Fibras Ópticas: Comunicações de alta velocidade

Sumário
1. Introdução
1.1 Tecnologia para as redes de acesso
1.1.1 As redes sem fio
1.1.2 xDSL e modem a cabo
2. Redes de computadores
2.1 Classificação da rede quanto a distância
2.1.1 Rede Local
2.1.2 Rede Metropolitana
2.1.3 Rede de Longa Distância
2.2 Linhas de comunicação – tipos de ligação física
2.2.1 Formas de utilização da linha
2

Sumário
3. Fibras Ópticas
3.1 Perspectiva Histórica
3.2 Fatores que podem afetar a transmissão de luz em um sistemas de
comunicações ópticas
4. Composição da Fibra Óptica
4.1 Óptica Geométrica na Fibra
4.1.1 Refração
4.1.2 Reflexão
4.1.3 Velocidade
4.1.4 Largura de Banda
3

Sumário
5. Tipos de Fibra
5.1 Fibra Multimodo
5.1.1 Fibra Multimodo de Índice Degrau
5.1.2 Fibra Multimodo de Índice Gradual
5.2 Fibra Monomodo
5.2.1 Composição da Fibra Monomodo
5.2.2 Diâmetro de campo de modo de Fibra Monomodo
5.2.3 Área Efetiva
6. Atenuação Espectral da Fibra
7. Janelas de Telecomunicações
4

Sumário
8. Mecanismos de Perda de Ligação
8.1 Micro-curvaturas e Macro-curvaturas
8.2 Dispersão
8.2.1 Dispersão Modal
8.2.2 Dispersão Cromática
8.2.3 Dispersão por Modo de Polarização
9. Sistemas de Comunicação Óptico
9.1 Transmissor
9.2 Fontes Ópticas
5

Sumário
10. Modulador Óptico
10.1 Modulação Direta
10.2 Modulação Externa
10.2.1 Modulação Externa: a estrutura do modulador Mach-Zender
11. Receptores Ópticos
11.1 Fotodetectores
12. Conclusões
6

1.INTRODUÇÃO
 Desde o surgimento da Internet, a demanda por serviços de alta velocidade
vem aumentando, devido à popularidade da rede mundial.
 Linhas telefônicas começaram a ficar saturadas com o tráfego provocado
pelo acesso discado à Internet, e o aumento do número de linhas, além de
requerer grandes investimentos, não resolveria o problema.
 As redes de telecomunicações podem ser classificadas, de acordo com a
escala, em redes geograficamente distribuídas (Wide Area Networks —
WANs), redes metropolitanas (Metro Area Networks — MANs) e redes
locais (Local Area Networks — LANs)
7

1.INTRODUÇÃO
 As redes de telecomunicações podem ser classificadas, de acordo com a
escala, em redes geograficamente distribuídas (Wide Area Networks —
WANs), redes metropolitanas (Metro Area Networks — MANs) e redes
locais (Local Area Networks — LANs)
8
Representação das redes de acesso como gargalo da Internet

1.1 Tecnologias para as redes
de acesso
9
 Sem fio
 xDSL,
 modem a cabo e
 fibra óptica.

 As redes sem fio possuem o menor custo de implantação dentre as
categorias citadas e são representadas pelas tecnologias WiFi e WiMAX.
 A implementação desse tipo de rede está se tornando cada vez mais
comum, não só nos ambientes domésticos e empresariais, mas também
em 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 a
aplicações de escala restrita, tais como parques, livrarias e aeroportos.
10

11
 Tecnologia WiMAX foi definida em abril de 2002. Ela provê uma taxa
de 70 Mbps em um raio de 5 km.
 No Brasil, esta tecnologia foi implantada em algumas regiões, como, por
exemplo, na cidade de Mangaritiba (Rio de Janeiro) e Parintins
(Amazonas) [9]-[11].
 Apesar das implementações recentes terem obtido sucesso, o WiMAX
não tem tido um grande desenvolvimento em grandes centros urbanos
devido a concorrência com o DSL e modem a cabo.
 A tendência é que a tecnologia fixe seu nicho em zonas rurais, onde o
cabeamento não seja viável economicamente.

1.1.2 xDSL e modem a cabo
 A Linha Digital de Assinante, xDSL, é uma tecnologia baseada no fato
de que os cabos de cobre das linhas telefônicas conectam praticamente
todas as residências e áreas empresariais com uma central telefônica.
 De forma similar às companhias telefônicas, as empresas de TV a cabo
encontraram uma forma de prover acesso banda larga a seus usuários
através da tecnologia Modem a Cabo.
 Atualmente, as operadoras de TV a cabo estão competindo com as
companhias telefônicas pelos usuários residenciais que cada vez mais
pedem banda para acessar a internet em alta velocidade.
12

2. Redes de Computadores
 Um conjunto de computadores autônomos interconectados por uma única
tecnologia. Dois computadores estão interconectados quando podem trocar
informações.
 A conexão não precisa ser feita por um fio de cobre; também podem ser
usadas fibras ópticas, microondas, ondas de infravermelho e satélites de
comunicações.
 A tecnologia de transmissão das LANs quase sempre consiste em um cabo,
ao qual todas as maquinas estão conectadas, como acontece com as linhas
telefônicas compartilhadas que eram utilizadas em áreas rurais.
13

2.1. Classificação da rede quanto à
distância
 Rede Local - LAN (Local Área Network)
 Rede Metropolitana MAN
 Rede de Longa Distância - Também chamada de Rede Geograficamente
Distribuída
14

2.1.1 Rede Local
 As redes locais, muitas vezes chamadas LANs, são redes privadas
contidas em um único edifício ou campus universitário com ate alguns
quilômetros de extensão.
 Elas são amplamente usadas para conectar computadores pessoais e
estações de trabalho em escritórios e instalações industriais de
empresas, permitindo o compartilhamento de recursos (por exemplo,
impressoras) e a troca de informações.
 As LANs tem três características que as distinguem de outros tipos de
redes: (1) tamanho, (2) tecnologia de transmissão e (3) topologia.
15

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 no
maximo uma maquina desempenha a função de mestre e pode realizar uma
transmissão.
 Nesse momento, as outras maquinas serão impedidas de enviar qualquer tipo de
mensagem.
 Então, será preciso criar um mecanismo de arbitragem para resolver conflitos
quando duas ou mais maquinas quiserem fazer uma transmissão
simultaneamente.
Barramento:
16

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 esperar
pelo restante do pacote ao qual pertence.
 Em geral, cada bit percorre todo o anel no intervalo de tempo em que
alguns bits são enviados, muitas vezes ate mesmo antes de o pacote ter
sido inteiramente transmitido.
 Assim como ocorre em todos os outros sistemas de difusão, existe a
necessidade de se definir alguma regra para arbitrar os acessos
simultâneos ao anel. São usados vários métodos, como fazer as
maquinas adotarem turnos.
17

2.1.2 Rede Metropolitana
 Uma rede metropolitana, ou MAN, abrange uma cidade. O exemplo
mais conhecido de uma MAN e a rede de televisão a cabo
disponível em muitas cidades.
 Uma rede metropolitana baseada na TV a cabo:
19

2.1.3 Rede de Longa Distância
 Uma rede geograficamente distribuída, ou WAN (wide área
network), abrange uma grande área geográfica, com frequência um
pais ou continente.
 Ela contem um conjunto de maquinas cuja finalidade e executar os
programas (o u seja, as aplicações) do usuário.
 Na maioria das redes geograficamente distribuídas, a sub-rede
consiste em dois componentes distintos: linhas de
transmissão(transportam os bits entre as maquinas) e elementos de
comutação(são computadores especializados que conectam três ou
mais linhas de transmissão).

2.2 Linhas de Comunicação -
Tipos de Ligação física
 Na organização dos enlaces físicos num sistema , encontramos diversas
formas de utilização das linhas de comunição. As ligações físicas podem
ser de dois tipos: ponto a ponto ou multiponto.
 Ligações ponto a ponto caracterizam-se pela presença de apenas dois
pontos de comunicação, um em cada extremidade do enlace ou ligação.
 Nas ligações multiponto observa-se a presença de três ou mais
dispositivos de comunicação com possibilidade de utilização do mesmo
enlace.
21

2.2 Linhas de Comunicação - Tipos
de Ligação física
22

2.2.1Formas de utilização da
linha
 Simplex: o enlace é utilizado apenas em um dos dois possíveis
sentidos de transmissão
23

linha
 Half-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos de
transmissão, porém apenas um por vez.
24

linha
 Full-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos de
transmissão simultaneamente.
25

3. Fibras Ópticas
 O surgimento da Fibra Óptica veio alavancar uma grande evolução
no sistema de comunicação.
 Através disso, todas as novas tecnologias de comunicação, de um
modo geral, têm adotado as fibras óticas como suporte básico de
comunicação, de maneira a melhorar a transmissão de dados, de uma
maneira mais rápida e mais segura.
 Essa transmissão se dá de através da propagação da luz. A
capacidade de transmissão depende essencialmente da estrutura da
fibra.
26

3.1Perspectiva Histórica
VANTAGENS:
 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 cabos
coaxiais no lugar de pares de fios aumentou a capacidade do
sistema de comunicação consideravelmente
27

Porém 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, a
rede a partir do ponto falho irá parar.
28

Uma figura de mérito comumente usado para a comunicação de
sistemas óptico é o produto da taxa-bit distância, BL, onde B é a
taxa de bits e L é o espaçamento de repetição.
29

 Sistemas de comunicação com taxas BL de 100 Mb/s estavam disponíveis em 1970
e foram limitadas a estes valores, devido a limitações fundamentais.
 Foi realizado durante a segunda metade do século XX um aumento de várias ordens
de grandeza no produto BL e ondas ópticas foram utilizados como veículo.
 Contudo, nem uma fonte óptica coerente nem um adequado meio de transmissão
estava disponível durante a década de 1950
 A invenção do laser e sua demonstração em 1960, resolveu o primeiro
problema(fonte óptica coerente). A atenção foi então focada na busca de caminhos
para a utilização de luz laser para comunicações ópticas.
30

 A disponibilidade simultânea de compactos ópticos e fontes de fibras
ópticas de baixa perda conduziu a um esforço mundial para desenvolver
sistemas de fibra óptica de comunicação
 A implantação comercial de sistemas lightwave seguiu a fase de pesquisa e
desenvolvimento de perto.
 O progresso tem sido de fato tão evidente, rápida a partir de um aumento da
taxa de bits por um fator de 100.000 ao longo de um período de menos do
que 25 anos.
 As distâncias de transmissão também aumentaram a partir de 10 a 10.000
km sobre o mesmo período de tempo
31

3.2 Fatores que podem afetar a transmissão
de luz em um sistema de comunicações
ópticas.
 São eles: atenuação, largura de banda e dispersão.
 Atenuação: como o sinal de luz percorre a fibra, perderá óptica devido
a 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

 Largura de banda: Uma vez que o sinal de luz é composta por diferentes
frequências, a fibra vai limitar as frequências mais altas e menor e limita a
capacidade de transporte de informações.
 Dispersão: como o sinal de luz percorre a fibra, os pulsos de luz vão espalhar
ou ampliar e vai limitar a capacidade de carga de informações no bit muito alto
ou de transmissão muito longas distâncias
33
3.2 Fatores que podem afetar a transmissão
de luz em um sistema de comunicações
ópticas.

4. Composição da Fibra
Óptica
 Uma fibra óptica é composta de uma haste de vidro muito fina, que
está rodeada de um revestimento protetor plástico.
 A vareta de vidro contém duas partes, a parte interna da haste (ou
núcleo) e o circundante camada (ou revestimento).
 Luz, que é injetado no núcleo da fibra de vidro, seguirá o caminho
físico do que fibra devido a reflexão interna total da luz entre o
núcleo e o revestimento.
34

4. Composição da Fibra
Óptica
35

4.1 Óptica Geométrica na
Fibra
 Um raio de luz entra em uma fibra em um pequeno angulo alfa - o valor
maximo aceitável do cabo de fibra para receber a luz através de seu
núcleo é determinada pela sua abertura numérica (NA)
 NA = senα(n1 ² - n2²)1/2 Onde α0 é o ângulo maximo de aceitação, n1
índice de refração do núcleo e n2 o índice de refração do revestimento
36

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 no
cone de aceitação da fibra.
 Refração: é a curvatura de um raio de luz numa entre dois meios
diferentes de transmissão
 Reflexão: a reflexão é a mudança abrupta de um raio de luz em uma
interface entre dois meios de transmissão diferentes
37

4.1.1 Refração
 Se α >α0, então o raio refratado totalmente e não é capturado pelo
núcleo.
38

4.1.2 Reflexão
 Neste caso, o raio de luz retorna ao meio a partir do qual se originou se
α<0 e, em seguida, o raio é refletido e permanece no núcleo
39

4.1.2 Reflexão
 Raios de luz entram na fibra em ângulos diferentes e não seguem os mesmos
caminhos.
 Raios de luz entram no centro do núcleo de fibra em um ângulo muito baixo
terá um caminho relativamente direto através do centro da fibra.
 Raios de luz entram no núcleo da fibra em um ângulo de incidência elevado
ou perto da borda externa do núcleo da fibra terão um caminho menos
direto, através da fibra e irão percorrer a fibra mais lentamente.
 Cada caminho, resultantes de um determinado ângulo de incidência anda em
um ponto determinado, e dará origem a um modo.
 Os modos que viajam ao longo da fibra, cada uma delas é atenuada em
algum grau.
40

4.1.3 Velocidade
 A velocidade em que a luz viaja através de um meio de transmissão é
determinado pelo índice de refração do meio de transmissão.
 O índice de refração (n) é um número sem unidade, que representa o
razão entre a velocidade da luz no vácuo, para a velocidade da luz no
meio de transmissão.
 N = c/v, onde n é o índice de refração do meio de transmissão, c é a
velocidade da luz no vácuo ( c= 2.99792458x 108)
 Como regra geral, quanto maior o índice de refração, mais lento será
velocidade do meio de transmissão.
41

 Largura de banda é definida como a largura da faixa de frequência que
pode ser transmitido através de uma fibra óptica.
 A largura de banda determina a capacidade máxima de informação
transmitida de um canal, o qual pode ser realizada ao longo da fibra ao
longo de uma determinada distância.
 Largura de banda é expressa em MHz
42

43
Larguras de banda típicas para diferentes
tipos de fibra.

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 fibra
está intimamente relacionada com o diâmetro do núcleo e de
revestimento
44

5.1 Fibra Multimodo
 A fibra multímodo, devido ao seu grande núcleo, permite a transmissão
de 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 de
acoplamento para fontes de luz e a outra fibra, menor custo de
fontes de luz (transmissores) e simplificando a conectorização e
emenda de processos.
 No entanto, sua atenuação relativamente alta e baixa largura de
banda limitam a transmissão de luz de curta distância.
45

Composição da Fibra Multímodo
46
5.1 Fibra Multimodo

5.1.1Fibra Multimodo Índice
Degrau
 Fibra Multímodo de Índice Degrau: raios de luz são por meio de
reflexão total na fronteira entre o núcleo e o revestimento. O índice
de refração é uniforme no núcleo.
 Fibra multímodo de Índice Degrau tem um diâmetro de núcleo de
no mínimo 50um, um diâmetro de revestimento entre 100 e 140um
e uma abertura numérica entre 0,2 a 0,5
47

5.1.2 Fibra Multímodo
Índice Gradual
 O núcleo das fibras multímodo de índice gradual possuem um
índice de refração não uniforme, diminuindo gradualmente do eixo
central para o revestimento.
 Esta variação do índice de refração dos núcleos obriga os raios de
luz a se propagar através da fibra de forma senoidal.
48

5.2 Fibra Monomodo
 A vantagem da fibra monomodo é o seu melhor desempenho em
respeitar a largura de banda e atenuação.
 O diâmetro reduzido do núcleo da fibra monomodo limita a luz a um
único modo de propagação, eliminando completamente dispersão
modal.
 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 de
múltiplos sinais de comprimentos de onda ligeiramente diferentes
(multiplexação de divisão de comprimento de onda) em uma fibra.
49

5.2.1 Composição da
Fibra Monomodo
50

5.2.2 Diâmetro de campo de
modo de fibra monomodo
 O diâmetro de campo de modo (MFD) de fibra monomodo pode ser
expresso como a parte da fibra, onde a maior parte da luz energia
passa.
 O MFD é maior do que o diâmetro do núcleo físico. Ou seja, uma
fibra com um núcleo físico de 8um pode render um MFD de 9, 5um .
 Este fenômeno ocorre por causa da luz energia também viaja através
do revestimento
51

5.2.2 Diâmetro de campo de
modo de fibra monomodo
52

5.2.3 Área Efetiva
 Área efetiva é outro termo que é usado para definir o diâmetro do
campo de modo. A
 Área efetiva é a área da fibra correspondente ao diâmetro do
campo de modo.
53

6. Atenuação espectral da
fibra
 Os dois principais mecanismos de perda de transmissão de luz em fibras
ópticas são: a absorção de luz e dispersão
 Absorção da luz: a luz é absorvida no material da fibra como sua
energia é convertida em calor devido as impurezas de comprimento de
onda de ressonância molecular.
 Espalhamento Rayleigh: também contribui para a atenuação. Provoca a
dispersão da luz em todas as direções, sendo que uma parte da luz
escape pelo núcleo da fibra Uma pequena parte desta energia é retornada
para o núcleo e é denominada retroespalhamento.
54

6. Atenuação espectral da
fibra
55
 Espalhamento de luz frontal (Raman scattering) espalhamento de luz para
trás (espalhamento Brillouin) são dois fenômenos de espalhamento
adicional que podem ocorrer em materiais ópticos sob condições de alta
potência

7. Janelas de telecomunicações
• Os principais comprimentos de onda de transmissão de
telecomunicações correspondem para os pontos no gráfico, onde a
atenuação é, mínima.
• Estes comprimentos de onda são conhecidos como as janelas de
telecomunicações.
56

7. Janelas de
telecomunicações
 O símbolo OH- identificado no gráfico indica que a comprimentos de onda
de 950nm, 1244nm, 1383nm e, na presença de hidrogênio e íons
HIDROXILA no material de cabo de fibra óptica faz um aumento da
atenuação.
 Estes íons são resultado da presença da água que entra no material através do
cabo ou de um produto químico através da reação do processo de fabricação
ou como umidade no ambiente.
 A variação da atenuação com comprimento de onda devido a absorção de
água para o padrão de cabo de fibra monomodo óptico ocorre
principalmente em torno de 1383nm.
 Recentes avanços na fabricação processos de cabo de fibra óptica que
superar a água 1383nm pico e resultaram em fibra de baixa água de pico.
57

8. Mecanismos de perda de
ligação
 Para uma extensão de fibra óptica, os efeitos dos componentes
passivos e perdas de conexão devem ser adicionados à
atenuação inerente da fibra a fim de obter a atenuação de sinal
total.
 Esta atenuação (ou perda), para um determinado comprimento
de onda, é definida como a razão entre a potência de entrada e a
potência de saída da fibra que está sendo medida.
 Geralmente é expressa em decibéis
58

8. Mecanismos de perda de
ligação
59

8.1 Micro curvaturas e
Macro Curvaturas
 Micro curvaturas e macro curvaturas são problemas comuns em
sistemas de cabos, porque pode induzir a perda de potência do
sinal.
 Micro curvatura ocorre quando o núcleo de fibra desvia do eixo e
podem ser causados por defeitos de fabricação, restrições
mecânicas durante as variações de fibra de poedeiras processo e
ambiental (Temperatura, umidade ou pressão) durante a vida da
fibra.
 Macro curvatura refere-se a uma grande curva da fibra (com mais
de um 2 milímetros de raio).
60

O gráfico acima mostra a influência da curvatura
raio (R) sobre a perda de sinal em função do comprimento de onda. O
traço "UC" refere-se a uma fibra ideal sem curvatura.
61
8.1 Micro curvaturas e
Macro Curvaturas

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 dispersão
cromática, e a dispersão por modo de polarização.
 Dispersão total da Fibra = dispersão modal + dispersão cromática +
dispersão por modo de polarização.
62

8.2.1 Dispersão Modal
 Dispersão modal ocorre normalmente com fibra multimodo.
 Quando um pulso de luz muito curto é injetado para dentro da fibra
dentro do numérico abertura, toda a energia não chega ao fim da fibra
no ao mesmo tempo.
 Diferentes modos de oscilação levar a energia para baixo da fibra
através de caminhos de comprimentos diferentes.
63

 Dispersão cromática (CD) ocorre porque um pulso de luz é
composta de diferentes comprimentos de onda, cada um viaja com
velocidades diferentes abaixo da fibra.
 Estas velocidades de propagação diferentes amplia o pulso de luz
quando chega ao receptor, reduzindo a relação de sinal-ruído(SR) e
aumentando a erros de bits(BER).
65

66

 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 a
derivada do coeficiente de dispersão como uma função de comprimento de
onda (ou para a inclinação da curva que representa a dispersão como uma
função da distância a um dado comprimento de onda).
67

 Tanto o coeficiente de dispersão (padronizado para um quilômetro) e a
inclinação são dependentes do comprimento da fibra.
 Dispersão cromática depende principalmente da fabricação
processo.
 Fabricantes de cabos devem levar em conta os efeitos de Dispersão
Cromática na concepção de diferentes tipos de fibra para diferentes
aplicações e com diferentes necessidades.
68

8.2.3 Dispersão por Modo de
Polarização.
 Dispersão de polarização modo (PMD) é uma propriedade básica da
fibra monomodo. Afeta o valor da taxa de transmissão.
 PMD resulta da diferença de velocidades de propagação da energia de
um dado comprimento de onda, a qual é dividida em duas polarizações
que se encontram em ângulos retos
 A origem da PMD é a birrefringência das fibras, isto é, a dependência
das propriedades ópticas da fibra com o plano de oscilação
eletromagnético.
69

70
8.2.3 Dispersão por Modo de
Polarização.

8.3 Efeitos não lineares
 Ocorrem na fibra óptica devido à potência óptica alta concentrada em
uma 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 comportar
como um meio passivo, pois seu índice de refração passa a depender
do nível da potência do sinal
71

8.3 Efeitos não lineares
A 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 , Modulação
de Fase Cruzada (XPM) - apenas em sistemas multicanal
 Espalhamento Brillouin (SBS) - em sistemas mono e multicanal , Espalhamento
Raman (SRS) - apenas em sistemas multicanal
 Mistura de Quatro Ondas (FWM) - apenas em sistemas multicanal, Instabilidade
de Modulação (MI) - em sistemas mono e multicanal
72

9. Sistemas de Comunicação
Óptico
 Independentemente da qual geração óptica pertença um sistemas
óptico ele é sempre constituído de três componentes essenciais, que
serão detalhados a seguir: transmissor, canal de transmissão e
receptor.
 O canal de transmissão é a Fibra Óptica; e os outros dois componentes
(transmissor e receptor) são projetados para atender as especificidades
desse tipo de canal
73

9.1 Transmissor
 O papel de um transmissor óptico é converter o sinal do domínio
elétrico para o óptico para possa ser inserido na fibra
74

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 radiativa
de pares elétron-lacuna na região de depleção do semicondutor.
75

9.2 Fontes ópticas
Outras características de LEDs:
 Baixa potência de saída, se comparado à produzida pelos lasers;
 Tempo de resposta de emissão lento, que é o atraso de tempo
entre a aplicação de um
 Pulso de corrente e o início da emissão de luz (este é o fator
que limita a largura de banda de modulação direta de LED);
 Eficiência quântica normalmente menor que o dos lasers (este
parâmetro está relacionado com a fração de pares elétron-lacuna
injetados que se recombinam radiativamente).
76

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 uma
superfície que é paralela ao plano de junção ou de uma borda
da região de junção
77

9.2 Fontes ópticas
 Lasers semicondutores são as fontes de luz mais utilizadas em
sistemas de comunicação óptica devido ao desempenho superior
comparado ao dos LED.
 Eles emitem luz por emissão estimulada e são essencialmente um
amplificador óptico inserido em uma cavidade refletiva que passa por
um processo conhecido como bombeio para obter o ganho óptico.
 Devido às diferenças fundamentais entre emissão estimulada e
espontânea, os lasers são capazes de emitir potências mais altas,
emitem luz coerente e também possuem um espalhamento angular
do feixe óptico de saída menor que o dos LED o que permite
uma alta eficiência (em torno de 50%) no acoplamento da luz
em fibras monomodo.
78

9.2 Fontes ópticas:
 Devido a suas características, os lasers são usados em sistemas de médias e
longas distâncias que utilizam fibras monomodo e que operam a altas taxas de
transmissão.
 O ponto negativo dos lasers é que eles são inerentemente não lineares, o que
torna transmissões analógicas mais difíceis
 Eles também são muito sensíveis a flutuações na temperatura e na corrente
injetada, que causam alteração do comprimento de onda produzido.
 Em aplicações WDM (wavelength division multiplexing), a estabilidade das
fontes ópticas é fundamental, o que exige circuitos mais complexos e
mecanismos de realimentação para detectar e corrigir variações no comprimento
de onda.
79

10. Modulador óptico
 Um dos primeiros passos no projeto de um sistema de
comunicação óptica é decidir como o sinal elétrico será convertido
em uma sequência de bits ópticos.
 Normalmente a saída de uma fonte óptica é modulada aplicando-
se o sinal elétrico ou diretamente na fonte óptica (modulação
direta) ou a um modulador externo (modulação externa).
80

10.1 Modulação direta
 A modulação direta de lasers (DML –directly modulated laser) é a
maneira mais fácil de imprimir informação sobre uma portadora
óptica.
 A informação é modulada sobre a corrente de controle do laser,
resultando num formato de modulação em intensidade binária.
81

10.1 Modulação direta
 A principal desvantagem de lasers modulados diretamente para
transmissão de altas taxas de bits em aplicações que não sejam de curtas
distâncias é seu chirp, isto é, a modulação de fase residual acompanhando a
modulação em intensidade desejada.
 O chirp do laser alarga o 16 espectro óptico, o que dificulta a utilização de
modulação direta em sistemas DWDM (dense wavelength division
multiplexing ), nos quais os canais têm seu espaçamento reduzido.
 Além disso, o chirp pode conduzir a distorções do sinal intensificadas pela
interação com a dispersão cromática da fibra
 Atualmente, os lasers modulados diretamente são largamente empregados na
modulação de taxas de 2,5 Gb/s e também estão disponíveis para algumas
aplicações em 10 Gb/
82

10.2 Modulação externa
 Moduladores de eletroabsorção (EAM – electroabsorption modulator ) são
estruturas de semicondutor ―pin‖ cujo limiar de absorção pode ser modulado pela
aplicação de uma tensão externa, dessa forma alterando propriedades de absorção
do 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 e
há demonstrações em pesquisas para taxas de até 80 Gb/s. Entretanto, assim
como os lasers modulados diretamente, eles produzem um pouco de chirp
residual.
 Eles possuem características de absorção que dependem do comprimento de onda,
suas taxas de extinção (razão entre a máxima e a mínima potência do pulso
modulado) não ultrapassam 10 dB e suas perdas de inserção atingem 10 dB
83

10.2 Modulação externa
 O modulador Mach-Zehnder (MZM – Mach-Zehnder modulator) é
um modulador externo baseado no interferômetro Mach-Zehnder.
 Esta categoria de modulador faz uso de material eletro-óptico, cujo
índice de refração pode ser alterado pela aplicação de uma tensão
externa, e de um interferômetro Mach-Zehnder para, utilizando o
princípio de interferências construtivas e destrutivas entre os sinais que se
propagam por cada um de seus braços, produzir modulação em
intensidade.
84

10.2.1 Modulação externa : a estrutura do
Modulador Mach-Zender
 O sinal óptico que nele chega é dividido por um acoplador de entrada e percorre
dois guias de onda (os braços do interferômetro).
 Na ausência de tensão externa, os campos nos dois braços experimentam
deslocamentos de fase idênticos e interferem construtivamente na saída de outro
acoplador.
 O deslocamento de fase adicional introduzido em um dos braços, através de mudanças
no 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 transmitida
devido à interferência totalmente destrutiva entre os dois sinais.
 Dessa forma, a sequência de bits elétricos aplicada ao modulador produz uma réplica
óptica dessa sequência de bits.
85

A estrutura do Modulador Mach-Zender
86
10.2.1 Modulação externa : a estrutura
do Modulador Mach-Zender

 Os receptores ópticos são compostos de um acoplador, um fotodetector e um
demodulador.
87

 O acoplador focaliza o sinal óptico recebido para a entrada do
fotodetector.
 Os fotodetectores utilizados em sistemas de comunicação são fotodiodos
semicondutores devido a sua compatibilidade com as fibras ópticas.
 Frequentemente, o sinal recebido está na forma de pulsos ópticos
representando os bits 0 e 1.
 No processo denominado detecção direta, o sinal recebido é convertido
diretamente em corrente elétrica.
88

 A demodulação é realizada por um circuito de decisão que identifica os
bits 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 o
desempenho de um receptor óptico.
 É usualmente definido como a potência óptica média mínima que deve
ser recebida no receptor óptico para se garantir uma BER especificada.
89

 A sensibilidade do receptor depende da SNR, que, por sua vez, depende
de várias fontes de ruído que corrompem o sinal recebido.
 Mesmo em um receptor perfeito, alguns ruídos são introduzidos pelo
próprio processo de fotodetecção.
 A sensibilidade do receptor é determinada para efeito cumulativo de
todos os possíveis mecanismos que degradam a SNR no circuito de
decisão.
 Em geral, isso também depende da taxa de bits, pois a contribuição de
algumas fontes de ruído aumenta proporcionalmente com a largura de
banda do sinal. 90

11.1 Fotodetectores
 Os tipos predominantes de fotodetectores usados em sistemas de
comunicação utilizam o princípio da ionização em um material
semicondutor, e os outros dispositivos apenas utilizam uma variação
deste princípio.
 Existem três tipos de receptores ópticos, os fotocondutores, os
fototransistores e os fotodiodos.
 Fotodectores são construídos com materiais semicondutores.
 Os fótons incidentes num semicondutor cedem energia para elétrons na
banda de valência.
91

11.1 Fotodetectores
 Nos receptores que empregam detecção direta, um fotodetector converte o feixe
de fótons que chega (feixe de luz) em um feixe de elétrons (corrente elétrica).
 Essa corrente é então amplificada e passada através de um dispositivo
comparador 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 na
codificação e detecção dos sinais.
92

11.1 Fotodetectores
 Os receptores baseados nessa técnica utilizam um laser monocromático
como oscilador local.
 O feixe óptico que chega e que está numa freqüência ligeiramente
diferente da freqüência do oscilador é combinado com o sinal do
oscilador, resultando em um sinal de freqüência diferente.
 Esse sinal resultante, que está situado na faixa de microondas, é
amplificado e fotodetectado. A detecção coerente permite a recepção de
sinais fracos em meios onde o ruído é significativo.
 Entretanto, em sistemas ópticos é difícil manter a informação de fase
requerida para a detecção coerente
93

12. Conclusões
 As fibras ópticas são de extrema necessidade nos dias de hoje, devido a
um 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 Definition
TV(HDTV), dentre outras só pode ser obtida com redes ópticas de
acesso.
94

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