APOSTILA de COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

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1 Volume 1 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 Página 1 / 66

2 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 ORÇAMENTO DE POTENCIA 35 II CALCULOS 36 II CONCLUSÃO 37 II.3.2 CALCULO DO ENLACE PELA DISPERSÃO 37 II.3.3 CONTINUAÇÃO DO EXEMPLO NUMERICO 1 38 II 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 Página 2 / 66

3 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 passouse a 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. Página 3 / 66

4 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 Produção da 1ª Fibra Óptica (Nippon Sheet Co e Nippon Electric Co.) com perdas acima de 100 db/km Corning Glass Works (EUA) anunciam uma Fibra Óptica com centenas de metros de comprimento e atenuação menor que 20 db/km Bell Laboratory (EUA) produz uma fibra com atenuação de 2,5 db/km 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 Inicio da fabricação das fibras ópticas Multimodo Índice Degrau, fabricado pela ABCXTAL RJ, com tecnologia transferida pelo CPqD Inicio da fabricação das fibras ópticas Multimodo Índice Degrau, fabricado pela ABCXTAL RJ, com tecnologia transferida pelo CPqD Inicio da fabricação das fibras ópticas Monomodo. Página 4 / 66

5 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 ópticoelétrico, 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. Sistema óptico Tx Rx Fonte Prod. Sinal Elétrico Conv. eletro/ óptico F.O Conv. Óptico/ elétrico Tratam. do sinal elétrico Usuário Figura 1 Princípio de Transmissão por Fibra Óptica. Página 5 / 66

6 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 = 1x x10 C 14 f 3x10 300THz 6 1x10 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 ,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 Página 6 / 66

7 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. n 2 casca n 1 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. n onde : C 1 C é a velocidade da luz no vácuo ( km/s) C 1 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: C 8 3x10 C Km / s 1,5 Concluímos então que a velocidade da propagação da luz varia de acordo com o meio. Página 7 / 66

8 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: n seni sen r Na figura 5 mostramos um exemplo da determinação de n pela lei de Snell. A i = 70 0 r = 37,3 0 Figura 5 Lei de Snell n A sen sen i r 0 sen 70 sen 37,3 0 0, ,55 n A = 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: C C n 3x10 1, A Km / s Página 8 / 66

9 I.6 LEI DE REFRAÇÃO Quando um feixe de luz monocromática (somente um comprimento de onda) passa por um meio com índice de refração n 1 para outro meio com índice de refração n 2, este muda de direção conforme o ângulo de incidência como mostrado na figura 6. normal n 2 n 1 Figura 6 Mudança de direção de um raio conforme lei de refração A lei de refração define que: n 1 sen = n 2 sen Então podemos concluir que, quanto maior o índice de refração, menor a velocidade de propagação da luz. Página 9 / 66

10 I.7 ÂNGULO CRÍTICO Quando a luz passa de um meio n 1 para um meio n 2, 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 n 2 = 1,475 crit = 80,3º n 1 = 1,496 Figura 7 Exemplo de ângulo critico para uma determinada fibra óptica Índice de refração da casca n 2 = 1,475 Índice de refração do núcleo n 1 = 1,496 sen crit crit 0 80,3 1,475 1,496 0,986 Página 10 / 66

11 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. Raio refratado n 2 n 1 2 Ar Vidro 1 Raio refletido S 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. Página 11 / 66

12 Concluímos que a trajetória deste raio monocromático forma uma forma senoidal, devido a seu ângulo de incidência e a diferença dos índices de refração. Periferia e d c a b a i b c d Periferia 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. Índice de refração 1,7 Vidro Flint de Silicato 1,6 Vidro Flint de Borato Quarzo 1,5 Vidro Crow de Silicato Quarzo Fundo Fluorita 1,4 violeta azul amarelo vermelho Figura 10 Variação do índice de refração com o comprimento de onda para substâncias ópticas mais comuns. Comprimento de onda nm Página 12 / 66

13 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. Desvio de luz amarela anteparo vermelho laranja Luz branca amarelo verde azul violeta Medida da dispersão 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. Página 13 / 66

14 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: propriedades 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. n 2 (casca) n 1 (núcleo) i crit Figura 12 Raio refratado i crit Se o raio de incidência do raio de luz for igual ao ângulo critico teremos: n sen casca crit sen n nucleo Onde sen = 1, como mostrado na figura 13. Página 14 / 66

15 n2 (casca) n 1 (núcleo) i crit 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. i crit 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 Página 15 / 66

16 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 50 m 125 m Fibra Óptica de índice Gradual 50 m 125 m Fibra Óptica Monomodo 5 m 125 m Atenuação db 10 Fibra Degrau Cabo Coaxial Monomo do Fibra Gradual Fibra Monomodo 5 freqüência 10MHz 100MHz 1GHz 10GHz 100GHz Figura 16 Tipos de Fibras Ópticas Banda Passante Página 16 / 66

17 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 2a = 60 m 2b = 125 m 2b Figura 17 Fibra Multimodo de Índice Degrau O cálculo do número de modos N é dado aproximadamente por: V N 2 2 Onde V é padrão normalizado de freqüência e é dado por: Página 17 / 66

18 V ) a [ 2 ].( n n 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 n 1 = 1,561 e n 2 = 1,483 e o comprimento de onda = 0,85 m. V 10 0, [ 6, ].(1, ,483 2 ) 1 2 V = 108 N 2 V modos aproximadamente 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. Página 18 / 66

19 2a 2b 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 n 1 = 1,551, índice de refração da casca n 2 = 1,485, com = 2 e = 0,043 a forma de se calcular o seu número de modos é: (2n. a N. (2 ) Onde a diferença relativa entre n 1 e n 2 é dada por n1 n n ) 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). Página 19 / 66

20 Fibra de Índice Degrau V a [ 2 ].( n n ) V = 83 N 2 V modos Fibra de Índice Gradual N (2 2 (2n1. a) ). 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 (n 2 ) é ligeiramente menor que o índice de refração do núcleo (n 1 ). Valores típicos n 1 = 1,471 e n 2 =1,457. A figura 19 mostra as características geométricas da fibra óptica monomodo. 2a 2b 2a = 5 m 2b = 125 m Figura 19 Fibra Monomodo Página 20 / 66

21 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: V (2a) 2.( n 2 n 2 2 ) 1 2 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. Entretanto, 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. Pulso de entrada ns FIBRA OPTICA Pulso de saída ns I N O U T Figura 20- A figura ilustra a dificuldade de reconhecimento dos pulsos de entrada na saída Página 21 / 66

22 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. t 1 = 0,5 ns t 2 = 1,1 ns Figura 21 Alongamento que sofre um pulso após percorrer a fibra Se t 1 é a largura a meia altura da intensidade do pulso de entrada e t 2 a do pulso do pulso de saída, então a dispersão do pulso, assumindo uma forma gaussiana dos pulsos, é dada opor: = ( ) 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. Página 22 / 66

23 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. 1 2 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 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 Página 23 / 66

24 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. LED 40 nm Intensidade Relativa LASER 2nm nm 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 a vanço 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 Página 24 / 66

25 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 Cr 3+, Cu 2+ e Fe 2+. 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. Intensidade Relativa 1,0 Cr 3 + Fe 2 + 0,5 0,01 OH OH nm 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 (SiO 2 ) 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. Raio Vazante Raios Guiados Raio Vazante Figura Vazante 26 Atenuação causada por defeitos na fibra Página 25 / 66

26 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. Fibra Óptica Modo guiado pelo núcleo 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. Espalhamento de Rayleigh Fibra Óptica Modo guiado pela casca Modo guiado pelo núcleo Espalhamento de Rayleigh Figura 27 Modo guiado pela casca em virtude do espalhamento de Rayleigh Página 26 / 66

27 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. a n 0 n 2 n 1 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 = n 0 sen a,= (n n 2 2 ) 1/2 Onde n 0 é o índice de refração do ar n 1 é o índice de refração do núcleo n 2 é o índice de refração da casca da casca. Observar que a AN também pode ser determinada pelo índice de refração do núcleo e Considere como a diferença relativa de índices de refração entre o núcleo e a casca: 2 1 2n n n Página 27 / 66

28 Onde para o caso de 1 (hipótese válida para a maioria das fibras ópticas de interesse em sistemas de transmissão) n n 1 n 1 2 Combinando-se esta equação com a equação da AN para o meio ar (n 0 =1), obtémse a seguinte expressão de AN para valores de 1: AN n x 1 2 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. a n 2 n 1 Figura 29 Abertura numérica 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. Página 28 / 66

29 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. > e n 2 R n 1 Eixo da fibra > e a Figura 30 Fibra de Face Esférica Página 29 / 66

30 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 (SiO 2 ) 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 (GeO 2, P 2 O 5, B 2 O 3 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 C). Página 30 / 66

31 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; Página 31 / 66

32 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) Página 32 / 66

33 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. Fibra revestida buffering buffering Fibra revestida Figura 31 Estrutura básica de cabos ópticos Composto de preenchimento 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. Página 33 / 66

34 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. LOCALIDADE A LOCALIDADE B 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 P T Potência do transmissor (dbm) P R Sensibilidade do receptor óptico (dbm) M Margem de Segurança (db) Cabo Óptico U C Atenuação do cabo (db/km) L t Comprimento total do cabo (Km) U S Perda na emenda (db) Página 34 / 66

35 N S Numero de emendas no cabo U COM Perda no conector (db) N COM Numero de conectores A figura 2 mostra estes parâmetros. P T (U C L t ) (U CON N CON ) P R T X (U S N S ) R X conector emendas Figura 2 Sistema Optico Formula do orçamento de potência O orçamento de potência deve atender a seguinte equação: P T - N CON U CON - N S U S - U C L t - P R - M 0 II.3 EXEMPLO NUMÉRICO 1 II.3.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAÇÃO II ORÇAMENTO DE POTÊNCIA Seja L t = 150 Km (Comprimento total do cabo) Fibra óptica com U c = 0,22 db/km (Perda da Fibra) N con = 4 (No. de Conectores) U con = 0,5 db (Perda por conector) N s = / 4 = 37,5 = 38 emendas U s = 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. P T = de -3 a 0 dbm (0 dbm ou 1 mw eh a potencia max) P R = de -47 a -8 dbm (-47 dbm eh a sensibilidade do Receptor) Máxima dispersão D = 3200 ps Página 35 / 66

36 2.- Sistema STM 4 (622,08 Mbps) Laser DFB da Bosch com densidade espectral 0,2 nm. P T = de -1 a 2 dbm P R = de -37 a -8 dbm Máxima dispersão D = 800 ps 3.- Sistema STM 16 Laser DFB da Bosch com densidade espectral 0,15 nm. P T = de -1 a 2 dbm P R = de -29 a -9 dbm Máxima dispersão D = 200 ps II CÁLCULOS: Sabendo que: P T - N CON U CON - N S U S - U C L t - P R - M 0 At = Atenuação Total At = U C L t + N CON U CON + N S U S + M - Ganhos At = 150x0,22 + 4x0,5 + 38x0, = 41,8 db 1.- STM , (-47) ,2 0 ok pela atenuação PR = o dbm 41,8 db = -41,8 dbm > - 47 dbm 2.- STM (-37) ,8 0 inviável Pois, PR = 2 dbm 41,8 db = - 39,8 dbm < - 37 dbm Pois, 3.- STM (-29) ,8 0 inviável PR = 2 dbm 41,8 db = - 39,8 dbm < - 29 dbm Comportamento da distância em todos os casos: P T - N CO N U CON - N S U S - U C L t - P R - M 0 Onde, P T L t. 0,1-0,22. Lt - P R Página 36 / 66

37 L X 5 t onde X = Faixa Dinâmica = P T - P R 0, , STM 1 L t 171, 4Km PT PR = 0 (-47) = , STM 4 L t 138, 7Km PT PR = 2 (-37) = , STM-16 L t 106, 1Km PT PR = 2 (-29) = 31 II 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. Página 37 / 66

38 Para comprovar a viabilidade do enlace sob o ponto de vista da dispersão devemos aplicar a seguinte fórmula: L t 6 0,31.10 D. B. Onde: L t = 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, 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 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: L t 6 0,31.10 D. B. 6 0, STM 1 L t 277 Km 18.0,155.0,4 6 0, STM 4 L t 138, 4Km 18.0,622.0,2 Página 38 / 66

39 6 0, STM 16 L t 45, 92Km 18.2,5.0,15 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 II.4.2 CALCULO DO ENLACE - ORÇAMENTO DE POTENCIA Realizar igual exemplo 1. CALCULO PELA DISPERSÃO Realizar igual exemplo 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. LOC A ADM km 150 Km ADM 155 ADM 155 LOC B ADM 155 REPETIDOR costa -a- costa Figura Km Regeneração costa -a- costa Página 39 / 66

40 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. LOC A LOC B 100 Km 100 Km 100 km ADM 622 ADM 622 ADM 622 ADM 622 ADM 622 ADM 622 REPETIDOR costa -a- costa REPETIDOR costa -a- costa 300 Km Figura 4 Regeneradores costa -a- costa 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. ADM 2,5 Gbit/s ADM 2,5 Gbit/s 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. Página 40 / 66

41 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-eletricaóptica (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. linhas de transmissão separadas AD M AD M AD M AD M AD M AD... M. AD M AD M W DM Uso múltiplo de amplificadores ópticos e fibras AD 1 AD M. 1.. n M n AD M Figura 6 Principio do WDM AD M 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". Página 41 / 66

42 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. WDM fibra dopada laser de bombeamento Nd Er, Er.Yr Pr m Figura 7 Regiões de absorção e emissão das Terras Raras A luz proveniente do laser de bombeamento é absorvida pelos íons de Er 3 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 Página 42 / 66