Erbium doped fiber amplifiers design for modal-division multiplexing systems

Os sistemas ópticos atuais, baseados em fibras monomodo, operam próximos ao limite teórico da capacidade. Sistemas ópticos baseados em multiplexação modal (Mode Division Multiplexing – MDM) possibilitam o aumento da capacidade do sistema por meio do uso de fibras de poucos modos. Nestes sistemas, a propriedade de ortogonalidade entre os modos propagantes permite que cada modo espacial carregue um sinal óptico específico. O amplificador à fibra dopada com érbio (Erbium-Doped Fiber Amplifier – EDFA) segue fundamental para assegurar a transmissão em longas distâncias. No entanto, devido às distintas distribuições de intensidade dos modos que compõem o sinal de entrada, cada modo experimenta diferentes valores de ganho. Desta forma, o objetivo principal no projeto de EDFAs de poucos modos (Few-Mode Erbium-Doped Fiber Amplifier – FM-EDFA) é determinar os melhores parâmetros opto-geométricos da fibra para produzir uma amplificação eficiente. A metodologia normalmente empregada é baseada na resolução das equações de taxa e de propagação. Nesta tese, é proposta uma metodologia alternativa de projeto de FM-EDFA, baseada em uma nova figura de mérito. Este parâmetro quantifica o nível de inversão da população dos íons na fibra a partir da integral de superposição (overlap integral), considerando tanto o perfil de dopagem da fibra dopada com érbio para poucos modos (Few-Mode Erbium-Doped Fiber – FM-EDF) quanto as distribuições de intensidade dos sinais de entrada e de bombeio. A aplicação desta metodologia permite reduzir, em cerca de 25-40 vezes, o número de resoluções das equações de taxa e de propagação e, consequentemente, diminuir o tempo de processamento e reduzir o esforço computacional. Como consequência da maior velocidade de processamento, torna-se possível a aplicação de métodos de otimização mais rigorosos, permitindo uma busca em um espaço irrestrito de soluções. Especificamente, a partir de uma metodologia baseada em algoritmos genéticos, obteve-se um perfil de dopagem otimizado. É também demonstrado que os perfis com geometria circular exibem melhores características, como excelente desempenho do FM-EDFA e maior facilidade de fabricação. Por meio da análise da figura de mérito, é mostrado que o desempenho do FM-EDFA é afetado pelas características do modo de bombeio. Finalmente, o desempenho de um sistema óptico MDM é avaliado, simulado por meio da integração entre as ferramentas MatLab® e VPItransmissionMakerTM, comprovando a necessidade do projeto de um amplificador específico para sistemas MDM.Modern optical systems based on single-mode fiber, operate close to the theoretical capacity limit. By using few-mode fibers, optical systems based on modal division multiplexing (MDM) allows increased system capacity. In these systems, orthogonality between the propagating modes allows each spatial mode to carry a specific optical signal. The erbium doped fiber amplifier (EDFA) remains essential to ensure long distance transmission. However, due to the distinct intensity profile distributions of the modes which comprise the input signal, each mode experiences a different value of optical gain. Thus, the main objective in the few-mode EDFA design (FM-EDFA) is to determine the best opto-geometrical fiber parameters in order to produce an efficient amplification. The methodology normally used is based on the simultaneous resolution of the rate and propagation equations. In this thesis, we propose an alternative methodology for the FM-EDFA design, based on a new figure of merit which quantifies the level of population inversion for the Er ions in the fiber, by means of a overlap integral considering both the doping profile of the few-mode erbium doped fiber (FM-EDF) as well as the intensity distributions of the optical signals and pump beams. This methodology reduces, by a factor of 25-40, the number of resolutions of the rate and propagation equations, thereby decreasing processing time and computational effort. As a consequence of the improved processing speed, it becomes possible to apply more rigorous optimization methods in an unrestricted solution space. Specifically, by using a genetic algorithm technique, we obtained an optimized doping profile. It is also shown that profiles with circular geometry exhibit improved features, such as excellent FM-EDFA performance and ease of manufacturing. By analyzing the figure of merit, it is shown that the FM-EDFA performance is affected by the characteristics of the pump mode. Finally, the performance of an MDM optical system is evaluated, by integrating Matlab and VPI simulation tools, to demonstrate the need for specific amplifier designs in MDM systems