propagacion pulso gaussiano en fibra optica

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Crescitelli A. Maximiliano Ejercicio 11 Trabajo Práctico 4 - STC PRACTICA 4 - EJERCICIO 11 1. Descripción general Sea U(z, t) la amplitud compleja de un pulso propagándose en una fibra óptica en la dirección del eje z. Haciendo una expansión en serie de Taylor de la parte lineal del vector de ondas, se llega a la ecuación no lineal de Schröedinger la cual expone los efectos de atenuación, dispersión de primer y segundo orden y alinealidades. En este ejercicio solo se analizaron los efectos lineales correspondientes a la atenuación y dispersión de primer y segundo orden que se exponen en la ecuación 1. Se realizó un análisis de los distintos efectos por separado. En las ecuaciones 2, 3 y 4 se distinguen los términos correspondientes a la atenuación, dispersión de velocidad de grupo y dispersión de tercer orden respectivamente. El término que acompaña a solo representa una fase en el pulso, la cual no distorsiona al mismo y por lo tanto se tomó . donde: ( ) y, suponiendo , puede ser calculado como: ( ) ( )( ) La forma general de un pulso gaussiano en z = 0 es: ( )( ) donde es la amplitud inicial del pulso, C es el factor de chirp y el ancho del pulso cuando la amplitud cae a 1/e. Tomando la transformada de Fourier de la ecuación 7 para representar el pulso en el dominio de la frecuencia se obtiene: ( ) [ ] Para este ejercicio se normalizó la amplitud, por lo tanto , C = 0 y = 25 ps. Reemplazando estos valores en las ecuaciones 7 y 8 se obtiene finalmente:

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Progacion de un pulso en una fibra evaluando atenuacion, dispersion de segundo orden (GVD) y tercer orden (TOD)

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  • Crescitelli A. Maximiliano Ejercicio 11 Trabajo Prctico 4 - STC

    PRACTICA 4 - EJERCICIO 11

    1. Descripcin general

    Sea U(z, t) la amplitud compleja de un pulso propagndose en una fibra ptica en la direccin del eje

    z. Haciendo una expansin en serie de Taylor de la parte lineal del vector de ondas, se llega a la

    ecuacin no lineal de Schredinger la cual expone los efectos de atenuacin, dispersin de primer y

    segundo orden y alinealidades. En este ejercicio solo se analizaron los efectos lineales

    correspondientes a la atenuacin y dispersin de primer y segundo orden que se exponen en la

    ecuacin 1.

    Se realiz un anlisis de los distintos efectos por separado. En las ecuaciones 2, 3 y 4 se distinguen los

    trminos correspondientes a la atenuacin, dispersin de velocidad de grupo y dispersin de tercer

    orden respectivamente. El trmino que acompaa a solo representa una fase en el pulso, la cual no distorsiona al mismo y por lo tanto se tom .

    donde:

    (

    )

    y, suponiendo , puede ser calculado como:

    (

    )

    (

    ) (

    )

    La forma general de un pulso gaussiano en z = 0 es:

    (

    )(

    )

    donde es la amplitud inicial del pulso, C es el factor de chirp y el ancho del pulso cuando la amplitud cae a 1/e.

    Tomando la transformada de Fourier de la ecuacin 7 para representar el pulso en el dominio de la

    frecuencia se obtiene:

    (

    )

    [

    ]

    Para este ejercicio se normaliz la amplitud, por lo tanto , C = 0 y = 25 ps. Reemplazando estos valores en las ecuaciones 7 y 8 se obtiene finalmente:

  • Crescitelli A. Maximiliano Ejercicio 11 Trabajo Prctico 4 - STC

    (

    )

    [

    ]

    2. Propagacin con atenuacin

    Al resolver la ecuacin (2), la forma del pulso en el tiempo queda:

    (

    )

    Tomando la transformada de Fourier para representar el pulso en el dominio de la frecuencia se

    obtiene:

    [

    ]

    Con las ecuaciones mostradas anteriormente se realizaron los clculos para evaluar la forma del pulso

    para un coeficiente de atenuacin a una distancia de 50 km. Los resultados se comparan con simulaciones realizadas en MATLAB en la tabla 1, mientras que en la figura 1 y 2 se

    muestra la evolucin del pulso en tiempo y en frecuencia respectivamente obtenida en las

    simulaciones.

    Valores calculados 0,08 1

    Valores simulados 0,079 1

    Tabla 1. Comparacin entre los valores calculados y simulados de la amplitud y el ancho de un pulso

    gaussiano a una distancia de 50km en una fibra ptica con coeficiente de atenuacin

    Figura 1. Simulacin en el dominio del tiempo de la evolucin de un pulso gaussiano propagndose en una

    fibra ptica de 50km con coeficiente de atenuacin

  • Crescitelli A. Maximiliano Ejercicio 11 Trabajo Prctico 4 - STC

    Figura 2. Simulacin en el dominio de la frecuencia de la evolucin de un pulso gaussiano propagndose en

    una fibra ptica de 50km con coeficiente de atenuacin

    Puede verse claramente que si bien el pulso no se ensancha, como era de esperarse ya que no hay

    dispersin, la atenuacin causa una disminucin en la energa del mismo.

    3. Propagacin con dispersin de la velocidad de grupo

    La solucin de la ecuacin 3, en el dominio de la frecuencia es:

    (

    )

    [

    ] (

    )

    Con la ecuacin mostrada anteriormente se realizaron los clculos para evaluar la forma del pulso a

    una distancia de 80 km.

    Para calcular el ensanchamiento del pulso luego de recorrer los 80 km se utiliza el siguiente factor de

    ensanchamiento:

    (

    )

    (

    )

    (

    )

    (

    )

    Los resultados se comparan con simulaciones realizadas en MATLAB en la tabla 2, mientras que en

    la figura 3 y 4 se muestra la evolucin del pulso en tiempo y en frecuencia respectivamente obtenida

    en las simulaciones.

    Valores calculados 0,33 2,99

    Valores simulados 0,33 3.02

    Tabla 2. Comparacin entre los valores calculados y simulados de la amplitud y el ancho de un pulso

    gaussiano a una distancia de 80km en una fibra ptica con parmetro de dispersin

  • Crescitelli A. Maximiliano Ejercicio 11 Trabajo Prctico 4 - STC

    Figura 3. Simulacin en el dominio del tiempo de la evolucin de un pulso gaussiano propagndose en una

    fibra ptica de 80km con parmetro de dispersin

    Figura 4. Simulacin en el dominio de la frecuencia de la evolucin de un pulso gaussiano propagndose en

    una fibra ptica de 80km con parmetro de dispersin

  • Crescitelli A. Maximiliano Ejercicio 11 Trabajo Prctico 4 - STC

    En este caso puede verse que si bien el pulso se ensancha en el tiempo debido a la dispersin,

    conserva su energa como se ve en el espectro de frecuencias.

    4. Propagacin con dispersin de tercer orden

    La solucin de la ecuacin 4, en el dominio de la frecuencia es:

    (

    )

    [

    ] (

    )

    Con la ecuacin mostrada anteriormente se realizaron los clculos para evaluar la forma del pulso a

    una distancia de 106 km.

    Para calcular el ensanchamiento del pulso luego de recorrer los 106 km se utiliza el siguiente factor de

    ensanchamiento:

    (

    )

    *

    +

    [

    ]

    Los resultados se comparan con simulaciones realizadas en MATLAB en la tabla 3, mientras que en

    la figura 5 y 6 se muestra la evolucin del pulso en tiempo y en frecuencia respectivamente obtenida

    en las simulaciones.

    Valores calculados 0,61 1,3

    Valores simulados 0,61 1,45

    Tabla 3. Comparacin entre los valores calculados y simulados de la amplitud y el ancho de un pulso

    gaussiano a una distancia de 10 km en una fibra ptica con pendiente de dispersin

    Figura 5. Simulacin en el dominio del tiempo de la evolucin de un pulso gaussiano propagndose en una

    fibra ptica de 10 km en una fibra ptica con pendiente de dispersin

    .

  • Crescitelli A. Maximiliano Ejercicio 11 Trabajo Prctico 4 - STC

    Figura 6. Simulacin en el dominio de la frecuencia de la evolucin de un pulso gaussiano propagndose en

    una fibra ptica de 10 km en una fibra ptica con pendiente de dispersin

    Nuevamente se observa que el ensanchamiento del pulso en el tiempo no ocasiona una prdida de

    energa manteniendo su espectro en frecuencia igual a lo largo de toda la fibra.