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Title in Portuguese: Estudo do desempenho de filtros ópticos interferométricos: interferômetro Mach-Zehnder de fibra óptica e ressonador óptico em anel
Author: Lima, José Luiz Sousa
Advisor(s): Sombra, Antônio Sérgio Bezerra
Keywords: Ressonador em anel
Soliton
QuasiSoliton
Nível de crosstalk
Issue Date: 2006
Citation: LIMA, J. L. S. Estudo do desempenho de filtros ópticos interferométricos: interferômetro Mach-Zehnder de fibra óptica e ressonador óptico em anel. 2006. 96 f. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2006.
Abstract in Portuguese: Este trabalho relata um estudo numérico das características ópticas de um interferômetro Mach-Zehnder disposto em uma configuração com quatro estágios e um ressonador óptico em anel. O interferômetros Mach-Zehnder foi construído numa versão com fibra comum e outra com fibra de dispersão decrescente considerando um perfil de dispersão linear. O ressonador óptico em anel foi construído com um guia de onda cujo o índice de refração não linear foi moldado com um perfil linear crescente. A transmissão e o fator de compressão dos pulsos de saída são analisados nos regimes de soliton e quasi-soliton para ambos os dispositivos. Os resultados mostraram que a transmissão do interferômetro Mach-Zehnder é fortemente dependente da potência de entrada em ambos os regimes. O nível de crosstalk também é dependente da potência de entrada e da dispersão da fibra. Para potências de entrada altas, o nível de crosstalk é mais baixo para o dispositivo com fibra de dispersão decrescente no regime de soliton. Para esta configuração, o nível de crosstalk mínimo encontrado (-22 dB) foi para a potência normalizada de entrada P = 2,7. No regime de quasi-soliton, em geral, o nível de crosstalk mínimo é mais baixo para o interferômetro Mach-Zehnder com fibra de dispersão decrescente em potências de entrada altas, mas com a possibilidade de se obter um nível de crosstalk menor para o dispositivo utilizando fibra comum. A razão de extinção é também muito dependente da potência de entrada e sofre degeneração quando a potência de entrada aumenta. Para potências de entrada baixas, o interferômetro Mach-Zehnder apresenta uma razão de extinção melhor em potências de entrada mais altas no regime de soliton. No regime de quasi-soliton, a melhor razão de extinção é obtida para o interferômetro Mach-Zehnder com fibra comum em potências de entrada altas. Pode-se dizer que a operação do dispositivo como uma chave óptica não melhora com o uso de fibra de dispersão decrescente. Entretanto, para operação de multiplex/demultiplex, o interferômetro Mach-Zehnder construído com fibra de dispersão decrescente mostrou melhoramentos no nível de crosstalk no regime de soliton e, dependendo da potência de entrada, também no regime de quasi-soliton. No estudo do ressonador óptico em anel foi encontrado que a perda do guia de onda que forma a cavidade anelar diminui a transmissão em ambos os regimes, mas mantém o mesmo comportamento não linear. O uso de um índice de refração não linear com um perfil linear crescente leva à compressão ou alargamento temporal, dependendo da potência de entrada, no regime de soliton. No regime de quasi-soliton não foi observado deformação temporal dos pulsos de saída. Isto indica que, em média, os pulsos de saída estão com a mesma duração temporal que os pulsos de entrada. Os resultados também mostraram que há um aumento da transmissão quando um índice de refração não linear com um perfil linear crescente é usado. Assim, o decréscimo na transmissão associado à perda do guia de onda pode ser evitado. As características de transmissão e a forma dos pulsos ópticos de saída do interferômetro Mach-Zehnder e do ressonador óptico em anel serão de interesse em circuitos ópticos e sistemas de comunicações totalmente ópticos no futuro.
Abstract: The nonlinear optical characteristics of a four-stage Mach-Zehnder interferometer and an optical ring resonator operating in soliton and quasi-soliton regime are investigated numerically. The Mach-Zehnder interferometer was constructed with ordinary telecommunication fiber and dispersion decreasing fiber considering a linear profile. The optical ring resonator waveguide was modeled with a nonlinear refractive index considering a increase linear profile. The transmission and compression factor of the switched pulses are analyzed. Results showed that the soliton and quasi-soliton transmissions of the four-stage MachZehnder interferometer are strongly dependent of the pump power. The crosstalk level is dependent on the pump power and the dispersion of the fiber. For high pump power the crosstalk is lower for the device with dispersion decreasing fiber in soliton regime. For this configuration the minimum crosstalk level (-22 dB) is obtained for pump power P = 2.7. In the quasi-soliton regime, in general the minimum crosstalk level is also lower for the four-stage Mach-Zehnder with dispersion decreasing fiber for high pump power but it is possible to obtain the minimum crosstalk level for the device with ordinary telecommunication fiber for high pump power. The extinction ratio is also very dependent on the pump power. It also degenerates with the increase of the pump power. For low pump power the four-stage Mach-Zehnder with ordinary telecommunication fiber and dispersion decreasing fiber presents a better extinction ratio compared to high pump power in soliton regime. In the quasi-soliton regime the better extinction ratio is obtained for the four-stage Mach-Zehnder with ordinary telecommunication fiber for high pump power. One can say that the operation of the device as an optical switch is not improving with the use of the dispersion decreasing fiber. However, for the multiplex/demultiplex operation, the proposed four-stage Mach-Zehnder constructed with dispersion decreasing fiber is showing improvements in the crosstalk levels in the soliton regime and, depending on the pump power, in the quasi-soliton regime as well. In the optical ring resonato study it was found that the ring waveguide loss lead to decrease of the short pulse transmission in both regimes, but maintaining the same nonlinear behaviour. The use of a nonlinear refractive index with linear increase profile lead to pulse compression or broadening, depending on pump power, in the soliton regime. In the quasi-soliton regime, it was observed no switched pulse deformation. This is an indication that the switched pulses have the same time duration of the input pulses in average. The results also showed that the transmission increases when the nonlinear refractive index with linear increase profile is used. Thus, the transmission decrease associated to the waveguide loss can be avoided. The transmission characteristics and optical pulse shaping of the four-stage Mach-Zehnder and optical ring resonato will be of interest in optical circuits and the all-optical communication systems in future.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/11914
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