Sistemas WDM de Alta Densidade

I. Introduo

Desde o advento das comunicaes por fibra ptica a tcnica predominante para efetuar a modulao dos sinais pticos tem sido atravs de multiplexao temporal ou TDM. Esta tcnica, estruturada hoje na hierarquia digital sncrona SDH, permite o transporte de informaes em taxas de transmisso da ordem de 10 Gb/s por fibra. O uso de altas taxas de transmisso em longas distncias apresenta srios problemas. Tais problemas se relacionam com a pobre faixa dinmica disponvel para equipamentos operando nestas taxas e tambm com efeitos relacionados disperso cromtica e disperso do modo de polarizao (PMD) da fibra. Muitas operadoras de telecomunicaes, principalmente nos Estados Unidos, tem optado pelo uso de WDM de Alta Densidade para aumentar a capacidade de transmisso. Um exemplo desta tcnica seria a utilizao de quatro portadoras pticas em comprimentos de onda distintos, cada uma modulada temporalmente em 2,5 Gb/s, multiplexadas em uma nica fibra, proporcionando desta forma 10 Gb/s (4x2,5 Gb/s). Neste caso os problemas de faixa dinmica e disperso so menos severos.

O uso de WDM na realidade tem sido feito j h muitos anos, porm utilizando de baixa densidade de portadoras multiplexadas. Uma aplicao tpica de baixa densidade o uso simultneo de um canal na janela de 1300 nm e outro na janela de 1550 nm. Esta aplicao muito usada na duplicao da capacidade de cabos pticos entre estaes metropolitanas. Porm o uso de sistemas WDM de alta densidade (muitas portadoras dentro de uma dada janela de transmisso da fibra) tornou-se muito atraente com o advento dos amplificadores pticos a fibra. Um nico amplificador a fibra amplifica diversos comprimentos de onda simultaneamente. Sistemas WDM de longa distncia amplificados opticamente permitem uma drstica reduo dos custos de instalao de novas fibras e equipamentos.

Alguns outros fatores tem tambm levado as Operadoras de Telecomunicaes ao uso de WDM de alta densidade. O primeiro se refere ao fato de que redes sncronas tem como um de seus atributos oferecer altos nveis de confiabilidade de operao, requisito este fundamental no processo de competio entre as Operadoras. Para atingir altos nveis de confiabilidade nos sistemas sncronos, adotam-se. configuraes de proteo da rede ptica normalmente em anel. Cada sistema pode alocar quatro fibras pticas, sendo que duas so fibras de redundncia ou para proteo. Desta forma quando vrios sistemas so usados rapidamente a capacidade do cabo se esgota.

O segundo fator est ligado ao rpido crescimento de usurios e servios de Internet. Este crescimento tem congestionado as centrais de comutao e os sistemas de transmisso. Como conseqncia, as Operadoras tm elevado as taxas de transmisso at hierarquias a partir das quais os problemas de faixa dinmica e disperso limitam sua escolha, conforme j comentado anteriormente. Devido a estes fatores, as Operadoras tm optado por WDM de alta densidade como soluo para os problemas de alta capacidade de transmisso. Como exemplo de

operadora nacional que utiliza esta tcnica temos a Embratel, que na segunda fase de seu sistema de longa distncia costeiro (festoon), ilustrado na Figura 1, utiliza uma configurao de quatro comprimentos de onda em 2,5 Gb/s.

Fig.1 Sistema costeiro da Embratel com quatro portadoras WDM. Fonte Home page da Embratel

Vrias Operadoras americanas de longa distncia tais como: a AT & T , a MCI, e a SPRINT possuem tambm sistemas utilizando WDM de alta densidade ligando cidades americanas. Na Europa a BT e a Telefnica de Espanha so exemplos de Operadoras a utilizar esta tecnologia e no Japo temos a NTT.

Projetos para uso de WDM de alta densidade em sistemas submarinos intercontinentais vem tambm sendo intensamente desenvolvidos pelas mesmas razes citadas anteriormente, ou seja o trfego vem aumentando de forma explosiva internacionalmente levando os sistemas ao rpido congestionamento. Deve-se acrescentar que cabos submarinos intercontinentais tem baixa quantidade de fibras, devido limitao de alimentao eltrica e de dimenses fsicas dos regeneradores submarinos. A tabela 1, mostra um panorama dos projetos de aumento da capacidade de vrios cabos submarinos atravs de WDM de alta densidade.

Tab.1 - Projetos para aumento da capacidade de cabos submarinos atravs de WDM de alta densidade. Fonte Pioneer Consulting.

II. Elementos de Sistemas WDM de Alta Densidade

Sistemas WDM de alta densidade ponto-a-ponto podem ser unidirecionais ou bidirecionais, sendo que um exemplo desta ultima configurao mostrada na Figura 2. Os constituintes bsicos de um sistema WDM ponto a ponto so:

Na transmisso:

Lasers; Conversores de Comprimento de Onda; Moduladores; Multiplexadores Compensadores de Disperso; Amplificadores de Potncia.

No meio externo:

Fibra; Compensadores de Disperso; Amplificadores de Linha.

Na recepo:

Compensadores de Disperso; Demultiplexadores; Pr-Amplificadores; Receptores.

Fig.2 - Configurao bsica de um sistema WDM de alta densidade bidirecional.

A seguir iremos descrever estes elementos individualmente:

a) Lasers

Lasers do tipo DFB podem ser escolhidos segundo a grade do ITU- T que disponibiliza 43 opes de freqncia, com espaamento de 100 GHz entre si. Iniciando em 195,9 THz (1530,33 nm)\e finalizando em 191,7 THz (1563,05 nm). Espaamentos de 50 GHz tambm so disponveis comercialmente.

Outros parmetros importantes para estes elementos que afetam o desempenho sistmico so a potncia de sada e largura espectral. Atualmente so disponibilizados pela indstria lasers com potncia da ordem de 10 dBm com largura espectral inferior a 0,1 nm modulados at 2,5 Gb/s.

b) Conversores de Comprimento de Onda

So equipamentos eletrnicos, basicamente formados por um sistema de deteco ptica seguidos de um estgio limitador e um driver para laser (Figura 2). Sua funo bsica mudar o comprimento de onda e largura de espectro de equipamentos j adquiridos previamente e que se encontram fora da faixa de amplificao e fora da grade do ITU- T. Estes equipamentos so colocados na sada dos equipamentos de transmisso ptica, e podem aceitar comprimentos de onda desde 1300 at 1600 nm, com largura espectral variada e com nveis entre -10 at 3 dBm.

Fig.2 - Esquema bsico de um conversor de comprimento de onda ativo.

c) Moduladores

So componentes que executam a funo de modular digitalmente (ou analgicamente em outras aplicaes) o sinal cw de um laser DFB. So utilizados devido ao fato de que lasers DFB quando modulados diretamente mudam seu comprimento de onda com a variao da corrente modulante (chirping). Este fator se traduz sistemicamente como aumento da largura espectral, resultando em grande disperso do pulso principalmente em sistemas de altas taxas e grandes distncias.

Por outro lado, utilizando-se moduladores para a modulao do sinal ptico, os lasers so mantidos com corrente constante e portanto no geram chirping, mantendo desta forma uma largura espectral fina.

Moduladores podem ser do tipo eletro-absortivos ou eletro-pticos. Moduladores eletr-pticos so fabricados depositando-se guias pticos configurados numa estrutura do tipo Mach-Zhender em cima de um cristal de Niobato de Ltio. Este cristal tem propriedades eletro-pticas bastante acentuadas. Ou seja, sob a aplicao de uma tenso eltrica, as propriedades pticas (ndice de refrao) deste material so mudadas. Assim quando esta tenso segue por exemplo uma modulao digital, o ndice de refrao muda na mesma proporo. Na estrutura Mach-Zhender (Fig.3) uma parte do sinal passa por este efeito e outra parte no e o resultado que, quando o sinal digital tem nvel "1", ocorre cancelamento de potncia na sada do modulador. Quando o sinal digital "0" o processo o inverso.

Fig.3 - Estrutura Mach-Zhender do modulador eletro-ptico

Os principais parmetros do modulador so: a largura de banda eltrica, a perda de insero e as tenses de polarizao e modulao.

d) Multiplexadores

Os multiplexadores so os elementos responsveis para insero das diversas portadoras pticas em distintos comprimentos de onda em uma nica fibra na transmisso e pela remoo e separao destas mesmas portadoras na recepo (demultiplexadores). As principais tecnologias para multiplexadores pticos de alta densidade so: grades de refrao, "arrays" e grades em fibra e micro-lentes. A figura 4 ilustra a tecnologia de fabricao de multiplexadores atravs de grade de refrao.

Fig.4- Multiplexador ptico por grade de refrao.

Os principais parmetros para os multiplexadores so: nmero de canais, perda de insero, isolao, largura de canal e regio espectral de operao.

e) Compensadores de Disperso

So elementos que corrigem a disperso causada pelo meio de transmisso. Na prtica os compensadores atrasam as portadoras mais adiantadas temporalmente e adiantam as mais defasadas. A compensao de disperso passiva feita hoje por duas tcnicas: atravs da fibra compensadora e da fibra com grade de refrao.

A fibra com pensadora uma fibra especial cuja disperso da ordem de -80 ps/nm.km em 1550 nm. Com a disperso altamente negativa, esta fibra compensa os altos nveis de disperso positiva principalmente da fibra convencional na regio de 1550 nm.

A mesma funo realizada pela fibra com grade. Diferente da fibra compensadora que precisa de 10 a 20 Km de extenso para realizar a compensao, a fibra com grade (Figura 5) precisa de poucos centmetros. Para tanto uma estrutura de refrao especial construda (a partir de bombeamento de lasers de alta potncia) dentro do interior do ncleo de uma fibra de slica comum.

Fig.5 - Esquema de uma fibra com grade usada para compensar a disperso.

Lente GRIN Grade de Difrao fibras

n

1 + 2 + ... + n 1

f) Amplificadores pticos

Amplificadores pticos so os elementos que compensam as perdas do meio de transmisso. Em sistemas WDM os amplificadores assumem papel de grande importncia j que so responsveis pela amplificao simultnea de diversos comprimentos de onda. Esta caracterstica que um dos maiores benefcios proporcionados pelos amplificadores em sistemas WDM de alta densidade requer porm muitos cuidados de projeto, particularmente em sistemas WDM com amplificadores cascateados.

Os seguintes fatores devem ser considerados em relao aos amplificadores em sistemas WDM:

a) Planicidade do Ganho; b) Largura Espectral de Ganho; c) Saturao Cruzada;

d) Efeitos Transientes.

A no planicidade do Ganho ocorre devido a variao do Ganho com o comprimento de onda e com a potncia de entrada. Esta caracterstica crtica para sistemas amplificados em cascata, uma vez que a reduo da relao sinal/rudo diferencial entre as diversas portadoras impe grandes penalidades na recepo. Para reduzir este problema usa-se as seguintes tcnicas;

- Equalizao do sinal de entrada (Pr-nfase):

Neste caso os nveis de potncia de transmisso de cada portadora so ajustadas de tal forma a relao sinal rudo de todas as portadoras sejam as mesmas aps passar pelos amplificadores.

- Utilizao de amplificadores especiais:

Neste caso, pode-se utilizar amplificadores pticos cuja fibra dopada com rbio contenha grande quantidade de alumnio no caso de fibras de Slica ou usar fibras de Fluoreto dopadas com rbio j que estas ltimas possuem uma natural e boa planicidade.

Outra forma utilizar dentro do circuito ptico do amplificador filtros pticos que compensem a variao do ganho.

A figura 6(a) ilustra o caso de um sistema WDM no equalizado e na Figura 6(b) um sistema equalizado.

A largura espectral de ganho determina a banda total de operao do sistema WDM, ou seja, a quantidade de canais mxima e a separao mnima destes canais. Em geral, a banda de amplificao tem da ordem de 35 nm de largura total.

Fig.6(a) - Sistema WDM no equalizado e 6(b) equalizado (amplificador de fluoreto).

Com o aumento do nmero de canais WDM, h o interesse de aumentar esta banda. H tambm o interesse de mudar a banda de operao para evitar o aparecimento de efeitos no lineares. Para se conseguir aumentar a largura de banda de Ganho adotam-se as seguintes tcnicas:

- Fibra de Telrio ou Fluoreto dopadas com rbio; - Filtragem em amplificador com ganho alto;

- Bombeio em comprimentos de onda mais longos; - Combinao com amplificao Raman.

Na atualidade valores de largura de banda de Ganho da ordem de 80 nm j so possveis graas ao uso destas tcnicas.

O efeito de saturao cruzada ocorre devido diviso do ganho com as diversas portadoras WDM. O resultado principal deste efeito a reduo da potncia de sada de cada portadora com o aumento do numero de canais WDM.

As principais tcnicas para correo deste efeito so:

- Alargamento no homogneo do Espectro;

- Feedback ptico do Bombeio;

- Oscilao laser.

Finalmente os efeitos transientes ocorrem no amplificador quando por remoo ou adio de portadoras instantaneamente (exemplo: falha de um canal) ocorre variao no instantnea do ganho (de 10 a 200 s). Estes efeitos podem ser corrigidos pelas mesmas tcnicas que corrigem o efeito de saturao cruzada.