Comunicações ópticas

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Comunicações ópticas

  1. 1. COMUNICAÇÕES ÓPTICAS1
  2. 2. Sumário1. Introdução1.1 Tecnologia para as redes de acesso1.1.1 As redes sem fio1.1.2 xDSL e modem a cabo2. Redes de computadores2.1 Classificação da rede quanto a distância2.1.1 Rede Local2.1.2 Rede Metropolitana2.1.3 Rede de Longa Distância2.2 Linhas de comunicação – tipos de ligação física2.2.1 Formas de utilização da linha2
  3. 3. Sumário3. Fibras Ópticas3.1 Perspectiva Histórica3.2 Fatores que podem afetar a transmissão de luz em um sistemas decomunicações ópticas4. Composição da Fibra Óptica4.1 Óptica Geométrica na Fibra4.1.1 Refração4.1.2 Reflexão4.1.3 Velocidade4.1.4 Largura de Banda3
  4. 4. Sumário5. Tipos de Fibra5.1 Fibra Multimodo5.1.1 Fibra Multimodo de Índice Degrau5.1.2 Fibra Multimodo de Índice Gradual5.2 Fibra Monomodo5.2.1 Composição da Fibra Monomodo5.2.2 Diâmetro de campo de modo de Fibra Monomodo5.2.3 Área Efetiva6. Atenuação Espectral da Fibra7. Janelas de Telecomunicações4
  5. 5. Sumário8. Mecanismos de Perda de Ligação8.1 Micro-curvaturas e Macro-curvaturas8.2 Dispersão8.2.1 Dispersão Modal8.2.2 Dispersão Cromática8.2.3 Dispersão por Modo de Polarização9. Sistemas de Comunicação Óptico9.1 Transmissor9.2 Fontes Ópticas5
  6. 6. Sumário10. Modulador Óptico10.1 Modulação Direta10.2 Modulação Externa10.2.1 Modulação Externa: a estrutura do modulador Mach-Zender11. Receptores Ópticos11.1 Fotodetectores12. Conclusões6
  7. 7. 1.INTRODUÇÃO Desde o surgimento da Internet, a demanda por serviços de alta velocidadevem aumentando, devido à popularidade da rede mundial. Linhas telefônicas começaram a ficar saturadas com o tráfego provocadopelo acesso discado à Internet, e o aumento do número de linhas, além derequerer grandes investimentos, não resolveria o problema. As redes de telecomunicações podem ser classificadas, de acordo com aescala, em redes geograficamente distribuídas (Wide Area Networks —WANs), redes metropolitanas (Metro Area Networks — MANs) e redeslocais (Local Area Networks — LANs)7
  8. 8. 1.INTRODUÇÃO As redes de telecomunicações podem ser classificadas, de acordo com aescala, em redes geograficamente distribuídas (Wide Area Networks —WANs), redes metropolitanas (Metro Area Networks — MANs) e redeslocais (Local Area Networks — LANs)8Representação das redes de acesso como gargalo da Internet
  9. 9. 1.1 Tecnologias para as redesde acesso9 Sem fio xDSL, modem a cabo e fibra óptica.
  10. 10. 1.1.1 As redes sem fio As redes sem fio possuem o menor custo de implantação dentre ascategorias citadas e são representadas pelas tecnologias WiFi e WiMAX. A implementação desse tipo de rede está se tornando cada vez maiscomum, não só nos ambientes domésticos e empresariais, mas tambémem locais públicos (bares, lanchonetes, shoppings, livrarias, aeroportos,etc), devido ao curto alcance ela se torna restrita a pequenos nichos . Devido ao curto alcance, a tecnologia WiFi tem aplicação restrita aaplicações de escala restrita, tais como parques, livrarias e aeroportos.10
  11. 11. 1.1.1 As redes sem fio11 Tecnologia WiMAX foi definida em abril de 2002. Ela provê uma taxade 70 Mbps em um raio de 5 km. No Brasil, esta tecnologia foi implantada em algumas regiões, como, porexemplo, na cidade de Mangaritiba (Rio de Janeiro) e Parintins(Amazonas) [9]-[11]. Apesar das implementações recentes terem obtido sucesso, o WiMAXnão tem tido um grande desenvolvimento em grandes centros urbanosdevido a concorrência com o DSL e modem a cabo. A tendência é que a tecnologia fixe seu nicho em zonas rurais, onde ocabeamento não seja viável economicamente.
  12. 12. 1.1.2 xDSL e modem a cabo A Linha Digital de Assinante, xDSL, é uma tecnologia baseada no fatode que os cabos de cobre das linhas telefônicas conectam praticamentetodas as residências e áreas empresariais com uma central telefônica. De forma similar às companhias telefônicas, as empresas de TV a caboencontraram uma forma de prover acesso banda larga a seus usuáriosatravés da tecnologia Modem a Cabo. Atualmente, as operadoras de TV a cabo estão competindo com ascompanhias telefônicas pelos usuários residenciais que cada vez maispedem banda para acessar a internet em alta velocidade.12
  13. 13. 2. Redes de Computadores Um conjunto de computadores autônomos interconectados por uma únicatecnologia. Dois computadores estão interconectados quando podem trocarinformações. A conexão não precisa ser feita por um fio de cobre; também podem serusadas fibras ópticas, microondas, ondas de infravermelho e satélites decomunicações. A tecnologia de transmissão das LANs quase sempre consiste em um cabo,ao qual todas as maquinas estão conectadas, como acontece com as linhastelefônicas compartilhadas que eram utilizadas em áreas rurais.13
  14. 14. 2.1. Classificação da rede quanto àdistância Rede Local - LAN (Local Área Network) Rede Metropolitana MAN Rede de Longa Distância - Também chamada de Rede GeograficamenteDistribuída14
  15. 15. 2.1.1 Rede Local As redes locais, muitas vezes chamadas LANs, são redes privadascontidas em um único edifício ou campus universitário com ate algunsquilômetros de extensão. Elas são amplamente usadas para conectar computadores pessoais eestações de trabalho em escritórios e instalações industriais deempresas, permitindo o compartilhamento de recursos (por exemplo,impressoras) e a troca de informações. As LANs tem três características que as distinguem de outros tipos deredes: (1) tamanho, (2) tecnologia de transmissão e (3) topologia.15
  16. 16. 2.1.1 Rede Local As LANs de difusão admitem diversas topologias. Em uma rede de barramento (isto e, um cabo linear), em qualquer instante nomaximo uma maquina desempenha a função de mestre e pode realizar umatransmissão. Nesse momento, as outras maquinas serão impedidas de enviar qualquer tipo demensagem. Então, será preciso criar um mecanismo de arbitragem para resolver conflitosquando duas ou mais maquinas quiserem fazer uma transmissãosimultaneamente.Barramento:16
  17. 17. 2.1.1 Rede Local Um segundo tipo de sistema de difusão é o anel; Em um anel, cada bit se propaga de modo independente, sem esperarpelo restante do pacote ao qual pertence. Em geral, cada bit percorre todo o anel no intervalo de tempo em quealguns bits são enviados, muitas vezes ate mesmo antes de o pacote tersido inteiramente transmitido. Assim como ocorre em todos os outros sistemas de difusão, existe anecessidade de se definir alguma regra para arbitrar os acessossimultâneos ao anel. São usados vários métodos, como fazer asmaquinas adotarem turnos.17
  18. 18. 2.1.1 Rede Local18 ANEL
  19. 19. 2.1.2 Rede Metropolitana Uma rede metropolitana, ou MAN, abrange uma cidade. O exemplomais conhecido de uma MAN e a rede de televisão a cabodisponível em muitas cidades. Uma rede metropolitana baseada na TV a cabo:19
  20. 20. 2.1.3 Rede de Longa Distância Uma rede geograficamente distribuída, ou WAN (wide áreanetwork), abrange uma grande área geográfica, com frequência umpais ou continente. Ela contem um conjunto de maquinas cuja finalidade e executar osprogramas (o u seja, as aplicações) do usuário. Na maioria das redes geograficamente distribuídas, a sub-redeconsiste em dois componentes distintos: linhas detransmissão(transportam os bits entre as maquinas) e elementos decomutação(são computadores especializados que conectam três oumais linhas de transmissão).
  21. 21. 2.2 Linhas de Comunicação -Tipos de Ligação física Na organização dos enlaces físicos num sistema , encontramos diversasformas de utilização das linhas de comunição. As ligações físicas podemser de dois tipos: ponto a ponto ou multiponto. Ligações ponto a ponto caracterizam-se pela presença de apenas doispontos de comunicação, um em cada extremidade do enlace ou ligação. Nas ligações multiponto observa-se a presença de três ou maisdispositivos de comunicação com possibilidade de utilização do mesmoenlace.21
  22. 22. 2.2 Linhas de Comunicação - Tiposde Ligação física22
  23. 23. 2.2.1Formas de utilização dalinha Simplex: o enlace é utilizado apenas em um dos dois possíveissentidos de transmissão23
  24. 24. 2.2.1Formas de utilização dalinha Half-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos detransmissão, porém apenas um por vez.24
  25. 25. 2.2.1Formas de utilização dalinha Full-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos detransmissão simultaneamente.25
  26. 26. 3. Fibras Ópticas O surgimento da Fibra Óptica veio alavancar uma grande evoluçãono sistema de comunicação. Através disso, todas as novas tecnologias de comunicação, de ummodo geral, têm adotado as fibras óticas como suporte básico decomunicação, de maneira a melhorar a transmissão de dados, de umamaneira mais rápida e mais segura. Essa transmissão se dá de através da propagação da luz. Acapacidade de transmissão depende essencialmente da estrutura dafibra.26
  27. 27. 3.1Perspectiva HistóricaVANTAGENS: Usos da luz para comunicação Necessidade de comunicações de fibra óptica: O advento do telégrafo A invenção do telefone O desenvolvimento de redes de telefonia: O uso de caboscoaxiais no lugar de pares de fios aumentou a capacidade dosistema de comunicação consideravelmente27
  28. 28. 3.1Perspectiva HistóricaPorém ha desvatangens como: Necessita manter a impedância constante, através de terminadores; É um cabo muito pesado e de difícil de Instalação. Se o cabo quebrar, ou o "T" de interligação estiver com mau contato, arede a partir do ponto falho irá parar.28
  29. 29. Uma figura de mérito comumente usado para a comunicação desistemas óptico é o produto da taxa-bit distância, BL, onde B é ataxa de bits e L é o espaçamento de repetição.293.1Perspectiva Histórica
  30. 30. 3.1Perspectiva Histórica Sistemas de comunicação com taxas BL de 100 Mb/s estavam disponíveis em 1970e foram limitadas a estes valores, devido a limitações fundamentais. Foi realizado durante a segunda metade do século XX um aumento de várias ordensde grandeza no produto BL e ondas ópticas foram utilizados como veículo. Contudo, nem uma fonte óptica coerente nem um adequado meio de transmissãoestava disponível durante a década de 1950 A invenção do laser e sua demonstração em 1960, resolveu o primeiroproblema(fonte óptica coerente). A atenção foi então focada na busca de caminhospara a utilização de luz laser para comunicações ópticas.30
  31. 31. 3.1Perspectiva Histórica A disponibilidade simultânea de compactos ópticos e fontes de fibrasópticas de baixa perda conduziu a um esforço mundial para desenvolversistemas de fibra óptica de comunicação A implantação comercial de sistemas lightwave seguiu a fase de pesquisa edesenvolvimento de perto. O progresso tem sido de fato tão evidente, rápida a partir de um aumento dataxa de bits por um fator de 100.000 ao longo de um período de menos doque 25 anos. As distâncias de transmissão também aumentaram a partir de 10 a 10.000km sobre o mesmo período de tempo31
  32. 32. 3.2 Fatores que podem afetar a transmissãode luz em um sistema de comunicaçõesópticas. São eles: atenuação, largura de banda e dispersão. Atenuação: como o sinal de luz percorre a fibra, perderá óptica devidoa absorção, scatterring e outros, perdas de radiação. Mecanismos responsáveis pela atenuação em fibras ópticas:• – Absorção• – Espalhamento (Scattering)• – Perdas por curvaturas• – Perdas por radiação devido a acoplamento de modos• – Perdas devidas aos ―Leaky-rays‖32
  33. 33.  Largura de banda: Uma vez que o sinal de luz é composta por diferentesfrequências, a fibra vai limitar as frequências mais altas e menor e limita acapacidade de transporte de informações. Dispersão: como o sinal de luz percorre a fibra, os pulsos de luz vão espalharou ampliar e vai limitar a capacidade de carga de informações no bit muito altoou de transmissão muito longas distâncias333.2 Fatores que podem afetar a transmissãode luz em um sistema de comunicaçõesópticas.
  34. 34. 4. Composição da FibraÓptica Uma fibra óptica é composta de uma haste de vidro muito fina, queestá rodeada de um revestimento protetor plástico. A vareta de vidro contém duas partes, a parte interna da haste (ounúcleo) e o circundante camada (ou revestimento). Luz, que é injetado no núcleo da fibra de vidro, seguirá o caminhofísico do que fibra devido a reflexão interna total da luz entre onúcleo e o revestimento.34
  35. 35. 4. Composição da FibraÓptica35
  36. 36. 4.1 Óptica Geométrica naFibra Um raio de luz entra em uma fibra em um pequeno angulo alfa - o valormaximo aceitável do cabo de fibra para receber a luz através de seunúcleo é determinada pela sua abertura numérica (NA) NA = senα(n1 ² - n2²)1/2 Onde α0 é o ângulo maximo de aceitação, n1índice de refração do núcleo e n2 o índice de refração do revestimento36
  37. 37. 4.1 Óptica Geométrica na Fibra A propagação de um raio de luz na fibra óptica segue a Lei de Snell -Descartes. Uma porção da luz é guiada através da fibra óptica, quando injetada nocone de aceitação da fibra. Refração: é a curvatura de um raio de luz numa entre dois meiosdiferentes de transmissão Reflexão: a reflexão é a mudança abrupta de um raio de luz em umainterface entre dois meios de transmissão diferentes37
  38. 38. 4.1.1 Refração Se α >α0, então o raio refratado totalmente e não é capturado pelonúcleo.38
  39. 39. 4.1.2 Reflexão Neste caso, o raio de luz retorna ao meio a partir do qual se originou seα<0 e, em seguida, o raio é refletido e permanece no núcleo39
  40. 40. 4.1.2 Reflexão Raios de luz entram na fibra em ângulos diferentes e não seguem os mesmoscaminhos. Raios de luz entram no centro do núcleo de fibra em um ângulo muito baixoterá um caminho relativamente direto através do centro da fibra. Raios de luz entram no núcleo da fibra em um ângulo de incidência elevadoou perto da borda externa do núcleo da fibra terão um caminho menosdireto, através da fibra e irão percorrer a fibra mais lentamente. Cada caminho, resultantes de um determinado ângulo de incidência anda emum ponto determinado, e dará origem a um modo. Os modos que viajam ao longo da fibra, cada uma delas é atenuada emalgum grau.40
  41. 41. 4.1.3 Velocidade A velocidade em que a luz viaja através de um meio de transmissão édeterminado pelo índice de refração do meio de transmissão. O índice de refração (n) é um número sem unidade, que representa orazão entre a velocidade da luz no vácuo, para a velocidade da luz nomeio de transmissão. N = c/v, onde n é o índice de refração do meio de transmissão, c é avelocidade da luz no vácuo ( c= 2.99792458x 108) Como regra geral, quanto maior o índice de refração, mais lento serávelocidade do meio de transmissão.41
  42. 42. 4.1.4 Largura de Banda Largura de banda é definida como a largura da faixa de frequência quepode ser transmitido através de uma fibra óptica. A largura de banda determina a capacidade máxima de informaçãotransmitida de um canal, o qual pode ser realizada ao longo da fibra aolongo de uma determinada distância. Largura de banda é expressa em MHz42
  43. 43. 4.1.4 Largura de Banda43Larguras de banda típicas para diferentestipos de fibra.
  44. 44. 5. Tipos de Fibra A fibra é classificada em diferentes tipos (multímodo ou monomodo)com base na maneira em que a luz viaja através da mesma. A fibraestá intimamente relacionada com o diâmetro do núcleo e derevestimento44
  45. 45. 5.1 Fibra Multimodo A fibra multímodo, devido ao seu grande núcleo, permite a transmissãode luz usando caminhos diferentes (vários modos) Por esta fibra razão,a fibra multímodo é bastante sensível à dispersão modal. As principais vantagens de fibra multímodo são a: facilidade deacoplamento para fontes de luz e a outra fibra, menor custo defontes de luz (transmissores) e simplificando a conectorização eemenda de processos. No entanto, sua atenuação relativamente alta e baixa largura debanda limitam a transmissão de luz de curta distância.45
  46. 46. Composição da Fibra Multímodo465.1 Fibra Multimodo
  47. 47. 5.1.1Fibra Multimodo ÍndiceDegrau Fibra Multímodo de Índice Degrau: raios de luz são por meio dereflexão total na fronteira entre o núcleo e o revestimento. O índicede refração é uniforme no núcleo. Fibra multímodo de Índice Degrau tem um diâmetro de núcleo deno mínimo 50um, um diâmetro de revestimento entre 100 e 140ume uma abertura numérica entre 0,2 a 0,547
  48. 48. 5.1.2 Fibra MultímodoÍndice Gradual O núcleo das fibras multímodo de índice gradual possuem umíndice de refração não uniforme, diminuindo gradualmente do eixocentral para o revestimento. Esta variação do índice de refração dos núcleos obriga os raios deluz a se propagar através da fibra de forma senoidal.48
  49. 49. 5.2 Fibra Monomodo A vantagem da fibra monomodo é o seu melhor desempenho emrespeitar a largura de banda e atenuação. O diâmetro reduzido do núcleo da fibra monomodo limita a luz a umúnico modo de propagação, eliminando completamente dispersãomodal. Com dispersão adequada através da compensação de componentes,uma fibra monomodo pode transportar sinal em longas distâncias. A capacidade do sistema pode ser aumentada através da injeção demúltiplos sinais de comprimentos de onda ligeiramente diferentes(multiplexação de divisão de comprimento de onda) em uma fibra.49
  50. 50. 5.2.1 Composição daFibra Monomodo50
  51. 51. 5.2.2 Diâmetro de campo demodo de fibra monomodo O diâmetro de campo de modo (MFD) de fibra monomodo pode serexpresso como a parte da fibra, onde a maior parte da luz energiapassa. O MFD é maior do que o diâmetro do núcleo físico. Ou seja, umafibra com um núcleo físico de 8um pode render um MFD de 9, 5um . Este fenômeno ocorre por causa da luz energia também viaja atravésdo revestimento51
  52. 52. 5.2.2 Diâmetro de campo demodo de fibra monomodo52
  53. 53. 5.2.3 Área Efetiva Área efetiva é outro termo que é usado para definir o diâmetro docampo de modo. A Área efetiva é a área da fibra correspondente ao diâmetro docampo de modo.53
  54. 54. 6. Atenuação espectral dafibra Os dois principais mecanismos de perda de transmissão de luz em fibrasópticas são: a absorção de luz e dispersão Absorção da luz: a luz é absorvida no material da fibra como suaenergia é convertida em calor devido as impurezas de comprimento deonda de ressonância molecular. Espalhamento Rayleigh: também contribui para a atenuação. Provoca adispersão da luz em todas as direções, sendo que uma parte da luzescape pelo núcleo da fibra Uma pequena parte desta energia é retornadapara o núcleo e é denominada retroespalhamento.54
  55. 55. 6. Atenuação espectral dafibra55 Espalhamento de luz frontal (Raman scattering) espalhamento de luz paratrás (espalhamento Brillouin) são dois fenômenos de espalhamentoadicional que podem ocorrer em materiais ópticos sob condições de altapotência
  56. 56. 7. Janelas de telecomunicações• Os principais comprimentos de onda de transmissão detelecomunicações correspondem para os pontos no gráfico, onde aatenuação é, mínima.• Estes comprimentos de onda são conhecidos como as janelas detelecomunicações.56
  57. 57. 7. Janelas detelecomunicações O símbolo OH- identificado no gráfico indica que a comprimentos de ondade 950nm, 1244nm, 1383nm e, na presença de hidrogênio e íonsHIDROXILA no material de cabo de fibra óptica faz um aumento daatenuação. Estes íons são resultado da presença da água que entra no material através docabo ou de um produto químico através da reação do processo de fabricaçãoou como umidade no ambiente. A variação da atenuação com comprimento de onda devido a absorção deágua para o padrão de cabo de fibra monomodo óptico ocorreprincipalmente em torno de 1383nm. Recentes avanços na fabricação processos de cabo de fibra óptica quesuperar a água 1383nm pico e resultaram em fibra de baixa água de pico.57
  58. 58. 8. Mecanismos de perda deligação Para uma extensão de fibra óptica, os efeitos dos componentespassivos e perdas de conexão devem ser adicionados àatenuação inerente da fibra a fim de obter a atenuação de sinaltotal. Esta atenuação (ou perda), para um determinado comprimentode onda, é definida como a razão entre a potência de entrada e apotência de saída da fibra que está sendo medida. Geralmente é expressa em decibéis58
  59. 59. 8. Mecanismos de perda deligação59
  60. 60. 8.1 Micro curvaturas eMacro Curvaturas Micro curvaturas e macro curvaturas são problemas comuns emsistemas de cabos, porque pode induzir a perda de potência dosinal. Micro curvatura ocorre quando o núcleo de fibra desvia do eixo epodem ser causados por defeitos de fabricação, restriçõesmecânicas durante as variações de fibra de poedeiras processo eambiental (Temperatura, umidade ou pressão) durante a vida dafibra. Macro curvatura refere-se a uma grande curva da fibra (com maisde um 2 milímetros de raio).60
  61. 61. O gráfico acima mostra a influência da curvaturaraio (R) sobre a perda de sinal em função do comprimento de onda. Otraço "UC" refere-se a uma fibra ideal sem curvatura.618.1 Micro curvaturas eMacro Curvaturas
  62. 62. 8.2 Dispersão Outro fator que afeta o sinal durante a transmissão é a dispersão. A Dispersão reduz a largura de banda efetiva disponível para transmissão. Existem três tipos principais de dispersão: dispersão modal, a dispersãocromática, e a dispersão por modo de polarização. Dispersão total da Fibra = dispersão modal + dispersão cromática +dispersão por modo de polarização.62
  63. 63. 8.2.1 Dispersão Modal Dispersão modal ocorre normalmente com fibra multimodo. Quando um pulso de luz muito curto é injetado para dentro da fibradentro do numérico abertura, toda a energia não chega ao fim da fibrano ao mesmo tempo. Diferentes modos de oscilação levar a energia para baixo da fibraatravés de caminhos de comprimentos diferentes.63
  64. 64. 8.2.1 Dispersão Modal64
  65. 65. 8.2.2 Dispersão Cromática Dispersão cromática (CD) ocorre porque um pulso de luz écomposta de diferentes comprimentos de onda, cada um viaja comvelocidades diferentes abaixo da fibra. Estas velocidades de propagação diferentes amplia o pulso de luzquando chega ao receptor, reduzindo a relação de sinal-ruído(SR) eaumentando a erros de bits(BER).65
  66. 66. 8.2.2 Dispersão Cromática66
  67. 67. 8.2.2 Dispersão Cromática Dispersão cromática é definida por três parâmetros principais:1. Atraso em um determinado comprimento de onda, expresso em ps.2. O coeficiente de dispersão (D), expresso em ps / nm.3. A inclinação (S), expresso em ps / (nm²*km). Isto corresponde aderivada do coeficiente de dispersão como uma função de comprimento deonda (ou para a inclinação da curva que representa a dispersão como umafunção da distância a um dado comprimento de onda).67
  68. 68. 8.2.2 Dispersão Cromática Tanto o coeficiente de dispersão (padronizado para um quilômetro) e ainclinação são dependentes do comprimento da fibra. Dispersão cromática depende principalmente da fabricaçãoprocesso. Fabricantes de cabos devem levar em conta os efeitos de DispersãoCromática na concepção de diferentes tipos de fibra para diferentesaplicações e com diferentes necessidades.68
  69. 69. 8.2.3 Dispersão por Modo dePolarização. Dispersão de polarização modo (PMD) é uma propriedade básica dafibra monomodo. Afeta o valor da taxa de transmissão. PMD resulta da diferença de velocidades de propagação da energia deum dado comprimento de onda, a qual é dividida em duas polarizaçõesque se encontram em ângulos retos A origem da PMD é a birrefringência das fibras, isto é, a dependênciadas propriedades ópticas da fibra com o plano de oscilaçãoeletromagnético.69
  70. 70. 708.2.3 Dispersão por Modo dePolarização.
  71. 71. 8.3 Efeitos não lineares Ocorrem na fibra óptica devido à potência óptica alta concentrada emuma área pequena: Potência óptica: amplificadores ópticos (P>5dBm); Área: núcleo com diâmetro de μm (A<100 μm2). Na presença de potência óptica alta, a fibra deixa de se comportarcomo um meio passivo, pois seu índice de refração passa a dependerdo nível da potência do sinal71
  72. 72. 8.3 Efeitos não linearesA fibra passa a atuar no sinal, causando: Geração de ruído adicional , Alargamento espectral Geração de novas frequências, Retroespalhamento do sinal Auto modulação de Fase (SPM) - em sistemas mono e multicanal , Modulaçãode Fase Cruzada (XPM) - apenas em sistemas multicanal Espalhamento Brillouin (SBS) - em sistemas mono e multicanal , EspalhamentoRaman (SRS) - apenas em sistemas multicanal Mistura de Quatro Ondas (FWM) - apenas em sistemas multicanal, Instabilidadede Modulação (MI) - em sistemas mono e multicanal72
  73. 73. 9. Sistemas de ComunicaçãoÓptico Independentemente da qual geração óptica pertença um sistemasóptico ele é sempre constituído de três componentes essenciais, queserão detalhados a seguir: transmissor, canal de transmissão ereceptor. O canal de transmissão é a Fibra Óptica; e os outros dois componentes(transmissor e receptor) são projetados para atender as especificidadesdesse tipo de canal73
  74. 74. 9.1 Transmissor O papel de um transmissor óptico é converter o sinal do domínioelétrico para o óptico para possa ser inserido na fibra74
  75. 75. 9.2 Fontes ópticas São as seguintes: Led, laser Led(diodo emissor de luz): Em sua forma mais simples, um LED é uma homojunção ― pn‖polarizada diretamente que emite luz por emissão espontânea(processo conhecido como eletroluminescência). Essa emissão de luz é provocada pela recombinação radiativade pares elétron-lacuna na região de depleção do semicondutor.75
  76. 76. 9.2 Fontes ópticasOutras características de LEDs: Baixa potência de saída, se comparado à produzida pelos lasers; Tempo de resposta de emissão lento, que é o atraso de tempoentre a aplicação de um Pulso de corrente e o início da emissão de luz (este é o fatorque limita a largura de banda de modulação direta de LED); Eficiência quântica normalmente menor que o dos lasers (esteparâmetro está relacionado com a fração de pares elétron-lacunainjetados que se recombinam radiativamente).76
  77. 77. 9.2 Fontes ópticas Os LED podem ser classificados como de emissão de superfície(surface-emitting) ou de emissão lateral (edge-emitting). Esta classificação leva em consideração o seguinte critério:dependendo respectivamente se o LED emite luz de umasuperfície que é paralela ao plano de junção ou de uma bordada região de junção77
  78. 78. 9.2 Fontes ópticas Lasers semicondutores são as fontes de luz mais utilizadas emsistemas de comunicação óptica devido ao desempenho superiorcomparado ao dos LED. Eles emitem luz por emissão estimulada e são essencialmente umamplificador óptico inserido em uma cavidade refletiva que passa porum processo conhecido como bombeio para obter o ganho óptico. Devido às diferenças fundamentais entre emissão estimulada eespontânea, os lasers são capazes de emitir potências mais altas,emitem luz coerente e também possuem um espalhamento angulardo feixe óptico de saída menor que o dos LED o que permiteuma alta eficiência (em torno de 50%) no acoplamento da luzem fibras monomodo.78
  79. 79. 9.2 Fontes ópticas: Devido a suas características, os lasers são usados em sistemas de médias elongas distâncias que utilizam fibras monomodo e que operam a altas taxas detransmissão. O ponto negativo dos lasers é que eles são inerentemente não lineares, o quetorna transmissões analógicas mais difíceis Eles também são muito sensíveis a flutuações na temperatura e na correnteinjetada, que causam alteração do comprimento de onda produzido. Em aplicações WDM (wavelength division multiplexing), a estabilidade dasfontes ópticas é fundamental, o que exige circuitos mais complexos emecanismos de realimentação para detectar e corrigir variações no comprimentode onda.79
  80. 80. 10. Modulador óptico Um dos primeiros passos no projeto de um sistema decomunicação óptica é decidir como o sinal elétrico será convertidoem uma sequência de bits ópticos. Normalmente a saída de uma fonte óptica é modulada aplicando-se o sinal elétrico ou diretamente na fonte óptica (modulaçãodireta) ou a um modulador externo (modulação externa).80
  81. 81. 10.1 Modulação direta A modulação direta de lasers (DML –directly modulated laser) é amaneira mais fácil de imprimir informação sobre uma portadoraóptica. A informação é modulada sobre a corrente de controle do laser,resultando num formato de modulação em intensidade binária.81
  82. 82. 10.1 Modulação direta A principal desvantagem de lasers modulados diretamente paratransmissão de altas taxas de bits em aplicações que não sejam de curtasdistâncias é seu chirp, isto é, a modulação de fase residual acompanhando amodulação em intensidade desejada. O chirp do laser alarga o 16 espectro óptico, o que dificulta a utilização demodulação direta em sistemas DWDM (dense wavelength divisionmultiplexing ), nos quais os canais têm seu espaçamento reduzido. Além disso, o chirp pode conduzir a distorções do sinal intensificadas pelainteração com a dispersão cromática da fibra Atualmente, os lasers modulados diretamente são largamente empregados namodulação de taxas de 2,5 Gb/s e também estão disponíveis para algumasaplicações em 10 Gb/82
  83. 83. 10.2 Modulação externa Moduladores de eletroabsorção (EAM – electroabsorption modulator ) sãoestruturas de semicondutor ―pin‖ cujo limiar de absorção pode ser modulado pelaaplicação de uma tensão externa, dessa forma alterando propriedades de absorçãodo dispositivo. Moduladores de absorção apresentam tensões de comando (ou driving)relativamente baixas (tipicamente 2 V). Desvantagens: Atualmente existem EAM para modulação de taxas de 40 Gb/s ehá demonstrações em pesquisas para taxas de até 80 Gb/s. Entretanto, assimcomo os lasers modulados diretamente, eles produzem um pouco de chirpresidual. Eles possuem características de absorção que dependem do comprimento de onda,suas taxas de extinção (razão entre a máxima e a mínima potência do pulsomodulado) não ultrapassam 10 dB e suas perdas de inserção atingem 10 dB83
  84. 84. 10.2 Modulação externa O modulador Mach-Zehnder (MZM – Mach-Zehnder modulator) éum modulador externo baseado no interferômetro Mach-Zehnder. Esta categoria de modulador faz uso de material eletro-óptico, cujoíndice de refração pode ser alterado pela aplicação de uma tensãoexterna, e de um interferômetro Mach-Zehnder para, utilizando oprincípio de interferências construtivas e destrutivas entre os sinais que sepropagam por cada um de seus braços, produzir modulação emintensidade.84
  85. 85. 10.2.1 Modulação externa : a estrutura doModulador Mach-Zender O sinal óptico que nele chega é dividido por um acoplador de entrada e percorredois guias de onda (os braços do interferômetro). Na ausência de tensão externa, os campos nos dois braços experimentamdeslocamentos de fase idênticos e interferem construtivamente na saída de outroacoplador. O deslocamento de fase adicional introduzido em um dos braços, através de mudançasno índice de refração induzidas por tensão, reduz a natureza construtiva da interferência,reduzindo assim a intensidade transmitida. Quando a diferença a de fase entre os dois braços igual a p, nenhuma luz é transmitidadevido à interferência totalmente destrutiva entre os dois sinais. Dessa forma, a sequência de bits elétricos aplicada ao modulador produz uma réplicaóptica dessa sequência de bits.85
  86. 86. A estrutura do Modulador Mach-Zender8610.2.1 Modulação externa : a estruturado Modulador Mach-Zender
  87. 87. 11. Receptores Ópticos Os receptores ópticos são compostos de um acoplador, um fotodetector e umdemodulador.87
  88. 88. 11. Receptores Ópticos O acoplador focaliza o sinal óptico recebido para a entrada dofotodetector. Os fotodetectores utilizados em sistemas de comunicação são fotodiodossemicondutores devido a sua compatibilidade com as fibras ópticas. Frequentemente, o sinal recebido está na forma de pulsos ópticosrepresentando os bits 0 e 1. No processo denominado detecção direta, o sinal recebido é convertidodiretamente em corrente elétrica.88
  89. 89. 11. Receptores Ópticos A demodulação é realizada por um circuito de decisão que identifica osbits como 0 ou 1, dependendo da amplitude da corrente elétrica. A precisão do circuito de decisão depende da relação sinal-ruído (SNR)do sinal elétrico gerado no fotodetector. A sensibilidade é um dos parâmetros utilizados para se medir odesempenho de um receptor óptico. É usualmente definido como a potência óptica média mínima que deveser recebida no receptor óptico para se garantir uma BER especificada.89
  90. 90. 11. Receptores Ópticos A sensibilidade do receptor depende da SNR, que, por sua vez, dependede várias fontes de ruído que corrompem o sinal recebido. Mesmo em um receptor perfeito, alguns ruídos são introduzidos pelopróprio processo de fotodetecção. A sensibilidade do receptor é determinada para efeito cumulativo detodos os possíveis mecanismos que degradam a SNR no circuito dedecisão. Em geral, isso também depende da taxa de bits, pois a contribuição dealgumas fontes de ruído aumenta proporcionalmente com a largura debanda do sinal. 90
  91. 91. 11.1 Fotodetectores Os tipos predominantes de fotodetectores usados em sistemas decomunicação utilizam o princípio da ionização em um materialsemicondutor, e os outros dispositivos apenas utilizam uma variaçãodeste princípio. Existem três tipos de receptores ópticos, os fotocondutores, osfototransistores e os fotodiodos. Fotodectores são construídos com materiais semicondutores. Os fótons incidentes num semicondutor cedem energia para elétrons nabanda de valência.91
  92. 92. 11.1 Fotodetectores Nos receptores que empregam detecção direta, um fotodetector converte o feixede fótons que chega (feixe de luz) em um feixe de elétrons (corrente elétrica). Essa corrente é então amplificada e passada através de um dispositivocomparador que verifica a presença ou ausência de níveis de corrente – bits ―0‖ e―1‖. Outra forma é a detecção coerente. Nela a informação de fase é usada nacodificação e detecção dos sinais.92
  93. 93. 11.1 Fotodetectores Os receptores baseados nessa técnica utilizam um laser monocromáticocomo oscilador local. O feixe óptico que chega e que está numa freqüência ligeiramentediferente da freqüência do oscilador é combinado com o sinal dooscilador, resultando em um sinal de freqüência diferente. Esse sinal resultante, que está situado na faixa de microondas, éamplificado e fotodetectado. A detecção coerente permite a recepção desinais fracos em meios onde o ruído é significativo. Entretanto, em sistemas ópticos é difícil manter a informação de faserequerida para a detecção coerente93
  94. 94. 12. Conclusões As fibras ópticas são de extrema necessidade nos dias de hoje, devido aum trafego cada vez maior de informações. As rede ópticas de acesso constituem como o maior problema(―gargalo‖) das redes de telecomunicações no cenário mundial,aplicações emergentes como Video on Demand (VoD), High DefinitionTV(HDTV), dentre outras só pode ser obtida com redes ópticas deacesso.94

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