Modelagem direta e inversa de amplificadores de fibras dopadas com érbio para estimar ganho e figura de ruído

Abstract

O amplificador de fibra óptica dopada com érbio (EDFA) é reconhecido como um dos amplificadores mais importantes em sensores de fibras ópticas, os quais são amplamente utilizados para compensar a perda de potência óptica em enlaces ópticos, constituindo assim o principal recurso utilizado para contornar a atenuação. Esse amplificador opera no comprimento de onda ideal para telecomunicações, o qual obtém a menor atenuação por quilômetro de fibra óptica propagada. Além disso, os relativamente baixos níveis de ruído dos EDFAs os tornam uma escolha ideal para os sistemas WDM, necessários para a transmissão de altas taxas de velocidade. No entanto, sua modelagem é complexa, visto que são modelados através de métodos numéricos, os quais ganho e figura de ruído podem ser calculados através de análises numéricas. Contudo, esse método requer cálculos densos e conhecimentos referentes aos parâmetros de fabricação das fibras dopadas. Além disso, a complexidade matemática também exige um maior tempo de processamento requisitado pelo sistema. Para contornar essa adversidade, esse projeto propõe uma varredura multiparamétrica dos seguintes parâmetros: potência do sinal de entrada, potência de bombeamento, comprimento da fibra e nível de densidade de érbio, para dessa forma, estimar com precisão o ganho e a figura de ruído dos amplificadores, de maneira mais simples, rápida e precisa. Tanto o ganho quanto a figura de ruído foram treinados com o algoritmo Extreme Gradient Boosting com os valores de holdout de 90% para treinamento e 10% para testes. Para o modelo aplicado a figura de ruído, foi obtido um R2 de 0,9987, MAE de 0,0428, MSE de 0,0046, RSME de 0,0677, RMSLE de 0,0095 e MAPE de 0,0077, e para o ganho, foi obtido um R2 de 0,9996, MAE de 0,0565, MSE de 0,0150, RMSE de 0,1185, RMSLE de 0,0174 e MAPE de 0,0087. Além disso, também foi possível realizar a modelagem inversa dos amplificadores, em que com a variação do ganho e da figura de ruído, foi possível estimar com precisão a potência do sinal de entrada, a potência de bombeamento e o comprimento da fibra, os quais alcançaram um R2 de 0,9949, 0,9952 e 0,9475, respectivamente