COMUNICAÇÃO EM FIBRAS ÓPTICAS

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1 Denis Stracci COMUNICAÇÃO EM FIBRAS ÓPTICAS Especialização em redes de Computadores e Telecomunicações dstracci@gmail.com RESUMO A utilização de fibras ópticas vem se expandindo no Brasil e no mundo. Para atingir a atual demanda de serviços de informações, surge no cenário novas tecnologias que agregam valores e custos a comprovada e crescente utilização dos meios ópticos. Dessa forma, buscou-se com a harmonização dos padrões técnicos e normas maiores resultados em sua utilização. Palavras-Chave:Conceitos;Aplicações;Tendências. ABSTRACT The use of fiber optics has increased in Brazil and worldwide. To meet the current demand for information services, new technology emerges in the scenario that add value and proven cost and increasing use of optical cables. Thus, we sought to harmonize technical standards and norms greater results in their use. Keywords: concepts, applications, trends. 1

2 2 Comunicação em Fibras Ópticas 1. INTRODUÇÃO As fibras ópticas vieram a alavancar uma grande evolução no sistema de comunicação. A estrutura das fibras ópticas englobam conceitos de refração e reflexão e, para entendermos melhor o interior de uma fibra óptica, vamos falar um pouco sobre estes processos. Reflação é a mudança de direção e velocidade que ocorre quando a luz passa de um meio a outro. Cada meio tem capacidade própria de reflação à luz, definido pela fórmula: n = c / v, onde c é a velocidade da luz no vácuo e v a velocidade da luz no meio. No fenômeno de reflação, o desvio do raio de luz que passa de um para outro meio é calculado pela lei de Snell-Descartes. Reflexão total é quando um feixe de luz passa de um meio mais refrigente (n2) para o meio menos refrigente (n1), onde: n2>n1, há um ângulo de incidência chamado crítico, ele é dado por n1 sen 90 = n1 = n2 sen (ang. Crít) /ang Crít = arc.sen (n1 / n2). Se o feixe de luz fizer um ângulo maior que o ângulo crítico, o feixe é refletido e permanece no meio mais reflingente. Figura 1 Reflexão Total 2. CARACTERÍSTICAS DE TRANSMISSÃO DE FIBRA ÓPTICA Os sistemas de transmissão por fibras ópticas são desenvolvidos pelo cabo de fibra óptica e por um transmissor/receptor óptico. A utilização da luz nas comunicações vem desde a antiguidade. A princípio eram utilizados sistemas de comunicação óptica pelo ar, utilizando espelhos e outros objetos que causavam luz. Por conta de fenômenos atmosféricos (chuva, névoa) e necessidade do emissor/receptor ficarem visíveis, isso acarretava dificuldades. Muitos estudantes a fim de solucionar esses problemas, buscaram obter a transmissão da luz via trajetórias de linhas curvas. O professor e físico irlandês John Tyndall ao utilizar um recipiente cheio de água com um pequeno orifício, por onde esta escorria, provou que a luz se propagava ao longo do recipiente e saía com a água pelo orifício.

3 Denis Stracci 3 Figura 2 Experiência com recipiente (Fonte: Cabos Submarinos) A partir de então, outros estudantes buscaram meios apropriados para a transmissão da luz e transmissão de sinais luminosos. Devido à falta de tecnologia e materiais na época, não se pôde comprovar resultados quanto a transmissão de luz em grandes distâncias, pois haviam níveis atenuantes de potência luminosa de milhares de db/km. Após longa espera por melhores tecnologias, quando os holandêses e ingleses criaram fibras de vidro com revestimento para guiar luz e imagens, num equipamento chamado Fiberscopi, o termo fibra óptica tornou-se popular e conhecido. Os cabos em par metálico comumente utilizados em Telecomunicações até então, a partir da década de 1970 começaram a ser substituídos por fibras, devido a comprovada eficácia de transmissão sem atenuações. Com o tempo eles ainda foram reformulados e aperfeiçoados devido a concorrências com os dispositivos emissores de luz, como Led/Laser. As diversas redes que utilizavam cabos coaxiais, a partir de 1980 esgotaram seu limite e sua capacidade, causando lentamente a substituição por fibras ópticas. Nessa fase os primeiros cabos ópticos submarinos foram lançados, e a transmissão de dados transoceânica tornou-se uma revolução histórica, possibilitando a criação de redes maiores e com menor utilização de enlaces repetidores, chegando a taxa de atenuação < de 0,20 db/km (fibras óticas). Breve histórico das comunicações ópticas: 600AC - Sistema de comunicação visual através de sinais de fogo e estações (humanas) repetidoras;

4 4 Comunicação em Fibras Ópticas 1870 O fenômeno de guiamento de luz através de múltiplas reflexões; 1880 Invenção do Photophone por Alexander Graham Bell; 1930 As primeiras experiências de transmissão de luz em fibra de sílica; 1951 Transmissão de imagens através de feixes de fibras em curta distância; 1958 O protótipo de Fibra óptica; Invenção do Laser; Fibra com atenuação de 2.000dB/Km; Fibra com atenuação 20dB/Km. 3. ESTRUTURAS DAS FIBRAS ÓPTICAS As Fibras ópticas são compostas basicamente de material dielétrico, vidro ou plástico. São estruturas transparentes e flexíveis, tendo dimensões próximas a de um fio de cabelo. A região central é chamada de núcleo, e a que envolve o núcleo de casca. Figura 3 Visão de uma Fibra Óptica A casca, que é um material com índice de reflação menor, possibilita a reflexão total e a consequente operação do feixe luminoso no interior da fibra. A fim de proteger contra danos mecânicos, na casca existe um material plástico e a diferença entre os índices de reflação do núcleo e da casca é obtida usando materiais distintos ou através de dopagens de semicondutores (perfil de índices da fibra óptica). De acordo com seu perfil, as fibras são classificadas em índice degrau (ID) e índice gradual (IG). A capacidade de taxa de transmissão de uma fibra óptica é determinada pela geometria, pelo perfil de índice e materiais utilizados em sua construção. As fibras possuem um ângulo de admissão/aceitação (ângulo limite de incidência) em relação ao eixo, para que atravesse o cabo. Feixes de luz com ângulo maior ao de admissão não preenchem as condições para reflexão total; portanto não são transportados. A abertura numérica de uma fibra é um parâmetro muito utilizado para cálculos de limites e capacidades em captar e transmitir a luz. Deve-se ressaltar que a abertura

5 Denis Stracci 5 numérica e o ângulo de admissão não dependem do raio do núcleo. Os modos de propagação são soluções espaço temporais das equações do físico escocês Maxwell para cada fibra, caracterizando configurações de campos elétricos e magnéticos que se repetem ao longo do cabo. Na prática, representam as diferentes possibilidades de propagação da luz através da fibra. Figura 4 Modo de Propagação Os modos dependem do material, geometria e ângulo de incidência da luz diretamente na fibra. Existem condições limitadoras aos modos de propagação, isto é, condições a partir das quais uma propagação não pode existir. O número de modos aceitáveis numa fibra são dados a partir de um parâmetro calculado com as características da fibra, o chamado número V ou frequência normalizada, dado e apresentado abaixo: Fórmula: Propagação 3.1. MODELOS DE FIBRAS ÓPTICAS As fibras ópticas são classificadas a partir de suas características básicas de transmissão que dependem do índice de refração. Portanto, as fibras ópticas podem ser classificadas em monomodo ou multimodo. Na fibra de índice degrau o índice de refração do núcleo é uniforme e diferente da casca. A refração ocorre somente na interface entre o núcleo e casca. Conforme a disposição simples do perfil de índices e suas dimensões relativamente grandes que facilitam sua conectividade e fabricação, esse sistema é o mais viável economicamente e mais fácil de ser construído. Outro proveito dessa fibra é sua grande capacidade de captar energia luminosa, que se obtém através da alta abertura numérica, o que permite a utilização de emissores mais economicamente acessíveis.

6 6 Comunicação em Fibras Ópticas Figura 5 Tipos de Fibras (Fonte: Redes Básico Parte VI) No entanto, os valores de abertura numérica trazem inconvenientes ao permitir que um elevado número de modos exista na fibra. O número de modos elevados causam o fenômeno da dispersão modal, o que diminue a taxa de banda das fibras multimodo de índice degrau e estimula esse tipo de fibra a ser utilizado somente em pequenas distâncias. Na fibra de índice gradual o núcleo não possui índice de refração constante, mas esse aumenta o eixo central até as bordas. Isto faz com que ocorra uma refração gradual à medida que os raios se aproximam das bordas. Essa fibra foi elaborada para adequar-se as aplicações em sistemas de Telecomunicações e são menores do que as fibras multimodo de índice degrau, possuindo aberturas numéricas menores, que diminuem a quantidade de modos possíveis e aumentam a banda passante. Possui complexidade média de fabricação, mas mesmo assim mantém certa facilidade de conexão, com capacidade de transmissão adequada às aplicações que se propõe; mas ainda não podem serem usadas em longas distâncias. Fibras monomodo: Caracterizam-se por um núcleo fino (pequenos micrômetros) por onde há apenas um único caminho para a luz. Como as proporções do cabo estão perto em relação ao comprimento da luz incidente, a óptica geométrica não consegue explicar o que ocorre nas fibras monomodo; por isso para os cálculos nesse tipo de fibra, deve-se tratar a luz como onda eletromagnética. A casca mantém seu tamanho em relação

7 Denis Stracci 7 as fibras multimodo, pois ela precisa ser densa o suficiente para suportar os campos eletromagnéticos do modo transmitido.a elaboração de fibras ópticas monomodo tem como fator limitado a dificuldade mecânica na fabricação de fios e acopladores para as fibras que são extremamente finas, visto que não se deseja alterar os índices de refração das fibras nem o comprimento de onda da luz incidente. Esse tipo de fibra é utilizado em comunicações de média e longa distância, inclusive em comunicações intercontinentais, onde há alta taxa de transmissão de dados. Segue descrição de outros tipos de fibra monomodo: Single Modo (SM/G652 ITU T): Fibra monomodo que sofre com grande dispersão cromática. Porém, como esse modelo de fibra possue núcleo > que os novos tipos de fibra óptica, seu uso é recomendado em sistemas que exigem grande capacidade de comprimentos de onda. Dispersion Shielf (DS/G653 ITU-T): Fibra sem dispersão, porém, com o crescimento da quantidade de comprimentos de onda, notou-se que a mesma sofre efeitos de mistura de quatro ondas; o que reduziu seu uso em sistemas de WDM. Non Zero Dispersion (NZD/G655 ITU-T): Fibra com dispersão baixa, mas não nula. Foi desenvolvida para servir de meio termo entre os dois tipos de fibras anteriores. Para diminuir a dispersão cromática, o núcleo da fibra foi limitado onde essa limitação (redução) impede seu uso em sistemas com comprimentos de onda maiores. Low Water Peak(LWP-G652D ITU-T): Tipo de fibra onde os processos de elaboração eliminaram a contaminação por íons hidroxila, permitindo a utilização dos componentes de onda ao redor de 1400nm ATENUAÇÃO DAS FIBRAS ÓPTICAS A atenuação é o motivo pelo qual a fibra óptica tem sua grande utilização em Telecomunicações. Ela define a distância máxima que um sistema de comunicação óptico pode ter entre emissor/receptor. As atenuações em fibra óptica são causadas, basicamente, pelas seguintes características: Absorção: Parte da energia luminosa é aborvida pelo material devido a fatores como presença de átomos, contaminação no processo de fabricação, presença de moléculas de água dissolvidas no vidro e variações na densidade da fabricação do material. Como nenhum material é perfeitamente transparente, sempre ocorre uma absorção parcial de luz quando esta é forçada a atravessar um meio. A principal razão para atenuações em alguns fibras ópticas seriam a contaminação por íons metálicos, onde estas interferências podem gerar perdas superiores a 1 db/km, mas atualmente já são controladas por técnicas usadas na elaboração de semicondutores.

8 8 Comunicação em Fibras Ópticas Como fatores intrínsecos temos a absorção do ultravioleta, a qual cresce significativamente com absorção do infravermelho, provocado por sua vibração e rotação dos átomos em torno da sua posição de equilíbrio. A absorção do OH (hidroxila) provoca atenuação no comprimento de onda de 2700 nm e sobre tons harmônicos em torno de 950nm, 1240 nm e 1380 nm na faixa de baixa atenuação da fibra. Esse íon é comumente chamado de água e é incorporado ao núcleo durante o processo de produção, sendo muito difícil de ser eliminado. Espalhamento: É causado por imperfeições da estrura da fibra e se caracteriza pelo desvio da luz em variações, podendo ser classificado em espelhamento de Rayleight (causado por variações na composição do material) e MIE (causado por irregularidades na interface núcleo-casca, flutuações ao longo da fibra e de seu diâmetro). Perdas por Curvaturas: Causadas por curvaturas ou deformações mecânicas. Podem ser resultantes de microcurvatura (uma pequena deformação na fronteira entre o núcleo e casca) e macrocurvatura (provocada pela curvatura da fibra). Alguns raios de luz podem formar um ângulo inferior ao ângulo crítico e saem da fibra causando perda de potência. Características do guia de onda: A potência em uma fibra óptica não está precisamente presa ao núcleo. Parte da potência pode deslocar-se pela casca, de forma a sofrer com as atenuações do material do qual a casca é composta, o que pode diminuir a capacidade de transmissão da fibra. Como na fibra de índice degrau o índice de refração do núcleo é constante, a velocidade de propagação do feixe de luz também é constante e quanto maior a distância percorridade, maior o tempo gasto para se chegar ao outro extremo da fibra. Na fibra multimodo, cada um dos modos tem uma trajetória diferente, portanto percorrem distâncias diferentes. Isso pode fazer com que as informações cheguem ao receptor em momentos distintos. Deve-se entender que este tipo de dispersão não ocorre apenas em fibras de índice gradual, no entanto, a variação gradual do índice de refração permite uma compensação da velocidade de propagação dos modos (raios) cujas trajetórias são mais longas. Dispersão Modal ou Intermodal: Ocorre nas fibras multímodo, tanto nas de índice gradual, quanto de índice degrau. Ressalta-se que nas últimas, sua atenuação é mais significativa. Dispersão intramodal: A dispersão material caracteriza-se pelos diferentes atrasos causados pelos vários índices de refração, que variam não linearmente de acordo com os comprimentos de onda, causando a diferença de velocidades que caracterizam a dispersão.

9 Denis Stracci 9 Dispersão Intermodal: Ocorre somente em fibra multimodo, diferente modos propagam-se a velocidades diferentes. Dispersão do guia de onda: Este tipo de dispersão resulta da dependência do número V característico do guia de onda em relação a cada comprimento de onda da luz transmitida. Sabe-se que o atraso de um modo varia não linearmente com o número V. No caso de fibras multimodo, as dispersões que mais influenciam são a dispersão modal e a dispersão material e atualmente, a maior parte dessas barreiras já foram superadas, sendo o fator limitante o custo para tal. 4. BENEFÍCIOS E DESVANTAGENS DAS FIBRAS Banda passante teoricamente enorme, sendo que em cada uma das janelas ópticas, há aproximadamente 5 THz de capacidade potencial de banda. Isso dá uma banda total pelo menos vezes maiores que sistemas de micro-ondas da primeira metade da década de 90, que tinham uma banda passante de 700 MHz. Também no início da década de 90, fibras ópticas comerciais já chegavam a 200 Ghz/km, o que contrasta significativamente com a banda passante vezes a distância útil máxima de 400 MHz/km de um cabo coaxial. Atenuação muito baixa, onde as fibras ópticas representam perdas de transmissão extremamente baixas, desde atenuação da ordem de 3 a 5 dbm/km na janela de 850nm até perdas inferiores a 0,2Bdm/Km na janela de 1550nm. Dessa forma, é possível implementar sistemas com um espaçamento muito grande entre os repetidores, o que reduz brutalmente os custos do sistema. Imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos por serem feitas de materiais dielétricos esse fato pode tornar-se vantajoso, pois as fibras são imunes a pulsos eletromagnéticos, descargas elétricas atmosféricas. Quando uma fibra óptica se rompe, não há faíscas, riscos de curto-circuito e outras condições que possam constituir perigo, dependendo da aplicação a que se destinam. Segurança e garantia: As fibras ópticas não irradiam quase nada da luz e a maior parte das tentativas de captação de mensagens do interior da fibra é detectável. Isso porque tais tentativas exigem que seja desviada uma quantidade significativa da potência luminosa que ocorre no interior da fibra. Um outro fato relevante em operações militares é que as fibras ópticas não são detectáveis por sensores, como detectores de metais, o que dificulta sabotagens aos sistemas de comunicação. Baixo custo potencial: As fibras são fabricadas a partir principalmente de quartzo e polímeros. O Quartzo é um material abundante na Terra, ao contrário do cobre e

10 10 Comunicação em Fibras Ópticas dos demais metais utilizados nos outros cabos, o que o torna mais barato que o cobre. Possibilidade de ampliação da banda sem modificação da infraestrutura: Com a utilização da multiplexação por comprimento de onda, é possível aumentar a quantidade de banda passante sem a realização de obras estruturais, bastando apenas colocar multiplexadores e demultiplexadores nas pontas das fibras. Como desvantagens podemos citar: Fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas, manuseio cuidadoso em relação a cabos de par metálico. Dificuldade para conexão: O fato das fibras ópticas serem pequenas e compactas geram problemas para o encaixe de conectores em suas pontas e elevam sensivelmente o custo, em especial para as fibras monomodo. Figura 6 Modelos de conectores ópticos ( Fonte: Furukawa Brasil) 4.1. DISPOSITIVOS ÓPTICOS DE RECEPÇÃO E TRANSMISSÃO Um emissor óptico é composto por um material semicondutor emissor de luz e um circuito elétrico associado. O dispositivo emissor de luz é o responsável pela conversão eletroóptica do sinal. Dois tipos de dispositivos são comumente utilizados como fontes luminosas em sistemas de transmissão por fibras ópticas: os diodos laser (DL) e os diodos eletroluminescentes (LED). Os LED s são mais simples, baratos e confiáveis e possuem espectro mais largo de luz gerada com uma emissão incoerente, por eficiência de acoplagem de luz na fibra e limitações na velocidade de modulação. Por isso, os LED s são usados principalmente em sistemas de menor capacidade de transmissão, geralmente na primeira e segunda janela óptica. Os diodos laser, por sua vez, geram uma radiação mais coerente, com espectro mas estreito e feixe mais direto, com potências maiores. Seu custo no entanto, é mais elevado que os dos LED s. Os receptores luminosos estão sujeitos a diversos fatores de contaminação, dentre os quais a potência óptica de polarização, que pode ser tratada com uma radiação de fundo, e a corrente escura, que é a corrente gerada pela excitação térmica do receptor sem que ele esteja recebendo luz.

11 Denis Stracci APLICAÇÕES DAS FIBRAS - Fiber Channel Fiber Channel é a tecnologia da camada de enlace predominante de armazenamento em rede (Storage Area Networks, SANs) com interfaces que atingem velocidades acima de 100Mbps. Ela surgiu como tecnologia substituinte do SCSI (Small Computer System Interface) para backup, recuperação de dados e espelhamento (mirroring), graças ao seu menor custo e à sua capacidade de cobrir maiores distâncias. O Fiber Channel pode ser carregado diretamente sobre a camada óptica utilizando-se o DWDM. - Giga Bit Ethernet A tecnologia Giga bit ethernet é um marco na história das redes locais (LANs), pois foi o primeiro sistema no qual a implementação com mídia óptica foi mais barata do que em mídia elétrica. Gigabit Ethernet é o ethernet padrão projetado para atingir escalas de outra ordem de magnitude, chegando a taxa de transferência de 1Gbps. Por conta da capacidade da fibra de cobrir longas distâncias sem repetidores, utilizando-se o DWDM, o Giga bit Ethernet pode ser expandido para longas distâncias com grandes taxas. -Rede Telefônica Umas das aplicações básicas onde as fibras ópticas foram utilizadas foi a rede telefônica. A fibra óptica, desenvolvendo sistemas de alta capacidade, era utilizada no chamado sistema tronco de telefonia, interligando centrais de tráfego interurbano, que podiam ter desde algumas dezenas e centenas de quilômetros. Elas traziam vantagens em tais projetos pois, graças à sua capacidade de transmissão de banda, reduziam significativamente os custos em relação aos demais cabos e materiais utilizados para os mesmos fins. Uma outra aplicação da fibra, ainda na telefonia, é na interligação de centrais telefônicas urbanas onde, elas entram como forte opção, pois as redes subterrâneas estão geralmente congestionadas e sua grande banda passante é capaz de atender uma demanda crescente, representada pelo crescimento de usuários na rede. -Cabos Submarinos Os primeiros cabos totalmente submarinos (telégrafo) foram inaugurados por D. Pedro II em 1873, interligando o Rio de Janeiro, Salvador, Recife e Belém. A primeira ligação internacional por cabo foi feita no mesmo ano, com Portugal, tendo sido concluída por meio de contrato com a empresa British Eastern Telegraph Company. Os cabos

12 12 Comunicação em Fibras Ópticas submarinos são parte integrante da rede internacional de Telecomunicações e, são mais um exemplo no qual as fibras ópticas obtiveram sucesso. Os cabos convencionais utilizam cabos coaxiais de alta qualidade, com grande diâmetro para diminuir a atenuação, mas requer repetidores separados por distâncias de 5 a 10 Km. Com as fibras ópticas, essa distância entre repetidores pôde ser aumentada para mais de 100Km, além de oferecer outras vantagens já conhecidas como alta banda passante e facilidade operacional devido as suas pequenas dimensões. A principal característica dos sistemas de comunicações de cabos ópticos submarinos, é a distância que se pode atingir, chegando a até km sem necessidade de regeneração do sinal. Nos sistemas que utilizam fibras ópticas de terceira geração (1300nm) consegue-se atingir espaçamentos de até 60km entre repetidores. Já nos sistemas que utilizam cabos com fibras ópticas de quarta geração (1550nm), estes espaçamentos podem atingir até 100 Km. Além disso, o cabo óptico, amplificadores e regeneradores utilizados em sistemas submarinos, são projetados para resistirem a pressão d'água em até 8.000m de profundidade. A estrutura dos componentes, incluindo os componentes ópticos, é de altíssima confiabilidade, normalmente assegurando 25 anos de vida útil. Figura 7 Lançamento de cabo óptico em oceano (Fonte: Cabos Submarinos) -Sensores As fibras ópticas são utilizadas em sistemas com sensores ou de instrumentação sejam em aplicações industriais, médicas, automóveis e até militares. A idéia de utilizar a fibra óptica em tais ambientes deve-se as suas pequenas dimensões e resistência a ambientes hostis. Na indústria, as fibras ópticas são utilizadas principalmente em sistemas de telemetria, graças à resistência da fibra a diferentes condições de temperatura, pressão, supervisão de controle de processos, e outros. Na área médica há um vasto número de aplicações, destacando-se o primitivo Fiberscope, a primeira aplicação prática na qual uma fibra óptica foi utilizada.

13 Denis Stracci 13 Em tais aplicações, o objetivo é observar e iluminar o interior do corpo humano, além dos aparelhos de imagens, sensores de temperatura, pressão, PH, e de vazão sanguínea. A área médica ainda conta com as redes de comunicações locais(lan) ou redes de distribuição de recursos, que realizam teleconferências e outras transferências de dados em alta velocidade. Na automobilística, as aplicações das fibras vão desde o controle do motor e da transmissão até os acessórios secundários (controle de janelas e portas, aquecimento e refrigeração de ar, entre outros). As vantagens da fibra de ser imune a interferências, ter dimensões pequenas e isolamento elétrico, auxiliaram para que ela conquistasse mais este tipo de aplicações DWDM (Dense Wave Division Multiplex) O DWDM é uma tecnologia que multiplexa diversos sinais diferentes numa única fibra óptica, mandando cada um em comprimento de onda (cor) diferente. O que é feito é tomar cada um dos sinais a serem enviados, codificá-los em luz, acoplá-los em uma fibra para que, na outra extremidade, seja feita a separação e leitura. Esse é um caso específico do FDM (multiplexação em frequência). Afinal, a luz é uma onda eletromagnética assim como as utilizadas para realizar o FDM. No entanto quando se fala em FDM, geralmente estamos tratando de frequências de rádio e quando nos referimos a luz, tende-se a não falar em frequência, mas em comprimento de onda. O grande objetivo de qualquer forma de multiplexação é compartilhar o meio e o DWDM, no caso das fibras ópticas, pode tornar o meio óptico eficiente, possibilitando não apenas o aumento da banda sem a alteração da infraestrutura, mas também dando maior flexibilidade aos sistemas de fibras ópticas como discutiremos adiante. FUNCIONAMENTO Um modelo simplificado e didático para para os multiplexadores seria o de um prisma que separa cada um dos comprimentos de onda de interesse. Primeiramente, quando o feixe de luz emerge da fibra óptica, ele diverge de acordo com a abertura numérica da fibra. Para que seja possível ocorrer a separação de cada comprimento de onda num prisma, primeiramente é necessário fazer com que tal feixe converja, o que torna necessária a utilização de uma lente. Logo a seguir, vem um prisma de baixo poder dispersivo, que separa cada um dos comprimentos de onda, graças aos diferentes índices de refração que cada comprimento de onda distinto encontra. Ao final, queremos recuperar um sinal elétrico a partir de um sinal óptico, dessa forma é desejado uma maior convergência entre os raios de cada cor, de forma que são utilizados lentes convergentes para aumentar a intensidade da luz e

14 14 Comunicação em Fibras Ópticas facilitar sua conversão para eletricidade. Tal modelo, embora simples de ser imaginado, não é interessante na prática, pois prismas além de terem grandes dimensões, não são tão eficientes. O transmissor usado em WDM é sempre o LASER, por ter seu espectro em frequência mais estreita e estável, o que permite que ele seja alocado com maior facilidade no tamanho dos canais. Para a multiplexação e o acoplamento há várias opções, sendo que a solução mais simples é a utilização de conectores em Y. O problema destes conectores é que eles requerem que a luz faça uma curva acentuada, porém tais curvas fazem com que raios acertem a parede da fibra com um ângulo menor que o ângulo crítico e sejam perdidos, causando perda de potência luminosa. Perde-se aproximadamente 3db, o que corresponde a metade da potência de entrada, por cada conector e isso geralmente requer que amplificadores sejam utilizados. Para a demultiplexação de sinais, ao invés do simples prisma, há diversos tipos de filtros ajustáveis que se baseiam em fenômenos de interferência como forma de identificar e isolar cada um dos comprimentos de onda multiplexados. Uma boa parte deles funciona baseado nos princípios da difração e da interferência. A difração é um fenômeno que ocorre quando o comprimento de um obstáculo tem dimensões próximas ao comprimento de onda da luz que tenta atravessá-lo. Há ainda outras formas de demultiplexação como a utilização de redes de difração, interferômetros. Esses filtros tornam-se necessários tendo em vista que nem sempre os emissores e os receptores conseguem multiplexar /demultiplexar os comprimentos de onda. PROBLEMAS ENFRENTADOS PELO DWDM Os sistemas de WDM enfrentam, além dos problemas apresentados pela fibra óptica, diversas outras dificuldades. Primeiramente, podemos destacar a diafonia(crosstalk). Como os comprimentos de onda podem estar muito próximos, uma parte da potência que deveria ter chegado num dado canal, podem chegar em canal adjacente. Esse fenômeno gera ruído e taxas de erro elevadas. A diafonia é medida de acordo com a diferença ente o sinal enviado e a parte do sinal que chega ao canal vizinho (essa taxa pode chegar até 30db). Outra grave questão enfrentada pelo WDM, é a mistura de quatro ondas (o four-wave mixing, FWM) ou geração de harmônicos. O FWM é considerado a fonte dominante de crosstalk em sistemas WDM, e seu impacto tem sido amplamente estudado.

15 Denis Stracci 15 Fatores que auxiliam no combate ao FWM são a dispersão cromática (pois ela diminui a potência) e o espaçamento desigual entre os canais, que não impede o fenômeno e queda de potência nos dois comprimentos de ondas originais, mas impede que as novas ondas caiam num outro canal que esteja em uso O ruído é um problema que permeia todos os elementos de um sistema óptico e graças a tecnologia, a maior parte dos tipos de ruídos existentes já são controláveis. Os tipos de ruído mais graves são os ruídos provenientes de amplificadores ópticos e o ruído proveniente dos fotoreceptores. Há ainda a questão da padronização e estão sendo supervisionadas pela International Telecomunications Union (ITU-T). Buscase, com essa padronização, viabilizar a utilização de equipamentos de WDM de diferentes fabricantes e a diminuição de preços, pois é mais barato comprar produtos padronizados do que produtos feitos especialmente para cada necessidade além de permitir a concorrência entre empresas. Figura 8 Dispersão Cromática 4.4.TIPOS DE WDM Existem diversos tipos de WDM, sendo que sua classificação é dada basicamente pela distância entre cada um dos comprimentos de onda multiplexados. Os dois tipos principais de WDM são o CWDM (Course Wavelenght-Division Multiplexing), e o DWDM (Dense Wavelenght-Division Multiplexing), mas não há uma separação muito clara entre eles, pois tais determinações (denso ou esparso) são qualitativos; o que por alguns pode ser considerado como denso, para outros como esparso. O CWDM é basicamente o WDM com uma distância grande entre os comprimentos de onda multiplexados, sendo geralmente utilizado nas fibras multímodo. Embora esse método de multiplexação não aproveite toda a capacidade da fibra, ele já multiplica a capacidade de uma fibra sem multiplexação e permite a utilização da fibra bidirecionalmente.