído pela grelha de gorjeio, de modo a proporcionar .impulsos de saída claros.

Descrição das Formas de Realização

Fazendo agora referência à fig. 1, esta figura representa um laser de fibra de fluoreto dopado com Pr3+, bloqueado em fase, da técnica anterior, como é proposto por D.M. Pataca et al, Electronic Letters, Junho de 1994, Vol. 30, N.° 12, p. 964 atrás referido. 0 laser é constituído por uma cavidade entre um espelho totalmente reflector (Ml) e um espelho parcialmente reflector (M2) . A excitação óptica é proporcionada por um laser (1) de Nd:YAG, bloqueado no modo, que opera no flanco de comprimento de onda longo da absorção de iões de Pr3+ (absorção de 0,32 dB/m por cada 1,064 μπι) . A energia de bombagem é acoplada através de um WDM1 multiplexador com divisão de comprimentos de onda e uma fibra de sílica de adaptação de modo com uma fibra (3) dopada com Pr3+. Devido ao facto de o tempo de vida no estado superior do ião PrJ+ ser longo (cerca de 100 με) em comparação com o período de bombagem (cerca de 10 ms), a excitação é substancialmente contínua. A luz que deixa a fibra de Pr3+ é colimada por uma lente (4) e dirigida para um padrão de sintonização (5) de vidro com a espessura de 0,25 mm, e daí para um modulador (6). Além disso, a cavidade inclui um conjunto de discos (7) mecânicos de controlo da polarização. 7

0 modulador (6) pode operar para obter o bloqueio do modo EM, por modulação de fase da emissão do laser de fibra de Pr3+ no interior da cavidade. 0 modulador (6) foi operado com uma periodicidade correspondente ao tempo de trânsito no interior da cavidade, entre os espelhos (M1,M2), donde resulta que os impulsos de saída produzidos pelo laser, através do espelho (M2), com uma velocidade correspondente à frequência do modulador ou seus sub-múltiplos. 0 modulador (6) compreende um modulador de fase electro-óptico, de niobato de lítio, maciço, cujo desvio de fase máximo é de alguns décimos de radiano, sendo assim a sua frequência (cerca de 420 MHz) sintonizada com uma harmónica do espaçamento do modo da cavidade (cerca de 10 MHz) .

Assim, o laser produzia impulsos claros, bloqueados no modo, com a frequência de modulação do modulador (6), com o comprimento de onda do sinal gerado pelo laser de 1,3 μτα associado com a fibra de Pr3+ (3) . Dão-se outros pormenores dos resultados experimentais em D.M.Pataca atrás referidos. Os impulsos de saída claros consistiam numa sucessão de impulsos claros curtos, intercalados com impulsos largos instáveis, quando o modulador foi actuado por um sinal eléctrico sinusoidal. A razão disso vai agora explicar-se, com referência à fig. 2.

Na fig. 2a, o sinal de excitação do modulador de fase (6) compreende uma onda eléctrica sinusoidal. Este sinal produz uma modulação de fase sinusoidal correspondente da luz φ (t) na cavidade do laser que, como se mostra na fig. 2b, na zona (I), produz uma taxa positiva de variação da frequência ou "gorjeio" nos impulsos bloqueados do modo FM. Este gorjeio positivo 8 resultante combina-se com a dispersão positiva da fibra Pr3+ (3) de modo a produzir uma dispersão do impulso de que resulta um impulso de saida claro, largo e relativamente instável, representado na fig. 2c.

Em contraste, para a alternância negativa da modulação de fase, representada na zona (II), na fig. 2a, produz-se um gorjeio negativo, que se combina com a dispersão positiva da fibra Pr3+ (3) de modo a produzir um impulso comprimido relativamente curto, como se mostra na fig. 2c.

De acordo com a invenção, verificou-se que o efeito representado na zona (1) da fig. 2 pode ser modificado para conseguir obter impulsos de saida escuros, descrevendo-se agora uma forma de realização do gerador de impulsos com referência à fig. 3.

Na fig. 3 está representado um laser dopado com Pr3+ que, em vez de ser bloqueado, no modo, por um modulador electro-óptico, como na fig. 1, é bloqueado no modo EM por um modulador óptico. Como na fig. 1, a fibra Pr3+ está acoplada na cavidade entre o espelho (Ml) totalmente reflector e um acoplador de saida (M2), parcialmente reflector. A fibra tinha um comprimento de 10 m e foi bombada por um laser Nd:YAG (1) a 1,064 μη, através de um multiplexador por divisão de comprimentos de onda WDM1. O espelho terminal (Ml) era um espelho 100% reflector encostado à fibra dopada Pr3+ (3). O acoplador de saida (M2) compreende ou um espelho 92% reflector ou uma grelha impressa optimamente, como se descreverá com mais pormenor mais adiante. 9

Na forma de realização da fig. 3, a modulação de fase EH é obtida na fibra de sílica (2) . Para isso, são acoplados impulsos de modulação provenientes de um laser DFB de 1,56 μια (7), através de um multiplexador por divisão dos comprimentos de onda (WDM2) na fibra de sílica (2) .

Os impulsos de modulação produzem variações do índice de refracção da fibra de sílica (2), através de efeito linear (Kerr); por vezes conhecida por modulação de fase cruzada (XPM) e, por selecção da taxa de repetição de impulsos, de acordo com a frequência de ressonância da cavidade, pode obter-se o bloqueio de modo. Na prática, os impulsos provenientes do laser (7) têm uma duração de 35 ps e são amplificados num amplificador de fibra dopada com érbio (não representado) até um máximo de 30 mW de potência média. Os impulsos propagam-se ao longo do comprimento de 500 m da fibra de sílica (2), entre os multiplexadores em comprimentos de onda (WDM2) e (WDM3), saindo depois da cavidade. Os impulsos de modulação produzem variações no índice de refracção da fibra de sílica, de modo a produzir uma modulação de fase positiva da luz laser Pr3+ que ressoa na cavidade entre os espelhos (Ml,M2). Daqui resulta a produção de impulsos escuros na saída do laser, como se explica agora, com referência à fig. 4.

Na fig. 4a, está representado o desvio de fase φ(ί) produzido pelos impulsos de modulação na fibra de sílica (2) . Deve notar-se que cada um dos sucessivos impulsos de modulação produz a mesma janela de fase positiva. A fibra de modulação foi escolhida com uma dispersão zero a cerca de 1,44 μια de modo que os atrasos de grupo a 1,3 μια (o comprimento de onda de ressonância do laser Pr3+) e a 1,565 μια (o comprimento de onda dos impulsos de modulação provenientes do laser DFB (7) ) sejam 10 razoavelmente adaptados. A dispersão total, para a cavidade do laser, foi estimada em 14 ps/m, resultante de contribuições de 4 ps/m e 10 ps/m provenientes da fibra Pr3+ e da fibra moduladora (3) e fibra modulador (2), respectivamente. O gorjeio positivo resultante, produzido pela modulação de fase representado na fig. 4a, combina-se com a dispersão positiva da cavidade, para produzir impulsos escuros, como se mostra na fig. 4b. A fig. 7a ilustra um exemplo de impulsos escuros de saída, produzidos quando se aplicam impulsos de modulação, provenientes do laser (7), à fibra (2), com uma frequência de repetição de cerca de 700 MHz. A combinação dos desvios de frequência positivos produzidos pelos impulsos de modulação provenientes do laser (7) e a dispersão normal da cavidade tem de a "empurrar" luz dos intervalos de tempo de modulação para as zonas não moduladas, dando origem a uma saída de onda essencialmente contínua, larga, separada por impulsos ópticos escuros. 0 aparelho representado na fig. 3 pode, adicionalmente, ser reconfigurado para produzir impulsos claros. Isso pode conseguir-se alterando a dispersão da cavidade, por substituição do espelho (M2) por uma denominada grelha com gorjeios. Uma tal grelha pode ser produzida como se descreve em R. Kashyap et al: "Novel method of producing all fibre photoinduced chirped kratings" Electroni s letters, Vol. 30, N.° 12, p 996-998, 1994. Em resumo, produzem-se diferentes grelhas por estabelecimento de uma onda estacionária numa fibra fotossensível, para produzir um padrão de grelha. O padrão é repetido na fibra a diferentes níveis de tensão mecânica aplicada, de modo que, quando se afrouxa a tensão, se registam 11 na mesma fibra grelhas com espaçamentos diferentes. Na fig. 5 está representada uma ilustração de uma fibra que inclui duas dessas grelhas, estando as suas caracteristicas de saída representadas na fig. 6. Com referência à fig. 5, a grelha inclui duas porções de grelha separadas (A, B), que apresentam picos de reflectividade em λι e λ2, respectivamente. Pode assim ver-se que o espaçamento entre as zonas (A,B) introduzirá um gorjeio nos impulsos que ressoam na cavidade, o que, mediante uma seleccàc apropriada dos espaçamentos das retículas para as zonas (A, 3!, pode conduzir a uma dispersão negativa, para compensar a dispersão positiva da fibra Pr3+ (3) .

As fig. 7b e 7c mostram a saída do laser para o dispositivo da fig. 3, primeiro quando se utiliza o espelho semi-reflector (M2) (fig. 7b) e quando se substitui o espelho por uma grelha com gorjeio (fig. 7c) . Em ambos os casos, os impulsos de modulação provenientes do laser (7) são fornecidos à fibra (2), com uma taxa de repetição de cerca de 2,8 GHz. Na ausência da grelha, como se mostra na fig. 7b, produzem-se impulsos escuros e os resultados são qualitativamente idênticos aos representados na fig. 7a. Porém, quando se introduziu a grelha, produziu-se um atraso de grupo líquido positivo no interior da fibra, capaz de manter solitões claros e, portanto, produz-se uma sequência de impulsos ópticos claros estreitos, de cerca de 50 ps. São possíveis muitas modificações e variações dos exemplos descritos. Por exemplo, é possível substituir o modulador de fase por um modulador de amplitude e obter bloqueio do modo FM, gerando-se impulsos escuros. Em todos os exemplos descritos, os impulsos escuros podem ser solitões. Tal como aqui se usa, a 12 expressão radiação óptica inclui luz visível e radiação não visível, tal como radiações ultravioleta e infravermelha.

Lisboa, 29 de Janeiro de 2001,

^AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUb ÍRIAL 13

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Gerador de impulsos ópticos, que compreende: uma fonte ressonante de radiação óptica (1 ,wnM1 , .3,Ml ,M2) ; um meio opticamente dispersivo (3) , através do qual, em utiiizapão, passa a referida radiação óptica; um modulador (2) ; uma fonte de sinais de modulação (7) ; sendo o referido modulador operativo para bloquear o modo da referida fonte ressonante e modular em fase a referida radiação óptica, de acordo com os sinais de modulação, sendo as caracteristicas de dispersão do meio dispersivo opticamente (3) e as caracteristicas de modulação escolhidas de modo a produzir impulsos escuros na referida radiação óptica.
2. Gerador de impulsos ópticos de acordo com a reivindicação 1, no qual a fonte de radiação compreende um laser (Ml, 1, 3,M2) .
3. Gerador de impulsos ópticos para a produção de impulsos escuros, que compreende: uma cavidade óptica (M1,M2), um meio opticamente dispersivo (3), no interior da cavidade, meios (1,2,3) para produzir ressonância óptica no interior da cavidade, e um modulador (2,7) para modular ciclicamente os sinais ópticos na cavidade, para bloquear o modo da ressonância para produzir impulsos com uma periodicidade dada, sendo as caracteristicas de dispersão da cavidade e as 1 características de modulação do modulador escolhidas de modo a produzir impulsos de saida escuros. Gerador de impulsos ópticos de acordo com a reivindicação 3, no qual o modulador (2,7) é um modulador de fase. Gerador de impulsos ópticos de acordo com as reivindicações 3 ou 4, que inclui uma fonte de energia de bombagem (1) e meios (WDMl) para o acoplamento de energia de bombagem da fonte para o interior da cavidade. Gerador de impulsos ópticos de acordo com a reivindicação 5, no qual a fonte (1) de energia de bombagem é constituída por uma bomba de laser Nd;YAG. Gerador de impulsos ópticos de acordo com qualquer das reivindicações 3 a 6, no qual o meio opticamente dispersivo no interior da cavidade é constituído por um guia de ondas óptico (3) . Gerador de impulsos ópticos de acordo com a reivindicação 7, no qual o guia de ondas óptico é constituído por uma fibra óptica (3), dopada para proporcionar uma característica particular de dispersão dos comprimentos de onda. Gerador de impulsos óptico de acordo com a reivindicação 8, no qual a fibra é uma fibra dopada com praseodímio. Gerador de impulsos óptico de acordo com qualquer das reivindicações 3 a 9, no qual a cavidade inclui também meios dispersivos (M2), com uma característica de 2 \ dispersão pré-determinada, de modo que a radiação ressonante na cavidade é sujeita a uma dispersão dos comprimentos de onda, em função das caracteristicas de dispersão, quer do guia de ondas (3), quer dos meios dispersivos (M2).
11. Gerador de impulsos ópticos de acordo com a reivindicação 10, no qual os meios dispersivos (M2) são constituídos por uma grelha (A,B).
12. Gerador de impulsos ópticos de acordo com a reivindicação 11, no qual a grelha tem retí cuias com uma frequência espacial variável ao longo do seu comprimento.
13. Gerador de impulsos óptico de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual o modulador inclui uma fibra óptica moduladora (2), ligada na cavidade, e uma fonte de modulação óptica (7) para dirigir os impulsos de modulação óptica para o interior da fibra de modulação, para modular as suas caracteristicas ópticas.
14. Gerador de impulsos ópticos de acordo com a reivindicação 13, no qual a fibra óptica de modulação (2) é constituída por uma fibra de sílica.
15. Gerador de impulsos ópticos de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, adicionalmente susceptível de ser reconfigurado para produzir impulsos claros.
16. Gerador de impulsos ópticos de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, no qual os impulsos são impulsos de solitões. 3
17. Método para gerar impulsos ópticos escuros compreendendo a produção de ressonância óptica dentro duma cavidade dispersiva opticamente (M1,M2), e modulação cíclica de sinais ópticos na cavidade, de forma a bloquear o modo de ressonância e produzir impulsos com uma dada periodicidade, sendo a modulação e a característica dispersiva da cavidade configuradas de forma a produzir impulsos escuros de saída. Lisboa, 29 de Janeiro de 2001.

4