Apostila de comunicacoes_opticas_ufrgs_20_11_09

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Apostila de comunicacoes_opticas_ufrgs_20_11_09

  1. 1. Página 1 / 66 Série Telecomunicações – Vol 1 APOSTILA de COMUNICAÇÕES ÓPTICAS Prof. Dr. Jorge Guedes Silveira/Depto de Eng. Eletrica (Delet) / Escola de Engenharia / UFRGS Prof. MSc. Ricardo Balbinot/ Eng. Eletrica / UCS Parte 1: I- INTRODUÇÃO AS COMUNICAÇÕES ÓPTICAS Parte 2: II- CÁLCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS ÓPTICAS Volume 1
  2. 2. Página 2 / 66 INDICE: I- INTRODUÇÃO AS COMUNICAÇÕES ÓPTICAS 3 I.1 INTRODUÇÃO 3 I.2 CONCEITO DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS 5 I.3 LEIS BÁSICAS DA PROPAGAÇÃO ÓPTICA 6 I.4 INDICE DE REFRAÇÃO 7 I.5 LEI DE SNELL 8 I.6 LEI DE REFRAÇÃO 9 I.7 ANGULO CRITICO 10 I.8 REFLEXÃO INTERNA TOTAL 11 I.9 DISPERSÃO 12 I.10 TECNOLOGIA DAS FIBRAS OPTICAS 14 I.11 TIPO DE FIBRAS OPTICAS 16 I.12 ATENUAÇÃO EM UMA FIBRA OPTICA 25 I.13 ACOPLAMENTO DA FONTE LUMINOSA À FIBRA ÓPTICA 28 I.14 TECNICAS DE FABRICAÇÃO DAS FIBRAS OPTICAS 31 I.14.1 CABOS OPTICOS 32 I.14.2 TIPOS DE CABOS 33 I.14.3 MODO SOLTO 34 I.14.4 MODO COMPACTO 34 II- CALCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS OPTICAS 34 II.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAÇÃO 34 II.2 ORÇAMENTO DE POTÊNCIA - ENLACE CONVENCIONAL 34 II.3 EXEMPLO NUMERICO 1 35 II.3.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAÇÃO 35 II.3.1.1 ORÇAMENTO DE POTENCIA 35 II.3.1.2 CALCULOS 36 II.3.1.3 CONCLUSÃO 37 II.3.2 CALCULO DO ENLACE PELA DISPERSÃO 37 II.3.3 CONTINUAÇÃO DO EXEMPLO NUMERICO 1 38 II.3.3.1 CALCULO PELA DISPERSÃO 38 II.3.4 CONCLUSÃO GERAL 39 II.4 EXEMPLO NUMERICO 2 39 II.4.1 CALCULO DO ENLACE – ORÇAMENTO DE POTENCIA 39 II.4.2 CALCULO DO ENLACE – CALCULO PELA DISPERSÃO 39 II.5 INTRODUÇÃO A AMPLIFICAÇÃO OPTICA 41 II.5.1 OS MECANISMOS DA AMPLIFICAÇÃO OPTICA 42 II.6 O CALCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS ÓPTICAS USANDO AMPLIFICADORES ÓPTICOS 50 II.6.1 ORÇAMENTO DE POTÊNCIA 51 II.6.2 FIBRA COM DISPERSÃO DESLOCADA 60 II.6.3 FIBRA COMPENSADORA DE DISPERSÃO 60 II.6.4 FIBRA COM GRADE 61 II.7 WDM ou MULTIPLEXAÇÃO POR COMPRIMENTO DE ONDA 62
  3. 3. Página 3 / 66 I- INTRODUÇÃO AS COMUNICAÇÕES ÓPTICAS I.1 INTRODUÇÃO A aproximadamente 100 anos foram iniciados os primeiros testes de transmissão de sinais elétricos via pares metálicos. De um único sinal transmitido, nos últimos anos passou- se a 10.800 canais simultâneos transmitidos via um par de cabos coaxiais. Entretanto as características físicas dos condutores de cobre fazem aumentar a atenuação do sinal rapidamente com o aumento da frequência e o aumento da atenuação obrigam a diminuir proporcionalmente a distância entre repetidores necessários à regeneração do sinal. Ao mesmo tempo é conhecida a perturbação que os sinais sofrem por influencia dos campos eletrostáticos nas proximidades. Com o advento das FIBRAS ÓPTICAS (que não é um condutor elétrico, pois em lugar de transmitir sinais elétricos transmite sinais de luz com comprimentos de onda na região do infravermelho), e portanto imune à perturbações elétricas e magnéticas. Considerando que a frequência da luz é elevada, a largura de banda do sinal transmitido é praticamente irrelevante já que sempre será muito menor que a frequência da luz. A atenuação da FIBRA ÓPTICA é determinada exclusivamente pelo comprimento de onda da luz utilizada e, como esta é pequena apresenta inúmeras vantagens em relação aos outros meios físicos de transmissão.
  4. 4. Página 4 / 66 Algumas vantagens das Fibras Ópticas sobre outros sistemas - Grande largura de banda - Baixa atenuação - Ausência de diafonía - Grande distância entre repetidores - Imunidade a interferência eletromagnética - Cabos leves e de diâmetro reduzido - Disponibilidade ilimitada de matéria prima Aplicações das Fibras Ópticas - Redes de telecomunicações - Redes de comunicações em ferrovias - Transmissão de sinais de processamento de dados - Instrumentação e controle Evolução das Fibras Ópticas no mundo 1988 Inicio das experiências 1966 Kao e Hockman na Inglaterra desenvolvem estudos teóricos sugerindo o seu uso em telecomunicações. 1969 Produção da 1ª Fibra Óptica (Nippon Sheet Co e Nippon Electric Co.) com perdas acima de 100 dB/Km. 1970 Corning Glass Works (EUA) anunciam uma Fibra Óptica com centenas de metros de comprimento e atenuação menor que 20 dB/Km. 1974 Bell Laboratory (EUA) produz uma fibra com atenuação de 2,5 dB/Km. 1989 Produção de fibras (Japão, EUA, etc., ) com perdas em torno de 0,2 dB/Km. No Brasil: 1975 TELEBRAS/UNICAMP/CPqD iniciam o desenvolvimento da Fibra Óptica brasileira. 1980 Inicio da fabricação das fibras ópticas Multimodo Índice Degrau, fabricado pela ABCXTAL – RJ, com tecnologia transferida pelo CPqD. 1984 Inicio da fabricação das fibras ópticas Multimodo Índice Degrau, fabricado pela ABCXTAL – RJ, com tecnologia transferida pelo CPqD. 1989 Inicio da fabricação das fibras ópticas Monomodo.
  5. 5. Página 5 / 66 I.2 CONCEITO DE COMUNICAÇÕES ÓPTICAS Nos sistemas de transmissão por Fibras Ópticas, a mensagem da fonte a ser transmitida modula um conversor eletro-óptico. A luz gerada é acoplada à fibra sendo guiada até o local de recepção. O sinal é reconvertido num sinal elétrico por um conversor óptico- elétrico, sofrendo em seguida um tratamento para poder ser enviado ao destinatário, como mostrado na figura 1. O mecanismo de condução do feixe de luz dentro da fibra óptica é determinado pelas leis da física referentes à reflexão e refração. Figura 1 Princípio de Transmissão por Fibra Óptica. Fonte Prod. Sinal Elétrico Conv. eletro/ óptico Conv. Óptico/ elétrico Tratam. do sinal elétrico Usuário Sistema óptico Tx Rx F.O
  6. 6. Página 6 / 66 I.3 LEIS BÁSICAS DA PROPAGAÇÃO ÓPTICA Princípios de Transmissão óptica A palavra LUZ é usada para descrever as radiações eletromagnéticas visíveis e também as das regiões adjacentes (infravermelhas e ultravioletas próximas, pois se comportam da mesma forma). A luz que costuma ser caracterizada pelo comprimento de onda “”, e a frequência “f”, relacionam-se pela fórmula: f = C/  onde C é a velocidade da luz no vácuo. Exemplo: Se  = 1x10  6 Obs: T indica Tera que significa expoente elevado a potência 12. A figura 2 mostra o espectro de frequência das radiações eletromagnéticas e seus respectivos comprimentos de onda. As indicações da região próximo do infravermelho com comprimento de onda entre 800 e 1800 nm (ou 0,8 a 1,8 m), são as que podem ser usadas para comunicações com Fibras Ópticas e estão mostradas na figura 3. As mesmas correspondem as chamadas JANELAS DE TRANSMISSÃO, 1ª, 2ª e 3ª janela respectivamente. Atenuação em dB/Km 0,85 0,6 0,8 1,0 1,2 1,3 1,4 1,55 1,6 1,8 2,0 Comprimento de onda (m) 1ª janela 2ª janela 3ª janela Figura 3 Janelas de Transmissão x THz x x C f 3 10 300 1 10 3 10 14 6 8     5 10 0
  7. 7. Página 7 / 66 I.4 INDICE DE REFRAÇÃO A forma mais simples de se conduzir luz dentro de uma fibra óptica e evitar que ela se escape, é construir um guia de onda óptico constituído de duas camadas concêntricas com índices de refração diferentes, chamados NÚCLEO e CASCA , como mostrado na figura 4. Saliente-se que o núcleo é sempre constituído por um material de refração maior que o material usado na casca. n2 casca n1 núcleo Figura 4 Corte transversal e longitudinal de uma fibra óptica O índice de refração (n) é definido como a relação entre a velocidade de propagação da luz no vácuo e a velocidade da luz no material. onde : C é a velocidade da luz no vácuo (300.000 km/s) C1 é a velocidade da luz no meio (ou material) n é o índice de refração O que caracteriza um meio dielétrico cristalino, do ponto de vista óptico é seu índice de refração (n) e é ele que define o comprimento da luz ao passar de um meio para outro. Se o índice de refração de um material é n = 1,5 então sua velocidade no meio será de: Concluímos então que a velocidade da propagação da luz varia de acordo com o meio. 1 C C n  Km s x C 200.000 / 1,5 3 108 1  
  8. 8. Página 8 / 66 I.5 LEI DE SNELL Consideremos um raio de luz se propagando no vácuo fazendo um ângulo de incidência i à superfície de uma substancia “A” e seja r o ângulo de refração da substancia. A constante da lei de Snell é então chamada de índice de refração da substancia “A” e é designada por n. Pela lei de Snell: Na figura 5 mostramos um exemplo da determinação de n pela lei de Snell. Figura 5 Lei de Snell nA = 1,55 Sabemos agora que o índice de refração “n” também pode ser determinado pela lei de Snell e portanto, se quisermos saber a velocidade da luz neste material, basta aplicar a fórmula: r i n   sen sen  i = 700 r = 37,30 1,55 0.606 0,94 sen 37,3 sen 70 sen sen 0 0     r i A n   Km s x n C C A 193.550 / 1,55 3 108 1    A
  9. 9. Página 9 / 66 I.6 LEI DE REFRAÇÃO Quando um feixe de luz monocromática (somente um comprimento de onda) passa por um meio com índice de refração n1 para outro meio com índice de refração n2, este muda de direção conforme o ângulo de incidência como mostrado na figura 6. normal n2 n1 Figura 6 Mudança de direção de um raio conforme lei de refração A lei de refração define que: n1 sen  = n2 sen  Então podemos concluir que, quanto maior o índice de refração, menor a velocidade de propagação da luz.  
  10. 10. Página 10 / 66 I.7 ÂNGULO CRÍTICO Quando a luz passa de um meio n1 para um meio n2 , formando entre o meio n e a normal um ângulo de 90º, este será chamado de ÂNGULO CRITICO ( crit. ), como mostrado na figura 7. O ângulo critico é um ângulo onde a luz refratada acompanha a superfície de separação dos dois meios. sen  = 90º Figura 7 Exemplo de ângulo critico para uma determinada fibra óptica Índice de refração da casca n2 = 1,475 Índice de refração do núcleo n1 = 1,496 n2 = 1,475 crit = 80,3º n1 = 1,496 03,80986,0496,1475,1sen   critcrit  
  11. 11. Página 11 / 66 I.8 REFLEXÃO INTERNA TOTAL Consideremos um raio de luz num certo meio (vidro por exemplo), incidindo sobre uma superfície além da qual existe um meio com índice de refração n menor que o primeiro (ar). Verifica-se que , a medida em que o ângulo de incidência aumenta, chega-se a uma situação (raio e) em que o raio refratado sai tangente à superfície de refração igual a 90º. Para ângulos maiores que este ângulo critico “2” não existe raio refratado, ocorrendo o fenômeno chamado REFLEXÃO INTERNA TOTAL, conforme mostrado na figura 8. Figura 8 A figura mostra a refração, o ângulo critico e a reflexão interna total da luz de uma fonte S A seguir veremos um exemplo com várias substâncias colocadas em camadas, sendo que a substância mais refringente está exatamente no centro, e as substâncias menos refringentes estão colocadas do centro para a periferia, como mostrado na figura 9. Quando um raio monocromático incide na substância “a”, faz com este um ângulo de incidência “i”, ao sair de “a”, incide em “b” fazendo um ângulo “a” e assim sucessivamente até chegar em “d” onde haverá uma reflexão interna total. Após esta reflexão o raio monocromático retornará ao centro e sairá para a outra periferia. n2 n1 S Ar Vidro Raio refratado 2 1 Raio refletido
  12. 12. Página 12 / 66 Concluímos que a trajetória deste raio monocromático forma uma forma senoidal, devido a seu ângulo de incidência e a diferença dos índices de refração. Figura 9 A figura mostra um raio monocromático propagando-se por várias Substâncias com refringências diferentes I.9 DISPERSÃO A maioria dos feixes de luz são misturas de ondas cujos comprimentos variam de um extremo a outro de espectro visível, como mostrado na figura 10. Figura 10 Variação do índice de refração com o comprimento de onda para substâncias ópticas mais comuns. Índice de refração Comprimento de onda nm Quarzo 1,7 1,6 1,5 1,4 400 500 600 700 Vidro Flint de Borato Vidro Crow de Silicato Quarzo Fundo Fluorita Vidro Flint de Silicato violeta azul amarelo vermelho Periferia i e a Periferia b c d b c d a
  13. 13. Página 13 / 66 Embora a velocidade das ondas de luz no vácuo seja constante, a velocidade da luz num meio material varia com o comprimento de onda. O índice de refração de uma substancia é portanto, função do comprimento de onda. Chamamos de DISPERSÃO, exatamente a propriedade da luz de percorrer um meio material com diferentes velocidades, conforme seu comprimento de onda. Consideremos um raio de luz branca mistura de tidas as cores) incidente num prisma. Como o erro produzido aumenta com o índice de refração, a luz violeta será a mais desviada e a vermelha a menos, ao sair do prima, a luz se dispersa em forma de leque. Diz –se então, que a luz foi dispersada em um espectro, conforme mostrado na figura 11. Figura 11 Dispersão por um prisma Uma medida conveniente deste desvio é dada pelo desvio da luz amarela, pois o amarelo está mais ou menos no meio do vermelho e do violeta. Como o desvio e o índice de refração estão relacionados o desvio do espectro inteiro é definido pelo índice de refração da luz amarela, enquanto que a dispersão depende da diferença entre os índices de refração para o violeta e o vermelho. vermelho laranja amarelo verde azul violeta Desvio de luz amarela anteparo Luz branca Medida da dispersão
  14. 14. Página 14 / 66 I.10 TECNOLOGIA DAS FIBRAS ÓPTICAS Veremos a continuação alguns detalhes das características de propagação em fibras ópticas. Em particular, serão discutidos os seguintes assuntos: propr iedades do guiamento da luz, dispersão, espalhamento e atenuação (que é uma das limitações impostas ao projeto de comunicações por Fibras Ópticas). Entendemos por Fibra Óptica, o guia cilíndrico de dielétrico transparente com a função de confinar e guiar a luz visível ou infravermelha a longas distâncias. Aplicações das leis básicas da Óptica nas Fibras Ópticas. Quando um raio de luz ou modo de transmissão passa de um vidro com índice de refração maior (núcleo da fibra) para um vidro com menor índice de refração (casca da fibra), há uma mudança na direção do raio, como mostrado na figura 12. Figura 12 Raio refratado i  crit Se o raio de incidência do raio de luz for igual ao ângulo critico teremos: Onde sen  = 1, como mostrado na figura 13. crit  sen n n sen nucleo casca crit  i  n2 (casca) n1 (núcleo)
  15. 15. Página 15 / 66 Figura 13 Quando i = crit, o raio de luz caminhará ao longo da linha divisória entre o núcleo e a casca Reflexão Interna Total na Fibra Óptica Enquanto o ângulo de incidência for maior que o ângulo critico (i  crit), o raio de luz será conduzido dentro do núcleo da fibra por reflexão interna total e será chamado de raio guiado pelo núcleo, como mostrado na figura 14. Figura 14 Reflexão interna total (i  crit) Como podemos notar, o mecanismo de guiamento de luz em Fibras Ópticas é a Reflexão Interna Total, como mostrado na figura 15. Figura 15 Modos guiados pelo núcleo por reflexão interna total n1 (núcleo) i crit  n2 (casca) i crit
  16. 16. Página 16 / 66 I.11 TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS A principal função da Fibra Óptica é a de conduzir sinais luminosos de um ponto a outro do sistema. A primeira fibra desenvolvida foi a fibra MULTIMODO DE ÌNDICE DEGRAU. Em seguida houve um esforço tecnológico no sentido de diminuir a atenuação óptica e aumentar a banda de passagem, surgindo então as fibras MULTIMODO DE ÍNDICE GRADUAL e as FIBRAS MONOMODO, como mostradas na figura 16. Fibra Óptica de índice Degrau Fibra Óptica de índice Gradual Fibra Óptica Monomodo 5  m 10MHz 100MHz 1GHz 10GHz 100GHz Figura 16 Tipos de Fibras Ópticas – Banda Passante 50  m 125  m 50  m 125  m 125  m 5 10 Atenuação dB Fibra Monomodo Fibra Gradual Fibra Degrau Cabo Coaxial Monomodo freqüência
  17. 17. Página 17 / 66 Fibra Multimodo de Índice Degrau A fibra de índice degrau consiste em um núcleo de 10 a 50 m de diâmetro, coberto por uma casca com um diâmetro de 100, 200 ou 300 m e um índice de refração ligeiramente menor que o núcleo. Nesta fibra a luz é totalmente refletida na linha divisória entre o núcleo e a casca (reflexão interna total) e se propaga em forma de zig-zag. Como o diâmetro do núcleo é muito menor que o comprimento de onda guiada, existirá um grande número de modos sendo transmitidos pela fibra. Devido a este elevado número de modos e a propagação em linha quebrada (zig-zag), este tipo de fibra foi denominados FIBRA MULTIMODO DE ÍNDICE DEGRAU , como mostrado na figura 17. A largura de banda está limitada na ordem de 30 a 100 MHz x Km. 2a = 60 m 2b = 125 m Figura 17 Fibra Multimodo de Índice Degrau O cálculo do número de modos N é dado aproximadamente por: Onde V é padrão normalizado de freqüência e é dado por: 2a 2b 22VN
  18. 18. Página 18 / 66 Onde a é o raio do núcleo n é o índice de refração e  é o comprimento de onda Exemplo : Calcular o número de modos guiados dentro de uma fibra óptica de uma fibra óptica degrau, cujo diâmetro do núcleo é de 60 m e os índices de refração do núcleo e da casca são respectivamente n1 = 1,561 e n2 = 1,483 e o comprimento de onda  = 0,85 m. V = 108 As fibras de índice degrau são usadas em sistemas de curta distância e de reduzida largura de banda, por exemplo em aviões, navios, etc.., onde sua imunidade ao ruído, seu peso e, principalmente seu custo são fatores importantes. Fibra multimodo de índice gradual Nesta fibra, o índice de refração é maior no centro do núcleo e decresce do centro até a linha divisória entre núcleo e casca, ou melhor, o índice de refração se torna cada vez menor a medida que se aproxima do centro do núcleo. Por outro lado, a luz nesta fibra não é mais conduzida por múltiplas reflexões mas sim refratada de volta ao centro do núcleo, assemelhando-se a uma propagação ondulatória, como mostrado na figura 18. 2 1 2 2 2 1 [2 ].(n n ) a V     2 1 2 2 6 6 ].(1,561 1,483 ) 0,85.10 10  [6,28.30.    V 5800 2 108 2 2 2    V N modos aproximadamente
  19. 19. Página 19 / 66 2a = 60 m 2b = 125 m Figura 18 Fibra multimodo de índice gradual Devido a esta variação do índice de refração e consequentemente propagação quase ondulatória, os tempos de propagação dos modos vão ser quase os mesmos. Note-se que os modos de transmissão que se dirigem a outra extremidade da fibra pelo centro do núcleo terão um menor caminho a percorrer, porem com velocidades menores, quando comparadas com os modos refratados, pois nestas últimas a luz passa por regiões onde o índice de refração é menor e, obviamente, terá uma velocidade maior do que nos modos que se dirigem pelo centro do núcleo. Este tipo de fibra também suporta centenas de modos guiados. Para uma fibra de índice gradual com as seguintes dimensões típicas: diâmetro do núcleo 2a = 50 m e diâmetro da casca 2b = 125 m, índice de refração do núcleo n1 = 1,551, índice de refração da casca n2 = 1,485, com  = 2 e  = 0,043 a forma de se calcular o seu número de modos é: Onde a diferença relativa entre n1 e n2 é dada por e,  é o número que decide o perfil do índice de refração. Para a fibra óptica de índice degrau  = , e para a fibra de índice gradual  = 2. Vamos calcular para os dois tipos de fibras, o número de modos (aproximado), sendo que as duas fibras são idênticas tanto no diâmetro do núcleo e da casca como no índice de refração (usar os números de índice gradual). 2a 2b     2 1 (2 . ) . (2 ) n a N    1 1 2 n n  n  
  20. 20. Página 20 / 66 Fibra de Índice Degrau V = 83 Fibra de Índice Gradual N = 1820 modos (aproximadamente) Note-se que o número de modos guiados nesta fibra é duas vezes menor (aproximadamente) que na fibra de índice degrau. As fibras de índice degrau são apropriadas para sistemas de comunicações que requerem extensa largura de faixa, ou para sistemas de elevadas taxas de bits, sendo usadas também em redes de comunicações em longas distâncias. Fibra Monomodo Neste tipo de fibra, o diâmetro do núcleo 2a = 5 m e é muito menor que o diâmetro da casca 2b = 125 m. O índice de refração da casca (n2) é ligeiramente menor que o índice de refração do núcleo (n1). Valores típicos n1 = 1,471 e n2 =1,457. A figura 19 mostra as características geométricas da fibra óptica monomodo. 2a = 5 m 2b = 125 m Figura 19 Fibra Monomodo 2 1 2 2 2 1 [2 ].(n n ) a V     3400 2 83 2 2 2    V N modos     2 1 (2 . ) . (2 ) n a N    2a 2b
  21. 21. Página 21 / 66 Em geral esta fibra possui um  = 0,002 e, como o próprio nome indica suporta apenas um modo de propagação para um particular comprimento de onda (). Para que isto aconteça, o padrão normalizado de freqüência é dado por: E deve ser menor que 2,405. Este tipo de fibra possui uma banda de passagem maior que 10 G Hz x Km e é usada em sistemas de elevada taxa de bits (acima de 140 Mbit/s), com uma distância aproximada de 100 Km sem repetidores. OBSERVAÇÃO: note-se que a banda de passagem tem aumentado de fibra para fibra, com a diminuição dos modos de propagação. Dispersão e Largura de Banda A largura de banda de um sistema de comunicações é definida como sendo a faixa de freqüência que o sistema pode utilizar para transportar informações. É grande a sua importância, por ser diretamente proporcional à capacidade de transmissão de informação do sistema. Por exemplo: considere a mais simples parcela da informação, um pulso que representa “0” ou “1”, obviamente, quando mais pulsos por segundo puderem ser enviados maior será a capacidade de transporte de informação do sistema. Entre tanto, o número de pulsos enviados ou recebidos por segundo será limitado pela largura de banda do sistema. A largura de banda impõe um limite porque , quando a velocidade de informações se torna muito elevada, o sistema não consegue distinguir a diferença entre “0” ou “1”, como ilustrado na figura 20. Figura 20- A figura ilustra a dificuldade de reconhecimento dos pulsos de entrada na saída 2 1 2 2 2 .( ) (2 ) 2 n n a V     Pulso de entrada Pulso de saída ns ns I N O U T FIBRA OPTICA
  22. 22. Página 22 / 66 De acordo com a figura anterior, lançando-se pulsos ópticos com duração de nanosegundos na fibra (gerados por um “laser semicondutor”), observamos o alongamento que ocorre no perfil do pulso na saída da fibra. Este alongamento cresce ao longo da fibra e, eventualmente, o pulso irá se sobrepor com seu vizinho, aumentando assim, o número de erros na saída do receptor. Este fenômeno de alargamento é também chamado de DISPERSÃO DO PULSO e impõe um limite sobre a largura de banda máxima da fibra. A técnica de domínio temporal para medir a dispersão do pulso, mostra a mudança no perfil do pulso após percorrer a fibra, como mostrado na figura 21. Figura 21 Alongamento que sofre um pulso após percorrer a fibra Se t1 é a largura a meia altura da intensidade do pulso de entrada e t2 a do pulso do pulso de saída, então a dispersão do pulso , assumindo uma forma gaussiana dos pulsos, é dada opor:   = ( 12 - 22)1/2 então , o número máximo de pulsos por segundo (B) que pode ser transmitido, neste comprimento de fibra, pode ser aproximadamente estimado por: B = (2   ) 1 Para o caso da figura anterior, a banda de passagem para este particular comprimento de fibra será de aproximadamente 510 MHz. Mecanismos que contribuem para a dispersão do pulso Um pequeno pulso óptico se alarga depois da propagação em uma fibra ótica em virtude dos seguintes mecanismos: Dispersão Modal Dispersão Material Dispersão Modal g A dispersão modal é causada pelas diferentes velocidades dos modos se propagando na fibra. t1 = 0,5 ns t2 = 1,1 ns
  23. 23. Página 23 / 66 Vários outros termos tem sido usados para se referir à dispersão modal: Dispersão Intermodal Dispersão Multicaminho Dispersão Multimodo Dispersão Monocromática A figura 22 ilustra o exemplo de vários modos propagando-se na fibra com velocidades iguais mas com distâncias diferentes a percorrer. Figura 22 - g é completamente dominante numa fibra de índice degrau visto que o número de modos guiados é extremamente grande Como o número de modos guiados na fibra de índice gradual é duas vezes menor que na fibra de índice degrau, e o índice de refração é maior no centro do núcleo, reduzindo-se a interface com a casca, as velocidades dos modos vão ser diferentes. Desta forma, a dispersão modal será dramaticamente reduzida como podemos ver na figura 23 Figura 23 Modos de transmissão em fibras de índice gradual Dispersão Material m A dispersão material ocorre pelo fato de o índice de refração depender do comprimento da onda, causando diferenças entre as velocidades dos componentes espectrais da fonte de luz usada. Dois outros termos são usados para se referir a m, a saber: Dispersão Intramodal Dispersão Cromática Mesmo quando se usa o Diodo Emissor de Luz (LED) com largura espectral de 40 nm como fonte de luz, m é insignificante quando comparada com g na fibra degrau, porem, na 1 2 1 2
  24. 24. Página 24 / 66 fibra de índice gradual, se usarmos a mesma fonte de luz, m é maior que g. Na figura 24 temos a largura do LED e do LASER. Figura 24 Largura espectral LED/LASER Observe que, se usarmos um LASER como fonte de luz (com largura espectral de 2 nm ) como fonte de luz, e uma fibra multimodo de índice gradual, a dispersão será quase que totalmente reduzida; porem, se usarmos uma fibra monomodo praticamente não haverá dispersão modal e nem a dispersão material. Desta forma, a banda de passagem nesta última fibra, será da ordem de 10 GHz. I.12 ATENUAÇÃO EM UMA FIBRA OPTICA A atenuação é uma das propriedades mais importantes de uma fibra óptica. Dela depende substancialmente a separação entre os repetidores que regeneram os sinais transmitidos, consequentemente, o custo do sistema depende de modo significativo da atenuação. A atenuação nas fibras ópticas inicialmente era muito elevada, da ordem de 100 dB/Km. Esta atenuação foi rapidamente reduzida a poucos dB/Km em decorrência do avanço da técnica de reprodução de vidros de alta pureza. Os principais mecanismos que contribuem para a atenuação em fibras ópticas são os seguintes: Absorção material Variações geométricas Espalhamento de Rayleigh Efeitos núcleo – casca LED 40 nm LASER 2nm 830 850 870 nm Intensidade Relativa
  25. 25. Página 25 / 66 Absorção Material A absorção material é um mecanismo de atenuação pelo qual parte da energia é dissipada em forma de calor na fibra óptica. Isto porque o vidro usado nas fibras não é totalmente puro e freqüentemente contém numerosas impurezas de IONS METÁLICOS com transições eletrônicas na região visível próximo ao infravermelho (0,5 a 1 m), causando bandas de absorção. Os principais ions metálicos são: Cromo, Cobre, Ferro e Manganes. Na figura 25 estão ilustradas as bandas de absorção para os ions de Cr3+, Cu2+ e Fe2+. Outro ion muito difícil de ser eliminado é o de Hidroxila (OH). É evidente que a largura das bandas de absorção varia com o elemento. Figura 25 Alguns ions metálicos e as bandas de absorção O pico de absorção fundamental para o OH – é próximo de 2,72 m e tem harmônicos para 1380, 950 e 720 nm. Combinações entre estes harmônicos e a vibração fundamental do silício (SiO2) resultam em picos em 1130 e 880 nm, portanto é necessário uma pureza extremamente alta para se alcançar baixas perdas. Atenuação causada por defeitos na fibra Suponhamos vários raios ou modos de transmissão se propagando na fibra, como mostrado na figura 26. Observando a figura notamos que, se em um certo ponto da fibra houver defeitos entre núcleo e casca, vários modos de transmissão serão desviados para a casca e, obviamente, provocarão uma maior atenuação. Figura 26 Atenuação causada por defeitos na fibra OH – Fe 2 + Cr 3 + Intensidade Relativa OH – 600 900 1000600 1100600 120000600 700 500 800 nm 1,0 0,5 0,01 Raio Vazante Raio Vazante Raios Guiados Vazante
  26. 26. Página 26 / 66 Espalhamento de Rayleigh Há uma série de mecanismos de espalhamento que podem ocasionar perda. O mais fundamental é o espalhamento de Rayleigh, que está sempre presente devido a composição da estrutura do vidro (flutuações térmicas, pressão, pequenas bolhas, etc,.), e que espalha luz em todas as direções. Este tipo de espalhamento é fortemente reduzido operando com o maior comprimento de onda, que é de 1550 nm. Então quando maior o comprimento de onda, menor a atenuação por espalhamento, como ilustrado na figura 27. Figura 27 Atenuação por espalhamento de Rayleigh Efeito Núcleo - Casca É inevitável que alguma luz seja espalhada para dentro da casca. Uma parte significativa da potência espalhada pelo espalhamento de Rayleigh é convertida em modos guiados pela casca, pois a casca com o ar age como um segundo guia de onda dielétrico, como mostrado na figura 28. A reconversão de potência de modos guiados pela casca em modos guiados pelo núcleo teriam efeitos indesejáveis sobre a dispersão. Esta é, portanto, uma importante razão para que haja perdas na casca e isto pode ser evitado utilizando-se, na casca um material que provoque uma grande atenuação naqueles modos. É utilizado também um revestimento no seu redor que tem por objetivo suprimir os modos indesejáveis e evitar a entrada de luz externa na fibra. Figura 27 Modo guiado pela casca em virtude do espalhamento de Rayleigh Modo guiado pelo núcleo Espalhamento de Rayleigh Modo guiado pela casca Fibra Óptica Espalhamento de Rayleigh Modo guiado pelo núcleo Fibra Óptica
  27. 27. Página 27 / 66 I.13 ACOPLAMENTO DA FONTE LUMINOSA À FIBRA ÓPTICA Abertura numérica Observamos na fibra que somente uma parte da luz que chega na extremidade desta é capaz de entrar e ser capturada pela mesma. Esta habilidade de captura (em fibra óptica) é definida como AN , que é um número que expressa a capacidade de captação luminosa da fibra óptica, isto é, define os ângulos máximos de entrada para serem propagados, como ilustrado na figura 28. Figura 28 Máximo ângulo de aceitação (igual ao ângulo crítico) O seno de maior “Ângulo de aceitação” (ângulo máximo do cone de aceitação na entrada da fibra óptica em relação ao eixo da mesma) é chamada de ABERTURA NUMÉRICA (AN). AN = n0 sen a ,= (n1 2- n2 2)1/2 Onde n0 é o índice de refração do ar n1 é o índice de refração do núcleo n2 é o índice de refração da casca Observar que a AN também pode ser determinada pelo índice de refração do núcleo e da casca. Considere  como a diferença relativa de índices de refração entre o núcleo e a casca: 2 1 2 2 2 1 2n n  n   a n2 n1 n0
  28. 28. Página 28 / 66 Onde para o caso de  1 (hipótese válida para a maioria das fibras ópticas de interesse em sistemas de transmissão) 1 1 2 n n  n   Combinando-se esta equação com a equação da AN para o meio “ar” (n0=1), obtém-se a seguinte expressão de AN para valores de  1:  2 1AN n x A abertura numérica de uma fibra óptica é muito útil para medir a capacidade de captar e transmitir luz. È interessante notar que essa capacidade independe do diâmetro do núcleo da fibra óptica. Fibra Óptica de Face Plana A fibra de face plana tem como limitação para o cone de aceitação da luz guiada, a própria abertura numérica, como mostrado na figura 29. a é o ângulo máximo de aceitação da fibra de face plana. Figura 29 Abertura numé rica para a Fibra de Face Plana Na fibra óptica de face plana à necessidade de se encostar a fonte à fibra, desta forma, há uma realimentação para a fonte (o que coloca sua vida útil em risco). Para que isto não ocorra, foi desenvolvida a fibra de face esférica. a n2 n1
  29. 29. Página 29 / 66 Fibra de Face Esférica A fibra de face esférica expande a limitação da NA (apesar de só propagar raios de ângulo axial 0., pois a microlente é capaz de coletar raios com e  a, como ilustrado na figura 30. Observar que e é sempre maior que a , desta forma uma fibra com microlente coletará sempre mais luz que a mesma fibra com face plana. n2 n1 Figura 30 Fibra de Face Esférica  >e  >e R Eixo da fibra a
  30. 30. Página 30 / 66 I.14 TÉCNICAS DE FABRICAÇÃO DAS FIBRAS ÓPTICAS O material dielétrico usado na fabricação de fibras ópticas deve atender aos seguintes requisitos básicos:  excelente transparência (baixa atenuação) nas freqüências ópticas de interesse;  materiais na casca e no núcleo com propriedades térmicas e mecânicas compatíveis e índices de refração ligeiramente diferentes;  possibilidade de realização de fibras longas, finas e flexíveis. Isto limita a confecção de fibras ópticas a, basicamente duas classes de materiais: vidros e plásticos. O plástico entretanto limita o alcance a aplicações de curta distância por apresentar níveis de atenuação ainda relativamente muito elevado. Consequentemente o vidro se apresenta como o material mais apropriado para a fabricação de fibras ópticas aplicadas aos sistemas de telecomunicações, em razão das características de atenuação mais favoráveis. Na classe dos vidros, considerando-se a janela espectral típica das fibras atualmente entre 0,7 e 1,6 m , destacam-se dois tipos fundamentais:  vidros de sílica (SiO2) pura ou dopada;  vidros multicompostos A distinção entre estes dois tipos de vidros para fibras ópticas reside, principalmente, nos processos de fabricação. Em ambos os casos, os materiais em questão têm uma estrutura vítrea isotrópica e são transformados em fibra na forma de um fluido. As fibras de vidros de sílica com dopantes caracterizam-se por um processo de fabricação baseado em duas etapas. Na primeira etapa é fabricado, através de um processo de deposição química de vapor, um bastão de sílica com a composição de dopantes (GeO2, P2O5, B2O3 e F) (oxido de germânio, oxido de fósforo, oxido de boro, ferro) desejada para o núcleo e a casca da fibra. Este bastão de sílica preliminar chamado de preforma, é transformado numa fibra óptica numa segunda etapa, através de um processo de puxamento em alta temperatura (aproximadamente 2.0000 C).
  31. 31. Página 31 / 66 No caso das fibras de vidros multicompostos, principalmente são formados bastões de vidro multicomposto, um para o núcleo e outro para a casca, pelo processo clássico de fabricação de vidros a partir de materiais em pó muito puros. Os bastões de vidro multicopostos assim formatados são, então, utilizados num processo de fusão direta, através de um mecanismo conhecido como duplo-cadinho, para a formação da fibra óptica. Os vidros multicopostos constituem-se principalmente de silicatos de baixo ponto de fusão (em torno de 1.000º C). Os diversos métodos de fabricação das fibras ópticas pode ser ver na literatura especializada e não serão tratados nesta oportunidade. I.14.1 CABOS ÓPTICOS Os cabos ópticos são estruturas de encapsulamento e empacotamento de fibras ópticas que têm como funções básicas prover as fibras de:  proteção  facilidade de manuseio As características de transmissão dos guias de onda luminosos são sensíveis a influências mecânicas e ambientais. O cabeamento portanto, procura proteger a fibra ou as fibras contra adversidades mecânicas ou ambientais durante a instalação ou operação do suporte de transmissão. Por exemplo, os cabos ópticos devem ser suficientemente resistentes de modo a evitar que as fibras se quebrem com as tensões de puxamento do cabo durante a sua instalação. Devem, também, prover a rigidez necessária a fim de prevenir curvaturas excessivas nas fibras. No caso dos cabos submarinos transoceânicos, pode ser necessário que os cabos ópticos suportem, por exemplo, pressões equivalentes a vários quilômetros de profundidade em água salgada. Por outro lado, no caso dos cabos ópticos aéreos, estes devem permitir ás fibras operarem adequadamente sob condições de temperatura extremas (inverno/verão). O desempenho de um cabo óptico pode diminuir ao longo do tempo, por três razões principais:  Atenuação crescente em função da presença de hidrogênio, que pode ser gerado pela corrosão metálica da estrutura de suporte físico do cabo em presença de água ou pela decomposição de material plástico de revestimento;
  32. 32. Página 32 / 66  Fadiga estática, podendo fazer com que uma fibra quebre anos após a instalação do cabo;  Envelhecimento térmico da estrutura do cabo, fazendo com que a atenuação induzida por microcurvaturas aumente. A estrutura de um cabo óptico deve facilitar o manuseio e as emendas com as fibras, uma vez que uma parcela significativa dos custos atribuídos ao cabo, num sistema de transmissão, principalmente a longas distâncias, está associada a dificuldades com os procedimentos de instalação. É importante, portanto, que os cabos, assim como as fibras, tenham revestimentos facilmente removíveis no campo, de modo a facilitar a instalação e eventuais reparos. Normalmente, as fibras são codificadas com cores para rápida identificação e organizadas em subunidades contendo tipicamente 12,24,36,48 fibras (presentemente existem cabos com mais de 600 fibras). As estruturas e os procedimentos de instalação dos cabos ópticos variam conforme a aplicação (cabos internos, externos, aéreos, subterrâneos, enterrados, submarinos etc). I.14.2 TIPOS DE CABOS A fibra óptica , durante o processo de fabricação, é revestida por uma camada de plástico de proteção. Em alguns casos, esse revestimento de proteção básica é suficiente para permitir que a fibra seja utilizada diretamente numa estrutura de cabeamento. Entretanto na maioria das aplicações, é necessário prover a fibra de proteção adicional através de um procedimento conhecido por buffering. O processo de buffering de uma fibra em um cabo óptico pode ser basicamente de dois tipos:  Modo solto (loose)  Modo compacto (tight)
  33. 33. Página 33 / 66 I.14.3 MODO SOLTO A estrutura de buffering em modo solto é mostrado na figura 31. Um tubo longo, com o diâmetro interno muito maior que o diâmetro da fibra, isolando-a das tensões no cabo (forças externas e contrações devido a variações de temperatura). A fibra pode mover-se livremente com relação as paredes do tubo. O material do tubo de buffering deve ser duro, liso e flexível. Este tipo de estrutura é vantajosa para cabos submetidos a importantes tensões durante a sua instalação ou em operação, tais como os cabos aéreos e cabos submarinos. Também é apropriado para os sistemas de comunicações a longa distância, onde é crítico um desempenho com baixas perdas a longo prazo. Figura 31 Estrutura básica de cabos ópticos I.14.4 MODO COMPACTO A estrutura do modo compacto (tight) é também ilustrada na figura 31. Uma camada de proteção em plástico duro (nylon ou poliéster) é extrusada diretamente sobre a fibra revestida. . Ao contrário da estrutura em modo solto, neste caso, as fibras são submetidas imediatamente ás tensões aplicadas ao cabo. O encapsulamento de fibras em modo compacto prevê menores dimensões permitindo a realização de cabos multifibras mais densos e maior resistência a forças de esmagamento. Fibra revestida buffering buffering Fibra revestida Composto de preenchimento
  34. 34. Página 34 / 66 II- O CÁLCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS ÓPTICAS O dimensionamento de um enlace de fibras ópticas exige o atendimento dos requisitos de Orçamento de Potência e Dispersão. Uma vez que ambos parâmetros são satisfeitos podemos confirmar a viabilidade do enlace. Inicialmente consideremos duas localidades A e B a serem interligadas via fibras ópticas, como ilustrada na figura 1. Figura 1 OBS: Considerar emendas das fibras a cada 4 km II.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAÇÃO A atenuação degrada o sinal diminuindo a sua intensidade a níveis próximos às intensidades do ruído intrínseco do receptor. Do ponto de vista sistêmico, a degradação pode sempre ser compensada por um aumento na amplitude do sinal óptico disponível. Esse aumento pode vir de um laser mais potente, um receptor mais sensível ou uma fibra de melhor qualidade. II.2 ORÇAMENTO DE POTÊNCIA - ENLACE CONVENCIONAL Para este tipo de enlace, vamos definir os seguintes parâmetros: Equipamentos de Transmissão e Recepção  PT Potência do transmissor (dBm)  PR Sensibilidade do receptor óptico (dBm)  M Margem de Segurança (dB) Cabo Óptico  UC Atenuação do cabo (dB/Km)  Lt Comprimento total do cabo (Km)  US Perda na emenda (dB) LOCALIDADE A LOCALIDADE B
  35. 35. Página 35 / 66  NS Numero de emendas no cabo  UCOM Perda no conector (dB)  NCOM Numero de conectores  A figura 2 mostra estes parâmetros. PT (UC Lt) (UCON NCON) PR (US NS) Figura 2 – Sistema Optico Formula do orçamento de potência O orçamento de potência deve atender a seguinte equação: PT - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M  0 II.3 EXEMPLO NUMÉRICO 1 II.3.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAÇÃO II.3.1.1 ORÇAMENTO DE POTÊNCIA Seja Lt = 150 Km (Comprimento total do cabo) Fibra óptica com Uc = 0,22 dB/Km (Perda da Fibra) Ncon = 4 (No. de Conectores) Ucon = 0,5 dB (Perda por conector) Ns = 38 150 / 4 = 37,5 = 38 emendas Us = 0,1 dB (Perda por emenda) M = 3 dB 1.- Sistema STM 1 (155,52 Mbps) Laser DFB da Bosch com densidade espectral  0,4 nm. PT = de -3 a 0 dbm (0 dBm ou 1 mw eh a potencia max) PR = de -47 a -8 dbm (-47 dBm eh a sensibilidade do Receptor) Máxima dispersão D = 3200 ps emendas conector TX RX
  36. 36. Página 36 / 66 2.- Sistema STM 4 (622,08 Mbps) Laser DFB da Bosch com densidade espectral  0,2 nm. PT = de -1 a 2 dbm PR = de -37 a -8 dbm Máxima dispersão D = 800 ps 3.- Sistema STM 16 Laser DFB da Bosch com densidade espectral  0,15 nm. PT = de -1 a 2 dbm PR = de -29 a -9 dbm Máxima dispersão D = 200 ps II.3.1.2 CÁLCULOS: Sabendo que: PT - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M  0 At = Atenuação Total At = UC Lt + NCON UCON + NS US + M - Ganhos At = 150x0,22 + 4x0,5 + 38x0,1 + 3 – 0 = 41,8 dB 1.- STM 1 0 - 2 - 3,8 -33 - (-47) - 3  0 7,2  0 ok pela atenuação PR = o dBm – 41,8 dB = -41,8 dBm > - 47 dBm 2.- STM 4 2 - 2 - 3 - 33 - (-37) - 3  0 - 2,8  0 inviável Pois, PR = 2 dBm – 41,8 dB = - 39,8 dBm < - 37 dBm 3.- STM 16 2 - 2 - 3 - 33 - (-29) - 3  0 - 10,8  0 inviável Pois, PR = 2 dBm – 41,8 dB = - 39,8 dBm < - 29 dBm Comportamento da distância em todos os casos: PT - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M  0 PT - 2 - 4 t L . 0,1 - 0,22 . Lt - PR - 3  0 Onde,
  37. 37. Página 37 / 66 0,245 5  X Lt onde X = Faixa Dinâmica = PT - PR 1.1.- STM 1 L Km t 171,4 0,245 47 5    PT – PR = 0 –(-47) = 47 1.2.- STM 4 L Km t 138,7 0,245 39 5    PT – PR = 2 –(-37) = 39 1.3.- STM-16 L Km t 106,1 0,245 31 5    PT – PR = 2 –(-29) = 31 II.3.1.3 CONCLUSÃO: Considerando-se apenas a atenuação omente o enlace STM 1 ( 155 ,52 Mbit/s) é viável. Para viabilizar os outros enlaces seria necessário melhorar a qualidade da fibra, utilizar Laser's com maior potência óptica, ou receptores ópticos com melhor sensibilidade, ou ainda usar repetidores. II.3.2 CALCULO DO ENLACE PELA DISPERSÃO Em geral a degradação do sinal pela dispersão não pode ser totalmente compensada por um aumento do sinal. O fenômeno da dispersão em fibras ópticas (fibras monomodo) resulta como conseqüência de que o índice de refração do material que compõe a fibra óptica, tem em geral uma dependência não linear com o comprimento de onda ou freqüência óptica transmitida. Isto implica em diferentes atrasos (velocidades) de propagação para os vários componentes espectrais de um dado modo de propagação. Dessa forma, as componentes de baixa freqüência que compõem o pulso óptico podem chegar ao receptor em instantes diferentes das componentes de alta freqüência desse pulso. Qualitativamente a dispersão afeta a forma dos pulsos e manifesta-se como um alargamento e deformação do formato do pulso. Isto leva a uma maior dificuldade na distinção do "1" binário em relação ao "0" binário, ou seja, ocorre a interferência inter-simbólica e o fechamento do diagrama de olho. A compensação da dispersão, pelo aumento de sinal, denomina-se Penalidade da Degradação por Dispersão ou simplesmente, Penalidade. A diversidade de componentes espectrais transmitidos é imposta pelas fontes luminosas, que se caracterizam de uma maneira geral, por emissão de luz policromática, isto é, emissão em vários comprimentos de onda em torno de um comprimento de onda central. Para sistemas de alta capacidade, em geral maiores que 622 M bit/s, os enlaces tendem agora a ser limitados por problemas relacionados com a dispersão da fibra óptica.
  38. 38. Página 38 / 66 Para comprovar a viabilidade do enlace sob o ponto de vista da dispersão devemos aplicar a seguinte fórmula:   . . 0,31.106 D B Lt Onde: Lt = Comprimento total do enlace D = Dispersão da fibra em ps/nm.Km B = Taxa de transmissão em G Bit/s  = Largura espectral da fonte óptica (nm) o valor 0,31.106 é uma constante. Considera-se que se esta relação é satisfeita, o sistema de transmissão por fibra óptica apresenta Penalidade inferior a 1 dB. Denomina-se em geral, "penalidade" a degradação da sensibilidade original do receptor óptico devido aos ruídos de batimento. Entretanto a penalidade pode ocorrer também pela geração de efeitos não lineares na fibra óptica. Estes efeitos aparecem devido a alta potência que pode estar presente na fibra ( 18 dB) em combinação com espectros de Lasers muito estreitos ( como os usados nos sistemas DWDM, por exemplo), núcleos de fibras reduzidos (principalmente em fibras com Dispersão Deslocada) e dispersão próxima de zero. A penalidade é um fator que deve ser levado em consideração principalmente quando se utilizam amplificadores ópticos e em geral, está incluído na Margem de Segurança (MS). A expressão de limitação de dispersão do enlace mostra se bastante dependente dos fatores acima citados. Dado que a taxa de transmissão é um valor prefixado, para que o enlace obedeça a condição de dispersão para penalidade mínima devemos projetar o enlace trabalhando com os parâmetros Dispersão da fibra (D) e Largura espectral da fonte ( ). II.3.3 CONTINUAÇÃO DO EXEMPLO NUMÉRICO 1: II.3.3.1 CALCULO PELA DISPERSÃO Para sistemas de baixa capacidade ( em geral menores que 622 Mbit/s), os enlaces por dispersão são em geral sempre viáveis, portanto para D= 18, temos. Comprovação numérica:   . . 0,31.106 D B Lt 1.- STM 1 L Km t 277 18.0,155.0,4 0,31.106   2.- STM 4 L Km t 138,4 18.0,622.0,2 0,31.106  
  39. 39. Página 39 / 66 3.- STM 16 L Km t 45,92 18.2,5.0,15 0,31.106   II.3.4 CONCLUSÃO GERAL Para a distância considerada , o enlace é viável unicamente para enlaces com taxas de 155,52 Mbit/s. Nos demais casos seria necessário utilizar regeneração ou repetição eletrônica (back to back ou costa -a - costa) ou ainda Amplificadores Ópticos (Amplificadores de Potência ("Boosters"), "Per- Amplificadores" ou "Amplificadores de linha"). II.4 EXEMPLO NUMÉRICO 2 Sejam agora duas localidades distantes entre si de 300 Km. Queremos viabilizar o enlace para taxas de transmissão de 155,52 Mbit/s, 622 Mbit/s e 2,5 Gbit/s. Dimensionar o enlace e determinar os pontos de regeneração. Utilizar os mesmos dados do exemplo 1. A figura 3 mostra esta situação. II.4.1 CALCULO DO ENLACE - ORÇAMENTO DE POTENCIA Realizar igual exemplo 1. II.4.2 CALCULO PELA DISPERSÃO Realizar igual exemplo 1. 2.1.- STM 1 Do exemplo anterior este enlace alcança 171 Km pela atenuação e 277 Km pela dispersão. Portanto é necessário um ponto de repetição, que pode ser na metade da distância total. Figura 3 Regeneração costa -a- costa ADM 155 ADM 155 ADM 155 ADM 155 REPETIDOR costa -a- costa LOC A LOC B 150 km 150 Km 300 Km
  40. 40. Página 40 / 66 2.2.- STM 4 Também do exemplo anterior podemos deduzir que para esta taxa de transmissão (622 Mbit/s), o enlace fica limitado a 138,6 Km pela atenuação e 138,4 pela dispersão. Portanto este enlace só fica viabilizado com dois pontos de regeneração, conforme mostrado na figura 4 seguinte. Figura 4 Regeneradores costa -a- costa 2.3.- STM 16 Seguindo o mesmo raciocínio, podemos observar que para esta taxa de transmissão, o mecanismo dominante é o cálculo pela dispersão, que limita a distância entre repetidores a 45, 92 Km e portanto neste casso necessitaríamos 6 pontos de regeneração, conforme a figura 5 mostrada a seguir. 42,5 43 43 43 43 43 42,5 Figura 5 Enlace com repetidores Destes dois exemplos numéricos, podemos concluir que o cálculo de enlaces, conforme a distância a ser vencida bem como das taxas de transmissão a serem transmitidas, tem forte dependência dos parâmetros acima especificados. ADM 622 ADM 622 REPETIDOR costa -a- costa LOC A LOC B 100 Km 100 Km 300 Km ADM 622 ADM 622 ADM 622 ADM 622 REPETIDOR costa -a- costa 100 km ADM 2,5 Gbit/s ADM 2,5 Gbit/s
  41. 41. Página 41 / 66 II.5 INTRODUÇÃO A AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA Fundamentalmente os parâmetros dominantes que influenciam o alcance dos sistemas de comunicações por fibras ópticas são: a potência do transmissor a sensibilidade do receptor a atenuação da fibra óptica utilizada e a dispersão da mesma. A limitação que estes parâmetros impõem tanto em distância como em taxas de transmissão, é superada pela regeneração periódica do sinal. Em geral a regeneração consiste na conversão optica-eletrica- óptica (tipo back to back ou costa a costa)do sinal para cada sistema transmitido pelo par de fibras, e obviamente torna-se cara e tecnicamente complexa, já que, ao aumentar a taxa de transmissão os pontos de regeneração, em geral , não são os mesmos. A regeneração do sinal óptico foi e ainda é, comum mente utilizada tanto em sistemas limitados pela atenuação como pela dispersão. Entretanto, nos últimos anos a substituição dos amplificadores eletrônicos por amplificadores ópticos, potencialmente mais baratos e simples foram popularizados. Conforme a localização dos amplificadores ópticos , os mesmos recebem diferentes denominações. Quando instalados em substituição de regeneradores eletrônicos, isto é, ao longo do enlace, são denominados Amplificadores de Linha. Esta substituição pode ser empregada sempre que o desempenho do sistema não seja comprometido pelo efeito cumulativo da dispersão e ruídos gerados nos amplificadores em cascata. Esta solução é particularmente atrativa na moderna introdução de sistemas WDM (e DWDM) e suas múltiplas portadoras. A figura 6 ilustra o principio do WDM. . . . . . . . . . . . . Figura 6 Principio do WDM Os amplificadores ópticos são também comumente empregados em conjunto com os transmissores de modo a aumentar a potência de saída do mesmo. Os amplificadores que operam nesta configuração são chamados de Amplificadores de Potência ou "Boosters". ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM ADM linhas de transmissão separadas ADM ADM ADM ADM WDM Uso múltiplo de amplificadores ópticos e fibras 1 n 1 ..n
  42. 42. Página 42 / 66 Similarmente, também são empregados com o subsistema de recepção, de modo a aumentar a sensibilidade na recepção. Nesta configuração são chamados de Pré-Amplificadores. II.5.1 OS MECANISMOS DA AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA Um Amplificador Óptico a Fibra (AOF) em sua forma mais simples é composto por um pequeno comprimento de fibra dopada, um multiplexador de comprimento de onda(WDM) e um laser semicondutor. Para operação na região de 1550 nm, a fibra é dopada com o elemento químico Érbio (terra rara) ou Érbio/Itérbio. Já para operação na região de 1300 nm, a fibra deve ser dopada com aos elementos Neodímio ou Praseodímio (também terras raras). A fibra dopada é o coração de amplificador, donde os mecanismos de amplificação irão ocorrer. Para a ativação dos íons dopantes presentes na fibra, utiliza-se energia óptica fornecida por um laser semicondutor de alta potência (dezenas de miliwatts), conhecido como laser de bombeamento. Estes lasers emitem energia óptica em comprimentos de onda nos quais os íons dopantes absorvem esta energia conforme ilustra a figura 7. .98 1.06 1.32 1.33 1.48 1.56 m Figura 7 Regiões de absorção e emissão das Terras Raras A luz proveniente do laser de bombeamento é absorvida pelos íons de Er3 da fibra dopada excitando-os do estado natural para níveis de energia mais elevados. Na transição do estado excitado para o estado natural, um fotón com  em torno de 1550 nm é emitido na região de emissão. Quando estimulados por fotóns do sinal a ser amplificado, os íons retornam ao seu estado fundamental e emitem esta energia na forma luminosa no mesmo comprimento de onda deste sinal. Outra parte dos íons retornam espontaneamente ao estado natural emitindo uma energia luminosa não combinada coerentemente com o sinal, esta energia luminosa é também amplificada e é conhecida como Emissão Espontânea Amplificada (ASE) e constitui na verdade um Ruído Óptico que acompanha o sinal amplificado na saída da fibra dopada. Em algumas situações parte da potência de bombeamento remanescente pode também acompanhar o sinal amplificado. Dependendo do sentido de bombeio pode-se ter as seguintes WDM fibra dopada laser de bombeamento Pr Nd Er, Er.Yr
  43. 43. Página 43 / 66 configurações: co-propagante, contra-propagante, duplo bombeio co-propagante e duplo bombeio bidirecional, conforme ilustrado na figura 8 seguinte. A função do WDM é combinar na fibra dopada, tanto a potência do sinal a ser amplificado como a potência de bombeamento. sinal a) b) c) d) Figura 8 As configurações básicas de um Amplificador à Fibra Dopada com Erbio (AFDE). a) copropagante b) contra-propagante c) duplo bombeio copropagante d) duplo bombeio bidirecional. A configuração co-propagante, isto é, quando o sinal se propaga na mesma direção que a potência de bombeio dentro da fibra dopada é usada em amplificadores onde o Ruído Óptico do amplificador é um fator limitante no enlace. O inverso, ou seja, a propagação do sinal em direção oposta a da potência de bombeamento caracteriza a configuração contra- popagante, que é utilizada em amplificadores de alta potência de saída. Na prática composições mais complexas de amplificadores ópticos podem ser encontrados. Para otimizar o desempenho dos amplificadores ópticos acrescentam-se ainda componentes tais como isoladores ópticos e filtro ópticos. A função do isolador é impedir o fibra dopada WDMM laser de bombeamento Er3 sinal WDM Er3 sinal bombeamento bombeamento WDMM sinal Er3 laser de bombeamento WDM M Er3 sinal sinal WDM M bombeamento bombeamento Er3 sinal WDMM sinal
  44. 44. Página 44 / 66 retorno de reflexões de luz provenientes das extremidades do amplificador. Tais reflexões tornam o amplificador instável em várias situações de utilização. A função do filtro é deixar passar apenas o sinal amplificado e bloquear as potências de ASE e de bombeamnento que acompanham o sinal. São adicionados também ao circuito óptico dos amplificadores ópticos a fibra dopada , acopladores ópticos para retirada de uma pequena parcela de sinal amplificada que é utilizada para monitorar seu desempenho. A figura 9 ilustra uma composição de um AOF com os componentes mencionados. Figura 9 Circuito óptico de um AOF encontrado na prática As aplicações típicas dos Amplificadores Ópticos a Fibra (AOF) são ilustradas a seguir: Aplicação do AOF como Amplificador de Potência Conforme mostrado na figura 10.a, nesta aplicação o AOF é colocada logo após o equipamento de transmissão com o objetivo de elevar a potência óptica antes de seguir para o enlace de fibra óptica. A vantagem desta utilização, está no fato de que o AOF pode ser instalado na mesma estação que o transmissor, podendo ter as mesmas facilidades de manutenção e supervisão. A desvantagem, é que nesta aplicação, o ganho liquido proporcionado por seu uso não é tão elevado. Aplicação do AOF como Amplificador de Linha Esta é a aplicação mais clássica dos AOF onde são obtidos ganhos líquidos mais expressivos. Como ilustrado na figura.10.b, os AOF são colocados na linha para manter o nível de sinal elevado de maneira a vencer a atenuação total do enlace. Os Amplificadores de Linha substituem os regeneradores eletrônicos com muitas vantagens pois os mesmos possuem elevada largura de Banda Elétrica, elevada largura de Banda Óptica, transparência a taxa e ao formato de transmissão (amplificam tanto sinais analógicos como digitais), opera com muitos comprimentos de onda, vantagem principalmente importante em sistemas WDM, opera em forma bidirecional, possui baixo consumo e dimensões reduzidas. fibra dopada laser de bombeamento Er3 sinal WDM SPL det sinal isolador spliter detetor conectores filtro óptico
  45. 45. Página 45 / 66 Aplicação do AOF como Pré-Amplificador Conforme ilustrado na figura 10.c o Pré-Amplificador é colocado antes da recepção óptica com o objetivo de melhorar a sensibilidade do receptor. O Pré-Amplificador apresenta as mesmas vantagens e desvantagens já mencionadas para o amplificador de potência, inclusive quanto a sua incorporação ou não no equipamento de recepção óptica. Figura 10 Tipos de aplicações para AOFs A escolha da utilização de um determinado tipo de amplificador em um enlace é feita em função da atenuação total da linha e da banda dinâmica do equipamento de transmissão. A primeira opção a ser analisada é o uso de um único Amplificador de Potência tendo em vista a simplicidade de utilização. A segunda opção é o uso de um Amplificador de Potência mais um Pré-Amplificador, que é utilizada geralmente quando uma repetição intermediária não é econômica ou tecnicamente recomendada. A próxima opção é o uso de Amplificadores de Linha com o sem Amplificadores de Potência ou Pré-Amplificador. Do acima exposto podemos concluir que a escolha de um modelo ou outro vai depender do comprimento do enlace, dos equipamentos utilizados, do tipo da fibra escolhida, da infra-estrutura disponível e principalmente do bom senso de projetista. Alguns parâmetros importantes a serem considerados no uso de Amplificadores Ópticos Existem vários parâmetros de amplificadores que devem ser analisados sob o ponto de vista do próprio equipamento(amplificador) e sob o ponto de vista de sua influência na rede. Entre os parâmetros do equipamento destacamos:  Ganho (GAOF)  Figura de Ruído (NF)  Banda de Amplificação (Bampl)  Potência de ASE (PASE) Como a amplificação é elevação do sinal, esta função relaciona-se imediatamente com o parâmetro Ganho do amplificador GAOF . Se Pin é a potência óptica de entrada e Pout é a potência óptica de saída no amplificador, o Ganho é definido como sendo: Tx Rx Rx Tx Tx Rx AOF AOF AOF a) b) c)
  46. 46. Página 46 / 66 in L out ASE amp P P P G   onde:  PASE é a potência de ASE na saída do amplificador  Gamp * o ganho expressa o quanto a potência óptica de entrada foi elevada. Este parâmetro tem forte dependência com outros parâmetros, tais como:  Pin Potência de entrada no Amplificador  Comprimento de onda de operação ()  Potência óptica de bombeamento (Ppump) A operação em regiões de baixo sinal de entrada, tipicamente menores que - 30 dBm classifica o amplificador para ser utilizado como amplificador de linha ou Pré-amplificador, como indicado na figura.11. Nestes casos, o ganho é elevado ( 20 dB), porém, o ruído de saída, ou seja , a Potência de ASE (PASE) é elevada. Para potência de entrada elevada ( -10 dBm) onde o amplificador é usado como amplificador de potência o ganho é menor ( 20 dB), porém a potência de ASE é menor.  O sobre índice L indica que a variável é expressa na forma linear. Para obter-se este valor em dB, basta aplicar a seguinte equação: Var = log (Var L) Figura 11 Ganho e Figura de Ruído x Potência de Entrada O ganho apresenta variações também em relação ao comprimento de onda do sinal que será amplificado.
  47. 47. Página 47 / 66 Dentro da banda óptica de amplificação (Bopt) e para sinais baixos, ( - 30 dBm) os Amplificadores a Fibra Dopados com Érbio ADFE apresentam dois picos com ganho mais elevado como pode ser visto na figura 12. Figura 12 Ganho x Comprimento de Onda (Sinais Baixos) Um pico é centrado em torno de 1536 nm e o outro em torno de 1550 nm. Entre eles situa-se um vale, ou seja uma região de ganho mínimo. A diferença entre os ganhos máximo e mínimo pode chegar a valores superiores a 10 dB. Além de 1560 nm e antes de 1530 nm o ganho cai rapidamente, portanto estes dois comprimentos de onda praticamente definem a região de trabalho dos amplificadores, ou seja a Banda óptica de amplificação (Bopt). Para sinais de entrada elevador ( 10 dB) a curva do ganho é praticamente plana com o comprimento de onda, mantendo porém os limites de amplificação entre 1530 e 1560 nm. Como mostrado na figura 13. Figura 13 Ganho x Comprimento de onda (Sinais Altos) Finalmente o ganho pode ser variado quando alteramos a potência de bombeamento que ativa os íons de Er3+ presentes na fibra dopada. Existe uma potência de bombeamento mínima, na qual o ganho é igual a zero, como ilustrado na figura 14. Para potências abaixo desta, o amplificador se comporta como um
  48. 48. Página 48 / 66 atenuador de sinal. Para potências acima deste limiar o ganho aumenta rapidamente com o aumento da potência de bombeamento e depois satura-se, ou seja aumenta muito pouco o ganho para potências de bombeamento maiores. Figura 14 Ganho x Potência de Bombeio Uma característica bastante interessante dos amplificadores de potência, é que eles são praticamente insensíveis às variações de potência de entrada, como pode ser observado na figura 15. Figura 15 Potência do sinal de Saída x Potência do Sinal de Entrada A potência de ASE que é o resíduo de potência óptica não aproveitada nos processos de amplificação apresenta variações idênticas as do Ganho em relação a potência de entrada, comprimento de onda e potência de bombeio. O parâmetro que mostra o quanto o amplificador óptico acrescenta de ruído ao sinal amplificado é a Figura de Ruído (NF noise figure), que é dada simplificadamente por:
  49. 49. Página 49 / 66 0 17 3 ( 1). 1,66.10 . . G B P NF AOF L ASE     A Figura de Ruído é bastante dependente da potência de entrada no amplificador e com o comprimento de onda de bombeamento. Existem ainda outros parâmetros que mostram o efeito da utilização dos amplificadores ópticos em um sistema de comunicações. São eles:  Penalidade por ruídos de batimento  Penalidade pela geração de efeitos não lineares Ruídos de batimentos são ruídos causados pela combinação das potências de ASE com ela própria e com a potência de sinal no sistema de recepção óptica. Para entendermos como ocorre a formação destes ruídos devemos lembrar que a potência de ASE pode ser dividida espectralmente como uma série de portadoras ópticas, como ilustrado na figura 16. Figura 16 Espectro de ASE com suas componentes As portadoras pertencentes ao espectro da potência de ASE e também a potência de Sinal são ondas eletromagnéticas que se combinam (batimento, modulação) no processo de conversão óptico-elétrico que ocorre no fotodetetor do receptor óptico. O efeito do batimento é tal que para cada duas portadoras combinadas produz-se uma nova freqüência que é a soma dos comprimentos de onda de cada uma e também a diferença dos comprimentos de onda de cada uma. O produto da soma não é aproveitado no sistema de detecção, uma vez que se trata de uma freqüência fora do alcance do fotodetetor. Porém o produto da diferença pode ser absorvido pelo fotodetetor, uma vez que se trata de uma baixa freqüência. O resultado dos produtos da diferença de todas as combinações das portadoras ópticas de ASE e sinal entre si produz os ruídos de batimento de ASE-ASE e ASE-Sinal. Conforme mostrado na figura 17, este ruído degenera o sinal digital gerando erros na detecção.
  50. 50. Página 50 / 66 Figura 17 Batimento entre portadoras ópticas Denomina-se Penalidade a " degradação da sensibilidade original do receptor óptico (sem amplificadores) devido aos ruídos de batimento. A Penalidade pode ocorrer também pela geração de efeitos não lineares na fibra óptica ( 18 dBm) em combinação com espectros de Lasers super estreitos, núcleos de fibras reduzidos, como fibras com dispersão deslocada por exemplo, e dispersão próxima a zero. II.6 O CALCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS ÓPTICAS USANDO AMPLIFICADORES ÓPTICOS Alem das considerações feitas nas paginas 2 e 3, quando do calculo dos enlaces ópticos convencionais, devemos introduzir agora na utilização dos amplificadores ópticos os seguintes parâmetros: Amplificador Óptico  GAOF Ganho do Amplificador (dB)  PT' Potência de Saída (dBm)  PASE Potência ASE na saída do AOF (W)  BASE Banda óptica de ASE (Hz)  FR Figura de Ruído (linear, adimensional)  PR' Sensibilidade do Pré-Amplificador (dBm)  PAOF Penalidade de potência devido ao amplificador óptico (dB)  B0 Banda óptica (THz)?  BE Banda elétrica (MHz)
  51. 51. Página 51 / 66 II.6.1 ORÇAMENTO DE POTÊNCIA Enlace com Amplificador de Potência A figura 18 ilustra o diagrama de um enlace com amplificador de potência ou "booster", com todas as variáveis de um enlace de fibra óptica que devem ser computados no orçamento de potência. PT (UC Lt) (UCON NCON) PR (US NS) Figura 18 Diagrama de um enlace e suas variáveis para o orçamento de potência Formula do orçamento de potência com amplificador O orçamento de potência deve atender a seguinte equação: P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M  0 Exemplo 1 Determinar qual a potência de saída de um amplificador de potência para vencer as perdas de um enlace óptico com os seguintes parâmetros: Lt = 140 Km Ncom = 4 Ucom = 0,5 dB NS = 28 (140/5) US = 0,1 dB UC = 0,25 dB/Km PR = - 34 dBm (622 Mbit/s) e M = 3 dB P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M  0 P'T - 4.0,5 - 28.0,1 - 0,25.140 - (-34) - 3 = 0 P'T = 8.8 dBm RX TX emendas conector amplificador de potência P'T
  52. 52. Página 52 / 66 Considerações práticas De posse do valor de potência mínima para o atendimento do orçamento de potência do enlace, pode-se escolher um equipamento comercial conforme a classe de potência de saída. Em geral existem amplificadores de potência com saída de 10 dBm, 13 dBm, 16 dBm, 18 dBm, 21 dBm etc,. Amplificadores com potência de saída maior que 13 dBm usam configurações internas com dois Lasers de bombeio, o que aumenta seu preço e em geral reduz a confiabilidade. O uso de Amplificadores com Potências acima de 18 dBm, podem causar na fibra um efeito chamado de Espalhamento de Brilloim (SBS). Este efeito que só é significativo para níveis de potência elevados, resulta na transferência de potência de um modo para si mesmo, principalmente na direção contraria de propagação, e em outra freqüência, portanto parte da potência injetada na fibra do enlace é perdida por este espalhamento . O espalhamento de Brillouin é mais acentuado em fibras com núcleos menores, como as fibras com dispersão deslocada, por exemplo. Também o espalhamento é mais acentuado quanto menor a largura espectral dos Lasers de sinal usados. O limiar de Brillouin (que é a potência mínima na qual o espalhamento inicia) é tanto maior quanto maior for a taxa de modulação em cima do laser de sinal. Esta potência de limiar é dada por: PBrillouin = 4,4 . 10-3 . d2 . 2 . f .  [watts] Onde: d [mm] é o diâmetro do núcleo da fibra  [m] é o comprimento da onda de operação f [dB/Km] é a atenuação da fibra  [GHz] é a largura de faixa da fonte luminosa Proteção contra radiação óptica Os amplificadores ópticos, principalmente os de potência devem possuir um controle automático de desligamento ou redução da potência do laser de bombeamento em caso de ausência de potência de entrada. Isto é necessário para que eventuais operadores de sistema ou técnicos de reparação de cabos não sofram danos devido a alta potência óptica emitida por estes amplificadores. Supervisão A supervisão de um amplificador de potência, pode ser feita de maneira similar ao que é feito no equipamento de transmissão, como ilustrado na figura 19.Em geral cada fabricante possui uma interface proprietária para supervisão destes equipamentos. Porém o sistema de supervisão deve estar preparado para comunicação com níveis superiores de gerenciamento (Q3). Os alarmes que devem ser supervisionados no Amplificador de Potência são: queda de sinal de entrada, queda de potência de bombeio e queda de tensão de alimentação.
  53. 53. Página 53 / 66 Figura 19 Esquema para Supervisão de Amplificador Óptico Enlaces com Amplificador de Potência e Pré-Amplificador Quando um Amplificador de Potência não é suficiente para vencer as perdas do enlace, a opção preferencia é a do acréscimo de um Pré-Amplificador no lado oposto do enlace, como mostrado na figura 20. PT P'T (UC Lt) (UCON NCON) P'R PR (US NS) Figura 20 Enlace com Amplificador de Potência e Pré-Amplificador Orçamento de potência com amplificador e Pré-Amplificador O orçamento de potência deve atender a seguinte equação: P' T - NCON UCON - NS US - UC Lt - P'R - M  0 Exemplo 2 Considere o exemplo 1 porém com Lt = 180 Km e P'R = - 42 dBm (sensibilidade), neste caso NS = 36 (180/5). Qual o novo valor para P'T ?. Tx SSX Sistema de Supervisão local p/centralizado TX amplificador Pré-amplificador de potência RX
  54. 54. Página 54 / 66 Resolvendo a equação acima obtemos: P'T  11,6 dBm. Este resultado indica um amplificador com potência de saída de 13 dBm. Considerações práticas Os Pré-Amplificadores utilizam em sua configuração interna um componente óptico chamado de filtro óptico. Sua função é filtrar , ou reduzir as potências de ASE e de bombeamento que podem estar presentes na saída do amplificador. A necessidade de filtros ópticos sintonizáveis em geral eleva o custo do Pré-amplificador em relação ao Amplificador de Potência. A sensibilidade do Pré-amplificador (P'R) quando não citada pelo fabricante pode ser calculada utilizando-se a seguinte fórmula: P'R = (PR + GAOF - PAOF) A escolha do comprimento de onda de sinal não é crítica dentro da banda de amplificação, mesmo que, como é o caso dos Pré-Amplificadores que trabalham com baixo sinal de entrada, onde o ganho é bastante dependente do comprimento de onda. Isto é verdade pois o ganho liquido do Pré-Amplificador depende da potência de ASE, e como visto anteriormente a potência de ASE também diminui com a diminuição do ganho. Desta forma a diminuição do ganho é compensada pela diminuição da potência de ASE, e portanto causando menor penalidade de potência. Supervisão Utiliza o mesmo esquema dos Amplificadores de Potência. A figura 21 ilustra o diagrama completo para o enlace com Pré e Amplificador de potência. Figura 21 Supervisão com Pré e Amplificador de potência Enlace com Amplificadores de Linha O uso de um Amplificador de linha é uma situação bastante particular, que pode ocorrer em função de situações geográficas especificas. Como o Amplificador de linha é um Sistema de Supervisão local p/centralizado Tx SSX Sistema p/centralizado de Supervisão local Rx SSX
  55. 55. Página 55 / 66 amplificador óptico, substitui em muitos casos com vantagens, a regeneração elétrica, e se torna particularmente importante com o advento dos sistemas WDM e DWDM principalmente. Orçamento de potência com amplificador de linha O orçamento de potência neste caso, deve atender a seguinte equação: PT - NCON UCON - NS US - UC Lt + GAOF - PR - M  0 Exemplo 3 Considere o exemplo 2 porém com Lt = 200 Km e PT = - 3 dBm , neste caso NS = 40 (200/5). Qual seria o ganho necessário do amplificador para vencer as perdas do enlace? A figura 22 esquematiza o uso do Amplificador de Linha. Resolvendo a equação acima obtemos: GAOF = 28 dB. Figura 22 Enlace utilizando Amplificador de Linha Considerações práticas A utilização do amplificador óptico com baixo sinal de entrada ( - 30 dB) que é a situação típica para uso de um único amplificador de linha deve ser seguida de uma criteriosa escolha do comprimento de onda do sinal, uma vez que para baixo sinal de entrada o amplificador óptico tem seu ganho bastante dependente com o comprimento de onda (como mostrado na figura 12). A melhor posição para instalação do amplificador de linha unitário é entre 40 a 60 % do comprimento do enlace, onde a influência da potência de ASE de saída é bastante minimizada. RX TX amplificador de linha PT PR (UC,Lt) (US,NS) (Ucom,Ncom)
  56. 56. Página 56 / 66 Supervisão Amplificadores de linha devem utilizar supervisão de linha óptica (quando usados em pontos remotos) o que encarece o sistema e o torna mais complexo. A figura 23 ilustra uma configuração tipicamente adotada para supervisão de amplificadores de linha, onde utiliza-se transmissão WDM para o canal de supervisão. Figura 23 Supervisão em Amplificadores de Linha Enlace com Amplificador de Potência, Pré e Amplificadores de linha Enlaces com múltiplos amplificadores são geralmente usados em cabos transoceânicos. Quando vários amplificadores ópticos são concatenados, como mostrado na figura 24, ocorre o acumulo de ruído óptico ou potência de ASE na linha. Este acumulo tem dois efeitos importantes que são: aumento da penalidade e conseqüente elevação do ponto de operação dos amplificadores para a região de saturação de ganho. Por este motivo nestes enlaces prefere-se distanciar os amplificadores em distancias menores de tal forma que eles operem em regiões onde a potência de ASE é menor, de forma a trabalhar com níveis de potência de entrada entre -20 a - 15 dbm para garantir uma boa relação sinal/ruído na linha. PT P'T P'R PR Figura 24 Enlace com Amplificadores de linha Tx Rx AFDE Tx supervisão supervisão processamento Rx Rx Tx Tx Tx Tx Rx Rx Rx AFDE sinal supervisão RX TX Pré-amplificador amplificador de potência amplificador de linha 1 amplificador de linha 2
  57. 57. Página 57 / 66 A seguinte equação poderia ser aplicada para o calculo do orçamento de potência do enlace: P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt + nGAOF - P'R - M  0 Exemplo 4 Calcule o número de amplificadores de linha para um enlace de 500 Km com P'T = 16 dBm, P'R = - 25 dBm (para taxa de 2,5 Gbit/s), NS = 100, GAOF = 25 (Potência de entrada = - 15 dBm) e os demais dados similares ao do exemplo 2. Efetuando os cálculos encontramos que n  3,9 ou n = 4 amplificadores. Considerações práticas Devido as características intrínsecas dos amplificadores a fibra, dopada com Érbio, quando da utilização de amplificadores de linha em cascata ocorre um efeito de concatenação de ganho no enlace. Este efeito é tal que privilegia o comprimento de onda centrado em 15558 nm  2 nm. Portanto este comprimento de onda deverá ser especificado para operação de enlaces com múltiplos amplificadores ópticos. Deve-se avaliar criteriosamente o valor da sensibilidade do Pré-Amplificador frente a presença de potência de ASE acumulada. A Supervisão é feita como nos casos anteriores. Exemplo 5 Consideremos agora um enlace hipotético de 256. Km (distância aproximada entre SMA e PAE por exemplo). Lt = 256 Km (256/4 = 64 emendas) Taxa de transmissão 2,5 Gbit/s Fibra escolhida SM - 9/125 Pirelli Atenuação  = 0.2 dB/Km Dispersão cromática D  18 ps/nm.Km Largura espectral da fonte óptica  = 0,15 nm Equipamentos Ópticos Bosch com PT = 2dBm, PR = - 29 dBm Amplificador de Potência (Booster) da Xtal AO - 48(bom. duplo) P'T = 16 dBm Dispersão máxima TD = 200 nm Viabilização do enlace Pela Atenuação: PT - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M  0 2 - 4.0,5 - 64.0,1 - 0,2.Lt - (- 29) - 3  0
  58. 58. Página 58 / 66 2 - 2 - 6,4 - 0,2.Lt + 29 - 3  0 0,2 Lt = 19,6 Lt = 98 Km Pela Dispersão:   . . 0,31.106 D B Lt L Km t 45 18.2,5.0,15 0,31.106   Conclusão O enlace é inviável tanto pela atenuação como pela d ispersão. Ainda podemos afirmar que o emprego de um Booster e de um Pré-amplificador também não resolveriam o problema. Portanto teremos que utilizar amplificadores de linha. Escolhemos um Amplificador de linha com Ganho de GAOF = 27 dB. Passamos então agora a determinar o número de repetidores de linha necessários no enlace: PT - NCON UCON - NS US - UC Lt + nGAOF - PR - M  0 Considerando 2 conectores por Amplificador: 2 – (4 + 2n)x0,5 - 6,4 - 51,2 + n . 27 + 29 - 3  0 -57,6 + 26n + 26 > 0 26n=>31,6 e n= 1,215 ou 31 + n . 26 - 62,6  0 n  1,215  2 amplificadores de linha O esquemático do enlace ficaria assim: Verificação 2 – 4 (8 connx05 dB;Conn) - 6,4 - 0,2 Lt + 2. 27 + 29 - 3  0 Tx Rx 83 Km 90 Km 83 Km PAE SMA
  59. 59. Página 59 / 66 L Km t 373 0,2 85 13,4    Conclusão Sob o ponto de vista do orçamento de potência o enlace é viável. A utilização dos amplificadores de linha ao longo do enlace implicam na existencia de uma infra-estrutura adequada na rota de transmissão escolhida. Dependendo das circunstâncias,esta infra-estrutura pode não existir ou a sua instalação pode tornar dispendioso o enlace. Vamos verificar então como ficaria o enlace coma a utilização de um único amplificador de linha e a adição na estação de transmissão de um amplificador de potência ou booster . Neste caso usamos a seguinte fórmula: P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt + GAOF - PR - M  0 16 - 2 - 6,4 - 0,2 Lt + 27 - ( - 29 ) - 3  0 0,2 Lt = 72 - 11,4 Lt = 303 Km Conclusão O enlace é também viável com a utilização de um amplificador de linha e um amplificador de potência ( de 16 dBm). Terá que verificar-se agora pela dispersão. Pela Dispersão: Pela dispersão continuaríamos com a mesma limitação de 45 Km, a menos que façamos algumas mudanças ou no tipo da fibra escolhida ou na largura espectral da fonte óptica. Supondo que a fibra é existente, o único recurso que nos sobra é mudar a fonte óptica. Escolhemos então um Laser com densidade espectral  0,1 nm. Então:   . . 0,31.106 D B Lt L Km t 68,8 18.2,5.0,1 0,31.106   Conclusão: Como o enlace fica limitado a 68 Km aproximadamente, devemos utilizar 4 repetidores ao longo da rota.
  60. 60. Página 60 / 66 II.6.2 FIBRA COM DISPERSÃO DESLOCADA As fibras com dispersão deslocada são fibras projetadas para ter dispersão mínima na janela de 1550 nm sendo o valor típico da ordem de 2,5 ps/nm.Km. O uso da fibra com dispersão deslocada pode resolver a primeira vista o problema da dispersão do enlace, porém outros problemas podem advir do uso deste tipo de fibra. Em primeiro lugar estas fibras são mais caras que as convencionais. Em segundo lugar estas fibras potencializam os problemas dos efeitos não lineares já comentados anteriormente (ver pagina 16). Estes efeitos estão presentes na fibra quando o sinal de transmissão (ou os sinais no caso de transmissão WDM) é de potência alta. Portanto quando existe a necessidade de utilização de amplificadores de potência e existem problemas de dispersão a utilização da fibra com dispersão deslocada pode não ser a melhor opção de projeto. Supondo hipoteticamente que no nosso exemplo a fibra disponível seja uma fibra com dispersão deslocada, observamos que agora o enlace ficaria limitado novamente pela atenuação, já que pela atenuação não haveria necessidade de repetição. L Km t 496 2,5.2,5.0,1 0,31.106   II.6.3 FIBRA COMPENSADORA DE DISPERSÃO A fibra compensadora constitui-se em um pequeno trecho de fibra com valor de dispersão negativa e extremamente alta conforme ilustra a figura 25. Este pequeno trecho de fibra compensadora pode ser utilizado em qualquer ponto do enlace para compensar o efeito da dispersão de uma fibra convencional, como mostrado na figura 26. Figura 25 Dispersão da fibra vs Comprimento de Onda 100 50 - 50 - 100 0 Dispersão (ps/.nm.Km) Fibra Convencional Fibra Compensadora Comprimento de onda ( m) 1,3 1,4 1,5 1,6
  61. 61. Página 61 / 66 Figura 26 Utilização da Fibra Compensadora de Dispersão no enlace II.6.4 FIBRA COM GRADE Existe um dispositivo que pode compensar o efeito de dispersão de um enlace de fibra óptica bastando instala- lo em qualquer ponto do enlace, da mesma forma que a fibra compensadora de dispersão. Este dispositivo é uma grade de difração construída num pedaço de fibra, conforme ilustra a figura 27 Figura 27 Esquema de um dispositivo compensador de dispersão As grades construídas no núcleo da fibra óptica tem a dispersão bastante negativa. Estas fibras podem compensar grandes valores de dispersão, porem trabalham dentro de bandas ópticas estreitas (  2 nm), o que significa ser necessário o casamento do comprimento de onda do sinal com o da banda da fibra com grade. Para inserção no enlace as fibras com grade necessitam de um componente conhecido como circulador óptico conforme mostra a figura 28. Figura 28 Método para inserção da fibra com grade no enlace Tx FCD Rx FCD Núcleo da Fibra Pulso alargado Pulso corrigido Grade Tx Rx Circulador Fibra com grade
  62. 62. Página 62 / 66 Modulação Direta vs Modulação Externa Quando um Laser é modulado diretamente sua largura de linha espectral é alargada ("chirp"). Conforme já comentado o alargamento da largura espectral do laser potencializa os problemas de dispersão do enlace. Devido a este efeito o uso de modulação direta é em geral proibitiva em taxas de transmissão acida de 2,5 Gbit/s. Nestes casos a melhor opção para o transmissor óptico é o uso de modulação externa. Na modulação externa um laser monomodo operando com corrente continua, isto é, sem modulação, é acoplado a um modulador externo (eletro-óptico ou ekletro-absortivo). O fato do laser não ser modulado implica em que este preservará sua largura de linha estreita. A modulação do sinal óptico ocorrerá, conforme ilustra a figura 29, no modulador externo, através de efeitos que não causam problemas de alargamento no espectro de sinal. Figura 29 Técnicas de Modulação II.7 WDM (WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEX) ou MULTIPLEXAÇÃO POR COMPRIMENTO DE ONDA A Multiplexação em Comprimento de Onda (WDM) é uma técnica que consiste na transmissão simultânea de várias portadoras ópticas em comprimentos de onda distintos em uma única fibra óptica. A vantagem do uso desta técnica está na economia de fibras ópticas de um cabo e no aumento da capacidade de um sistema, sem aumentar a hierarquia de transmissão. Nas redes urbanas o aumento da capacidade pode ser utilizado para oferecer outros serviços bem como para alugar a capacidade excedente a outras operadoras. Nas rede interurbanas o uso do WDM associado à repetidores ópticos reduz sensivelmente o número de repetidores elétricos necessários, com a conseqüente redução de custos envolvidos na ampliação de sistemas. Atualmente existem equipamentos que utilizam 80 comprimentos de onda em uma mesma fibra empregando a janela de 1550 nm. Se cada transmissor da figura 30 operar em 2,5 Gbit/s com 80 portadoras teríamos uma capacidade final na fibra em torno de 200 Gbit/s. Esta fantástica capacidade em torno de 2,5 milhões de canais de voz ou 10 milhões de canais de vídeo é justificada pela crescente informatização da sociedade que cria cada vez mais novos serviços de telecomunicações. Estima-se que nos próximos anos a demanda por banda crescerá em forma exponencial, considerando o crescimento do tráfego da Internet (estimado em 200 a 500% ao ano), redes múltiplas de múltiplos operadores, novos serviços etc. Por outro lado a utilização de WDM de alta densidade ou DWDM (Dense wavelength division t Direta I LD fibra Externa I t Modulador fibra fibra I t I t t t V V
  63. 63. Página 63 / 66 multiplex), e amplificadores ópticos permite suprir os usuários de CATV com centenas de canais de TV. Os amplificadores ópticos, os mecanismos compensadores de dispersão e as técnicas de WDM são as ferramentas fundamentais para a construção de redes ópticas multi- comprimento de onda, redes estas que permitirão o tráfego de todo tipo de informações simultânea. Figura 30 Utilização da técnica WDM em enlaces de longa distância e em CATV Na utilização de técnicas WDM ou DWDM além dos clássicos efeitos de Atenuação e Dispersão deve ser considerado mais um efeito denominado Four Wave Mixing (FWM) ou Mistura de Quatro Ondas, que é um efeito não-linear introduzido pela potência elevada utilizada nos laser's, gerando novas freqüências que reduzem a potência transmitida e introduzem ruído de diafonia. A figura 31 ilustra o efeito FWM. Figura 31 Four Wave Mixing Txs Rx 1 2 n Spliter ou WDM 1 2 P P 21 - 2 22 - 1
  64. 64. Página 64 / 66 Redes Ópticas Multi-Comprimento de Onda O uso de amplificadores ópticos, compensadores de dispersão e técnicas WDM e DWDM, são fundamentais para a construção de redes ópticas multi-comprimento de onda. Estas redes permitirão o tráfego de todo tipo de informações simultâneas em vários comprimentos de onda. Todas estas redes encontram-se disponíveis hoje no mercado inclusive os "add-drops e cross-conect" ópticos. O "add-drop", tem como função retirar da rede em um dado ponto um comprimento de onda específico e deixar passar o restante, como ilustrado na figura 32. Deve permitir também a reinserção deste mesmo comprimento de onda na rede com outras informações neste mesmo ponto. O "cross-conect" óptico tem a função de permitir o chaveamento de comprimentos de onda distintos entre redes paralelas, como mostrado na figura 33. A figura 34 ilustra uma rede na qual estes tipos de componentes são usados para formar uma rede multi-comprimento de onda. Saliente-se que os amplificadores utilizados nestas redes devem possuir "ganho plano" para que os comprimento de onda presentes na rede tenham sua potência equalizada. Figura 32 Add-Drop Óptico Figura 33 Cross-connect óptico Rx Tx 1 n n 1 2
  65. 65. Página 65 / 66 Figura 34 Uma rede multi-comprimento de onda com seus componentes principais TPs – TRABALHOS PRÁTICOS TP 1 Tema proposto para o TP1: Planejamento e viabilização de um enlace óptico através de repetidoras-costa-a-costa Considerando um enlace hipotético de 500 Km (distância aproximada entre SANTANA DO LIVRAMENTO e PORTO ALEGRE como exemplo).Considere emendas a cada 4 Km e Taxa de transmissão de 155,52 Mbit/s sobre STM_1 (SDH). A Fibra escolhida é similar a SM - 9/125 da Pirelli porém com Atenuação α = 0,3 dB/Km, Dispersão cromática D ≤ 20 ps/nm.Km e largura espectral da fonte óptica Δλ = 0,15 nm. Considere ainda Equipamentos Ópticos com PTmax = 0 dBm, PRmin = - 30 dBm para STM_1 , e dispersão máxima TD = 200 nm. Considerando-se rolos de cabos ópticos com 4 Km de comprimento, taxas de transmissão ao nível elétrico de 155,52 Mbit/s para STM_1 (SDH). Verifique a viabilização do enlace tanto pela atenuação quanto pela dispersão para o caso A. Caso o enlace não seja viável verificar a possibilidade do emprego de: A) Repetidoras Costa-a-Costa, determinando quantas seriam necessárias e qual a distância entre elas? Desenhe a solução registrando o número da repetidora e a distancia entre elas. 2 1 Add-Drop AOF
  66. 66. Página 66 / 66 TP 2 Tema proposto para o TP2: Planejamento e viabilização de um enlace óptico utilizando-se um booster e um pré-amplificador óptico. Considerando um enlace hipotético de 500 Km (distância aproximada entre SANTANA DO LIVRAMENTO e PORTO ALEGRE como exemplo).Considere emendas a cada 4 Km e Taxa de transmissão de 155,52 Mbit/s sobre STM_1 (SDH). A Fibra escolhida é similar a SM - 9/125 da Pirelli porém com Atenuação α = 0,3 dB/Km, Dispersão cromática D ≤ 20 ps/nm.Km e largura espectral da fonte óptica Δλ = 0,15 nm. Considere ainda Equipamentos Ópticos com PTmax = 0 dBm, PRmin = - 30 dBm (para STM-1), e dispersão máxima TD = 200 nm. Considerando-se rolos de cabos ópticos com 4 Km de comprimento, taxas de transmissão ao nível elétrico de 155,52 Mbit/s para STM_1 (SDH). Verifique a viabilização do enlace tanto pela atenuação quanto pela dispersão para o caso B especificado abaixo. Caso o enlace não seja viável verificar a possibilidade do emprego de: B) Um Booster com especificação de Amplificador de Potência (booster) da Xtal AO - 48(bom. duplo) e PT = 16 dBm e também de um Pré-amplificador cujo ganho necessário deve ser especificado para este pré-amplificador? TP 3 Tema proposto para o TP3: Planejamento e viabilização de um enlace com amplificadores ópticos de linha Considerando um enlace hipotético de 500 Km (distância aproximada entre SANTANA DO LIVRAMENTO e PORTO ALEGRE como exemplo).Considere emendas a cada 5 Km e Taxa de transmissão de 622,08 Mbit/s sobre STM_4 (SDH). A Fibra escolhida é similar a SM - 9/125 da Pirelli porém com Atenuação α = 0,25 dB/Km, Dispersão cromática D = 18 ps/nm.Km e largura espectral da fonte óptica Δλ = 0,20 nm. Considere ainda Equipamentos Ópticos com PTmax = 2 dBm, PRmin = - 35 dBm (para STM-4). Considerando-se rolos de cabos ópticos com 5 Km de comprimento, taxas de transmissão ao nível elétrico de 622,08 Mbit/s para STM_4 (SDH). Verifique a viabilização do enlace tanto pela atenuação quanto pela dispersão para o caso C. Caso o enlace não seja viável verificar a possibilidade do emprego de: C) Utilização de n amplificadores de linha (com Ganho GAOF = 20 dB). Determine qual o número n de amplificadores de linha necessários para viabilizar o enlace hipotético?

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