Contribución al estudio de la amplificación Raman en fibras ópticas

Abstract

La utilización de los sistemas de comunicaciones basados en fibra óptica está hoy en día muy extendida y con ella es posible atender la demanda social de una mayor cantidad y rapidez en la transmisión de datos de unos puntos a otros. Dado que las fibras ópticas atenúan la luz cuando se propaga en su interior, la tecnología basada en la amplificación óptica de señales en líneas de fibra resulta en la actualidad una parte crucial en los sistemas de transmisiones de comunicaciones de gran capacidad por su alta eficacia y menor coste. En el caso de las fibras de sílice, las pérdidas son relativamente pequeñas para longitudes de onda cercanas a 1500 nm (tercera ventana de comunicaciones opticas) donde no superan un valor de 0,25 dB/km. Lógicamente, en peque˜nos recorridos de fibra, inferiores a 1 km, esta atenuación es despreciable, pero en los sistemas de comunicaciones de largo recorrido, que superan los cientos o miles de kilómetros, las pérdidas deben ser compensadas para mantener la propagación de los datos. Sin amplificación en el dominio óptico habría un alto coste tecnológico a la par que económico en conversión electroóptica y posterior regeneración de todas las señales que circularan por la fibra. En la actualidad existen varios tipos de sistemas de amplificación óptica adaptados a las aplicaciones en telecomunicaciones con altas tasas de transmisión y largas distancias. Uno de ellos es el basado en el efecto del Scattering Raman Estimulado (SRS) que un bombeo láser produce sobre una señal formada por pulsos de luz que porta la información. Curiosamente fue uno de los sistemas de amplificación en el dominio óptico que más temprano comenzaron a ser investigados desde su observación y medida de la ganancia por Stolen e Ippen en la década de los 70’s. Los amplificadores ópticos basados en efecto Raman se demostraron usando láseres de estado sólido, antes incluso que los basados en el dopado de las fibras con tierras raras o algunos que utilizan tecnologías de semiconductores, pero su despliegue no ha sido tan importante hasta que recientemente no se ha dispuesto de fuentes de bombeo con diodos láseres de alta potencia. El trabajo desarrollado en esta tesis proporciona un estudio del efecto que la amplificación Raman distribuida produce sobre la dinámica de evolución de pulsos en fibras ópticas. Dicho estudio se ha realizado en dos partes. En primer lugar, se ha estudiado el origen del scattering Raman en las fibras de sílice a...

The use of communication systems based on optical fiber is now a accomplished fait that allows us to give service to society’s demand for a greater amount and data transmission speed between some points. Since the optical fibers attenuate light when propagating therein, the technology based on signals optical amplification on fiber lines is now a crucial part in the communications systems of large transmissions capacity for high efficiency and lower cost. In silica fibers, losses are relatively small for wavelengths close to 1500 nm (third window of optical communications) which do not exceed a value of 0,25 dB/km. Logically, in small runs of fiber, less than 1 km, this attenuation is negligible, but in long-haul communication systems, that exceed hundreds or thousands kilometers, losses must be compensated to maintain the spread of data. Without amplification in the optical domain, we have a high technological cost on the electro-optical conversion and subsequent regeneration of all signals that circulate through the fiber. Currently there are several types of optical amplification systems suited to applications in telecommunications with high transmission rates and long distances. One of them is based on the effect of Stimulated Raman Scattering (SRS) from pump laser to signal light carrying the information. Interestingly it was one of the amplification systems in the optical domain that earlier began to be investigated from the observation and gain measurements by Stolen and Ippen in the early 70’s. Raman fiber amplifiers were shown using solid state lasers rather than those based on fiber doped with rare earths or some that use semiconductor, but its deployment was not as important until recently not been available pump sources based on high-power laser diodes. The work developed in this thesis provides a study of distributed Raman amplification effect on pulses evolution dynamics in fibers. This study was conducted in two parts. First, the origin of Raman scattering in silica fibers from the nonlinear response have been studied. Here we have analyzed the third-order polarization effects that occurs when sufficiently intense fields are propagated. This analysis is performed by a classical model of coupled molecular oscillators, obtaining expressions for effective Raman gain coefficients from SRS, which can compensate the losses suffered by the pulses as they propagate long distances. Using the Slowly Varying Envelope Approximation (SVEA), we have developed a new model to deduce the...