Evolução dos sistemas de comunicação óptica

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1 Evolução dos sistemas de comunicação óptica Realização do primeiro laser; Proposta para usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao); Fabrico da primeira fibra óptica de sílica dopada (0 db/km); Fabrico do primeiro laser a semicondutor (GaAs) operando entre 0.8 e 0.9 µm; Primeiro sistema de comunicação óptica (45 Mbit/s, λ = 0.8 µm); Primeiros sistemas comerciais da ª geração (λ = 0.85 µm); Primeiros sistemas comerciais da ª geração (λ =.3 µm); Demonstração da amplificação óptica em fibras dopadas com érbio; Primeiros sistemas comerciais da 4ª geração (λ =.55 µm); Primeiro cabo submarino digital com fibra (0.8 Gbit/s, λ =.3 µm); Cabo submarino óptico TAT/3 (5 Gbit/s); Primeiro sistema comercial WDM (wavelength-division multiplexing) com 8 comprimentos de onda; 00 - Cabo submarino óptico TAT4 (640 Gbit/s, WDM, canal - 0 Gbit/s); Implementação comercial de sistemas ópticos WDM com canais a 40 Gbit/s; Estudos experimentais de sistemas ópticos WDM com canais a 60 Gbit/s; Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9

2 Janelas de transmissão Princípios da década de 70 ª janela de transmissão: λ nominal: 850 nm ( nm) º sistemas de comunicação óptica utilizaram estes baixos comprimentos de onda - usados nos sistemas de baixos débitos e curta distância Atenuação específica da fibra (db/km) ª janela de transmissão: ª janela de transmissão: Década de Anos Comprimento de onda (nm) (Lembre-se que a frequência cresce no sentido inverso!) λ nominal: 300 nm (0-340 nm) λ nominal: 550 nm ( nm) São mais atractivos devido às melhores características de atenuação e dispersão: usados nos sistemas a elevados débitos e longa distância na na 3ª 3ª janela janela (λ (λ = = nm) nm) o o coeficiente coeficiente de de atenuação atenuação tem tem um um valor valor de de cerca cerca de de db/km. db/km. Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9

3 Vantagens das fibras ópticas Baixa atenuação: as perdas de transmissão são muito reduzidas quando comparadas com os pares simétricos ou com os cabos coaxiais. Atenuação (db/km) Par simétrico Cabo coaxial Fibra multimodal de índice gradual Fibra monomodal Frequência (MHz) Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 3

4 Vantagens das fibras ópticas () Largura de banda elevada: a largura de banda disponível na terceira janela é de cerca de 00 nm (.5 THz). Considerando a ª e 3ª janela têm-se cerca de 43.3 THz. Atenuação específica da fibra (db/km) Fibra All Wave TM 08.3 THz 43.3 THz.5 THz Comprimento de onda (nm) Fibra monomodo padrão (Single-mode fiber - SMF) Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 4

5 Vantagens das fibras ópticas (3) Dimensões e pesos reduzidos: um cabo de fibra óptica (com 8 fibras) ocupa uma secção que é /0 da secção ocupada por um cabo coaxial (com 8 pares coaxiais) e o seu peso é de cerca de /30. Imunidade à interferência electromagnética: a sílica (SiO ) - este material não conduz electricidade - não é sensível à interferência electromagnética induzidas por fontes exteriores, assim como é imune à diafonia originada pela presença de outra fibra. Segurança: o cabo de fibra óptica não radia energia electromagnética para fora importante para aplicações que envolvam segurança na transferência de informação Custo reduzido as fibras ópticas são fabricadas com vidro purificado, cuja matéria prima é a sílica. Actualmente, as fibras ópticas já são mais baratas que os meios de cobre. Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 5

6 Elementos de uma ligação por fibra óptica Sinal eléctrico de entrada Circuito de excitação Emissor Fonte óptica Conector atenuação, ruído, interferência, distorção Nota: A transmissão de informação Nota: A transmissão de informação realiza-se realiza-se modulando modulando a a intensidade intensidade do do campo campo (potência óptica) (potência óptica) que que se se propaga na fibra óptica propaga na fibra óptica Conversor O/E Acoplador óptico Modulação Modulação de de intensidade intensidade (IM) (IM) Regenerador eléctrico Regeneração eléctrica Para outros equipamentos Fibra óptica Conversor E/O Sinal óptico Detecção Detecção directa directa (DD) (DD) de de potência potência Receptor Sinal eléctrico Amplificador óptico Fotodetector Regeneração eléctrica Sinal eléctrico de saída Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 6

7 Conversão de largura de banda óptica em nm em largura de banda óptica em Hz Relação entre frequência óptica e comprimento de onda: ν = c λ frequência óptica, ν comprimento de onda, λ velocidade da luz no vazio, c Exemplo: Para dλ << λ : dν c dν d λ d λ d λ = λ Largura de banda óptica, em λ: λ Largura de banda óptica, em ν: ν Exemplo: c ν = λ λ Lembre se que u = u u λ = 550 nmν= 93.4 x 0 Hz = 93.4 THz λ = 300 nmν= 30.6 x 0 Hz = 30.6 THz λ = 550 nm: λ = nm ν = 5 GHz λ = 300 nm: λ = nm ν = 77 GHz Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 7

8 Estrutura da fibra óptica A fibra óptica é um guia dieléctrico cilíndrico constituído por dois materiais transparentes (vidro de elevada qualidade e/ou plástico) cada um com um índice de refracção diferente Os dois materiais são dispostos de forma concêntrica de modo a formar um núcleo interior e uma bainha. n > n n a n Núcleo (SiO / dopante: GeO ; P O 5 ) - índice de refracção n Bainha (SiO ) - índice de refracção n Revestimento primário interior Variação do índice de refracção: n ( r) n = n = n r a g ( ) r a r > a Revestimento primário exterior n(r) índice em degrau g = = n n n n n n n : valor máximo do índice de refracção; a: raio do núcleo; g: parâmetro de perfil; : diferença de índices normalizada. índice parabólico g = a g = r Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 8

9 Propagação da luz na fibra óptica - Teoria dos raios - Esta aproximação é válida quando o raio do núcleo é muito maior que o comprimento de onda (λ) n < n φ raio incidente θ 0 n Alguns valores para n: ar:.00 água:.33 vidro:.5 diamante:.4 θ c n raio refractado φ núcleo n bainha raio reflectido θ 0 ângulo de aceitação θ c ângulo crítico bainha Lei de Snell: n = sinφ n sin φ O ângulo mínimo que suporta a reflexão total interna é dado por: sinφ,min = n n O ângulo máximo de entrada é dado por: 0,max n sin n φ nsinθ = θc = n n Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 9

10 Definição de abertura numérica: Propagação da luz na fibra óptica - Teoria dos raios () - O cone de aceitação de uma fibra óptica define um ângulo segundo o qual toda a radiação incidente é transmitida pela fibra. Cone de aceitação θ 0 núcleo baínha A abertura numérica de uma fibra corresponde a metade da largura angular de aceitação. Para uma fibra com índice em degrau tem-se: Exemplos: ( ) AN nsinθ n cosφ n n n = = = = ( n n ) 0,max fibras multimodais = 0.0 a 0.03 AN = 0.4 a 0.5 fibra monomodais = 0.00 a 0.0 AN = 0.06 a 0.4 Lembre-se que Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 0 = n

11 Propagação da luz na fibra óptica - Modos de propagação - A propagação da luz através de um guia de ondas pode ser descrita em termos de um conjunto de ondas electromagnéticas guiadas - modos: resolução das equações de Maxwell sujeitas às condições fronteira; para guias metálicos só os modos TE e TM são encontrados; para a fibra óptica (guia cilíndrico) as condições fronteira entre a bainha e o núcleo revelam um acoplamento entre E e H (modos híbridos HE); Parâmetro V (determina quantos modos são suportados pela fibra): Frequência normalizada Estimativa do número de modos (V >>) : N m = V π V = a n λ π V = a AN λ Para fibras monomodais só o modo HE é suportado: V.405 Pode-se reduzir o raio do núcleo para se obter a condição de propagação monomodo Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9

12 Tipos de fibras Fibra multimodal: fibra com índice em degrau núcleo com índice uniforme velocidade de propagação no núcleo é constante raios que viajam por caminhos mais longos chegam mais atrasados que os raios que viajam por caminhos mais curtos dispersão intermodal; fibra com índice de variação gradual índice de refracção decrescente com a distância ao centro do núcleo e variação parabólica raios que viajam por caminhos mais longos têm maior velocidade (devido ao decréscimo do índice de refracção) que os raios que viajam por caminhos mais curtos dispersão intermodal reduzida. Fibra monomodal (índice em degrau): índice de refracção distância radial índice de refracção distância radial 50; 6.5; 85 µm 5 µm e.g. fibra padrão ou G.65. índice de refracção distância radial a 0 µm 5 µm Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9

13 Tipos de fibras () Fibras Monomodo Padrão Fibras Multimodo Diâmetro do núcleo -0 µm (ITU-T rec. G65) 50 µm (ITU-T rec. G65) Diâmetro da baínha 5 µm 5 µm Atenuação nm nm nm nm Características Só o modo axial se propaga Vários modos de propagação são possíveis Dispersão Intramodal Intermodal e intramodal Desvantagens das fibras monomodo : Abertura numérica menor menor ângulo de aceitação e maiores perdas de acoplamento fonte óptica - fibra; Vantagens das fibras monomodo : Só existe dispersão intramodal (nula para 30 ± 0 nm e cerca de 7 ps/(nm.km) a 550 nm. Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 3

14 Fibras monomodais Características a 550nm SMF (G.65) dispersão elevada ~ 7 ps/(nm.km) limitações devidas à dispersão para elevados débitos binários (Gbit/s) DSF (G.653) dispersão muito reduzida ~ 0 limitações devido à dispersão reduzida e a efeitos não lineares (mistura de quatro ondas) da fibra em sistemas WDM NZDSF (G.655) Compromisso na dispersão ~ 4 ps/(nm.km) Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 4

15 Atenuação O coeficiente de atenuação é definido como a razão entre a potência óptica de entrada P o (0) e a potência óptica de saída P o (L), de uma fibra óptica com comprimento L. O coeficiente de atenuação em db/km é: Exemplos: 0 α = log L P Po ( ) ( L) o 0 fibra óptica monomodal Corning SMF-8 fibra óptica multimodal Corning MMF 50/5 0 nm db/km 850, , , , ,9 65 0, nm db/km 850, ,65 380, 550 0,57 Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 5

16 Origem da atenuação na fibra óptica Atenuação específica da fibra (db/km) Dispersão de Rayleigh Atenuação total Linha de absorção do ião hidróxido, OH - Absorção dos IV Comprimento de onda (nm) Absorção dos infravermelhos: intrínseca: devido aos próprios átomos do material da fibra (absorção na região dos infravermelhos e ultravioletas). extrínseca: devido a impurezas no vidro (e.g. iões OH - ); Dispersão de Rayleigh: devido a irregularidades a nível microscópico na densidade do material variações no índice de refracção. Perdas radioactivas: devido a deformações e microcurvas. Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 6

17 Outras origens da atenuação: juntas e conectores Juntas: ligações permanentes que consistem na fusão de duas extremidades da fibra perdas médias entre 0.05 db e 0. db Conectores: ligações sem carácter permanente; são utilizados nas ligações da fibra com o emissor e receptor ópticos para facilitar a sua substituição perdas de conectores de elevada qualidade para fibras monomodo 0.5 db Orçamento de potência de uma ligação óptica ponto-a-ponto: Conector N j juntas Conector Emissor óptico Troços de fibra Receptor óptico P s - Potência óptica média acoplada à fibra Atenuação da ligação (N T troços de fibra): N T A = α L + N A + A T i i j j c i= L N T = i= L i P r - Potência óptica média à entrada do receptor Orçamento de potência: Pr = Ps AT Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 7

18 Dispersão A propagação da luz através da fibra óptica sofre o efeito da dispersão, i.e., distorção e alargamento dos impulsos transmitidos; Para os débitos binários actuais (Gbit/s), a origem da distorção por transmissão na fibra óptica, é a distorção de atraso Causas: existência de vários modos de propagação na fibra óptica Dispersão intermodal; variação do índice de refracção com o comprimento de onda, λdispersão intramodal. Consequência: aparecimento da interferência inter-simbólica (ISI) que vai determinar o ritmo binário máximo que a fibra suporta. Interferência inter-simbólica Limiar de decisão Conclusão: Conclusão: Ritmo Ritmo binário binário maior maior maior maior IIS IIS mais mais erros erros Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 8

19 Dispersão intermodal (ou multimodal) A dispersão intermodal só ocorre nas fibras ópticas multimodais e resulta do facto de diferentes modos terem diferentes tempos de propagação. L t φ c 0.5 bainha δτ t τ max O alargamento do impulso, definido a meia potência é aproximado por L L Com índice em degrau: δτ = τ max τ min = Com índice parabólico: δτ = τ max τ min = n n c 8c O desvio padrão do alargamento do impulso devido à dispersão intermodal é definido por δτ δτ Para impulsos rectangulares: σ inter = Para impulsos gaussianos: σ inter = 3 ln Parâmetro da dispersão intermodal D inter : n τ min σ inter = D inter L Para o caso de impulsos rectangulares e um índice em degrau D inter σ = = L inter 3 n n c Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 9

20 Dispersão intramodal (ou cromática) A dispersão intramodal resulta do facto de diferentes comprimentos de onda de um modo de propagação apresentarem diferentes velocidades de propagação na fibra. n(λ) λ Fibra G.65 v g λ = 300 nm λ Tempo de propagação: L τ = = v g Atraso de grupo L τ g Um sinal com uma largura espectral a meia potência λ S apresenta um alargamento temporal δτ [ou σ intra quando expresso em desvio padrão (rms)]: dτ δτ λ dλ g = L λs = D L λs intra λ λ σ = D Lσ D λ [ps/(nm km)]: parâmetro de dispersão intramodal D λ 0 G.65 D λ = 7 ps/(nm km) λ (nm) Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9 0

21 Produto ritmo binário x comprimento (D b L) Como critério para estimar o débito binário máximo na fibra, exige-se que o atraso de propagação δτ devido à dispersão seja inferior à duração do bit, i. e., δτ Fibra multimodal: dispersão intermodal dominante Db L n Fibra monomodal: existe apenas dispersão intramodal (ou cromática) D b n c Valor típico: D b L 00 Mbit/s km n =.5 = 0.00 Conclui-se que ligações com débito binário a 0 Mbit/s e distâncias de cerca de 0 km podem ser realizadas usando este tipo de fibra D b L D λ λs Valor típico: D b L 30 Gbit/s km D λ = 7 ps/(nm km) λ S = nm Conclui-se que ligações com débito binário a.5 Gbit/s estão limitadas a distâncias de cerca de 0 km Sistemas de Telecomunicações Guiados - ISCTE - Acetatos 9