Evolução dos sistemas de comunicação óptica
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- João Batista de Paiva Capistrano
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1 Evolução dos sistemas comunicação óptica Realização do primeiro laser; Proposta para usar as fibras ópticas em telecomunicações (Kao); Fabrico da primeira fibra óptica sílica dopada (0 db/km); Fabrico do primeiro laser a semicondutor (GaAs) operando entre 0.8 e 0.9 µm; Primeiro sistema comunicações óptica (45 Mbit/s, = 0.8 µm); Primeiros sistemas comerciais da ª geração ( = 0.85 µm); Primeiros sistemas comerciais da ª geração ( =.3 µm); Demonstração da amplificação óptica em fibras dopadas com érbio; Primeiro cabo submarino digital com fibra (40000 circuitos, =.3 µm); Cabo submarino óptico TAT/3 (880 circuitos); Primeiro sistema comercial WDM com 8 comprimentos onda; Cabo submarino óptico TAT4/5 ( milhão circuitos, 40 Gbit/s); Sistema experimental DWDM com 75 canais a 40 Gbit/s (7 Tbit/s numa fibra).
2 Hierarquias digitais Com o aparecimento da fibra óptica nos anos 80 os fornecedores serviços estabeleceram uma nova hierarquia digital: SONET (Synchronous Optical Network) nos EUA; SDH (Synchronous Digital Hierarchy) nas outras partes do mundo. Estes sistemas padrão (standards) finem uma estrutura trama para envio sinais digitais multiplexados no tempo (TDM) sobre a fibra óptica. Hierarquia Sinal SDH Ritmo (Mbit/s) ª STM- 55,5 ª STM-4 6,08 3ª STM-6 488,3 4ª STM ,8 (STM-x : Synchronous Transport Module - Level x)
3 O espectro electromagnético e a comunicação óptica Ultravioleta Natureza da luz? Visivel Infravermelho 800 nm Fibra óptica.55 µm Telefone, dados, vío 0 5 Hz 0 4 Hz Comprimento onda cm 0 cm m 0 m 00 m km 0 km 00 km Ondas milimétricas SHF (super high frequency) UHF (ultra high frequency) VHF (very high frequency) HF (high frequency) MF (medium frequency) LF (low frequency) VLF (very low frequency) Áudio Guia onda Cabo coaxial Par simétrico Satélite, Radar Feixes Hertzianos UHF TV telemóveis VHF TV e FM Rádio amador Difusão AM Cabos submarinos Telefone e telégrafo 00 GHz 0 GHz GHz 00 MHz 0 MHz MHz 00 khz 0 khz khz Frequência
4 Conversão largura banda óptica em nm em largura banda óptica em Hz Relação entre frequência óptica e comprimento onda: ν = c frequência óptica, ν comprimento onda, velocida da luz no vazio, c Exemplo: = 550 nmν= 93.4 x 0 Hz = 93.4 THz = 300 nmν= 30.6 x 0 Hz = 30.6 THz Para << : ν dν = d c ν = c Largura banda óptica, em : Largura banda óptica, em ν: ν Exemplo: = 550 nm: = nm ν = 5 GHz = 300 nm: = nm ν = 77 GHz Lembre se que u = u u
5 Janelas transmissão Atenuação específica da fibra (db/km) Princípios da década 70 Década 80 Anos Comprimento onda (nm) ª janela transmissão: nominal: 850 nm ( nm) º sistemas comunicação óptica utilizaram estes baixos comprimentos onda - usados nos sistemas baixos débitos e curta distância ª janela transmissão: 3ª janela transmissão: (Lembre-se que a frequência cresce no sentido inverso!) nominal: 300 nm (0-340 nm) nominal: 550 nm ( nm) São mais atractivos vido às melhores características atenuação e dispersão: usados nos sistemas a elevados débitos e longa distância na na 3ª 3ª janela janela ( ( = = nm) nm) o o coeficiente coeficiente atenuação atenuação tem tem um um valor valor cerca cerca db/km. db/km.
6 Vantagens das fibras ópticas Baixa atenuação: as perdas transmissão são muito reduzidas quando comparadas com os pares simétricos ou com os cabos coaxiais. Atenuação (db/km) Par simétrico Cabo coaxial Fibra multimodal índice gradual Fibra monomodal Frequência (MHz)
7 Vantagens das fibras ópticas (cont.) Largura banda elevada: a largura banda disponível na terceira janela é cerca 00 nm (.5 THz). Consirando a ª e 3ª janela têm-se cerca 43.3 THz. Atenuação específica da fibra (db/km) Fibra All Wave 08.3 THz 43.3 THz.5 THz Comprimento onda (nm)
8 Vantagens das fibras ópticas (cont.) Dimensões e pesos reduzidos: um cabo 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 cerca /30. Imunida à interferência electromagnética: a sílica (SiO ) - este material não conduz electricida - não é sensível à interferência electromagnética induzidas por fontes exteriores, assim como é imune à diafonia originada pela presença outra fibra. 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 cobre.
9 Elementos uma ligação por fibra óptica Sinal eléctrico entrada Circuito excitação Emissor Fonte óptica Conector atenuação, ruído, interferência, distorção Sinal óptico Sinal eléctrico Receptor óptico Acoplador óptico Regenerador Regeneração eléctrica Para outros equipamentos Fibra óptica Emissor óptico Receptor Nota: Nota: A A transmissão transmissão informação informação realiza-se realiza-se modulando a intensida do modulando a intensida do campo campo (potência (potência óptica) óptica) que que se propaga na fibra óptica. se propaga na fibra óptica. Amplificador óptico Fototector Regeneração elétrica Sinal eléctrico saída
10 Estrutura da fibra óptica A fibra óptica é um guia dieléctrico cilindrico constituído por dois materiais transparentes (vidro elevada qualida e/ou plástico) cada um com um índice refracção diferente: n Os dois materiais são dispostos forma concêntrica modo a formar um núcleo interior e uma baínha. Núcleo (GeO / SiO ) - índice A variação do índice refracção é dada por: ( r) n = n = n r a g ( ) r a r > a n : valor máximo do índice refracção; a: raio do núcleo; g: parâmetro perfil; : diferença índices mormalizada. = n n n n n a n n n índice parabólico n(r) refracção n mais elevado Baínha (SiO ) - índice refracção n mais baixo Revestimento primário interior Revestimento primário exterior g = g = índice em grau a g = r
11 Propagação da luz na fibra óptica - Teoria dos raios - Esta aproximação é válida quando o raio do núcleo é muito maior que o comprimento onda () fibras multimodo. n raio refractado n baínha Lei Snell: n = sinφ n sin φ n < n n φ φ raio incinte θ 0 θ c n φ núcleo baínha raio reflectido n O ângulo mínimo que suporta a reflexão total interna é dado por: sin φ min n = n Alguns valores para n: ar:.00 água:.33 vidro:.5 diamante:.4 O ângulo máximo entrada é dado por: 0,max n sin ( n n ) nsinθ = θc =
12 Propagação da luz na fibra óptica - Teoria dos raios (cont.) - Definição abertura numérica: O cone aceitação uma fibra óptica fine um ângulo segundo o qual toda a radiação incinte é transmitida pela fibra. Cone aceitação θ 0 núcleo baínha A abertura numérica uma fibra correspon a meta da largura angular aceitação. Para uma fibra com índice em grau tem-se: Exemplos: fibra multimodal 6.5/5 AN = 0.75 fibra multimodal 50/5 AN = 0. fibra monomodal AN = 0.4 ( n n ) = AN = nsinθ0,max = n sinθc = n Lembre- se que = ( n n ) n
13 Propagação da luz na fibra óptica - Modos propagação - A propagação da luz através um guia ondas po ser scrita em termos um conjunto ondas electromagnéticas guiadas - modos: resolução das equações 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 baínha e o núcleo revelam um acoplamento entre E e H (modos híbridos HE); Condição para que um modo permaneça guiado: n k < β < nk Parâmetro V (termina quantos modos são suportados pela fibra): Para fibras monomodo só o modo HE é suportado: V.405. π V = an π V = a (AN)
14 Tipos fibras Fibra multimodal: fibra com índice em grau; núcleo com índice uniforme velocida propagação no núcleo é constante raios que viajam por caminhos mais longos chegam mais tar que os raios que viajam por caminhos mais curtos dispersão intermodal; fibra com índice variação gradual (50 ou 6.5 µm). índice refracção crescente com a distância ao centro do núcleo e variação parabólica raios que viajam por caminhos mais longos têm maior velocida (vido ao créscimo do índice refracção) que os raios que viajam por caminhos mais curtos dispersão intermodal reduzida logo são possíveis maiores larguras banda. Fibra monomodal: e.g. fibra padrão ou G.65. índice refracção distância radial 50 ou 6.5 µm 5 µm V π = an a 0 µm 5 µm
15 Tipos fibras (cont.) Diâmetro do núcleo Diâmetro da baínha Fibras Monomodo Padrão Fibras Multimodo 6-0 um (ITU-T rec. G65) 50 um (ITU-T rec. G65) 5 um 5 um Atenuação nm nm nm nm Características Só o modo axial se propaga Vários modos propagação são posíveis Dispersão Intramodal Intermodal e intramodal Desvantagens das fibras monomodo : Abertura numérica menor menor ângulo aceitação e maiores perdas acoplamento fonte óptica - fibra; Vantagens das fibras monomodo : Só existe dispersão intramodal (nula para 30 ± 0 nm e cerca 0 ps/(nm.km) a 550 nm.
16 Parâmetros característicos da fibra - Atenuação - O coeficiente atenuação é finido como a razão entre a potência óptica entrada P o (0) e a potência óptica saída P o (L), uma fibra óptica com comprimento L. O coeficiente atenuação em db/km é: Exemplos: 0 α = log L P Po fibra óptica monomodal Corning SMF-8 fibra óptica multimodal Corning 50/5 0 ( ) ( L) o 0 nm db/km 850, , , , ,9 65 0, nm db/km 850, ,65 380, 550 0,57
17 Parâmetros característicos da fibra - Origem da atenuação na fibra óptica - Atenuação específica da fibra (db/km) Atenuação total Dispersão Rayleigh Linha absorção do ião hidróxido, OH Comprimento onda (nm) Absorção dos IV Absorção: intrínseca: vido aos próprios átomos do material da fibra (absorção na região dos infravermelhos e ultravioletas). extrínseca: vido a impurezas no vidro (e.g. iões OH - ); Dispersão Rayleigh: vido a irregularidas a nível microscópico na nsida do material variações no índice refracção. Perdas radioactivas: vido a formações e microcurvas.
18 Parâmetros característicos da fibra - Dispersão - A propagação da luz através da fibra óptica sofre o efeito da dispersão, i.e., distorção e alargamento dos impulsos transmitidos; Causas: existência vários modos propagação na fibra óptica Dispersão intermodal; variação do índice refracção com o comprimento onda, Dispersão intramodal. Consequência: aparecimento da interferência inter-simbólica (IIS) que vai terminar o ritmo binário máximo que a fibra suporta. Interferência inter-simbólica Limiar cisão Conclusão: Conclusão: Ritmo Ritmo binário binário maior maior maior maior IIS IIS mais mais erros erros
19 Parâmetros característicos da fibra - Dispersão intermodal - A dispersão intermodal só ocorre nas fibras ópticas multimodais e resulta do facto diferentes modos terem diferentes tempos propagação. t θ τ max baínha O alargamento do impulso, finido a meia potência é aproximado por φ c L τ min L δτ = τ max τ min n Com índice parabólico: L δτ = τ max τ min n c 0c O svio padrão do alargamento vido à dispersão intermodal é finido por δτ Para impulsos rectangulares: σ inter = Para impulsos gaussianos: δτ σ inter = 3 ln Parâmetro da dispersão intermodal D inter : Com índice em grau: 0.5 δτ t σ inter = D inter L Para o caso impulsos rectangulares e um índice em grau D inter σ inter n = = L 3 c
20 Parâmetros característicos da fibra - Dispersão intramodal - A dispersão intramodal resulta do facto diferentes comprimentos onda um modo propagação apresentarem diferentes velocidas propagação na fibra. n() v g = 300 nm Tempo propagação: L τ = = v Um sinal com uma largura espectral apresenta um alargamento temporal a meia potência τ (ou σ intra quando expresso em svio padrão): d g Fibra G.65 τ τ = L = D L d D 0 σ intra = D Lσ G.65 - Fibra padrão g Atraso grupo L τ D [ps/(nm km)]: parâmetro dispersão intramodal g (nm)
21 Parâmetros característicos da fibra - Dispersão intramodal (cont.) - O valor do parâmetro dispersão resulta da contribuição da dispersão do material e da dispersão do guia: D = D mat + D guia A dispersão do material só pen do material constituinte da fibra. Ocorre vido à variação do índice refracção com o comprimento onda; A dispersão do guia ocorre porque numa fibra monomodo apenas 80% da potência óptica está confinada no núcleo. Os restantes 0% propagam-se na baínha, originando o alargamento do impulso. Este factor pen: da diferença índices normalizada, do perfil do índice refracção e do raio do núcleo da fibra. D Dispersão do material Escolhem-se Escolhem-se estes estes parâmetros parâmetros modo modo a a Dispersão total slocar slocar o o comprimento comprimento onda onda on on a a 0 dispersão dispersão se se anula anula - - fibra fibra dispersão dispersão slocada Dispersão do guia slocada - - ou ou mesmo mesmo fazer fazer com com que que a a dispersão (nm) dispersão numa numa terminada terminada zona zona seja seja Conclusão: muito Conclusão: muito baixa baixa - - fibra fibra dispersão dispersão a Alteração a Nota: raio a > raio a Alteração do do raio raio da da fibra fibra aplanada. aplanada. slocamento slocamento do do comprimento comprimento onda onda on on a a dispersão dispersão se se anula anula
22 Produto largura banda x comprimento - Fibras multimodo - Índice em grau (impulsos rectangulares) σ + t Dispersão total: σ inter σ intra Índice parabólico (impulsos rectangulares) D inter σ inter n = = L 3 c Dispersão intermodal dominante σ t σ inter D inter = σ L inter = n 0 3 c Uma boa aproximação para a função transferência da fibra é: H ( f ) = H( ) exp( π f σ ) 3c B o L 0. n 0 t Para n =.5 e = 0.0: = 3.8 MHz km Largura banda óptica, B0 = B o L 0 3c. n 0 Conclusão: Conclusão: A fibra fibra com com índice índice gradual gradual apresenta apresenta uma uma melhoria melhoria da da relação relação BxL BxL em em cerca cerca 3 3 orns orns granza. granza σ = 3.8 GHz km t
23 Produto largura banda x comprimento - Fibras monomodo - Só existe dispersão intramodal σ t σ intra σ = t D σ L Lembre- se que B 0 0. σ t B o L 0. D σ Com = 550 nm e σ = 0. nm tem-se: Fibra padrão (SMF - Standard monomo fiber G.65): D = 7 ps/(nm km) B o L 7.7 GHz km Fibra dispersão slocada (DSF - Dispersion-shifted fiber G.653): D = ps/(nm km) B o L 000 GHz km Conclusão: A fibra fibra com com dispersão slocada apresenta uma uma melhoria significativa da da relação relação BxL. BxL.
24 Produto ritmo binário x comprimento R b O ritmo binário um sistema transmissão digital óptico é limitado pela dispersão vida à fibra óptica. Para impedir que a interferência intersimbólica seja elevada é necessário garantir que o alargamento do impulso seja inferior ao período bit (T b = / r b ), sendo usada normalmente a seguinte regra: Para o caso das fontes com largura espectral elevada (e.g. LED): R b Para um ritmo 0 Gbit/s tem-se um comprimento máximo cerca 4.7 kmnecessida usar fontes com largura espectral reduzida Exemplo: para um laser DFB com = 550 nm e D = 7 ps/(nm km) tem-se um comprimento máximo 66.6 km. 4σ L ( =.55 µ m, D = 7ps/(nm.km), σ = 0.nm) Rb L 47Gbps km 4D σ t
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