Novel photonic systems and devices exploiting the Raman effect in optical fiber
- Autores: Javier Nuño del Campo
- Directores de la Tesis: Juan Diego Ania Castañón (dir. tes.), Sonia Martín López (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José María Soto Crespo (presid.), Fernando Bernabé Naranjo Vega (secret.), Alejandro Carballar Rincón (voc.), Pedro Chamorro Posada (voc.), Sonia Boscolo (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
El efecto Raman es un importante efecto no lineal con aplicaciones principalmente en el campo de la espectroscopía y de la fibra óptica. Desde finales del siglo XX y gracias al abaratamiento y la mejora de las fuentes de bombeo, se ha extenido su uso para la amplificación de señales en comunicaciones ópticas. En esta tesis se estudian dos tipos particulares de amplificadores Raman: los láseres ultralargos (URFLs) y los polarizadores Raman.
A lo largo de la última década se ha demostrado en diversos sistemas de comunicación que la eficiente distribución de ganancia en largas distancias ofrecida por los URFLs permite, en diversas aplicaciones, lograr un equilibrio casi óptimo entre el ruido y los efectos no lineales, lo cual repercute en mejoras en el rendimiento del sistema. No obstante, una de las principales fuentes de error en este tipo de amplificadores es la transferencia de ruido de intensidad relativa (RIN) entre las fuentes de bombeo y la señal.
El primer capítulo de resultados incide en la problemática del RIN, centrándose en su análisis numérico para un caso específico de URFL, los láseres aleatorios de fibra, cuya particularidad radica en carecer de cavidad delimitada, dependiendo en su lugar del scattering Rayleigh para proveer al sistema de retroalimentación distribuida. A continuación se estudian tres aplicaciones de los URFLs (al análisis óptico de dominio temporal basado en efecto Brillouin para la determinación distribuida de temperatura y tensión, a la mejora de los interferómetros de Sagnac para medidas giroscópicas y a las comunicaciones a larga distancia con modulación de fase) de forma tanto numérica como, en el caso de las comunicaciones coherentes, experimental, en las que el uso de este tipo de amplificación permite una mejora del rendimiento.
Los polarizadores Raman son un tipo especial de amplificador Raman en el cual no sólo se amplifica la señal, sino que se la polariza haciendo uso de la dependencia de la ganancia Raman con el estado de polarización relativo. En esta tesis se presenta el primer análisis teórico general de la evolución del estado de la polarización de la señal en sistemas con amplificación Raman, incluyendo el resto de efectos no lineales. Este análisis concluye con la obtención de un sistema de ecuaciones diferenciales que puede resolverse de manera numérica para describir las principales características de los polarizadores Raman. Como ventaja, este sistema es válido en todas las situaciones de interés y requiere un tiempo de cálculo inferior a otros sistemas similares. Se expone también una aproximación analítica de aplicación a un gran número de casos. Finalmente, se presenta un método para la reducción de la inestabilidad de amplitud en este tipo de dispositivos basada en la depolarización rápida de las señales de entrada.
- English
The Raman effect is an important nonlinear effect with applications mainly in the fields of spectroscopy and fiber optics. Since the end of the twentieth century and thanks to the output power improvement and price reduction of pump lasers, its application to optical amplification in optical fiber communications has become widespread. In this thesis, two particular types of Raman amplifiers are studied: ultralong Raman fiber lasers (URFLs) and Raman polarizers.
The advantages of distributed amplification based on URFLs have been demonstrated over the last decade in several optical communications systems, in which the efficient distribution of the gain over long distances offered by these amplifiers allows for a nearly optimal balance between noise and nonlinear effects, which leads to improved performance. Nevertheless, one of the main sources of errors in this type of amplifiers is the RIN transfer between the pumps and the signal.
The first chapter of results in this thesis is committed to study this impairment, focusing on the numerical analysis of a specific case of URFLs, the random distributed feedback fiber lasers (RDFLs) in which the feedback is distributedly provided by Rayleigh scattering, instead of relying on a classical cavity delimited by reflectors. A second batch of results explores three applications of URFL amplification (to distributed sensing based on Brillouin optical time-domain reflectometry, to gyroscopic measurements using Sagnac interferometers and to long haul, high-speed, coherent communications) from a theoretical and, in the case of long-haul communications, experimental perspective. In all cases we demonstrate that the use of URFLbased amplification can lead to performance improvements.
Raman polarizers are an special kind of Raman amplifiers which not only amplify but also produce a polarized output thanks to the polarization dependence of Raman gain. In this thesis, the first complete and general analysis of the evolution of the state of polarization of a signal in Raman amplification system, in the presence of other nonlinear effects, is presented.
As a result a system of differential equations which can be solved numerically in order to describe the main characteristics of Raman polarizers is presented. This system is valid for all cases of interest and requires less computational time than previous approaches. An analytical approximation applicable to most situations of interest is also presented. Finally, a method for the suppression of RIN in Raman polarizers based upon the fast scrambling of the input signals is presented.
- español
