Redes fibras ópticas

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Faculdade de Engenharia
Fibras Ópticas
OpE - MIB 2007/2008

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OpE 0708
FibOpt 2
Faculdade de EngenhariaIntrodução: Sistemas de Comunicação por Fibra Óptica
Perspectiva histórica
• A luz tem sido usada em sistemas de comunicação em linha de vista desde a Antiguidade
• Avanços importantes para este tipo de sistemas ocorreram nos finais do séc. XVIII início do séc.
XIX
• Transmissão guiada de luz por fibras ópticas tornou-se realidade no início da década de 1970
• Outras invenções, em particular o LASER, foram de importância vital

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OpE 0708
FibOpt 3
Sistemas de comunicação óptica em linha de vista
• 1791: Telégrafo óptico de Chappe
Claude Chappe demonstrou um sistema de sinalização baseado num par de braços de
madeira, móveis, instalados no alto de torres localizadas no topo de montes ou colinas
• 1869: Heliógrafo de espelhos de Mance
Adaptado por Henry C. Mance, a partir do heliógrafo inventado por Gauss em 1810, o
sistema era constituído por um obturador e dois espelhos: um para colectar a luz solar
e o outro para direccionar o feixe de luz. Usado pelos ingleses na Índia até 1890.
• 1880: Fotofone de Bell
Aparelho construído por Alexander Bell, onde um feixe de luz modulado pela voz do
utilizador era usado para comunicação com o receptor, onde uma célula de selénio
convertia os sinais ópticos em eléctricos para posterior processamento.

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OpE 0708
FibOpt 4
• Telégrafo óptico de Chappe
1ª Linha a entrar em funcionamento: Paris Lille
Por decreto de 4 de Agosto de 1793, é decidido a construção desta ligação. Os
primeiros ensaios de campo têm lugar em Abril de 1794, sendo a abertura oficial em
Julho desse ano. A linha era composta de 15 estações de retransmissão.
Em 30 de Agosto de 1794, entre as 15h20m e as 15h50m foi comunicado à
Convenção (governo da altura) que o exército francês tinha retomado a cidade de
Condé-sur-l’Escaut aos austríacos. Demorou cerca de 30 m a receber a boa nova!!!
Foi a prova definitiva da validade do telégrafo de Chappe, marcando o início da sua
implementação em larga escala.
Em meados do séc. XIX, a rede englobava mais de 5000 km de extensão,
interligando 29 cidades, e compreendendo 534 estações centralizadas em Paris. O
seu declínio deve-se ao aparecimento do telégrafo eléctrico, inventado por Morse
(1838).

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FibOpt 5
• Heliógrafo de Mance
Demonstrou a sua utilidade nas guerras Anglo-Afegãs, na Índia, nos finais do séc.
XIX, e na guerra dos Boers, na África do Sul, no mesmo período.
O decréscimo progressivo da sua utilização foi também devido à crescente
implantação do telégrafo de Morse. Todavia, mesmo na II Guerra Mundial, tropas
canadianas ainda usaram variantes avançadas deste sistema dada a sua fiabilidade,
portabilidade e segurança inerente na transmissão de mensagens.
Deve-se mencionar que, ainda hoje em dia, em navios e aeroportos, variantes quer
do telégrafo de Chappe quer do heliógrafo de Mance ainda são utilizadas.

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FibOpt 6
• Fotofone de Bell

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OpE 0708
FibOpt 7
Transmissão guiada de luz
• 1841: A experiência de Colladon
Daniel Colladon, um físico suíço, demonstrou nas suas exposições que a luz pode
ser guiada no interior de um jacto de água curvo
• 1966: Proposta de guias de onda em vidro com baixas perdas
Charles Kao e George Hockham concluiram que as perdas no vidro eram devidas a
impurezas; previram que a transmissão de luz era possível se fibras ópticas de vidro
altamente puro fossem fabricadas.
• 1972: Primeira fibra óptica com atenuação inferior a 20 dB/km
Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz da Corning Glass Inc., USA, fabricaram
a primeira fibra com baixa atenuação.
• 1976: Primeiro sistema comercial de fibras ópticas

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OpE 0708
FibOpt 8
• A experiência de Colladon

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OpE 0708
FibOpt 9
Espectro electromagnético usado em comunicações
A invenção do telégrafo por Morse em 1838 deu origem à era das comunicações
eléctricas.
Dado que a quantidade de informação que pode ser transmitida está directamente
relacionada com a frequência da portadora, na qual a informação é impressa, então
um aumento da sua frequência implica, em teoria, um aumento da largura de banda
de transmissão e, em consequência, uma maior capacidade de transmitir
informação. Assim, a tendência em sistemas de comunicação é o uso de frequências
cada vez mais elevadas (ou, equivalentemente, de comprimentos de onda mais
curtos).

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FibOpt 10
Espectro da luz e comprimento de onda
• Comprimento de onda da luz: λ
• A luz pode ser caracterizada em termos do seu comprimento de onda
• Análogo à caracterização de um sinal rádio pela sua frequência
• Expressa-se em mícrons (µm) ou nanómetros (nm)
• Espectro da luz vísível vai desde o ultra-violeta (UV) ao infra-vermelho (IV)
• Sistemas de fibra óptica operam em três zonas do IV: ~820, ~1310 e ~1550 nm
• Estas zonas designam-se por janelas
200200200200 400400400400 600600600600 800800800800 1000100010001000 1200120012001200 1400140014001400 1600160016001600 1800180018001800
Luz visível
Janelas de operação da fibra óptica

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FibOpt 11
Vantagens da fibra óptica como meio de transmissão:
• Grande largura de banda
• Baixa atenuação
• Tamanho e peso reduzido
• Imunidade a interferências electromagnéticas
• Isolamento eléctrico
• Fiabilidade e facilidade de manutenção
• Matéria-prima abundante e potencial baixo custo
- Enorme largura de banda: a gama de frequências da portadora óptica de 1013 a 1016 Hz resulta num potencial de largura
de banda excedendo, em várias ordens de grandeza, as de condutores metálicos e mesmo de ondas rádio milimétricas.
Apresenta larguras de banda teóricas da ordem de 50 THz, as quais no momento estão longe de serem alcançadas;
- Baixa atenuação: os cabos de fibra óptica, fabricados hoje em dia, apresentam fibras com pequena atenuação (baixas
perdas) quando comparada com meios de transmissão convencionais (cabos metálicos, microondas, etc). Tal permite cobrir
distâncias de transmissão elevadas (da ordem das centenas de quilómetros) sem o auxílio de repetidores ou amplificadores,
reduzindo assim os custos e a complexidade do sistema;
- Tamanho e peso reduzido: o baixo peso e reduzidas dimensões das fibras ópticas (da ordem de um cabelo humano) são
uma vantagem considerável sobre os cabos metálicos. Tal é importante em condutas saturadas nos grandes centros urbanos,
bem como em aviões, navios e satélites;
- Imunidade a interferências electromagnéticas: deriva de ser um meio dieléctrico, donde ser imune a “crosstalk”,
descargas eléctricas (naturais, como relâmpagos, ou provocadas pelo homem) e ruído impulsivo (accionamento de
interruptores, de motores, etc), o que tem particular interesse em aplicações militares;
- Isolamento eléctrico: dado serem constituídas por vidro, o qual é um material isolador eléctrico, não é necessário
cuidados com malhas de terra, curto-circuitos, etc.
- Segurança e privacidade : dado ser um guia de onda em que o sinal óptico é fortemente confinado no interior da sua
estrutura, tem inerente um grau de segurança elevado. Por outro lado, a sua intrusão para fins de escuta é difícil e de
detecção relativamente fácil, o que garante a privacidade e aumenta a segurança;
- Fiabilidade e facilidade de manutenção: resulta essencialmente da sua baixa atenuação, o que implica menos
repetidores ou amplificadores ao longo do sistema, logo maior fiabilidade do mesmo. Além do mais, os dispositivos ópticos
apresentam, hoje em dia, tempos de vida médios de 20 a 30 anos;
- Matéria-prima abundante e potencial baixo custo: resulta do facto de a sílica ser a principal matéria-prima de que é
fabricada a fibra óptica. Ora, a sílica é extraída da vulgar areia, material abundante e barato. Todavia, o seu processo de
fabrico é bastante complexo, logo muito oneroso, e o custo dos componentes activos é elevado, o que torna os sistemas por
fibras ópticas apenas competitivos ou mandatórios apenas em aplicações específicas; é o caso de transmissão a longa
distância, sistemas de muito alto débito, sistemas de comunicação em ambientes adversos, etc.

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FibOpt 12
Desvantagens da fibra óptica como meio de transmissão:
• Junção de fibras pode ser mais difícil e oneroso
• Robustez da fibra, do ponto de vista mecânico, inferior à dos fios de cobre
• Potência limitada das fontes ópticas, o que condiciona a distância coberta
• Inadequação a códigos ternários, i.e., a luz não pode ter valores negativos
• Adaptação complexa a sistemas de múltiplo acesso, limitando o seu uso, por exemplo, em LANs
• Susceptíveis a níveis elevados de ionização
• Incapacidade de transportar energia eléctrica

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OpE 0708
FibOpt 13
Elementos de um sistema de comunicação
Message
Source
Transmitter
Transmission
Channel
Receiver
Message
Destination
A figura representa os elementos fundamentais de um sistema de comunicação:
- Fonte da informação: origem das mensagens a transmitir;
- Transmissor: tem como função converter as mensagens num formato adequado às
características do meio (ou canal) de transmissão;
-Meio de transmissão: é o meio físico que interliga a origem com o destino, ou
seja, faz a ligação entre o transmissor e o receptor; pode ser classificado como
guiado ou não- guiado;
- Receptor: tem a função de extrair do sinal vindo do meio, possivelmente atenuado
e distorcido, a informação transmitida, reconvertendo-a, com o máximo de
fidelidade, nas mensagens originais para serem entregues ao seu destino.

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FibOpt 14
Elementos de um sistema de comunicação por fibra óptica
Os elementos básicos de um sistema de comunicação por fibra óptica são:
- Transmissor óptico: consiste na fonte de luz (LED ou LD) e circuito de
modulação associado;
- Cabo de fibras ópticas: é o cabo que contém as fibras ópticas, garantindo a sua
protecção mecânica e ambiental;
- Receptor óptico: consiste de um fotodetector (PIN ou APD) mais circuito de
amplificação, decisão e regeneração do sinal.
- Juntas e conectores ópticos: a fibra é instalada em troços, sendo necessário a sua
união quer através de juntas quer de conectores. As juntas são uniões permanentes,
enquanto os conectores podem ser temporários ou semi-permanentes.
Componentes adicionais incluem: acopladores ou divisores ópticos;
multiplexadores/desmultiplexadores ópticos; amplificadores ópticos; etc.

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FibOpt 15
Evolução de 5 gerações de sistemas por fibra óptica
A figura mostra a evolução dos sistemas de fibras ópticas, os quais com base nas
suas características (tipo de fibra, janela de transmissão, tipo de dispositivos activos,
etc) são, em geral, classificados em cinco gerações, tendo por base desta
classificação o parâmetro “taxa de transmissão em Gbit/s x distância de
transmissão (1 km)”.
De notar que o desenvolvimento de novas tecnologias e progressos em cada geração
implica sistemas de maior capacidade de transmissão de informação.

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FibOpt 16
Transmissão de informação por sinais ópticos
Como se transmite a informação usando luz?
• Ao invés de sistemas eléctricos, a luz não tem níveis negativos
• Formato tradicional involve “ligar/desligar” (on/off) a fonte óptica para representar sinais
binários “1/0” designa-se por modulação de intensidade
• Outras técnicas recorrem a formatos mais sofisticados modulação coerente

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FibOpt 17
Modulação
SINAL ANALÓGICO
SINAL DIGITAL
PORTADORA
MODULADA
Modulação em Amplitude
AMPLITUDE
FREQUÊNCIA (CICLOS/SEGUNDO)
PORTADORA DE SINAL NÃO MODULADA
SINAL DIGITALSINAL ANALÓGICO
Modulação em Frequência
1 0 0 1 0 1 1 0 1 0
Modulação em Fase
Modulação
Quando um sinal, representando uma mensagem, é impresso ou modulado numa portadora, esta
é alterada de modo a representar a mensagem que se quer transmitir.
Métodos, bem conhecidos, usados para a modulação de um sinal numa portadora são a
modulação em frequência e amplitude (figura acima):
Modulação em amplitude - a amplitude da portadora é alterada de modo a estar de acordo com
o sinal em banda base, mantendo-se constante a frequência da portadora.
Modulação em frequência - neste caso, é a frequência da portadora a ser alterada para reflectir
a mensagem, enquanto que a amplitude da portadora é mantida constante.
Modulação de fase - é um outro método de modulação, onde a fase da portadora é modificada,
afectando a sua frequência enquanto que a amplitude permanece constante.
Da figura podemos ver também que sinais digitais podem modular a portadora. No caso de
canais analógicos, a palavra-chave é "modulação", representada pelo M maiúsculo nas siglas
AM, FM e PM (do inglês "Amplitude Modulation", "Frequency Modulation" e "Phase
Modulation"). No caso de sinais digitais, a norma é adicionar as letras "SK", de "-shift keying"
como em ASK, FSK e PSK. Neste caso representa comutar, alterar (em inglês, "keying") de um
dado valor para um outro, seja em amplitude, frequência ou fase, respectivamente.

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FibOpt 18
Modulação em intensidade
• O formato de modulação mais comum em sistemas por fibra óptica
• Pode ser implementada quer ao nível eléctrico quer ao nível óptico
• Sistemas integrados de modulação com LEDs ou LASERs bem desenvolvidos
• Desenho do receptor relativamente simples
Modulação em intensidade
NÍVEL 2
NIVEL 1
1 0 1 1 0 1 0 0 1
Sinal eléctrico
Sinal óptico

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FibOpt 19
Modulação coerente
• Sistemas de modulação em banda de canal, tais como ASK, FSK ou PSK
• Implementação eléctrica ou óptica, dependendo do tipo de modulação
• Receptores bastante mais complexos
• Melhor sensibilidade do receptor menor potência óptica requerida
• Selecção do canal possível no receptor
Sinal eléctrico
Sinal óptico FSK
Modulação coerente

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OpE 0708
FibOpt 20
Configurações básicas de receptores ópticos
Amplificador de
Frequência
Intermédia (IF)
Equalisador
Oscilador Local
Amplificador de Banda BasePré-amplificador
Amplificador
de Banda Base
a) Receptor de Detecção Directa
b) Receptor Heterodino
Entrada
Saída
Saída
Saída
fLO=fS
fSfIF fLO= | - |
fLO
c) Receptor Homodino
fS
fS
fS
Entrada
Entrada
Pré-amplificador
Pré-amplificador
Oscilador Local
Equalisador
Amplificador de Banda Base Equalisador
O processo de detecção, usado nos receptores ópticos é chamado detecção directa. Conforme sabido, a detecção directa é
basicamente um processo de contagem de fotões, onde cada fotão detectado é convertido numa corrente eléctrica. Este
processo ignora a frequência e a fase da portadora óptica. Assim, para que a frequência ou a fase do sinal óptico sejam
utilizadas pelo receptor, é necessário que haja algum processamento antes da detecção pelo fotodíodo.
Foram desenvolvidas técnicas para melhorar a detecção óptica. A sua base teórica ultrapassa o âmbito desta disciplina;
pode-se, no entanto, dizer que essas técnicas são análogas às que se aplicam nas comunicações de rádio.
O bloco básico para a implementação destas técnicas é um oscilador óptico local, ou seja, um díodo laser, cuja saída é
"misturada" ("mixed") no receptor com o sinal óptico recebido, conforme se pode ver na figura acima. A detecção que
utiliza desta forma um oscilador local é chamada detecção coerente.
Como se conclui da figura, os receptores ópticos podem ser classificados em três categorias básicas:
receptores de detecção directa
receptores heterodinos
receptores homodinos
Num receptor de detecção directa (a) o sinal óptico é convertido directamente no sinal em banda base.
Num receptor heterodino (b), o sinal recebido é misturado com o sinal do oscilador local, por vezes depois de amplificado.
O sinal obtido da diferença das frequências, o chamado sinal de frequência intermédia (IF, intermediate frequency), é
então amplificado e detectado. Note que fIF=|fs-fLO|.
Num receptor homodino (c), a frequência do oscilador local, bem como a sua fase, são controladas de modo a que sejam
sempre iguais à frequência e fase do sinal recebido.
A detecção coerente poderia potencialmente melhorar até 20 dB na sensibilidade do receptor, relativamente à detecção
directa. Deste melhoramento na sensibilidade poderia resultar:
aumento da distância entre repetidores
maiores cadências de transmissão sobre as ligações existentes, sem reduzir a distância entre repetidores
maior saldo de potência para compensar as perdas associadas com os acopladores e os dispositivos WDM
melhor sensibilidade para os equipamentos de teste ópticos, tais como o reflectómetro óptico no domínio temporal
(OTDR, "optical time domain reflectometer").

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OpE 0708
FibOpt 21
Redes de fibra óptica

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OpE 0708
FibOpt 22
Tipos de redes de comunicação
Uma grande variedade de redes de comunicação evoluíram, destacando-se algumas
tais como:
•Redes de longa distância (“trunk networks”)
•Redes metropolitanas
•Redes de acesso
•Redes locais (“LANs”)

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FibOpt 23
Redes de longa distância
• Interligam grandes centros populacionais
• Distâncias involvidas são substanciais (> 100 km)
• Ligações troncas (“trunks”) quase exclusivamente em fibra óptica
• Capacidade muito elevada no mínimo vários Gbit/s
• Resiliência elevada
Cidade A
Cidade B
Cidade C
Cidade D
Ligação de alto débito
(“trunk link”)

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FibOpt 24
Redes metropolitanas
• Confinadas a um único centro populacional / industrial
• Distâncias envolvidas típicas da cidade (~ 10 km)
• Transmissões por ligações quase exclusivamente em fibra óptica
• Capacidade elevada até alguns Gbit/s
• Resiliência elevada
Nodos
Ligações troncas para outras
redes metropolitanas

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OpE 0708
FibOpt 25
Redes de distribuição e de acesso
• Fornecem serviços ao assinante
• Dependendo do tipo de assinante, as
ligações são em fibra ou cobre
(residenciais)
• Distâncias relativamente curtas
• Capacidade média (até 1 Gbit/s)
• Resiliência inexistente
Central telefónica
Armário de
comunicaçõe
s
Assinantes

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FibOpt 26
Redes de área local – LANs
• Curto alcance
• Em geral, são redes privativas
• Usam um misto de fibra – cobre, e possivelmente tecnologia sem fios
• Débitos desde Mbit/s até alguns Gbit/s

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OpE 0708
FibOpt 27
Sistemas móveis de comunicação por fibra óptica
• Operam em ambientes diversos daqueles de sistemas fixos
• Fibras são usadas numa variedade de sistemas com aplicações civis ou militares
• As fibras transportam sinais para veículos robóticos em terra, ar ou água
• As fibras são usadas em mísseis tele-guiados para transmissão de imagens
• As fibras são usadas no interior de veículos, desde automóveis até navios de guerra, passando por
aviões e mesmo a Estação Espacial Internacional
• Vantagens da fibra neste tipo de sistemas: tamanho e peso reduzido, imunidade a interferências
electromagnéticas e grande largura de banda

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