1 Transmissões Ópticas (WDM Networks)

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1 1 TRANSMISSÕES ÓPTICAS (WDM NETWORKS) 1 Transmissões Ópticas (WDM Networks) 1.1 Como funciona um laser LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Para entender o que é emissão estimulada, deve-se ir para o nível dos átomos. Os átomos que são estáveis têm elétrons que estão no nível mais baixo de energia possível. Em cada átomo, existe um número de níveis discretos de energia que um elétron pode ter, estes níveis são chamados de estados. Para trocar o estado de um elétron, o átomo precisa absorver energia. Quando ele absorve energia, ele é excitado, e se move para um nível de energia maior. Neste momento, o elétron está instável e normalmente, move-se rapidamente de volta para o nível mais baixo, liberando um fóton, uma partícula de luz. A emissão estimulada ocorre quando um fóton passa muito perto de um elétron excitado. O fóton pode levar o elétron a librerar energia e retornar para o estado estável. Perante esse processo, o elétron libera outro fóton na qual terá a mesma direção e coerência que o fóton estimulado. Fótons na qual é uma fração do comprimento da 1

2 1.1 Como funciona um laser 1 TRANSMISSÕES ÓPTICAS (WDM NETWORKS) cavidade será combinado coerentemente para compor a luz na frequência dada com a cavidade. A frequência emitida pelo fóton depende de sua variação dos níveis de energia. A frequência é determinada por: onde: f = (Ei Ef)/h (1) Ei = estado inicial (quase estável) do elétron; Ef = Estado final (estável) do elétron; f = frequência do fóton; h = constante de Plank. Embora muitas frequências sejam possíveis, apenas uma, na qual é determinada pelo comprimento da cavidade, é emitida pelo laser Características do laser 1. Tamanho do alinhamento do laser É o comprimento espectral da luz ada pelo laser. Ele afeta o espaçamento dos canais e também o montante de dispersão que ocorre quando a luz se propaga ao longo da fibra. Obs.: Note que o espalhamento de um pulso devido a dispersão irá limitar a taxa máxima de bit. 2. Instabilidade de frequência: Qualquer variação causa perda no laser e sua variação causa instabilidade no laser. Suas causas pode ser: O modo de saltos ocorre, primariamente, em lasers de corrente injetada e é um salto repentino na frequência do laser, causada pela variação da corrente injetada sobre um limiar; Deslocamentos (Desvios), que são variações na frequência devido as variações de temperatura; Comprimento de onda de um chirp (espaço entre dois bits representado na figura a seguir), que é uma variação na frequência devido a variações na corrente injetada. 2

3 1.1 Como funciona um laser 1 TRANSMISSÕES ÓPTICAS (WDM NETWORKS) 3. A quantidade de modos longitudinais No laser é o número de comprimento de onda que o laser pode amplificar. Formados de uma cavidade simples, o comprimento da onda para cada um dos inteiros múltiplos deste comprimento de onda é igual a 2 vezes o comprimento da cavidade que será amplificada. onde: n = número inteiro; L = comprimento da cavidade. nλ = 2L (2) Obs.: A faixa ajustável = Faixa de λ sobre a qual o laser pode operar. Obs.2: Tempo Ajustável = Tempo necessário para o laser se ajustar de um λ para outro Laser Ajustáveis Mecanicamente A maioria usa cavidade chamada Fabry-Perot, que é um ressonador óptico na qual a realimentação é acoplado por 2 espelhos paralelos e adjacentes a camada média do laser para filtrar comprimentos de onda indesejados. O ajuste é acoplado para um ajuste físico da distância entre os 2 espelhos nas extremidades da cavidade de tal forma que apenas os comprimentos de onda desejáveis sofram interferências construtivas com suas múltiplas reflexões na cavidade Laser com Injeção de corrente Ajustável obs.: imprecisão maior, porém, ajustável para outros fins. Este tipo de laser forma uma família de transmissores que permitem a seleção de comprimento de onda através de uma grade difração (Diffraction Grating). O laser com realimentação distribuída (DFB) usa uma grade de difração localizada na cavidade do laser. Em geral, o laser consiste de um guia de onda na qual o índice de refração alterna periodicamente entre 2 valores. Apenas os λ nos quais estão casados com o período e os índices da grade serão reforçados construtivamente. Todos os outros λ irão 3

4 1.2 Vetores de laser 2 MODULAÇÃO ÓPTICA interferir destrutivamente, e não irão propagar através do guia de onda. A condição para propagação é dada por: onde: D = λ/2n (3) D = período da grade; n = número inteiro positivo (maior que zero). O laser é ajustado através da injeção de corrente na qual altera o índice da região da grade. útil: Janela de propagação: λ = ±80nm λ = 50nm deve ser pegando a taxa de menor atenuação. 1.2 Vetores de laser Um vetor de laser consiste de um número de lasers na qual são integrados como um componente único, com cada laser operando em um comprimento de onda diferente. A vantagem de usar um vetor de laser é se para cada comprimento de onda do vetor de laser for modulado intependentemente, então múltiplas transmissões podem ser realizadas simultaneamente. 2 Modulação Óptica Dentre as técnicas de modulação, a ASK binária é a preferida devido a sua simplicidade. Na modulação binária ASK, também conhecida como On-Off Keying (OOK), o sinal é deslocado entre dois níveis de energia, um representando o bit zero, enquanto o nível mais alto representa o bit 1. Os sistemas que utilizam a modulação OOK podem processar apenas ligando e desligando o laser. Para elevada taxa de bits é preferível ter um modulador externo, no qual modula a luz vinda de fora do laser. Este modulador externo bloqueia ou passa a luz, dependendo da corrente aplicada nele. 4

5 2.1 Receptores Ópticos e Filtros 3 FILTROS ÓPTICOS AJUSTÁVEIS 2.1 Receptores Ópticos e Filtros Em receptores que usam detecção direta, um foto detector converte o conjunto de dados (stream) ópticos chegando em uma stream de elétrons. Esta stream de elétrons é então amplificada e passa através de um circuito de decisão (limiar). Para definir quando a stream está acima ou abaixo de um certo limiar pelo tempo de duração do bit. Ou seja, a decisão é feita baseada em quando a luz está ou não presente durante o período de bit. Os circuitos básicos de detecção para redes ópticas com detecção direta são: O fotodiodo PN (Uma junção p-n) e o fotodiodo PIN (um material intrínseco 1 é depositado entre os tipos de materiais p e n). Através do efeito fotoelétrico, a luz incidente na região irá criar pares elétrons-lacuna em ambas as regiões p e n do fotodiodo. Os elétrons liberados na região p irão cruzar a região n, e as lacunas criadas nesta região irão cruzar para a região p, consequentemente, resultando em um fluxo de corrente Detecção coerente Nesta a informação de fase é usada na codificação e detecção dos sinais. Receptores baseados em detecção coerente usam um laser monocrômico como oscilador local. O conjunto de dados recebidos, que está em uma frequência ligeiramente diferente da do oscilador, é combinado com o sinal vindo do oscilador, resultando em um sinal com a frequência diferente (fs - fa). Este sinal diferente, no qual, está na faixa de micro ondas (µ) com faixa iniciando em 100MHz, é amplificado e então, foto detectado. 3 Filtros ópticos ajustáveis Características: Faixa ajustável: especifica a faixa de comprimentos de onda na qual pode ser acessada pelo filtro. Uma faixa larga ajustável permite aos sistemas utilizarem um grande número de canais. Tempo ajustável: especifica o tempo necessário para ajustar de um comprimento de onda para outro.filtros ajustáveis rápidos são requisitos para a maioria das arquiteturas de rede WDM. Obs.: Alguns filtros, tais como o Etalon, são caracterizados por dois parâmetros: Faixa espectral livre e finesse. Em alguns filtros, a função de transferência, ou o formato do filtro passa-banda, repete-se após um certo período. Este período é designado como faixa espectral livre (FSR). em outras palavras,o filtro passa por toda frequência na qual a distância está 1 Um material semicondutor com propriedades elétricas na qual tem características de um cristal puro. 5

6 3 FILTROS ÓPTICOS AJUSTÁVEIS n.fsr da frequência selecionada, onde n é um número inteiro positivo. Por exemplo, se um filtro é ajustado para frequência F 1, então todas as frequências denominadas com índice 1 irão passar pelo filtro. Ajustando o filtro para a próxima frequências F 2, irá permitir que todas as frequências denominadas com índice 2 passem pelo filtro e, assim por diante. A FSR normalmente depende de vários parâmetros tópicos no circuito, tais como, comprimento de caridade e comprimento de guia de onda. A finesse de um filtro é uma medida de comprimento da função de transferência. Ela é uma taxa da FSR da largura de banda do canal, em que a largura de banda do canal é definida para ser 3dB da largura de banda de um canal. F inesse = F SR/ f (4) Obs.: quando a Potência do sinal cai pela metade, tem-se a largura do canal. O número de canais é limitado pela FSR e pela Finesse. Todos os canais devem estar dentro de uma FSR. Se a Finesse é alta, as funções de transferência são banda estreita, resultando em mais canais podendo caber dentro de uma FSR. Com uma baixa Finesse, os canais podem precisar ser espaçados uns dos outros para evitar cross talk, resultando em poucos canais. Uma forma de aumentar o número de canais é colocar filtros em cascata com diferentes FSR. 6

7 3.1 Filtros Etalom 3 FILTROS ÓPTICOS AJUSTÁVEIS 3.1 Filtros Etalom Dois tipos: Cavidade simples, formada por dois espelhos planos paralelos mais comuns; Cavidade simples, formada por dois espelhos côncavos idênticos, com a face côncava voltada uma para a outra menos comum. A prioridade óptica primária de um Etalom Planar (Fabry-Rerat), é que se um raro de luz monocromática viaja ida e volta o trajeto entre os dois espelhos, sendo a distância entre eles um número integral de comprimento de onda, então a luz passa através do Etalom. Várias modificações, tais como, multiplicidade e multi-passagem. Através do Etalom pode ser equalizadas para melhorar o número de canais. Em um filtro multi-passagem, a luz passa através da mesma cavidade múltiplas vezes.enquanto em um filtro multi-cavidade, múltiplos Etalons de diferentes FSR são cascateados para efetivamente melhorar a Finesse. este Etalom pode acessar toda a região de baixa atenuação da fibra e pode resolver bandas passantes muito estreitas. Mas, ele tem um tempo de ajuste da ordem de dezenas de milissegundos, devido seu ajuste mecânico. Isto o impossibilita para muitas aplicações na qual o tempo de duração do pacote é muito menor do que o tempo de ajuste. 3.2 A cadeia de Mach-Zehnder O interferômetro de Mach-Zehnder (MZ), é constituído por duas guias de onda, um combinador de saída e um elemento de atraso,conforme a figura acima. O elemento de ajuste do atraso controla o comprimento do percurso óptico em um dos guias de onda, resultando em uma diferença de fase entre os dois sinais quando eles são realinhados. Comprimento de onda nos quais a diferença de fase é 180 graus são filtrados para serem retirados. Construindo uma cadeia desses elementos, um simples comprimento de onda óptica desejado pode ser selecionado. 7

8 3.3 Filtro óptico acústico 3 FILTROS ÓPTICOS AJUSTÁVEIS Este filtro é de baixo custo, devido os elementos semicondutores. Mas seu tempo de ajuste é da ordem de milissegundos. O controle do ajuste do delay é complexo, sendo que a sua configuração em cada estágio depende dos estágios anteriores. 3.3 Filtro óptico acústico Ondas de rádio frequência (RF) são passadas através de um transdutor (cristal piezoelétrico 2 que converte ondas sonoras em movimentos mecânicos). as ondas sonoras variam o índice de refração do cristal, na qual habilita o cristal a agir como um fragmentador. A luz incide sobre o transdutor vai difringir de um ângulo que depende do ângulo de incidência e do comprimento de onda da luz, alterando as ondas de RF, um único comprimento de onda pode ser selecionado para passar através do material, enquanto todos os comprimentos de onda restantes irão atender. O tempo de ajuste do filtro óptico acústico é limitado pelo tempo de propagação da onda acústica de superfícies (SAW) aproximadamente 10µs. Ele cobre todo o espectro de 1300nm até 1560nm, permitindo potencialmente 100 canais. Se mais de uma onda de RF é passada através da fragmentação simultaneamente, mais de um comprimento de onda poderá ser filtrado. Permitindo ao filtro ser mais eficiente, ajustando vários canais ao mesmo tempo. 3.4 Filtros ópticos elétricos São usados cristais cujos índices de refração podem ser alterados por correntes elétricas. Eletrodos são usados para suprir a corrente do cristal. A corrente varia o índice de refração do cristal, na qual permite alguns comprimentos de onda passar, enquanto os outros interferem destrutivamente. Considerando que o tempo de ajuste é limitado apenas pela velocidade dos componentes eletrônicos, o tempo de ajuste pode ser da ordem de vários nanossegundos. 3.5 Filtros fixos Filtro fragmentado Uma camada plana de material transpassante (vidro ou plástico), com uma linha de sulcos paralelos a cortando. A fragmentação separa a luz em seus componentes de comprimento de onda pela reflexão da luz incidente com os sulcos para todos os ângulos. Em um determinado ângulo, apenas um λ adiciona construtivamente, todos os demais são retirados destrutivamente. Isto permite selecionar os λ, ajustado o filtro para os respectivos ângulos. 2 Material que pode transformar energia mecânica em elétrica 8

9 4 AMPLIFICADORES ÓPTICOS Fibra de Bragg fragmentada Neste filtro, uma variação periódica do índice de refração é diretamente foto-induzido no núcleo da fibra óptica. Uma fragmentação de Bragg vai refletir um dado λ da luz de volta à fonte, enquanto passa outros λ s. Duas características primárias deste filtro são a reflexividade e a largura de banda espectral. A largura de banda espectral óptica da ordem de 0,1nm, enquanto que uma reflexibilidade de 99% é conseguida. A seguir, duas tabelas contendo comparações gerais sobre os filtros 4 Amplificadores Ópticos 1R: Reamplificação, atua apenas estimulando a potência do sinal, mas não restaura o formato nem o tempo do sinal. 3R: reformatar, reamplificar e ressincronizar. Reformatar o sinal, reproduz o formato do pulso original, eliminando boa parte do ruído. Isto é feito em sinais modulados digitalmente, mas em alguns casos pode ocorrer em sinais analógicos. Ressincronizar o sinal, sincroniza o sinal com o padrão de tempo original e com a taxa de bit, é aplicado apenas à sinais digitais. 2R: reamplificar e reformatar. Onde o sinal óptico é considerado em um sinal eletrônico, na qual é usado para modular diretamente um laser. A amplificação óptica usa o princípio da emissão estimulada, simular com a do laser. Os amplificadores ópticos podem ser divididos em duas classes básicas: Amplificadores de fibras ópticas (OFA) e amplificadores ópticos semicondutores (SOA). 9

10 4.1 Características dos Amplificadores Ópticos 4 AMPLIFICADORES ÓPTICOS 4.1 Características dos Amplificadores Ópticos Ganho: É a relação entre a potência de saída e a potência de entrada. São também caracterizados pela eficiência de ganho,medindo-o como função de entregar a potência em (db/mw ); Ganho da largura de banda: Faixa de λ ou frequência sobre o qual amplificador é efetivo. Em uma rede, o ganho da largura de banda limitada e número de λ disponível para um dado espaçamento do canal; Ganho de saturação: É o valor da potência de saída, onde esta potência não aumenta significativamente com um aumento da potência. além, dos elétrons no amplificador serem incapazes de liberar energia luminosa adicional. Ela é tipicamente definida como a potência de saída, na qual existe uma redução de 3dB na taxa entre a potência de saída e a de entrada; Sensibilidade de Polarização: É dependente do ganho de polarização do sinal. Ela é medida em db e se refere a diferença de ganho entre os modos transversais elétrico (TE) e os modos transversais magnéticos (TM). Amplificação de ruído: A fonte dominante de ruído é a emissão amplificada espontaneamente (ASE), na qual surge da emissão espontânea de fótons na região ativa do amplificador. O nível de ruído gerado pelo amplificador depende de fatores como, a amplificação do ganho espectral, a largura de banda do ruído e o parâmetro de inversão de população, na qual especifica o grau de inversão de população que deve ser alcançado entre dois níveis de energia. Amplificação de ruído é um grande problema quando múltiplos amplificadores são cascateados. Pois, cada subsequente amplificador vai amplificar o ruído gerado pelo amplificador anterior. 10