comunicações opticas

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6 – Comunicações Ópticas

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SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES II

TRANSPARÊNCIAS

6 – COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

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TRANSMISSÃO POR FIBRAS ÓPTICAS

! INTRODUÇÃO

Desde 1870 que são estudados os princípios de transmissão "guiada" da luz. Contudo só muito recentemente, em 1966, dois cientistas dos laboratórios da STL, uma empresa, na altura, do grupo ITT no Reino Unido, se dedicaram com persistência ao estudo da transmissão de informação através de meios dieléctricos transparentes dos quais o mais importante era a fibra de vidro. No início parecia quase impraticável a utilização da fibra para transmissão da luz a distâncias razoáveis para as comunicações dado que as fibras disponíveis apresentavam atenuações de 500 a 1000 dB/km mas a dedicação daqueles dois cientistas permitiu, apenas em cerca de 4 anos, atingir o objectivo de 20dB/Km que se tinham proposto através de introdução de tecnologias avançadas que permitiram a obtenção de fibras de vidro de grande pureza, dado que, essencialmente, as atenuações e outras características da fibra estão relacionados com a presença de impurezas no vidro. Hoje as fibras já exibem atenuações inferiores a 1dB/km que, aliadas ao progresso dos semicondutores na obtencão das fontes de luz e respectivos receptores, permitem que as fibras ópticas sejam utilizadas em distâncias elevadas incluindo os serviços transoceânicos. ! CARACTERÍSTICAS das FIBRAS ÓPTICAS As investigações sobre as fibras ópticas continuam a ser dirigidas no sentido de reduzir a atenuação e de aumentar a taxa de transmissão digital. Até ao desenvolvimento dos Amplificadores Ópticos, a atenuação definia a distância entre regeneradores, os quais afectam directamente o custo de uma ligação em FO. Como o custo aumenta em função do número de regeneradores, o seu espaçamento deve ser maximizado. De notar que nos regeneradores dos sistemas de FO, há uma conversão óptico-eléctrica, uma regeneração do fluxo de impulsos, retemporização e reconversão eléctrica para óptica para continuação da transmissão.

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Características das Fibras Ópticas

Os Amplificadores Ópticos não eliminam completamente os regeneradores mas aumentam radicalmente a distância entre eles. Numa transmissão por fibra óptica, o dèbito binário ("bit-rate") depende das características da fonte de luz e das dimensões e da dispersão nessa fibra óptica A dispersão causa um alargamento e sobreposição dos impulsos à medida que se propagam na fibra, limitando a taxa de transmissão. O acoplamento da fonte de luz à fibra é outro factor importante: Um parâmetro designado por ângulo de abertura ("numerical aperture") ou simplesmente por Abertura está associado ao acoplamento e será, tal como outras características da fibra, definido nos próximos parágrafos. ABERTURA NUMÉRICA Como sabemos (ver fig. 6.1) cada fibra óptica propriamente dita tem um núcleo cilíndrico e uma camada envolvente (baínha) desse núcleo, sendo ambos (núcleo e respectiva baínha) feitos de material transparente, normalmente vidro ou plástico; no nosso caso sempre de vidro. Uma segunda camada protectora concêntrica (em plástico) é geralmente aplicada sendo o conjunto envolvido por uma manga protectora exterior para evitar as curvaturas acentuadas. Concentremo-nos (ver fig. 6.1) apenas no núcleo e baínha ("cladding") examinando como um feixe luminoso entra numa fibra óptica. Se um raio de luz entra na fibra óptica segundo um ângulo maior do que o cone de aceitação (raio 2 da fig. 6.1.a) perde-se por refracção, não sendo transmitido ao longo da fibra. Esse ângulo está naturalmente relacionado com o ângulo crítico, isto é, com o menor ângulo que um raio no núcleo pode fazer com a normal à superfície de separação núcleo-"cladding" para o qual ainda há reflexão. Assim, define-se, Abertura Numérica (NA - “Numerical Aperture”) ou, simplesmente, Abertura, pela relação:

nn2

2

2

1csinNA !="= (6.1)

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Abertura Numérica sendo: !c o ângulo de abertura do cone de aceitação e n1 e n2 os índices de refracção do núcleo e da camada envolvente,

respectivamente. O índice de refracção do núcleo é ligeiramente maior do que o da camada envolvente (“cladding”) . Só há transmissão quando a luz incide na fibra com um àngulo menor que o correpondente à sua NA. O valor de NA diminui à medida que o diâmetro da fibra diminui: para um núcleo de 50 µm, o valor é 0.2 e, para 10µm, é de 0.1.

Fig. 6.1 – a) Cone de aceitação para fibra de “salto de Índice” ; b) Abertura numérica NA= sin !c

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Fig. 6.3 - Dispersão de Rayleigh

Atenuação

Numa fibra óptica a luz propaga-se, como sabemos, segundo reflexões sucessivas de acordo com a fig.6.2

Fig. 6.2 – Reflexão da luz na fibra óptica

ATENUAÇÃO A fig 6.5 mais adiante representa as atenuações numa fibra óptica de sílica em função do comprimento de onda em nm. Na realidade, faz-se nessa figura a distinção entre dois tipos de fibra (multimodo e monomodo) evidenciando as perdas em cada um deles. Uma das causas importantes para as perdas na fibra é a devida à dispersão de Rayleigh. Esta dispersão é devida a localizações aleatórias de regiões moleculares ao longo da fibra onde a densidade é maior e, portanto, onde há grandes variações do índice de refracção; estas variações podem ser modeladas (ver fig. 6.3) como pequenos objectos dispersos embebidos ( o tamanho desses objectos é muito menor que o comprimento de onda da luz) de tal modo que os raios de luz ao atravessarem aquele tipo de estrutura se difundem em várias direccções, daí resultando as perdas. Como a difusão de Rayleigh é proporcional a !-4, quanto menor for o comprimento de onda maior será o seu efeito (ver fig. 6.5). Outra causa das perdas na fibra é a devida à aborpção: a aborpção intrínseca do vidro que apresenta um pico na região dos ultravioletas e um pico de maior importância na região dos infravermelhos tem uma contribuição para as perdas muito pouco significativa, mas a absorpção devida às impurezas (especialmente os iões OH) tem um peso importante. Na fig. 6.5 vê-se como existe um pico de grande significado (devido à absorpção OH) na zona dos 1.37 µm. Há ainda outra causa de perdas devida a efeitos geométricos (originado por curvaturas na fibra e

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Atenuação

micro-curvaturas). A combinação de todas as causas referidas anteriormente é que vai dar origem às curvas de atenuação da fig. 6.5. Existem, fundamentalmente, dois tipos de fibra óptica , multimodo e monomodo, que se distinguem pelo facto de, neste último, o diâmetro do núcleo ser tão pequeno (da mesma ordem do comprimento de onda da luz) que esta só se pode ter um modo de propagação (ver fig. 6.4.c). O núcleo de uma fibra monomodo tem cerca de 8 a 10 µm de diâmetro, enquanto que nas fibras multimodo (figuras 6.4.a e 6.4.b) o diâmetro do núcleo é de cerca de 50 µm. Note-se que a fibra representada em 6.5.b tem um índice de refracção no núcleo que é variável (mínimo no interior e aumentando progressivamente para um máximo, que atinge na periferia do núcleo) – é o tipo GRIN (fibra de gradiente de índice).

Fig. 6.4 Os três tipos principais de fibra óptica : a) Salto de ìndice ou ìndice em degrau b) Gradiente de índice c) Monomodo

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Fig. 6.5 – Atenuação em função do comprimento de onda


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Atenuação A primeira fibra óptica colocada ao serviço era do tipo multimodo, trabalhava na primeira janela (ver fig. 6.5, para definição de “janela”), nos 0.8 µm, e a sua atenuação era de cerca de 3 dB/Km. As fibras multimodo ainda hoje são muito utilizadas nas interligações de redes locais, dentro de edifícios e noutras aplicações.

Os “standards” actuais situam-se nas faixas de 1.24 a 1.34 µm e de 1.45 a 1.65 µm correspondentes, respectivamente, à segunda e terceira janelas. A fig. 6.6 dá, em mais detalhe, para uma fibra monomodo, os valores de atenuação em função do comprimento de onda, verificando-se que, as perdas mínimas surgem na terceira janela para um comprimento de onda de 1550 nm (cerca de 0.2 dB/km) e que, na segunda janela as perdas para 1310 nm (comprimento de onda de operação corrente nesta janela) são da ordem de 0.35 dB/km. Os 0.2 dB/km estão muito próximo do limite teórico de atenuação mínima da fibra que é de 0.16 dB/km a 1550 nm. A janela de 1.55 µm está reservada exclusivamente para a operação monomodo.

Fig. 6.6 – Atenuação, em função do comprimento de onda, de uma fibra monomodo


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DISPERSÃO Um dos problemas que tem mais implicações na performance da transmissão por fibra óptica é a dispersão. A dispersão consiste no alargamento da duração dos impulsos ópticos transmitidos através da fibra que, em vez de manterem a sua forma original, sofrem uma distorção traduzida num alargamento tal como se mostra na fig. 6.7. Se existirem impulsos adjacentes que, em parte, se sobreponham aos anteriores, a detecção dos impulsos individuais na recepcção, torna-se duvidosa como se pode ver através da mesma figura.

Fig. 6.7 – Alargamento dos impulsos devido à dispersão.. A dispersão limita a distância de transmissão e diminui o “bit-rate”. Por definição é dada pela expressão:

km/nsL

Dispersãott2

1

2

2!

"

(6.2)


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Dispersão ou, mais precisamente, para qualquer comprimento de onda um impulso será atrasado de um tempo td por unidade de comprimento L, de acordo com a expressão

kmnm/psd

dt

L

1MaterialDispersão d !

"!=

A dispersão aumenta com a largura de banda da fonte de luz (para LEDs e LASERs em vez de “largura de banda” é geralmente utilizada a designação “largura de linha”). Se uma dispersão mínima é importante, é preferido o díodo LASER ao LED por ter uma largura de linha muito mais estreita. Os efeitos da dispersão aumentam, portanto, com o comprimento da fibra e com a largura de linha. Algumas fibras ópticas são classificadas de acordo com o produto da distância pela largura de banda. Por exemplo, se uma fibra óptica tem um produto largura de banda-distância de 500 MHz-km (de notar que, aqui, o tracinho “-“ significa “vezes” e não “menos”) e se pretendermos transmitir um sinal de largura de banda igual a 85 MHz, a máxima distância entre repetidores será

As causas da dispersão são as seguintes: - Largura espectral da fonte de transmissão A fonte óptica não emite uma frequência pura mas uma faixa estreita de frequências. O Laser tem uma largura de espectro mais estreita do que o LED e, por isso se diz que tem menor dispersão Intramodal ou Cromática (diz-se Intramodal porque tem lugar num só modo de propagação e também se diz Cromática porque resulta da presença de diferentes comprimentos de onda na luz) do que o LED. Na prática não há fontes ópticas que emitam numa só frequência. - Características da Fibra A fibra causa dispersão e há dois tipos de dispersão: dispersão intramodal ou cromática, que ocorre em todos os tipos de fibras e a dispersão intermodal ou modal que ocorre apenas nas fibras multimodo.

km88.5MHz85

kmMHz500=

!

(6.3)


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Dispersão

A dispersão cromática ou intramodal está, como vimos, ligada à maneira como os impulsos de luz de uma fonte com uma largura espectral específica (em comunicações ópticas usa-se preferentemente o termo largura de linha) são “alargados” na fibra óptica. Há dois tipos de dispersão intramodal: 1- Dispersão Material 2- Dispersão de Guia de Onda

Dispersão material : as ondas de luz viajam ao longo da fibra em feixes que consistem em séries de ondas sensivelmente paralelas de diferentes comprimentos de onda. Ora, com excepção do vazio, diferentes comprimentos de onda viajam a diferentes velocidades e daí a dispersão. O valor desta dispersão material está relacionado com a gama de frequências que compõem o feixe de luz. No caso da fonte ser Laser em vez de LED, como a fonte Laser tem um feixe com menos largura de banda a dispersão será menor. A dispersão de guia de onda (nas fibras monomodo, em particular e, nas fibras multimodo) resulta do facto de alguma energia se propagar pela baínha (“cladding”) em vez de se limitar ao núcleo; como as velocidades de propagação no núcleo e no “cladding” são diferentes, pois os materias têm diferentes índices de refracção, daí a dispersão. A dispersão de guia de onda para as fibras multimodo é da ordem de 0.1 a 0.2 ns/km o que, comparado com a dispersão material é desprezável. Estes dois últimos tipos de dispersão (guia de onda e material) não são necessariamente aditivos; de facto, podem mesmo cancelar-se a determinado comprimento de onda (para a fibra de vido normal esse comprimento de onda é da ordem dos 1.3 µm). Para fibras monomodo existe um comprimento de onda para o qual a dispersão material cancela exactamente a dispersão de guia de onda e que é designado por comprimento de onda de dispersão zero, que pode ser ajustado modificando a composição do material e o diâmetro do núcleo.

Nas fibras monomodo a dispersão é dada em ps/(nm.km) ou ps/(nm-km) isto é, em picosegundos por km por nanometro da largura de linha da fonte por km de comprimento de fibra.


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Dispersão

Nota: define-se mesmo uma constante de dispersão cromática Dc e a dispersão por quilómetro será: D = Dc . !" sendo D a dispersão em ps/Km, Dc a constante de dispersão cromática em ps/nm/Km e !" a largura de linha da fonte. A dispersão total é então !t = D.L sendo !t a dispersão total em picosegundos, D a dispersão da fibra em ps/km e L o comprimento da fibra em Km. Na fig. 6.8 representa-se a Dispersão total, numa fibra monomodo, em ps/nm/km em função do comprimento de onda. Verifica-se, da facto, que a dispersão é nula para 1.31 µm mas, para esse comprimento de onda a atenuação é da ordem dos 0.35 dB/km e, por isso, a Indústria fabrica muitas fibras na janela dos 1.55 µm em que a dispersão também é nula mas com menor atenuação. A dispersão de guia de onda para as fibras monomodo já é apreciável. A fig. 6.9 mostra como a dispersão de guia de onda se combina com a dispersão material de modo a obter-se a dispersão cromática total. O comprimento de onda de dispersão nula varia entre os 1.26 µm e os 1.30 µm. Modificando o índice de refracção da fibra usando técnicas precisas de fabricação de modo a alterar as características de dispersão de guia de onda, as fibras podem ser projectadas para ter dispersão zero ao

Fig. 6.8 – Dispersão total, em função do comprimento de onda, para a fibra monomodo

(6.4)

(6.5)


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Fig. 6.9 – Dispersão material e de guia de onda numa fibra monomodo

Dispersão

comprimento de onda de 1550 nm. Haverá naturalmente desvios do valor ideal, mas para 1550 nm um valor típico de dispersão é da ordem de 3 ps/nm-km.

A DISPERSÃO MODAL é devida à propagação de mais do que um modo na fibra; neste caso o sinal viaja mais longe no mesmo tempo em alguns modos do que noutros (ver fig 6.10)

Fig. 6.10 Dispersão modal As fibras monomodo são isentas de dispersão modal. A fig. 6.11 evidencia como, numa fibra de índice em degrau, é originada a dispersão pelo facto de o sinal à chegada ser o somatório (para o caso da elucidação) de 3 sinais propagados em modos diferentes, logo, chegando em alturas diferentes. As fibras de índice de refracção gradual (também chamadas de gradiente de índice) reduzem a dispersão pelo facto de os sinais que se propagam nos modos mais altos “dispenderem mais tempo” na zona exterior do núcleo da fibra do que os sinais nos modos mais baixos.

Modo de ordem mais alta

Modo de ordem mais baixa


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Dispersão

A dispersão modal é a fonte dominante de dispersão nas fibras multimodo. Como dissémos, as fibras monomodo, como só usam um modo de propagação fundamental, não exibem qualquer dispersão modal e são as fibras com as quais se conseguem transmitir maiores larguras de banda porque possuem a menor dispersão total.

Fig. 6.11 – Dispersão modal numa fibra de índice em degrau


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Fig. 6.12 – (a) – Curva numa fibra óptica (b) - Microcurvatura dentro de uma fibra óptica (c) – Perdas adicionais causadas pela curvatura

POLARIZAÇÃO As fibras monomodo têm uma simetria circular em torno do seu núcleo, podendo-se assim transmitir dois modos quase idênticos com polarização a 90º um do outro (um modo TE e um modo TM). Contudo, a existência de pequenas imperfeições nas características da fibra tais como tensões e pequenas variações na composição e geometria da fibra podem dar origem a que haja energia que se mova de um modo para o outro durante a propagação. CURVATURA DA FIBRA Sempre que uma fibra monomodo ou uma fibra multimodo é encurvada, alguma energia dentro do núcleo da fibra, pode escapar-se para a região exterior à fibra como se ilustra na fig. 6.12. As perdas aumentam, evidentemente, quando o raio de curvatura (“bending radius”) R diminui. Se o raio de curvatura se aproxima do raio

da

fibra, ocorrerão perdas muito altas devidas à atenuação por microcurvatura (fig. 6.12.b). A fig. 6.12.c mostra o valor das perdas em função do raio de curvatura para fibras de 1.3 µm e de 1.5 µm, onde por exemplo se verifica que, para um raio de curvatura de 2 cm a perda é inferior a 0.00001 dB/cm. PROJECTO DE UM “LINK” Um link de transmissão por fibra óptica tem muitas semelhanças com outros tipos de transmissão, no que diz respeito ao cálculo de ganhos e perdas, embora as tecnologias possam ser muito diferentes. Alguns dos componentes importantes de


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Projecto de um link

um link de fibras ópticas são os regeneradores e os repetidorers de amplificação óptica. Há aqui uma diferença importante a ter em conta: é que enquanto os Amplificadores Ópticos são transparentes ao “bit-rate”, isto é, não há diferença que o “bit-rate” seja de 1 Mbit/s ou de 100 Gbit/s, os regeneradores são projectados para um “bit-rate” específico. Outro elemento importante é o Emissor que usa um Díodo Laser. A potência de transmissão tem vindo a aumentar mas há um limite teórico, devido à dispersão na fibra, estudado por Raman e Brillouin. A potência típica transmitida por um Laser num sistema de comunicações em fibra óptica é da ordem de 5 a 15 dBm. Na recepção há dois tipos principais de dispositivos semicondutores : O fotodíodo de avalanche (APD - Avalanche PhotoDiode) e o díodo PIN seguido por um FET, ou por um transistor de electrões de alta mobilidade (HEMT - High Electron Mobility Transistor) ou por um transistor de heterojunção bipolar (HBT - Heterojunction Bipolar Transistor).

Orçamento ou Balanço de Potência (Power Budget) O Power Budget é a base do projecto de um “link” a fibra óptica. Numa ligação em fibra óptica deve ser: GANHO TOTAL – PERDAS TOTAIS # 0 ou seja, (Pt + Gt - Pr) - ($c + $s + Fm) - $f . LT # 0 Portanto, o comprimento da ligação: (Pt + Gt - Pr) - ($c + $s + Fm) LT % $f sendo: Pt – Potência a transmitir Pr – Potência mínima recebida (sensibilidade do receptor) Gt – Ganho total dos m amplificadores ópticos (G1 + G2 + … + Gm) $f – Atenuação na fibra óptica em dB/Km $c– Atenuação total nos conectores da ligação $s – Perdas totais nas n junções ($s1 + $s2 + … + $sn) Fm– Margem para perdas na fibra (margem de segurança) LT – Comprimento total do “link” em Km, com amplificadores ópticos Os amplificadores ópticos são colocados a distâncias regulares ao longo do percurso, sendo também necessário instalar igualizadores de ganho.

(6.6)


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Projecto de um link

O ponto de partida é o estabelecimento da capacidade de transmissão, isto é, quantos canais são necessários para a ligação entre as Estações Tenmínais, definindo-se então o “Bit-Rate”. A partir daí define-se o tipo da Fonte Emissora de Luz, se é do tipo LED ou LD(Laser) e se o Receptor é tipo APD ou PIN. O tipo de Fibra a escolher depende do comprimento do link, se é curto, médio ou longo . Um link de longa extensão deve utilizar uma Fibra Monomodo , enquanto que um link de curta extensão, do tipo LAN, por exemplo, pode utilizar urna Fibra Multimodo . O comprimento total do link também detenmína o número de Regeneradores requeridos. Todos estes factores devem ser optimízados e o valor de Fm (Margem na Fibra) deve ser definido para prevenir perdas devidas a deterioração do link devido ao tempo de vida e a perdas de rendimento do equipamento, etc . Outros problemas a resolver são o do Multiplexer, o número de fibras por Cabo, etc.

Exemplo

Um cabo de fibras ópticas multimodo, com uma atenuação de 2 dB/km em cada fibra, vai ser utilizado para a transmissão de um sinal de 34 Mbit/s numa extensão de 16 km. O cabo é fornecido em troços de 2 kms. Sabendo que a potência de transmissão do emissor óptico é de –1 dBm e que o receptor óptico tem uma sensibilidade de –42 dBm, determine se a ligação é viável e, em caso afirmativo, calcule a margem do sistema, admitindo que tem de providenciar para que haja uma tolerância de 6 dB para o envelhecimento da fibra e eventual degradação do equipamento, que tem 0.5 dB de perdas por conector e que cada junta (“splice”) possa ser executada por forma a não ultrapassar os 0.15 dB de atenuação.

Resolução:

A atenuação total permitida na ligação é : -1 dBm –6 dB – (-42dBm) = 35 dB A atenuação na fibra é dada por $f x LT = 2 x 16 = 32 dB O número de juntas a executar é 16/2 +1 =9 (sete junções “exteriores” e duas “interiores”),


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Projecto de um link Logo, a atenuação total nas juntas é 9 x $s = 9 x 0.15 = 1.35 dB

A atenuação nos conectores é 2 x $c = 2 x 0.5 = 1 dB Logo, a atenuação total no cabo instalado é: 32 + 1.35 + 1 = 34.35 dB < 35 dB. Portanto, a ligação é viável. A potência recebida é: Pr = -1 dBm – 34.35 = -35.35 dBm O que nos conduz a uma margem do sistema (excluídos o envelhecimento da fibra e degradação do equiapmento) de -35.35 dBm – (-42 dBm) = 6.65 dB

! TIPOS de CABOS de FIBRA ÓPTICA Até meados de 1980 os cabos a fibras para utilização a 1.55 µm eram fabricados com 2.000 ou mais fibras ópticas . Em qualquer cabo, cada núcleo de fibra é envolvido por um revestimento de Sílica (Cladding) e este por urna protecção primária de plástico e ainda outra exterior de protecção contra choques (“Buffer Jacket”). Há três tipos de revestimento exterior (fig. 6.13): - Proteccção Rígida (“tight buffer”) - Protecção com Fibra Solta (“loose buffer”) - Protecção com enchimento (“filled buffer”)

Fig. 6.13 - Protecção das fibras ópticas : (a) – Protecção rígida (b) - Protecção com fibra solta (c) – Protecção com enchimento

(a)

(b) (c)


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Tipos de cabos de fibras ópticas O Cabo tipo "Loose Buffering" pennite que a fibra se mova dentro do invólucro de plástico, enquanto que o "Filled Loose Buffer" é preenchido com uma geleia que fornece elasticidade e protecção, sendo preferido para links de longa distância. As figuras seguintes apresentam alguns tipos de construção de cabos de fibra óptica para aplicações em interiores de edifícios e no exterior (para condutas ou para enterrar).

Todas as configurações têm um núcleo central em aço ou de outro material muito resistente para suportar a tracção longitudinal do cabo .Alguns incorporam um ou mais pares de condutores de cobre para alimentarem os amplficadores ópticos ou os regeneradores . Há outro tipo de construção de cabos conforme se indica na fig. 6.18 em que as fibras ficam dispostas planarmente dentro de fitas (neste caso 4 fibras por fita) e em que estas fitas são agrupadas sob determinadas formas como a que se indica na figura. Esta tecnologia apresenta vantagens nos casos em que se pretenda consumir pouco tempo com as operações de fusão das diversas fibras.

Cabo de fibra única

Fig. 6.14 – Cabo de 8 fibras ópticas para instalações em interior


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Tipos de cabos de fibras ópticas

Fig. 6.15 – Cabo de 64 fibras ópticas para instalações em conduta

Fig. 6.16 – Cabo armado, para enterrar, de 12 fibras ópticas


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Fig. 6.17 – Cabo de fibras ópticas, para instalação em condutas, com 2000 fibras

Fig. 6.18 – Cabo de 600 fibras ópticas, com agrupamentos de 4 fibras por fita


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Ainda temos os cabos submarinos de fibras ópticas, os quais têm der possuír características muito especiais, como as que se referem à protecção contra a infiltração de água, a capacidade de suportar pressões muito elevadas, a resistência a excessivos alongamentos, etc. A figura 6.19 representa um exemplo.

Finalmente há ainda a destacar dois tipos de cabos de fibras ópticas que se utilizam nas linhas de alta tensão : um, o chamado OPGW (“OPtical Ground Wire” em que as fibras são introduzidas dentro de condutores ocos (tubos) que são utilizados também como cabos de guarda das linhas de alta tensão e o outro sendo um cabo totalmente dieléctrico (com capacidade para resistir a grandes campos elécticos) contendo fibras ópticas no seu interior e que é instalado entre os postes de alta tensão, geralmente a um nível pouco abaixo dos condutores de alta tensão. JUNÇÕES/UNIÕES

Devido â alta pureza do vidro utilizado nas fibras ópticas o processo de ligar duas fibras á altamente crítico. Há dois processos de ligar duas fibras: ou através de uma ligação permanente (por fusão) ou pela utilização de conectores. A ligação que oferece mais fiabilidade e menos perdas é a ligação por fusão, mas tem que haver um perfeito alinhamento dos núcleos das duas fibras Esta operação é hoje executada pelas próprias máquinas de fusão, totalmente automáticas, que alinham as pontas das fibras automaticamente, jogando com as três dimensões antes de proceder à fusão.

Fig. 6.19 – Cabo submarino de fibras ópticas


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Fig. 6.21 – Passos na fusão de duas

fibras

Junções/Uniões Tal como se apresentam os topos das fibras, na fig. 6.20, não estão em condições de se fazer a fusão. As duas faces de topo devem ser lisas e perpendiculares ao eixo do núcleo. Portanto, as fibras são convenientemente preparadas (cortadas e limpas) e alinhadas topo a topo (ver fig. 6.21). Uma vez alinhadas e aproximadas é aplicada à junção uma descarga eléctrica que provoca a fusão e consequente união das duas fibras a uma temperatura que se situa entre os 1600ºC e 2000ºC. Na figura mostram-se os passos seguidos pela máquina para realizar a fusão das duas fibras: Em (a) tem-se a posição das fibras antes da pré-fusão, alinhadas e à distància de mais ou menos um diâmetro uma da outra. Activa-se então o arco eléctrico para derreter a ponta de uma das fibras e fazê-la um pouco arredondada e lisa, seguindo-se a mesma operação para a ponta da outra fibra (em (b) o estado das fibras depois da pré-fusão). As duas fibras são então aproximadas topo a topo e é então estabelecido o arco durante o tempo suficiente para fundir as duas fibras à temperatura acima referida. Em (c) tem-se a posição das fibras imediatamente antes da fusão.

Para a junção das fibras uma operação importante, como já se disse, é o seu alinhamento (ver fig. 6.22). As fibras antes de serem unidas sofrem um

Fig. 6.20 – Preparação das fibras para a fusão: a) Uma das fibras tem uma superfície rugosa; b) As duas fibras não têm as faces (superfície de topo) perpendiculares ao eixo

da fibra


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Fig. 6.22 – Alinhamento das fibras

Junções/Uniões encurvamento, conforme se indica na figura. Numa zona encurvada aplica-se um sinal luminoso e no outro lado encurvado é medido o sinal. Um sistema mecânico desloca lentamente as duas pontas até que a emissão de luz seja máxima, ficando então aptas para se realizar a fusão.

É evidente que a precisão requerida no alinhamento das fibras monomodo é muito maior do que a que é requerida para as fibras multimodo, pois que enquanto nas primeiras o diâmetro do núcleo é apenas de 8 a 10 µm, nas segundas é de 50 a 60 µm.

• Controle das Perdas

Após todas as junções estarem efectuadas e, uma vez instalado o cabo de fibra óptica é feito o controle e a medida das perdas introduzidas pelas junções e acoplamentos. É utilizado o aparelho OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) que permite no seu “display” fazer a representação da atenuação na fibra “versus” a distância (ver fig. 6.22.a) O aparelho envia impulsos ao longo da fibra e, ao encontrarem uma descontinuidade (junções, etc) surge uma reflexão que é detectada no OTDR e que é medida em função da intensidade de reflexão. A precisão do aparelho é muito elevada, podendo medir perdas da ordem de 0.01 dB de uma junção a mais de 40 Km. A perda numa junção é da ordem de 0.01 a 0.03 dB e, após a execução de todas as junções, elas são colocadas num envólucro fechado que constitui uma


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Junções/Uniões caixa de junções (Splice Organizer) [fig. 6.22b] para protecção e posterior observação e manutenção

Fig.6.22.a – Atenuação “versus” distância usando um OTDR

$TF – perdas na fibra do transmissor do OTDR e no conector;

$C – perdas no conector ; $S – perda na junção;

$RF+C – perdas na fibra do receptor e no conector;

Margem – Potência recebida menos a sensibilidade do receptor

(PR- PRmin)

T

R

Perdas totais

Perdas de Potência (dBm)

PT

PR

PRmi

n

Margem

Distância (Km)

$C

$TF

$S1

$S2

$S3

$RF+C

Junções

Fig 6.22b – “Splice Organizers” (a) – Para 80 junções (b) – Para 40 junções


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Junções/Uniões

Junção Mecânica O método da junção mecânica é muito mais simples e rápido do que o método de fusão. As perdas, contudo, são consideravelmente maiores. A fig. 6.22.c mostra uma junção mecânica em que se recorre à utilização de uma geleia para embeber a zona de contacto das fibras, que é um composto que tem um índice de refracção tão aproximado quanto possível do das fibras em jogo. As fibras são desnudadas, cortadas, limpas, alinhadas e apertadas naquele conjunto mecânico.

A utilização de conectores especiais, com grande precisão mecânica, é outro processo. A fig. 6.22.d é um exemplo de técnica de conexão em fibras ópticas que tira partido das propriedades de alinhamento do “entalhe em V”. Há quatro elementos cilíndricos a envolver circularmente a fibra que providenciam tais “entalhes” e quatro pontos de contacto que posicionam a fibra na sua localização correcta. A manga metálica que é utilizada para manter uma das fibras bem posicionada, da maneira que indicámos, chama-se ferrule. A outra fibra é também mantida numa posição correcta através de um conjunto mecânico de adaptação. Quando as duas partes são enroscadas, as pontas das duas fibras tocam-se e estabelecem uma ligação de baixas perdas. Na fig. 6.22e da página seguinte apresentam-se vários tipos de conectores para fibras ópticas.

Fig 6.22.d – Ligação de duas fibras ópticas por “conectorização”

Fig 6.22.c – Junção mecânica de fibras ópticas


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Fig 6.22.e – Alguns tipos de conectores para fibra óptica


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Fig 6.23 – (a) Perdas adicionais devidas a diferencial de abertura numérica: ARF = abertura numérica da fibra do lado da recepção; ATF = abertura numérica da fibra do lado transmissão (b) Perdas suplementares devidas a diferencial nos diâmetros: DRF = diâmetro do núcleo da fibra no lado da recepção; DTF = diâmetro do núcleo da fibra no lado transmissor

Junções/Uniões Problemas das Junções Para examinarmos as apertadas tolerãncias que se exigem nas junções de fibras ópticas, em que as exigências de precisão são muito elevadas, focamos seguidamente alguns dos problemas com a preparação e utilização das fibras. Em primeiro lugar, convém referir que perdas elevadas se verificam com junções de fibras que têm características de fabricação diferentes. A fig. 6.23.a mostra-nos as perdas suplementares que se pode esperar se houver uma desadaptação da abertura numérica das duas fibras, verificando-se que basta uma diferença de 5% para aumentar as perdas de cerca de 0.5 dB.

Semelhantemente, se o diâmetro dos núcleos das duas fibras diferirem de 5%, existirá uma perda suplementar superior a 0.5dB (ver fig. 6.23.b) Por outro lado, se houver um desalinhamento entre os eixos dos núcleos das duas fibras, da forma indicada na fig. 6.24.a, ocorrerão perdas adicionais de acordo com o gráfico da mesma figura.

Fig 6.24.a – Perdas suplementares devidas a desalinhamento lateral


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Junções/Uniões Um pequeno desalinhamento causa uma perda elevada; por exemplo, um desalinhamento de somente 0.1 do diâmetro do núcleo, causa uma perda adicional de 0.5 dB e isto corresponde, numa fibra monomodo, a um desalinhamento de apenas 0.1 µm ! Se há uma inclinação de uma fibra relativamente à outra (ver fig. 6.24.b), o gráfico mostra que as perdas também são importantes.

Existirão cerca de 0,5 dB de perdas para apenas 2 graus de inclinação. Por último, se considerarmos que as fibras não estão realamente encostadas uma à outra, isto é, se houver um intervalo (uma folga) na união, existirão também perdas suplementares cujos valores se indicam na fig. 6.24.c. Aqui, vê-se que haveria umas perdas adicionais de 0.5 dB para uma separação de apenas 0.5 do diâmetro do núcleo (numa fibra monomodo, corresponde a apenas cerca de 5 µm !)

Fig 6.24.b – Perdas suplementares devidas a desalinhamento angular (inclinação)

Fig 6.24.c – Perdas suplementares devidas à existência de uma separação S entre as duas fibras


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PROBLEMAS DA INSTALAÇÃO DOS CABOS DE FIBRA ÓPTICA A instalação dos cabos de fibra resume-se principalmente a dois processos: - Cabo suspenso - Montagem subterrânea A montagem do cabo suspenso é mais cara mas tem a vantagem de a manutenção ser mais fácil e mais económica. Algumas instalações com cabo aéreo (suspenso) são feitas recorrendo à amarração do cabo em postos já existentes de linhas de alta tensão havendo, nestes casos, dois tipos de cabos: um, totalmente dieléctrico, que é amarrado mesmo na zona dos cabos de alta tensão, procurando-se contudo a zona onde o campo eléctrico é menor e outro, que se introduz nas linhas de guarda, isto é, as próprias linhas de guarda são tubos ocos no interior dos quais se introduz o cabo de fibras ópticas. Quanto à instalação subterrânea depende do tipo de percurso, se é zona urbana ou em campo aberto ou ainda se o terreno é rochoso ou arenoso. Em certos casos (zonas urbanas) além das dificuldades próprias, o cabo tem muitas vezes de ser montado em canalizações de protecção o que torna a instalação ainda mais cara. A instalação de cabos de fibras ópticas requer vários cuidados, nomeadamente quando se puxam os cabos para os desbobinar, para evitar tensões nas fibras para além dos valores admissíveis. Muitas vezes recorre-se a guinchos programáveis que controlam a velocidade de desbobinagem e a tensão a aplicar para essa desbobinagem. Há também cabos próprios para montagem submarina. Vários cabos submarinos de fibras ópticas interligam diferentes países em diferentes continentes. ! EQUIPAMENTOS DE UMA INSTALAÇÃO EM FIBRA ÓPTICA FONTES DE LUZ Como é já do nosso conhecimento existem dois tipos de Emissores de Luz que são o LED e o LD (Laser Diode). Enquanto que a emissão de luz de um LED é por emissão espontânea quando se sujeita a uma determinada tensão, no LD a luz resulta de uma emissão estimulada, produzindo-se esta emissão estimulada quando a densidade de corrente que atravessa a região activa alcança um determinado nível que origina a passagem de emissão de luz espontânea para estimulada


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Equipamentos de uma Instalação em Fibra Óptica – Fontes de Luz

O espectro do LD é mais estreito (da ordem de 1 a 2 nm) porque se está perante uma emissão de luz do tipo coerente (no sentido de espectralmente pura ou só com uma frequência) enquanto que no LED se tem uma emissão do tipo incoerente que resulta de uma certa aleatoriedade na emissão por se fazer em vários comprimentos de onda e em várias direcções (o espectro é da ordem dos 40 nm). A selecção entre um e outro tipo de fonte depende dos seguintes factores: 1) Potência requerida de Emissão ; 2) Eficiência de Acoplamento ; 3) Largura Espectral ; 4 ) Tipo de Modulação ; 5) Exigência de Lineariedade ; 6) Largura de banda necessária; 7) Custo LEDs Como se sabe um LED (Light-Emitting Diode) é um tipo de díodo de junção que é operado com corrente de polarização directa que origina a recombinação de pares electrão-lacuna e, é devido a esta recombinação que é libertada energia em forma de luz incoerente na zona visível ou do infravermelho (nas fibras ópticas de telecomunicações é na zona do infravermelho que se trabalha). Nas fibras ópticas de telecomunicações é na zona do infravermelho que se trabalha. Tipicamente os LEDs para a gama dos 850 nm são fabricados usando GaAs e AlGaAs enquanto que os LEDs para os 1300 e 1500 nm são fabricados usando InGaAsP e InP. Como se pode ver através das figuras seguintes há dois tipos principais de fabricação para os LEDs : de superfície emissora, designado por SLED (fig. 6.25a) e do tipo de emissão lateral, designado por ELED (fig. 6.25b). O primeiro tipo de construção tem um custo mais baixo mas a eficiência de acoplamento da luz na fibra é muito limitada devido ao facto de ter uma larga região activa (zona do LED onde são emitidos os fotões). A região activa primária é uma área circular de 20 µm a 50 µm de diâmetro. É escavada uma zona no substrato (para permitir o acoplamento directo da luz emitida para a fibra) que é preenchida com resina epoxi. Com o segundo tipo de construção (“Edge LED” – ELED) representado na fig. 6.25b, têm-se duas vantagens:

- uma eficiência de acoplamento mais elevada, nomeadamente para as fibras monomodo:

- possibilidade de se utilizar uma taxa de transmissão binária mais elevada pelo facto de a camada activa ser muito estreita em comparação com o estilo de transmissão dos SLEDs..

Efectivamente a sua região activa primária é uma tira muito estreita situada na superfície do substrato do semicondutor. Num ELED a faceta posterior é altamente reflectiva e a faceta frontal é coberta com material anti-reflexão.


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Fig. 6.25.a – Estrutura de um SLED

Fig. 6.25.b– Estrutura de um ELED

LASERs

O princípio de funcionamento dos LDs é semelhante ao dos LEDs, isto é, também é devido à recombinação de pares electrão-lacuna que se faz a emissão de luz. Contudo, aqui atinge-se um estado em que a recombinação daqueles pares geram fotões que estimulam outros pares a recombinar-se, isto é, até um certo valor da


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Equipamentos de uma Instalação em Fibra Óptica – Fontes de Luz densidade de corrente que atravessa a região activa do díodo este comporta-se como um LED convencional, mas ultrapassado aquele valor inicia-se a operação LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) em que a grande densidade de corrente dá origem à multiplicação do número de pares electrão-lacuna, a recombinação destes origina mais fotões e por aí adiante. O limiar de corrente a que ocorre o lasing já é relativamente baixo para os LD de dupla heterojunção (cerca de 5 a 15 mA a 25° C) como se pode ver através da fig. 6.26, que também nos mostra como aquele limiar é afectado pela temperatura, situação altamente indesejável e que importa controlar.

Fig. 6.26 – Características de um Díodo Laser

De facto, a potência dissipada internamente dentro do díodo contribui para aumentar a sua temperatura, deteriorando a situação a menos que algum sistema de controle de temperatura seja utilizado. Ultimamente o emprego de fosforeto de índio (InP) na tecnologia Laser, resultou na obtenção de LDs que não necessitam de arrefecimento A fabricação dos LDs é semelhante à dos LEDs Há três tipos principais de fabricação: - “Fabry-Perot” - “Distributed FeedBack” - “Distributed Bragg Reflector” Estes três tipos apresentam-se na fig. 6.27 da página seguinte.


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Equipamentos de uma Instalação em Fibra Óptica – Fontes de Luz A principal diferença na fabricação dos Díodos Laser (LDs) em relação aos LEDs é a de que nos LDs a camada activa é embebida num ressonante óptico. No LD do tipo Fabry-Perot (ver fig. 6.27a) isso é realizado através de duas superfícies espelhadas opostas nos planos naturais de clivagem no díodo de cristal, dando origem a uma estrutura que suporta várias ondas ópticas estacionárias. As ondas estacionárias adicionam-se por interferência de uma maneira construtiva,

proporcionando um espectro de saída com várias linhas espectrais espaçadas (em comprimento de onda óptico) de 0.1 a 1 nm e espalhando-se numa largura de banda espectral de 1 a 5 nm a que corresponde uma gama de frequências de 176 a 884 GHz. De notar que em comunicações ópticas o termo largura de linha é muitas vezes utilizado como a largura do espectro de saída medida entre os pontos a –3 dB. Esta largura de linha é de cerca de 2 nm para o LD Fabry-Perot. Dado que os LDs Fabry-Perot produzem saídas multimodo eles são mais utilizados para 1300 nm onde a dispersão da fibra é mais baixa. Nos LDs do tipo DFB (Distribution FeedBack) a largura de linha é menor. Esta característica é conseguida através da criação (ver fig 6.27.b) de uma camada corrugada junto à camada activa e pela aplicação de uma camada anti-reflectora na faceta emissora de luz, que suprima o modo de oscilação Fabry-Perot. Obtêm-se espectros de potência de saída com uma simples linha estreita de menos de 1 MHz cerca de 5x10-6 nm) de largura de linha, permitindo a transmissão de “bit rates” de mais de 10 Gbit/s.

Fig.6.27 – Díodos Laser: a) Fabry-Perot; b) Distributed Feedback; c) Distributed Bragg Reflector


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Os LDs do tipo DBR (Distributed Bragg Reflector) têm (ver fig 6.27c) duas secções : uma secção amplificadora activa e uma secção passiva corrugada (secção de Bragg). Um canal muito estreito (de alguns microns), de alta impedância, faz o interface eléctrico e óptico entre as duas secções. Com os LDs DBR conseguem-se larguras de linha de apenas algumas centenas de KHz. Os LEDs e os LASERs estão indicados para Modulação Directa, isto é, a transmissão dos 1’s e 0’s é feita por simples comutação ON/OFF. Os LDs são sensíveis à temperatura. A fig. 6.28 mostra o efeito da temperatura sobre o espectro do Laser DFB, situado na gama de 1.55 µm.

Resumo das Vantagens e Inconvenientes dos LEDs e LDs Os LEDs têm as seguintes vantagens em relação aos LDs: - Elevada Fiabilidade - Circuitos de Alimentação mais simples - Mais baixa sensibilidade à temperatura - Imunidade à luz reflectida - Baixo custo

Os LEDs são mais propriamente indicados para ligações de pequenas distâncias. As vantagens dos LASERs em relação aos LEDs são as seguintes: - Potência mais elevada - Elevada eficiência de acoplamento - Maior Largura de Banda - Espectro Luminoso mais estreito

Embora mais caros e de construção mais complexa, os LDs permitem um “bit-rate” mais elevado, sendo utilizados para transmissões a longas distâncias.

Fig. 6.28 – Efeito da Temperatura sobre o espectro do Laser DFB


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Equipamentos de uma Instalação em Fibra Óptica – Detectores de Luz

DETECTORES DE LUZ

O espectro luminoso que emerge da extremidade do “link” de fibra óptica tem que ser detectado e convertido em impulsos eléctricos para o processamento da informação. Já vimos que há dois tipos principais de detectores: APD (Avalanche PhotoDiode) e o Díodo PIN. As performances de um e de outro são equivalentes, ambos com capacidades de multi Gigabits/segundo. FOTODÍODOS de AVALANCHE (APD) Um fotodíodo de avalanche (APD – Avalanche PhotoDiode) é um díodo que é polarizado inversamente mas em que o ponto de operação fica imediatamente abaixo da tensão inversa de ruptura (ver figs. 6.29 e 6.30)

Fig. 6.29 – Estrutura de um díodo de avalanche

LUZ

Tipo P

Tipo N

Região de deplecção

Ânodo

Cátodo

Ponto de Operação

i

v

Fig 6.30 - Polarização de um díodo de avalanche


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A absorpção de um fotão por um átomo na região de deplecção origina um par electrão-lacuna. Quando a luz proveniente da fibra, incide no díodo, formam-se então pares electrão-lacuna (ver fig. 6.29) e, se a tensão aplicada for suficientemente elevada (100 V, p. ex) os electrões são acelerados e, por colisão, geram novos pares electrão-lacuna continuando o processo de multiplicação, produzindo o efeito avalanche. Um electrão pode produzir até cerca de 100 electrões no APD.

Fig. 6.29 - Fotodíodo tipo avalanche. Princípio de operação

A característica mais importante que define a “performance” de um detector óptico é a sua sensibilidade de recepção. É geralmente definida como a potência mínima recebida para que o BER não ultrapasse 10-9 para um determinado “bit-rate”. A fig. 6.30 da página seguinte indica os valores calculados e medidos da sensibilidade de recepção, em função do “bit-rate”, para vários tipos de receptores: APDs, PIN-FETs, PIN-HBTs e PIN-HEMTs.

região p+

região n+

Luz Incidente (Fotão)

Par electrão -lacuna originado pelo fotão Par electrão -lacuna originado por colisão

Colisão

V-

V+

Região de deplecção


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Fig. 6.30 - Sensibilidades de recepção dos díodos APD e PIN

Os díodos PIN, que brevemente referenciaremos a seguir, operam com uma corrente de polarização inversa muito pequena, não apresentando qualquer ganho inerente ao contrário do que acontece com os APDs. Necessitam de amplificadores de baixo ruído a inserir depois do díodo PIN. O amplificador originalmente utilizado era o GaAs FET, mas mais recentemente passaram a usar-se o HEMT (transistor de electrões de alta mobilidade) e o HBT (transistor de heterojunção bipolar) e são estes tipos de receptores cuja sensibilidade está representada acima para além das dos PIN-FETs e dos APDs. Verifica-se, naturalmente, que a sensibilidade diminui à medida que aumenta o “bit-rate”. DÍODOS PIN Como se representa na Fig. 6.31, o díodo PIN é basicamente uma junção pn com uma região intrínseca intermédia conhecida geralmente como camada de deplecção de carga.

-50

-40

-30

-20

-10"bit rate" (Gbit/s)

Sen

sib

ilid

ad

e d

o r

ecep

tor

(dB

m)

0.1 1 10 100

1.5 µm APD

1.3 µm PIN-FET

1.5 µm PIN-HBT

1.5 µm PIN-HEMT

*Receptor com

pré-amplificador óptico


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Fig. 6.31 - Estrutura de um fotodíodo PIN

Quando a luz da fibra óptica proveniente da fibra incide na região p deste díodo polarizado inversamente, formam-se pares electrão-lacuna na região de deplecção. O campo eléctrico obriga os electrões e lacunas a viajar em direcções opostas, produzindo-se assim uma pequena corrente (ver também fig.6.32). As dimensões da região de deplecção podem ser escolhidas de modo a que o díodo tenha

boa sensibilidade e a que se tenha um pequeno tempo de subida, significando isto boas características para alta frequência. Se a espessura da região de deplecção é aumentada, a sensibilidade aumenta porque aumenta a probabilidade de absorção dos fotões, mas isto, por outro lado, aumenta o tempo de trânsito dos portadores de carga, reduzindo a “performance” às altas frequências. Os díodos PIN têm boas características a respeito da largura de banda pois podem trabalhar com larguras de banda da ordem dos 10 GHz ou superiores.

P

NP

IP

Entrada de luz

V-

V+

Metalização

(Alumínio ou Ouro)

Dióxido de sílicio

Intrínseco (semicondutor puro)

V

-

P I N R

I Fibra

Fig. 6.32 - Princípio de operação de um fotodíodo PIN


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! ORÇAMENTO do TEMPO de SUBIDA (“RISE TIME BUDGET”) Já vimos anteriormente que :

- a taxa de velocidade binária que pode ser usada por uma fibra é limitada pela dispersão.

- a dispersão é maior com fibras multimodo de salto de índice e menor com fibras monomodo.

Os efeitos da dispersão aumentam com o comprimento da fibra porque a diferença de tempo entre dois sinais que se propaguem na fibra é naturalmente proporcional ao comprimento da fibra.

O efeito da dispersão é também proporcional à largura de banda do sinal da informação e, para as fibras monomodo, a dispersão é proporcional à largura de banda da fonte ou largura de linha da fonte (“source linewidth”)

Esta largura de linha da fonte tem pouco efeito nas fibras multimodo porque, nestas, a maioria da dispersão é devida aos numerosos modos de propagação.

Não é somente a fibra que limita a largura de banda e a taxa de velocidade binária pois que os próprios emissores e receptores têm tempos de subida finitos que limitam a sua largura de banda, devendo os seus efeitos ser tidos em conta quando se calcula a máxima taxa de velocidade binária. Quando um impulso de luz se propaga através da fibra a sua duração aumenta. Há um espalhamento ou alargamento do impulso. Este alargamento do impulso (ver fig. seguinte) é proporcional:

1) ao comprimento da fibra; 2) à dispersão da fibra por quilómetro a que se chama também constante de

espalhamento ou alargamento do impulso que é dada em picosegundos por quilómetro.

Ten

são T

ensã

o

Tempo Tempo

Impulso original Impulso alargado

Fig. 6.33 – Impulso transmitido (original) e impulso recebido (alargado)


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Orçamento do Tempo de Subida

Assim um impulso de largura infinitesimal sofrerá um alargamento, numa fibra de comprimento L, dado por ! = D L onde ! é o alargamento total do impulso em picosegundos, D é a constante de alargamento do impulso em ps/Km e L é o comprimento da fibra em Km. Se um impulso rectangular de duração finita for aplicado à fibra, o efeito da dispersão é o de fazer os tempos de subida e de descida do impulso aproximadamente iguais à dispersão. O efeito de alargamento do impulso provocado pela própria fibra combina-se com os tempos de subida e de descida do transmissor e receptor do seguinte modo: sendo TRT o tempo de subida total, TRTX o tempo de subida no transmissor, TRRX o

tempo de subida no receptor e TRF o tempo de subida na fibra. O efeito acumulativo destes tempos de subida é o de limitar a velocidade a que os impulsos podem ser transmitidos. Consideremos agora dois tipos de código de linha (NRZ e RZ), conforme se mostra nas figuras seguintes:

Para o código NRZ o alargamento máximo do impulso deve ser inferior ao período de um bit.

222

RFRRXRTXRTTTTT ++=

1 0 1 1 0

Ten

são T

ensã

o

1 1 1 1 1

Impulso original Impulso alargado devido à dispersão

Fig. 6.34

(6.7)

(6.8)


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Orçamento do Tempo de Subida Logo, a máxima taxa binária de transmissão em bit/s, para o código NRZ, deverá ser: fb = 1/TRT Já para o código RZ, como o máximo alargamento do impulso não deve exceder (ver fig. anterior) metade do período de um bit, essa velocidade máxima de transmissão é fb = 1/(2TRT) Exemplo Uma fibra de 50 kms de comprimento tem uma constante de alargamento de impulso igual a 2200 ps/km. Determine a máxima velocidade de transmissão que poderá ser utilizada quando essa fibra é usada em conjunto com um transmissor em que o tempo de subida dos impulsos é de 40 ns e com um receptor em que o tempo de subida é de 50 ns se for utilizado um código NRZ. Resolução A fibra produz um alargamento dos impulsos dado por != DL=50Km . 2200 ps/Km = 110000ps = 110 ns = TRF

O tempo de subida total para o sistema será então: TRT = ( 402 + 502 + 1102 )1/2 = 127.3 ns Logo, a máxiam taxa binária de transmissão do sinal NRZ será: fb = 1/TRT = 1/127.3 ns = 7.855 Mbit/s

(6.9)

(6.10)

TEMPO de SUBIDA e LARGURAS de BANDA ELÉCTRICA e ÓPTICA Em qualquer sistema que possa ser modelado como um filtro passa-baixo de 1ª ordem a relação entre o tempo de subida e a largura de banda eléctrica é: 0.35 f3-dB (eléctrica) = ---------- TR onde TR é o tempo de subida em segundos e f3-dB é a largura de banda eléctrica em Hz. Para uma fibra TR é aproxinadamente igual à dispersão. A largura de banda dada nas especificações do produto distância-largura de banda de uma fibra é uma largura de banda óptica.

Ora, a largura de banda óptica f3-dB (óptica) é igual a )eléctrica(dB3f2 ! pelo que se

tem para a largura de banda óptica na fibra:

t2

1

t

5.0

t

35.02f2f )eléctrica(dB3)óptica(dB3

!=

!"

!

#== $$

sendo !t a dispersão na fibra. Como o produto largura de banda-distância é igual à largura de banda de um km de comprimento e a constante de alargamento do impulso é igual à dispersão num km de comprimento da fibra, em vez da equação anterior podemos escrever: 1 Bl = ------- onde Bl é o produto largura de banda- 2 D distância em Hz-km e D é a constante de alargamento do impulso em segundos/km. 500

Isto equivale a dizer, usando unidades práticas, que: Bl = --------- com Bl em MHz-km. e D em ns/ km D


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! SISTEMAS DE TRANSMISSÃO EM FIBRA ÓPTICA GENERALIDADES As fibras ópticas têm actualmente uma grande aplicação nos Sistemas de Telecomunicações, os quais se podem dividir em três categorias, do ponto de vista da distância (curta, média e longa) que são conhecidos por: 1- Circuitos Locais (para assinantes) e LANs 2- Tráfego entre Escritórios e Empresas 3 -Tráfego entre Cidades (interurbanos), com percursos Longos A distância, a capacidade (“Bit-Rate”) e a topologia são os primeiros factores que influenciam o projecto de Sistemas de fibra óptica e ainda a sua viabilidade económica associada á Instalação e Operação. A Fibra Óptica já substitui os cabos de cobre sobretudo nas ligações de Longa Distância e entre Empresas e Escritórios. Quanto ao tipo de tecnologia utilizada os Sistemas de FO. podem-se dividir em dois grupos : 1 - Sistemas de Modulação por Intensidade (“ON/OFF”) 2 - Sistemas Coerentes A fig. 6.35 dá uma visão global de 8 gerações de Sistemas de Transmissão por FO, distinguindo-se à medida que o “bit-rate” e o comprimento de transmissão aumentam.

Fig. 6.35 – Oito gerações de Sistemas de Transmissão por Fibras Ópticas


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica

Os primeiros sistemas, antes de cerca de 1990, não dispunham do “luxo” dos amplificadores ópticos, pelo que a distância entre regeneradores era um factor muito importante pois o preço destes é demasiado dispendioso. Com o recente aparecimento dos amplificadores ópticos houve uma mudança radical nos sistemas de transmissão por FO passando o centro da nossa atenção a ser desviado para a capacidade de transmissão. Os sistemas da primeira geração eram inicialmente limitados pelo espaçamento entre regeneradores que teria de ser relativamente curto dado que as atenuações na FO eram elevadas e que havia uma dispersão cromática excessiva na fibra causada pela utilização de LEDs. O desenvolvimento de sistemas de FO a 1300 nm levou a um aumento do espaçamento entre regeneradores e das velocidades binárias nos sistemas de segunda geração (estes sistemas operavam ainda com fibras multimodo, limitando a “performance” devido à dispersão modal). A mudança para as fibras ópticas monomodo nos 1300 nm aumentou, na terceira geração, consideravelmente, aquele espaçamento e o “bit-rate”. Na quarta geração passou-se a usar fibras ópticas na janela dos 1550 nm oferecendo a vantagem duma mínima atenuação da sílica à volta deste comprimento de onda. No princípio dos anos ´90 surge a quinta geração com a utilização de amplificadores ópticos permitindo aumentar grandemente a distância entre regeneradores. Tenha-se em atenção que um amplificador óptico é um repetidor óptico e não um regenerador, pois este envolve a conversão do domínio óptico para o domínio eléctrico, a reformatação dos impulsos e a retemporização. A sexta geração é a geração do WDM (“Wave-Division Multiplex” – Multiplexagem por Comprimentos de Onda) e surge no meio dos anos ´90, consistindo na transmissão de grandes débitos binários em diferentes comprimentos de onda dentro de cada fibra, atingindo-se velocidades binárias da ordem dos Terabits por segundo. Até agora, todos os sistemas referidos usam modulação por intensidade do transmissor óptico. A sétima geração virá a utilizar modulação de fase do transmissor óptico e um esquema de detecção coerente que melhorará a sensibilidade do receptor. Além disso, estes sistemas ópticos coerentes permitirão a transmissão de FDM, o que trará uma enormíssima capacidade de transmissão em cada canal devido a uma maior eficiência na utilização da largura de banda óptica disponível. A transmissão tipo Soliton constituirá a oitava geração de modo a proporcionar capacidade suficiente para sistemas ISDN de grande largura de banda. No que respeita aos sistemas de interligação, vão-se distinguir três tipos (ver fig. 6.36):


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica 1 - Ligação ponto-a-ponto (“link”) 2 - Ligação ponto-multiponto (“broadcast”) 3 - Ligação mutiponto-multiponto (Rede) SISTEMAS DE MODULAÇÃO POR INTENSIDADE Uma grande maioria dos Sistemas de Comunicações por fibras ópticas usam a técnica da Modulação por Intensidade em que o Sistema óptico ernite l' s ou 0' s por simples comutação “ON/OFF”. Isto pode ser feito directamente, ligando e desligando a fonte ou, externamente, bloqueando a fonte para formar 1´s ou 0´s. Quando um díodo Laser varia a sua corrente de zero até ao seu valor nominal, a frequência de saida do Laser varia ligeiramente. Esta ligeira variação (“chirping”) é um dos problemas mais significativos para os sistemas de Detecção Coerente usando PM ou FM.

Fig. 6.36 – Configurações de fibras ópticas:

(a) “Link” ponto-a-ponto (um

só transmissor e um só receptor)

(b) Ponto-Multiponto : um

transmissor e muitos receptores

(c) Multiponto-Multiponto :

muitos transmissores e muitos receptores


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A largura de banda e, portanto, o número de canais que é possível transmitir por modulação em intensidade, são determinados pela rapidez com que o Laser pode ser ligado e desligado e pela dispersão associada com o “chirping” dentro do Laser. O aparecimento do Laser DFB (Distribution FeedBack) veio permitir a utilização de sistemas modulados por intensidade a 1300 nm e 1500 nm operando bem acima dos 10 Gbit/s. É claro que a sensibilidade do receptor de um sistema modulado por intensidade deve ser maximizada como parte da optimização global do ganho do sistema. Um sistema óptico com modulação em intensidade (também conhecida por modulação ASK – “Amplitude Shift Keying) utiliza detecção directa e a sensibilidade do receptor depende do número mínimo de pares electrão-lacuna gerados que pode ser transformado numa corrente detectável. O receptor ideal deveria ser capaz de detectar a geração de um simples par electrão-lacuna. Para este receptor ideal pode-se calcular a energia de impulso mínima necessária para conseguir uma probabilidade de erro específica: a este valor mínimo de energia chama-se limite quântico. Demonstra-se que o número mínimo de fotões que pode ser detectado num receptor ideal de detecção directa, para um BER=10-9, é 10. Infelizmente não existe o receptor ideal (há ruído térmico e ruído shot que são adicionados) e isso implica que o nível de recepção requerido tem de aumentar de 13 a 20 dB acima do limite quântico (isto é, tem de aumentar para 200 a 2000 fotões por bit). Contudo, a introdução de pré-amplificação óptica, com grandes valores de ganho, antes da fotodetecção, tem aumentado a sensibilidade de cerca de 10 dB. O sistema FSK requer um mais alto número de fotões por bit do que o sistema ASK. SISTEMAS DE TRANSMISSÃO ÓPTICA COERENTE A grande largura de banda potencial de um sistema de transmissão óptica coerente é conhecida desde os primeiros dias dos sistemas de fibras ópticas. Contudo, em 1990 constatou-se que o ruído de fase de um sinal óptico causado pela interacção da emissão espontânea de um amplificador óptico e o efeito não linear de Kerr das fibras degradava severamente a sensibilidade dos receptores dos sistemas coerentes. Uma não linearidade de Kerr consiste na alteração do índice de refracção de um meio causada pela presença de radiação óptica Os pré-amplificadores ópticos reduziram a diferença entre as sensibilidades dos receptores de modulação por intensidade e coerente para quase zero, razão porque os sistemas coerentes ainda estão “eclipsados” hoje em dia face aos sistemas WDM


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica de modulação em intensidade que, aparentemente, têm uma adequada largura de banda. Mas aproximam-se os dias em que vai ser necessário passar a um nível muito mais elevado de largura de banda e em que se terá de mudar para os serviços de tecnologia óptica coerente. Em comunicações ópticas o termo coerente refere-se a qualquer processo de detecção que utilize um oscilador local. Note-se que aqui há uma diferença em relação ao rádio, onde a detecção coerente tinha que ver com a fase do sinal envolvido na detecção IF. Os sistemas transceptores ópticos coerentes têm muitas semelhanças com os seus “equivalentes” de transmissão por microondas. Por exemplo, o projecto de um sistema óptico coerente de hoje em dia, pode ter um modulador de fase no transmissor e uma técnica de heterodinagem no receptor (ver o diagrama bloco da fig. 6.37).

No mecanismo de detecção coerente um sinal óptico fraco é misturado com um sinal relativamente forte de um oscilador local óptico. O cálculo da sensibilidade é diferente de um sistema de rádio. Agora, a potência do sinal eléctrico é proporcional ao produto das potências do sinal óptico e do oscilador local, enquanto que o ruído shot do receptor é igual à soma das potências eléctricas do sinal óptico e do oscilador local. Isto significa que com potências do oscilador local suficientemente

Fig. 6.37 – Diagrama esquemático de um sistema de comunicações ópticas coerente com várias possibilidades de configuração


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica altas, o ruído shot no receptor do sistema de detecção coerente será grande quando comparado com a potência de ruído térmico do receptor. Contrastando, no sistema de detecção directa, a potência de saída do detector é proporcional ao quadrado da potência do sinal óptico incidente, sendo o ruído do receptor principalmente determinado pela “electrónica” que se segue ao detector. No sistema coerente podemo-nos aproximar da “performance” do limite quântico. Foram feitas análises a diversos sistemas ópticos de forma a identificar qual o tipo de modulação que dá origem à melhor sensibilidade do receptor e os resultados figuram na tabela seguinte em termos do número de fotões no detector necessários para produzir um BER de 10-9 :

TABELA 6.1 - Sensibilidades do receptor para diversos esquemas de detecção Tipo de modulação/detecção Número de fotões por bit para um

BER=10-9

21

Detecção directa - Limite quântico - Receptor prático 38

ASK heterodina 72 ASK homodina 36 FSK heterodina 36 PSK heterodina 18 PSK homodina 9

Como se indica na fig. 6.38 a detecção homodina PSK no receptor é teoricamente a melhor técnica. Quando usada com PSK (especificamente PSK diferencial) no transmissor obtem-se a melhor performance do sistema. Conseguem-se boas performances utilizando no receptor quer a técnica de detecção coerente heterodina quer a técnica de detecção homodina. A diferença entre o receptor heterodino e homodino reside simplesmente no facto de o receptor heterodino ter um oscilador local cuja frequência é diferente da frequência de transmissão enquanto que o receptor homodino tem um oscilador local cuja frequência é igual à frequência de transmissão. A técnica homodina teoricamente proporciona uma sensibilidade no receptor 3 dB melhor do que a heterodina, mas é mais complexa de construír porque o oscilador local tem de estar “amarrado” em fase com o sinal óptico recebido. A fig. 6.38 mostra graficamente como as sensibilidades do receptor degradam com o aumento da velocidade binária. Quando comparado com a modulação por intensidade com pré-amplificação óptica, o sistema coerente traz vantagens mas somente da ordem dos 6 dB, o que ainda não é suficiente para justificar a utilização desta dispendiosa tecnologia. A principal vantagem dos sistemas coerentes reside nos inúmeros canais que podem ser transmitidos com multiplexagem FDM sobre uma largura de banda de 25000 GHz ou similar disponível na banda de 1.45 a 1.65 µm (ver fig. 6.39). Podem ser


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transmitidos milhares de canais telefónicos dentro de cada canal, o que significa que a capacidade do sistema é enorme.

As várias combinações possíveis de configuração de um sistema coerente de fibras ópticas estão esquematizadas, como se referiu, na fig. 6.37. Considerada a fonte de luz, o ruído FM-PM do díodo laser deve ser minimizado devendo, para isso, fazer-se a largura de linha tão estreita quanto possível (idealmente devia ser zero). A mínima largura de linha aceitável depende do “bit-rate” e do esquema de modulação como

Fig. 6.39– Largura de banda disponível para a multiplexagem óptica.

Fig. 6.38 – Gráfico da sensibilidade do receptor versus a velocidade transmissão para vários esquemas de detecção.


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se indica na fig. 6.40. Esta figura põe em destaque o facto de a modulação mais sofisticada requerer uma relação “largura de linha da fonte da luz / taxa de velocidade binária” muito baixa. Para o caso PSK homodina a largura de banda de IF deve ser igual igual à taxa de taxa de velocidade binária. Os sistemas ASK e FSK heterodinos podem tolerar uma relação da largura de linha do espectro para o “bit-rate” de 10-1. Num sistema de 622 Mbit/s, por exemplo, a largura de linha da fonte requerida, de cerca de 60 MHz, é facilmente conseguida com um LD básico do tipo DFB. Para a modulação PSK homodina a exigência de 10-4 para aquela relação já é muito mais difícil de conseguir, especialmente para baixos “bit-rates”. Para esse sistema PSK homodino a largura de linha da fonte deve ser da ordem dos 60 KHz, portanto excepcionalmente estreita, que se poderá obter recorrendo a LDs DFB de cavidade externa. Se formos para os 10 Gbit/s então a largura de linha é mais fácil de obter, pois poderá ser da ordem de 1 MHz.

. O processo de desmodulação é obviamente o inverso do processo de modulação sendo o sistema PSK homodino a melhor escolha para se obter a melhor performance. É então necessário uma detecção de banda de IF para converter o sinal de IF de microondas no sinal de dados de banda base. Isto pode ser feito quer

Fig. 6.40 – Requisitos de largura de linha para os vários tipos de modulação.


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por detecção da envolvente, quer através da detecção heterodina, de melhor qualidade. Observando o esquema de modulação mais detalhadamente, a técnica mais atractiva, conforme a tabela 6.1, consistirá na utilização da detecção PSK homodina, pois é tecnicamente superior a todos os outros esquemas de detecção, apresentando um enorme potencial para os futuros sistemas. O OPLL (“Optical Phase-Locked Loop”) é universalmente aceite como sendo essencial para os sistemas de detecção PSK homodina, mas há vários problemas com a implementação prática desta detecção. Em primeiro lugar, como se pode ver pela fig. 6.41-a, a componente da portadora do sinal modulado transmitido é suprimida (visto que o valor médio líquido dos 1´s e 0´s é nulo) e, então a que é que o PLL se vai “amarrar” ? Em segundo lugar, para uma boa detecção homodina, os sinais de dados e do oscilador local deverão estar “amarrados” (“locked”) em fase (ver fig. 6.41-b) mas, infelizmente, num PLL convencional, o sinal do oscilador local é amarrado (a 90º) do sinal (de referência) de dados (ver fig. 6.41-c).

Em terceiro lugar, o sinal de dados e o sinal do oscilador local são misturados no díodo fotocondutor para se produzir a necessária frequência de batimento. A corrente de saída do detector contém um sinal adicional em dc, indesejado, que deve ser eliminado. Estes três problemas podem ser resolvidos utilizando um PLL não linear ou um PLL equilibrado.

• PLL Não Linear

A figura 6.42 representa um receptor óptico homodino baseado num PLL não linear do tipo “Decision-Driven Loop”. O sinal recebido é dividido por um híbrido óptico de 90º. Uma parte do sinal é enviada para o detector de dados e a outra para o PLL. Há aqui uma penalização de 3 dB. Dado que o valor médio da corrente “phase-lock” do fotodetector do “loop” é zero (porque " = 90º)

Fig. 6.41– Fase do sinal do Oscilador Local relativamente à do sinal de dados.


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica esta deve ser processada não linearmente antes do seu uso no “phase-locking”. Isto é conseguido multiplicando a saída do circuito de atraso de 1 bit (corrente de “phase-lock”) pela saída do detector de dados (sinal de saída de dados). Os circuitos RC servem para eliminar a componente DC.

Para este circuito receptor homodino óptico com PLL não linear tipo “decision loop” a relação largura de linha do laser / “bit-rate” é aproximadamente 3x10-4.

• PLL equilibrado

Apresenta-se na figura 6.43 o respectivo diagrama-bloco. O sinal óptico é dividido usando um acoplador de 3 dB. Mas agora trata-se de um acoplador de 180º em vez do acoplador mais usual de 90º. No outro braço do acoplador é injectada a saída óptica do oscilador local Laser controlado por

Fig. 6.42 – Receptor óptico homodino, baseado num PLL não linear do tipo “Decision-Driven Loop”

Fig. 6.43 – Receptor óptico homodino, utilizando um PLL equilibrado


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tensão. Os sinais são detectados pelo fotodetector e passados para um amplificador cuja saída vai realimentar, através do filtro do “loop”, o VCO, formando-se assim o PLL. A componente DC é eliminada no receptor balanceado. Comparando a performance do receptor “decision loop” com o receptor de loop” equilibrado, constata-se que este último apresenta um ruído de diafonia “data-to-phase-lock” que deve ser cancelado. Se este ruído for cancelado a sua performance em termos da largura de linha requerida aproxima-se da do receptor “decision loop”. Em resumo, a fonte laser para os sistemas PSK homodinos necessita de um mínima relação largura de espectro / ”bit-ratio” que depende da configuração do receptor. No presente, a detecção PSK homodina binária, com receptor OPLL equilibrado , exigindo uma relação mínima largura de linha / “bit-rate” da ordem de 10-4. Os sistemas homodinos experimentais têm verificado a teoria, exibindo sensibilidades do receptor perto do limite quântico de 9 fotões por bit ! A questão que fica “no ar” é se a implementação efectiva destes sistemas nas redes se pode fazer a curto prazo de modo económico, quando comparado com os sistemas existentes de detecção directa. REGENERADORES E REPETIDORES ÓPTICOS Em ligações entre centrais locais, não são necessários nem repetidores ópticos nem regeneradores. Contudo, para ligações interurbanas, se as distâncias envolvidas forem grandes, necessitar-se-á de repetidores ópticos e, se for utilizada fibra com alta dispersão, são necessários regeneradores. Algumas LANs também necessitam de repetidores ópticos devido às múltiplas divisões (“splits”) que vão ocorrer na potência emitida pelas fontes de luz. Os amplificadores ópticos também dão origem a acumulações de ruído, o que significa que, mesmo usando amplificação óptica, pode ser necessária a regeneração de impulsos a partir de determinada distância, mas felizmente essas distâncias são muito grandes chegando a atingir 10000 Kms, o que mostra como é importante a amplificação óptica nos cabos submarinos. A fig. 6.44 representa o diagrama-bloco de um regenerador convencional para fibra óptica. O sinal óptico é convertido para sinal eléctrico através de um detector óptico (díodo APD ou díodo PIN). Os impulsos eléctricos resultantes são amplificados,


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica igualizados e completamente “reconstruídos” por um circuito “standard” de regeneração de impulsos e temporização. Nesta altura é recolhida uma medida do BER da ligação. Os impulsos “novos” são então utilizados para modular a fonte de luz laser que fará o reenvio do sinal através da fibra.

Até recentemente, este método era usado quase exclusivamente em todos os sistemas de longa distância. O aparecimento dos EDFAs (“Erbium Doped Fiber Amplifiers” – Amplificadores de Fibra dopada com Érbio) a que faremos uma breve referência mais adiante neste capítulo, reduziu drasticamente o número de regeneradores necessários. Os regeneradores constituem um problema por ocuparem um espaço relativamente grande e necessitarem de alimentação (sistema complexo no caso dos cabos submarinos de fibras ópticas) tendo, por isso, de se considerar a existéncia de pares de cobre no cabo de fibras. Note-se que em sistemas que não usem WDM (multiplexagem por comprimentos de onda, que será abordada a seguir) cada canal óptico tem de utilizar dois regeneradores (um para uma direcção e o outro para a outra). A disponibilidade comercial dos amplificadores ópticos (no início dos anos ’90) revolucionou os projectos das comunicações ópticas de longa distância. O comprimento do link passa a ficar apenas limitado pela dispersão cromática e pelo ruído do amplificador. A dispersão pode, até determinado limite, ser eliminada usando fibras de dispersão desviada e impulsos de transformada limitada. Um impulso de transformada limitada é o impulso mais curto possível do laser, dentro da largura de banda disponível de oscilação desse laser. Uma das características mais importante do repetidor/amplificador óptico é a sua transparência pois é independente do “bit-rate” e do formato da modulação. Têm-se conseguido transmissões, com os amplificadores ópticos, de sinais de multigigabits por segundo sobre distâncias de varios milhares de quilómetros, sendo isto uma clara indicação de que mais cedo ou mais tarde os repetidores de amplificadores ópticos eliminarão completamente os repetidores regenerativos opto-electrónicos.

Fig. 6.44 – Diagrama de blocos de um regenerador óptico (sem amplificação óptica)


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MULTIPLEXAGEM ÓPTICA Enquanto o tráfego de voz está a crescer a cerca de 7% ao ano (no final do ano de 2001 já se está substancialmente acima de um bilião de ligações telefónicas), o aumento de tráfego de dados (particularmente originado pela Internet) é tão grande que o número de ligações pela Internet deve atingir o das ligações telefónicas dentro de 5 a 8 anos. Este aumento está a conduzir à integração do tráfego de voz dentro dos serviços de comunicações de dados. Também o impressionante aumento do número de telefones móveis (espera-se haver muito mais de 1000 milhões até ao ano 2003) implica seriamente desenvolvimentos na rede fixa. Até agora tem sido possível através da utilização de técnicas de TDM (“Time Division Multiplex”) responder aos pedidos de largura de banda necessários, mas a taxa binária máxima hoje utilizada, 2.5 Gbit/s ( STM-16) em evolução já para os 10 Gbit/s (STM-64) irá revelar-se insuficiente. Neste momento trabalha-se nos 40 Gbit/s. Felizmente uma nova tecnologia - WDM (Wavelength–Division Multiplex) apareceu a meio da década de 90 com potencial para lidar com enormes larguras de banda. Trata-se de um sistema para transmitir diversos canais ópticos simultaneamente sobre uma simples fibra óptica. É o equivalente óptico do processo eléctrico FDMA (“Frequency Division Multiple Access”) na tecnologia de Radio. A WDM é a operação com múltiplos canais ópticos, a cada um dos quais vai corresponder uma portadora óptica com um determinado comprimento de onda. Cada “fluxo de bits” (informação a transmitir) vai modular um feixe luminoso, com esse Comprimento de Onda, formando um Canal Óptico. Os sinais ópticos dos diferentes canais são combinados e transmitidos sobre a mesma fibra e na recepção são separados por um conjunto de acopladores ópticos e filtros (somente dispositivos passivos) de tal modo que, depois da desmodulação, cada “fluxo de bits” possa ser processado electrónicamente. Não confundir WDM Optico com FDM Optico. O WDM é uma operação multicanal que coloca diferentes “fluxos de bits” em diferentes frequências ópticas. Quanto ao FDM (termo utilizado inicialmente em transmissão analógica), nos sistemas ópticos em FDM usa-se as técnicas heterodinas ou homodinas para multiplexar vários “fluxos de bits” sobre uma única portadora óptica, cujo comprimento de onda se situa na banda de 1,5 µm ou de 1,3 µm . • WDM - Wave Division Multiplexing

Os sistemas de transmissão de longa distância ponto-a-ponto estão a ficar rapidamente “standardizados”, com cada par de fibras ópticas incorporando


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WDM e cada comprimento de onda transportando um sinal modulado em intensidade contendo um sinal de 10 Gbit/s ou mais. A fig. 6.45 apresenta um sistema típico WDM que, neste caso, tem 17 canais, cada um a 20 Gbit/s, com uma capacidade total de 340 Gbit/s. A separação entre canais é de 0,8 nm, podendo este valor ser reduzido à medida que as larguras de onda dos lasers melhorem.

Uma característica muito importante é que os sinais de informação sobrepostos em cada onda óptica não alargam as larguras de banda desses sinais ópticos.

Fig. 6.45 (a) – Transmissão óptica WDM (b) – Espaçamento dos canais WDM


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Fig. 6.46 Multiplexagem óptica WDM: (a) – Aspecto do desmultiplexer “PHASAR” (b) – Geometria da zona de recepção

Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica Cada onda é simplesmente comutada “ON” e “OFF” para formar os 1´s e 0´s. A situação é diferente para o FDM onde a largura de banda do sinal óptico é aumentada com a largura de banda da banda-base. Este facto coloca um limite no espaçamento mínimo entre sinais ópticos FDM multiplexados em WDM. Um exemplo de um multiplexer/desmultiplexer óptico apresenta-se na fig. 6.46 e é denominado "phased-array" ou "PHASAR (de)multiplexer" . Quando o feixe no guia de onda de transmissão atinge a região FPR (região de propagação livre – “Free Propagation Region”), ele diverge no "Object Plane" e na zona "Input Aperture", a luz é dividida pelo conjunto ( "array") de guias de onda. Cada comprimento de onda de luz é então separado e encaminhado por um guia de onda individual.


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Os comprimentos físicos de cada guia de onda do “array” são escolhidos de modo que os comprimentos ópticos dos guias adjacentes, na frequência central do desmultiplexer, difiram de um múltiplo inteiro de 2#. Na zona "Output Aperture", a luz proveniente dos diferentes guias de onda vão convergir na zona FPR de modo que aparece uma "Imagem" da Onda proveniente do "Object Plane”, no centro da zona "Image Plane". Para qualquer outra frequência acima ou abaixo da frequência central, os diferentes comprimentos ópticos do “array” de guias de onda obrigam a que as diferentes frequências sejam focadas em diferentes pontos do "Image Plane". Os guias de onda da recepção podem então ser específicamente localizados de modo a que cada guia de onda capta o feixe luminoso com um determinado comprimento de onda. O funcionamento deste sistema é recíproco, de modo que a operação de multiplexagem se explicaria de modo inverso, isto é, diversos guias de onda com frequências de entrada distintas a “alimentar” um guia de onda único de saída transportando um sinal com múltiplas frequências. O sistema WDM pode ainda ser usado em ligações bidireccionais sobre apenas urna única fibra, em que um comprimento de onda, (p.ex, 1,50 µm) é utilizado para o sinal de ida e outro comprimento de onda (1,60 µm) para o sinal de volta. • FDM - Frequency Division Multiplexing

O aparecimento dos EDFAs e a enorme capacidade suportada pelo mais simples e mais barato WDM em associação com os sinais de dados de muito alta velocidade, reduziram o “entusiasmo” na utilização da solução FDM para alta capacidade. Para sistemas ponto-a-ponto, o FDM é considerado ser tecnicamente superior ao WDM porque mais canais podem ser multiplexados dentro da largura de banda óptica disponível. O sistema FDM é muitas vezes descrito como "Dense Optical Multiplexing" e para avaliar o seu potencial consideraremos de seguida alguns aspectos de interesse: O espaçamento entre canais para o FDM pode ser tipicamente de 5 GHz (ou 0.04 nm a 1.5 µm) que é consideravelmente menos que os 250 GHz (ou 2 nm) para o WDM. Também, as perdas nos componentes são menores em FDM. A fig. 6.47 apresenta o esquema simplificado de um sistema FDM ponto-a -ponto, em que o sinal óptico transmitido é construído de um modo semelhante ao antigos sistemas de rádio de Microondas analógicos. O número total de sinais digitais que pode ser multiplexado depende do “bit-rate” de cada sinal (é evidente que, por exemplo, se “consome” muito mais


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica largura de banda na heterodinagem com um sinal de 10 Gbit/s do que com um sinal de 100 Mbit/s).

Na recepção, o sinal óptico é detectado, a potência é dividida e os “fluxos de bits” individuais são recuperados por heterodinagem IF. Só se conseguirá utilizar a capacidade total do sistema óptico FDM se uma banda-base da ordem dos 12500 GHz puder ser utilizada para modular o Laser. Isto corresponde a uma largura de banda óptica !$ de cerca de 100 nm que poderá constituir a banda lateral superior de uma portadora óptica modulada em PSK cobrindo 1500 a 1600 nm (ou 187500 a 200000 GHz). Transmitir tal banda equivaleria a transmitir 80.6 milhões de canais de voz (ou cerca de 625000 canais de video) sobre um par de fibras ! Vamos, entretanto dar um exemplo mais realista, de um sistema que pode ser usado com a tecnologia presentemente disponível. Exemplo Na figura 6.47 consideremos Sl = S2 = S3 = Sn= 155 MBit/s (equivalente a 2016 canais de voz por entrada). Consideremos que a frequência de 40 GHz como aceitável para se obterem componentes de microondas de alta qualidade (p. ex., para modular o Laser) O número de canais FDM depende da técnica de modulação e que define a eficiência de largura de banda , isto é, se % = 1 bit/s/Hz então f1, f2, f3, ..., fn, devem ser, tipicamente, 2.0, 2.2, 2.4, ..., 40 GHz (!f=38GHz). Com 190 canais de entrada e 2016 canais de voz para cada um, teremos 2016 x 190 = 383040 canais na totalidade,

Fig. 6.47 Sistema FDM Óptico


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica isto numa portadora óptica de 1550 nm, utilizando somente 38 GHz, ou seja, 0.3 nm de largura de banda óptica. A modulação 512-QAM com TCM (Trellis Coded Modulation) prporciona uma eficiência espectral de 7.5 bit/s/Hz. Assim fl , f2 , f3 , ... , fn , seriam tipicamente 2.03 , 2.06 , 2.09 , ...., 40 GHz (!f = 38 GHz ) . Para 1266 canais de entrada , com 2.016 Canais de Voz por cada um , teríamos 2,552,256 canais de voz na totalidade sobre uma portadora óptica de 1550 nm e usando apenas 38 GHz, ou cerca de 0.3 nm de largura de banda óptica. A tecnologia actual permite utilizar até 20 sinais de FDM de 0,3 nm (2,552,256 canais de voz), em Sistemas WDM com 2 nm de espaçarnento entre Canais . Esta combinação FDM e WDM pode fornecer cerca de 51 milhões de canais de voz sobre apenas um par de fibras, o que excede largamente as exigências actuais e num futuro próximo, no que respeita à capacidade requerida . O número de Canais Vídeo correspondentes é cerca de 380.000, podendo satisfazer as necessidades de inúmeros Programas de Teledifusão . Os Canais de Vídeo podem usar cerca de 10 Mbit/s por Canal, de acordo com a norma MPEG-2, os quais podem ser distribuidos para os utilizadores, via Redes Telecom, usando o Sistema FDM-WDM, com troços de fibra óptica instalados em todas as secções da Rede. LINKS DE LONGO PERCURSO Os “links” de longa distância são especificamente ligações principais entre cidades, redes internacionais ou “links” transoceânicos. O ideal seria não usar Regeneradores ou Repetidores/Amplificadores Ópticos, mas só para atenuações iguais ou menores que 0.01 dB/km é que seria possível fazer ligações de Média ou Longa Distância sem a sua utilização. Actualmente,as atenuações mais baixas que se conseguem atingir são da ordem de 0.2 dB/km para fibras de 1.55 µm, o que vai definir a distância entre os amplificadores ópticos. Isto pode ser melhorado com o aumento da sensibilidade dos receptores e com o aumento do nível de potência dos emissores. A tecnologia dos LDs está continuamente a melhorar mas as leis da Física estabelecem os limites da potência máxima que pode ser emitida a ritmos binários elevados: por exemplo, acima dos 40 Gbit/s é cerca de 10 mW, devido ao fenómeno do “scattering”.


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Entretanto, os recentes desenvolvimentos têm vindo a melhorar as “performances”, tal como a transmissão SOLITON que será estudada à frente. Por outro lado, também se tem aumentado a distância entre regeneradores com a sua substituição pelos EDFA. • EDFAs

Um EDFA (“Erbium Doped Fiber Amplifier”) é um Amplificador de Fibra dopada com Érbio que faz uma amplificação directa do sinal óptico. Trata-se de um amplificador para grandes distâncias em que não existem conversões óptico-eléctricas nem electro-ópticas, processando-se tudo a nível óptico, cujo esquema muito simplificado é o da figura seguinte (fig.6.48).

Consiste em vários metros de fibra óptica dopada com érbio (metal raro), com “interfaces” para acoplamento com o sinal de entrada e o de saída e com uma bomba Laser que fornece a energia utilizada para amplificar o sinal. A bomba é um díodo laser trabalhando num comprimento de onda mais curto do que o do sinal a ser amplificado (geralmente entre 880 nm e 1480 nm). Os fotões injectados pela bomba laser de 1480 nm têm a função de excitar os iões de érbio na fibra dopada para um nível de energia mais elevado (normalmente eles encontram-se no seu estado base). Entretanto, a luz do sinal óptico de 1550 nm a ser amplificado pode originar que os iões regressem ao seu estado base (nível mais baixo) e, ao dar-se este fenómeno, libertam fotões de luz no mesmo comprimento de onda e em fase com o sinal a ser amplificado (ver fig. 6.48a)

Saí

da d

o si

nal a

mpl

ific

ado

( $ =

1.5

5 µm

)

Fig. 6.48 EDFA (“Erbium Doped Fiber Amplifier”)

Fibra dopada com érbio

Bomba Laser

Acoplador ISOLADOR

Ent

rada

do

sina

l ( $ =

1.5

5 µm

)

λ = 1.48 μm ( ou $ = 0.98 µm)


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Estado base

Estado excitado 1

Sinal

Sinal amplificado de

1550 nm

Ião de érbio

Acção da bomba de 1480 nm


Está-se, portanto, perante uma emissão estimulada pois que é o próprio sinal que está directamente a originar que os fotões sejam emitidos. De referir que quando a bomba laser de 1480 nm excita os iões de érbio para um estado mais alto em energia acontece que se aí ficam um tempo suficientemente longo, eles podem regressar ao seu estado base espontâneamente e libertar a energia extra que continham na forma de emissão de fotões. Dá-se, assim, origem a uma emissão espontânea que se designa por emissão espontânea amplificada que constitui um efeito indesejado pois adiciona ruído no sistema de amplificação. Se a bomba laser utilizada for de 980 nm os iões de érbio são excitados para um nível de energia ainda mais alto (ver fig. 6.48b) em comparação com o nível de energia conseguido com a bomba laser de 1480 nm.

Contudo, os iões só ficarão nesse mais alto estado de energia por um período muito curto (da ordem de alguns nanosegundos) pois movem-se imediatamente para o estado imediatamente abaixo (estado excitado 1). Aqui ficam por alguns microsegundos que é um tempo muito maior do que se os iões tivessem sido excitados por uma bomba de 1480 nm. Ora, quanto maior for o tempo que ficam nesse estado excitado, maior será a probabilidade do sinal causar uma emissão estimulada. Isto reduz a emissão espontânea e diminui o ruído no sistema. Por isso as bombas de 980 nm conferem melhor eficiência e são preferíveis nos EDFAs. A luz de bombardeamento é desacoplada no final da fibra de modo a que se fique apenas com o sinal amplificado As primeiras versões comerciais do EDFA são de 1990. A sua aplicação em geral, restringe-se à terceira janela (1550 nm).

Fig. 6.48a – Amplificação num EDFA com bomba laser de 1480 nm

Estado base

Ião de érbio

Estado excitado 1

Sinal amplificado de 1550 nm

Acção da bomba de 980 nm

Estado excitado 2

Fig. 6.48b – Amplificação num EDFA com bomba laser de 980 nm


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• Controle da dispersão

O controle da dispersão pode ser utilizado para aumentar a distância entre repetidores a mais de 10000 Km. Se utilizarmos uma fibra com uma dispersão nula a 1580 nm, mas se o sinal óptico transmitido for de 1558 nm, a dispersão é cerca de – 2ps/(nm-Km). Se após uma distância de 900 Km o sinal se fizer passar por 100 Km de uma fibra com dispersão zero a 1310 nm, a dispersão sofrida é positiva e anula a dispersão negativa sofrida anterio\rmente (fig. 6.49).

Esta técnica permite a transmissão transoceânica de grandes distância sem regeneradores e o seu sucesso permitiu que lhe tenha sido incorporada a multiplexagem WDM. Em “links” experimentais de fibra óptica através do Oceano Pacífico enviaram-se 20 canais WDM, cada um contendo um sinal de 5 Gbit/s, numa distância de 9100 Km, sem regeneradores !

Fig. 6.49 – Controle da dispersão. (a) – Diagrama de blocos do equipamento (b) – Dispersão cromática acumulada em função da distãncia de transmissão para 8 canais de um sistema WDM experimental. A maioria dos troços de amplificação utiliza fibra de dispresão negativa com $0 & 1585 nm e D & - 2ps/Km-nm. A dispersão é compensada cada 1000 Km usando fibra óptica convencional monomodo (neste caso, com $0 & 1310 nm)


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Mas a dispersão não é o único problema nos “links” de longa distância. Para vários EDFAs em cascata com sistemas WDM existe o problema da falta de linearidade do ganho. De facto, a falta de linearidade do ganho dos EDFAs não é importante se o sistema operar somente num comprimento de onda, mas com WDM há problemas se tivermos vários EDFAs em cascata. Por exemplo, se o ganho variar apenas de l dB numa gama de operação em WDM de 1550 a 1565 nm e se não houver igualização do ganho, então se o sinal passar através de 200 EDFAs, a variação do ganho seria de 200 dB ! Neste caso têm que se instalar igualizadores passivos em vários pontos do percurso. . Os igualizadores passivos são filtros que têm uma curva de atenuação inversa á curva de ganho de um EDFA. Outro problema de uma cadeia EDFA é o "EDFA Polarization Hole Burning", que surge quando um sinal polarizado saturado é enviado através de uma fibra com dopagem de Érbio . Como resultado, aparece uma acumulação de emissão espontânea amplificada . Este problema pode, no entanto, ser suprimido usando um processo de “scrambling” da polarização que varia os dois estados de polarização a um ritmo (cerca de 1,3 kHz) mais rápido do que o EDFA pode responder, reduzindo assim a perturbação devida ao "Polarization Hole Burning" . Mas o ideal é que a cadeia de EDFAs opere na região linear do ganho e não em zonas de compressão de ganho . Foram feitas simulações de Longos Percursos em anéis típicos, com transmissão WDM, em que se usaram troços de fibra de 45 km para a emissão de 20 Canais, cada um com “fluxos” de 5 GBit/s, correspondendo a uma distância total de 9100 Km. O espaçamento entre Canais era de 0.6 nm, tendo sido utilizada Codificação FEC e no final foi medido um BER melhor que 10-10 sobre essa distância de 9100 km. Nesses testes o controle da dispersão e da igualização passiva do ganho foram essenciais para se conseguir a obtenção daqueles resultados. . • Transmissão SOLITON

Possivelmente urna das mais interessantes inovações no campo das comunicações ópticas é a Transmissão SOLITON. Embora conhecida teoricamente há bastantes anos, só em 1989 é que a transmissão Soliton foi bem sucedida quando certos dispositivos ópticos ficaram disponíveis tais como os Amplificadores de Fibra Óptica dopada a Érbio (os EDFAs que acabámos de referir).


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Fig. 6.50 Formção do SOLITON

Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica O comprimento de onda de dispersão zero para a sílica ordinária é da ordem dos 1300 nm. Mesmo a este comprimentos de onda há um alargamento dos impulsos quando se trata de longas distâncias só pelo facto de o índice de refracção da fibra aumentar ligeitramente com o nível da potência óptica. O que são os Solitons? São impulsos luminosos sem dispersão, os quais só existem apenas num meio não linear onde o índice de refracção é alterado pela variação da intensidade do próprio impulsos luminoso. São também um caso especial de impulsos do tipo RZ em que não há a presença de nenhum sinal na transição entre períodos de bit. Há pelo menos dois tipos de Solitons : temporal e espacial, em que o Soliton temporal é o candidato a Transmissões ópticas de Ultra-Longas Distâncias. A Transmissão Soliton é um modo de Transmissão por F. O. que corresponde á única solução estável da Equação Fundamental de Propagação e a sua principal característica é anular a dispersão cromática nas Fibras Ópticas . Quando se opera com fibras de dispersão desviada para zero nos 1.55 µm, o impulso pode ser espectralmente alargado devido á não linearidade da sílica. A mera presença de impulsos de luz que tenham uma intensidade de luz variável sobre a sua envolvente obriga o índice de refração do material a ser mais elevado nos picos do impulso do que nas zonas mais baixas da suas caudas (ver fig. 6.50). Como se mostra na fig. 6.50.a, o pico é retardado em comparação com a sua cauda, o que


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica corresponde a um abaixamento das frequências na metade da frente do impulso e a um aumento das frequências na metade posterior desse impulso. Para o sinal Soliton se propagar é necessária a existência de uma pequena quantidade de dispersão cromática. Se o sistema operar então com um comprimento de onda ligeiramente maior do que o comprimento de onda de dispersão zero, haverá uma tendência para o alargamento do impulso, com as frequências mais elevadas na parte da frente do impulso e as frequências mais baixas na sua parte posterior (ver fig. 6.50.b). Como se pode observar (ver fig. 6.50.c) os efeitos da não linearidade da fibra são equilibrados pela dispersão cromática da Fibra, produzindo o Soliton, o qual apresenta propriedades não dispersivas, tanto no domínio do tempo como do domínio da frequência . Além disso, tem sido demonstrado, que os SOLITONS ficam estáveis mesmo após ter passado por diversos amplificadores, desde que a distância entre esses amplificadores seja suficientemente curta para que a forma do impulso não seja distorcida.. Uma demonstração prática desta teoria foi realizada com sucesso com a transmissão de uma sucessão pseudo-aleatória a 10 Gbit/s de impulsos Soliton ASK sobre uma fibra óptica com 1,000,000 de quilórnetros. O ensaio foi efectuado num anel de recirculação (“Recirculating Loop”) com 500 km em que o sinal circulou 2000 vezes, tendo-se utilizado EDFAs. . LAN – LOCAL AREA NETWORK As LANs foram inicialmente associadas á interligação entre computadores mas evoluiram rápidarnente para redes entre edifícios de escritórios, fábricas, escolas, etc, situados em determinadas áreas . O “bit-rate” requerido varia de acordo com a aplicação. Por exemplo, para a interligação de computadores é necessário pelo menos l MBit/s e para a. ligação entre vários edifícios de fábricas, escritórios, etc, são precisos cerca de 10 MBit/s. Na gama dos 100 MBit/s estão as redes de distribuição do tipo FDDI (“Fiber Distributed Data Interface“, que é um interface “standardizado” para LANs ópticas, normalmente do tipo multimodo, operando a 1300 nm com transmissores LED e receptores PIN); para supercomputadores e computação gráfica são precisos mais de 1 GBit/s.


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica As LANs têm outros problemas complexos diferentes dos Links ponto-a-ponto de longa distância. Uma das características das LANs é a possibilidade de intercomunicação entre os vários utilizadores. Há principalmente duas topologias de LANs, favoráveis para a utilização de Fibras Ópticas : Redes em Estrela e Redes Unidireccionais (fig. 6.51) . De modo a obter um rendimento máximo da Largura de Banda Disponível , uma LAN : 1) Não deve ser de Potência Reduzida 2) Não deve estar sujeita a "Engarrafamentos Electrónicos".

Fig. 6.51 - Topologias LAN A potência transmitida por um utilizador sofre vários desvios ao longo do percurso de modo a satisfazer as necessidades da distribuição . De acordo com a topologia, o número de utilizadores e as distâncias em causa, também pode ser necessário incorporar arnplificadores ópticos para manter o Nível da Potência de Distribuição e também á entrada de cada utilizador . O problema do “engarrafamento electrónico” é particularmente severo na topologia em anel em que cada nó deve processar todo o Tráfego da Rede. Assim, a capacidade da Rede em Anel depende exactamente da capacidade de cada nó e um processo de obviar a este problema é usar rnúltiplos Comprimentos de Onda . O sistema WDM ou a técnica FDM estão já a ser utilizados em grandes LANs.


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Fig. 6.52 Aspecto típico da informação no display de um OTDR


MEDIDAS EM FIBRAS ÓPTICAS o Cortes e outras falhas no cabo de fibras ópticas Se um cabo de fibra óptica for cortado por urna máquina, devido a construções ou obras em edifícios ou por tremores de Terra ou ainda por sabotagem, etc., o local do corte tem de ser identificado. Há casos em que a localização é óbvia mas em certos casos é difícil e então usa-se o aparelho OTDR (“Optical Time Domain Reflectorneter “ – Reflectómetro Óptico no Domínio do Tempo”) . A fibra óptica é desligada do equipamento terminal de linha do lado da central e ligada ao instrumento de medida OTDR. Este envia impulsos ópticos que ao atingirem o local da falha, encontram um ponto de reflexão elevada enviando para trás (para o OTDR) a luz reflectida; o OTDR calcula o tempo que a luz demorou no trajecto de ida e volta ao ponto da falha e, entrando em consideração com a velocidade da luz na fibra, calcula com exactidão (a precisão é de menos de 1 metro) a distância a que se deu a avaria.

Eixo da potência

Eixo da distância

Ruído

Final da fibra

Fibra partida

Junção mecânica Curva

Par de conectores

Par de conectores

Junção por fusão

Backscatter

Reflexão frontal


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica Aliás, como já referimos atrás, o OTDR é um instrumento precioso para avaliar a performance da ligação. No seu display pode examinar-se (ver fig. 6.52) a curva da potência reflectida ao longo do trajecto da fibra onde se podem identificar descontinuidades, sempre relacionadas com eventos (junções por fusão, conectores, curvaturas exageradas na fibra, cortes na fibra, etc). O processo como funciona o OTDR está sumarizado e esquematizado na figura seguinte.

O T D R

(*) – Alta sensibilidade (da

ordem de –120 dBm)

(1) – Controla o período de duração dos impulsos eléctricos que são amplificados no controlador do Laser e convertidos em

sinais ópticos no Laser Diode (LD) (2) - Mede o tempo que medeia entre a transmissão e a recepção do impulso transmitido (3) – Circuito que faz a média de muitos sinais recebidos (que vai somar) aumentando assim a relação S/N

Fig. 6.52a Esquema funcional de um OTDR

O OTDR mede a fracção da luz que é reflectida para trás e essa luz é reflectida por dois processos:

1) Por efeito Rayleigh (“Rayleigh Scattering”) 2) Por reflexão Fresnel, que é o fenómeno que resulta da desadaptação quando a luz

deixa a fibra e entra no ar.

Circuito controlador de tempo

LASER Driver

LD

Acoplador Óptico

Conector

Fibra

Contador de tempo

PIN (*)

Receptor D/A Ave-rager

C R T

(3)

(2)

(1)


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Há um coeficiente de reflexão dado por:

2

21

2

21

)n(n

)n(nr

+

!= (**)

se a transição fibra/ar for perpendicular ao feixe de luz, sendo n1 o índice de

refracção da fibra (& 1.5) e n2 o índice de refracção do ar (& 1.0) (**) - É de 0.04, ou seja, 4%, para os cortes perpendiculares ao eixo da fibra.

À relação entre a energia lançada na fibra e a energia reflectida para trás chama-se factor de captura e é uma constante específica para cada tipo de fibra. A potência reflectida (caso Fresnel) é apenas proporcional à potência do sinal lançado na fibra, não à energia, logo independente da largura do impulso. Já na difusão Rayleigh a potência reflectida é proporcional a ambos, isto é, à potência do sinal e à largura do impulso. o Medidas no Terminal de Linha Os equipamentos terminais de linha de FO são de fácil operação e manutenção, em comparação com outros sistemas, tais corno os de Rádio por Microondas. Além das habituais verificações e medidas nas fontes de alimentação, as principais medidas a efectuar são as seguintes: 1- Potência Óptica de saída 2- Potência Óptica recebida 3- Forma de onda do impulso óptico de saída (relação de extinção) 4- BER e/ou BBER 5- Forma de onda do impulso de saída eléctrico 6- Indicações de alarme e comutação de protecção

Valor aprox. do índice de refracção no ar : 1.0 Valor aprox. do índice de refracção na fibra : 1.5


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Fig. 6.53 (a) Medida do BER (b) Gráfico típico do BER versus

potência óptica recebida para a detecção directa com APD

Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica A potência óptica de saida costuma ser apenas uma verificação periódica para confirmação se o LD está de "saúde". A saida do transmissor é desligada da FO e ligada um Medidor de Potência e, claro, se a potênciá for muito elevada para as escalas do aparelho é necessário intercalar um atenuador. Os valores típicos da potência de saída vão actualmente de 0 a 10 dBm mas os futuros LDs poderão ter saidas de 30 dBm ou ainda maiores A potência óptica recebida sofre também uma verificação periódica. Desliga-se a fibra do receptor e mede-se a potência recebida à saída desta para confirmar se houve alguma degradação ao longo do tempo que decorreu (que pode ser de semanas ou meses) após a última verificação. Em percursos muito curtos pode acontecer que a potência recebida seja demasiado alta para o fotodetector (digamos, da ordem dos –12 dBm) e então será necessário inserir permanentemente um atenuador para a protecção daquele detector. A fig. 6.53 dá-nos o esquema de blocos para a medida do BER e da relação deste com a potência óptica recebida.


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Para “bit-rates” elevados é medido um parâmetro importante: o “Extinction Rate” (relação de extinção) que é definido pela relação: ER = 10 log (A/B) em que A é o nível médio da potência recebida para os símbolos 1´s e B o mesmo nível para os símbolos 0´s. Um valor típico para este ER é de 10 dB. O diagrama de olho que durante muito tempo foi considerado como uma medida subjectiva tornou-se uma medida mais científica porque a ITU-T recomendou um gabarito para os “standards” de transmissão STM-n, de acordo com a fig. 6.54, em que é usada uma “máscara padrão” para análise da degradação do sinal.

Fig. 6.54 (a) Medida da forma de onda do impulso eléctrico de saída

(b) Gabarito para a forma de onda do impulso electrico de saída para vários débitos binários


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Sistemas de Transmissão por Fibra Óptica A medida do parâmetro ESR (“Error-Second Ratio”) é menos familiar e também pode ser medido, mas sendo uma medida baseada em Erros de Blocos é mais demorada do que o BER. Entretanto, os novos equipamentos SDH permitem as medidas do BER e ESR em funcionamento ( “In Service”). O “Jitter”, que tem uma grande influência a “bit-rates” elevados também deve ser medido, embora não seja de tão fácil medida como o BER. Como sabemos, os novos equipamentos de SDH (“Synchronous Digital Hierarchy”) dispõem actualmente de várias funções de vigilância que são transportadas nos bytes do cabeçalho da trama STM-1, daí resultando a possibilidade de uma monitoração em serviço da ligação que possibilita o controle dos principais parâmetros do sistema. ================= //// ==================

FIM DO CAPÍTULO SOBRE FIBRAS ÓPTICAS

Dezembro de 2004

A. Saraiva Fernandes

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