Estudo da Viabilidade de Comunicações Ópticas no Espaço Aberto II

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1 Estudo da Viabilidade de Comunicações Ópticas no Espaço Aberto II Esta série de tutoriais analisa diferentes aspectos da tecnologia de comunicação óptica no espaço livre (FSO, free space óptical transmission), incluindo suas características vantajosas e algumas limitações específicas. Em particular, verificam-se as consequências das interações de sinais com pequenos comprimentos de onda com os componentes da atmosfera na degradação do sinal transmitido. Os tutoriais foram preparados a partir do trabalho de conclusão de curso Estudo da Viabilidade de Comunicações Ópticas no Espaço Aberto, elaborada pelos autores, e apresentada ao Instituto Nacional de Telecomunicações, como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Foi orientador do trabalho o Prof. Dr. José Antônio Justino. Este tutorial parte II apresenta inicialmente os fatores limitantes dos sistemas FSO, detalhando as forma de atenuação atmosférica, de linha de visada e de turbulências atmosféricas, e outro fatores que afetam esses sistemas. A seguir apresenta o circuito receptor, detalhando as lentes, os fotodetectores, o sistema de amplificação e o circuito de decisão e os tipos de ruídos que podem afetar o sistema. Finalmente, apresenta os comentários e conclusões sobre o sistema analisado. Dênio Ferreira de Lima Vilela Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel (Junho, 2011), e Técnico em Eletrônica com ênfase em Automação Industrial pela Escola Técnica de Eletrônica Francisco Moreira da Costa (2005). Atuou como Técnico em Eletrônica II pela Nexcode Eletrônica, executanto atividades de desenvolvendo de hardware para a área de segurança. 1

2 Jorge Luiz dos Santos Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel (Junho, 2011). Luiz Gustavo Gonçalves Brandão Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel (Junho, 2011). Atuou no Departamento de Vendas da Inovale Tecnologia, executando atividade de pesquisas de mercado, contato com clientes finais e participando do desenvolvimento dos planos de negócios da empresa, tendo ajudando a mesma conquistar o Prime, que é um investimento do governo para o desenvolvimento de projetos de pequenas empresas. Atuou também como Estagiário na Teleco Inteligência em Telecomunicações, executando atividade de faz coletas de dados e analises de mercado. Atualmente é Analista de Informações na Teleco, executando atividade de consultoria e participando no desenvolvimento de Workshops e relatório analíticos sobre o setor de Telecomunicações do Brasil e do exterior. É também um dos responsáveis pela atualização do blog Ucel, que publica conteúdo especializado do setor de telefonia celular. luiz.brandao@teleco.com.br Mateus de Paula Grilo Breda Engenheiro Eletricista com ênfase em Telecomunicações pelo Instituto Nacional de Telecomunicações Inatel (Junho, 2011). 2

3 Categoria: Redes Ópticas Nível: Introdutório Enfoque: Técnico Duração: 20 minutos Publicado em: 16/04/2012 3

4 FSO II: Introdução A comunicação óptica no espaço livre (FSO, free space óptical transmission) é uma tecnologia de transmissão na faixa de infravermelho em ambiente de propagação não confinado. Como nos sistemas tradicionais de comunicação via fibra óptica, é utilizado para envio de diferentes mensagens, como voz, vídeo, dados e etc.. Trata-se de uma opção para contornar alguns problemas relativos à escassez de frequências disponíveis no espectro de rádio frequência RF. Este fato está se tornando um provável gargalo nas redes de telecomunicações devido à crescente demanda por maiores capacidades de transmissão, com o crescimento de acessos à internet por diferentes processos. Esta série de tutoriais analisa diferentes aspectos desta tecnologia, incluindo suas características vantajosas e algumas limitações específicas. Em particular, verificam-se as consequências das interações de sinais com pequenos comprimentos de onda com os componentes da atmosfera na degradação do sinal transmitido. O tutorial parte I apresentou inicialmente uma visão geral dos sistemas FSO, tratando da tecnologia, sua evolução histórica, suas aplicações e as vantagens de seu uso no espaço livre. A seguir apresentou o funcionamento do sistema óptico no espaço livre, detalhando o sistema básico de comunicação, as formas de modulação e multiplexação utilizadas, a maneira como ocorre a comunicação óptica no espaço livre, e o diagrama em bloco do sistema FSO. Finalmente apresentou as técnicas de transmissão utilizadas, detalhando as fontes ópticas e sua característica mais importantes, os amplificadores ópticos e os acopladores ópticos. Este tutorial parte II apresenta inicialmente os fatores limitantes dos sistemas FSO, detalhando as forma de atenuação atmosférica, de linha de visada e de turbulências atmosféricas, e outro fatores que afetam esses sistemas. A seguir apresenta o circuito receptor, detalhando as lentes, os fotodetectores, o sistema de amplificação e o circuito de decisão e os tipos de ruídos que podem afetar o sistema. Finalmente, apresenta os comentários e conclusões sobre o sistema analisado. 4

5 FSO II: Fatores Limitantes Introdução Neste seção, serão apresentados os efeitos mais relevantes no desempenho do sistema FSO. A partir da emissão da energia eletromagnética, identificam-se os fenômenos de atenuação atmosférica, atenuação por espalhamentos e turbulência atmosférica. Serão discutidos como alterações na atmosfera afetam a propagação do feixe óptico, comprometendo a recepção do sinal transmitido. Diversas dessas influências serão analisadas e quantificadas no que diz respeito à avaliação do desempenho do enlace. Atenuações atmosféricas Com a propagação na atmosfera o feixe óptico interage com diversos tipos de partículas, como gases, gotículas de água, poeira em suspensão, etc. Esta interação gera uma redução na energia captada pelo receptor através de espalhamento e/ou absorção. Os valores em níveis que dependem do comprimento de onda adotado pelo sistema, do tamanho e do índice de refração das partículas. Dessa interação do feixe óptico com partículas originam-se fenômenos que afetam o desempenho do sistema e, portanto suas análises são de grande importância no projeto de enlaces FSO. Espalhamentos Generalidades O espalhamento ocorre quando o feixe de luz transmitido encontra partículas distribuídas no meio de transmissão. Estas partículas redirecionam parte da energia do feixe e reduzem a quantidade de potência captada pelo receptor. Este fenômeno é um dos fatores de atenuação no enlace. O tipo de espalhamento depende da relação entre raio da partícula e o comprimento de onda da luz, conforme o valor [2]: Sendo r o raio da partícula e λ o comprimento de onda da luz. Conforme o valor deste parâmetro identificam-se os espalhamentos de Rayleigh, de Mie e outros. Alguns destes fenômenos serão analisados resumidamente. Espalhamento de Rayleigh Quando x 0 << 1, ou seja, o raio da partícula for bem menor do que o comprimento de onda na faixa de comunicações ópticas ocorre o espalhamento de Rayleigh, causado predominantemente por componentes moleculares contidos no meio de transmissão. Na comunicação via atmosfera, esses componentes são devidos às moléculas em suspensão [2]. Quando o feixe óptico incide em moléculas com as características especificadas, ocorre o espalhamento de maneira quase uniforme em todas as direções. A figura 1 representa a irradiação oriunda por este fenômeno em coordenadas polares, em um plano especificado. Este comportamento reproduz-se em diferentes planos do espaço [10]. (1) 5

6 Figura 1: Diagrama de irradiação do espalhamento de Rayleigh, representado em coordenadas polares Espalhamento de Mie Quando x 0 ~= 1, ou seja, quando o raio da partícula for comparável ao comprimento de onda, ocorre o espalhamento de Mie. Nas transmissões pelo espaço aberto, geralmente é causado por gotículas d água, cerração, partículas de poluição e poeira, etc.. Esse espalhamento é o mais frequente e tem grande relevância na quantificação das características de um sistema FSO [2]. No levantamento do diagrama de irradiação relativo ao espalhamento de Mie, identifica-se emissão em muitas direções, porém não com a mesma intensidade, como se ilustra na figura 2. No sentido de propagação retrógrada, a influência do espalhamento de Mie é inferior ao do espalhamento de Rayleigh [1]. Figura 2: Diagrama de irradiação do espalhamento de Mie 6

7 Espalhamento Não-Seletivo Quando x 0 >> 1, ou seja, o raio da partícula for maior do que o comprimento de onda, tem se espalhamento não seletivo. A influência do comprimento de onda não é significativo nesse tipo de espalhamento e a principal causa são as gotas d água [2]. Novamente, com o levantamento do diagrama de irradiação relativo ao espalhamento não seletivo, é possível perceber que a emissão em muitas direções, porém com uma intensidade muito menor no sentido retrógrado como se ilustra na figura 3. Evidenciando, uma menor influência quando comparada com os demais espalhamentos. Absorções atmosféricas Figura 3: Diagrama de irradiação do espalhamento não seletivo À medida que a luz se propaga pelo espaço livre, interage com as diversas partículas suspensas, como vapor d água, poeira, e alguns gases, denominando uma absorção atmosférica. A atenuação por absorção dependerá da características do sinal, principalmente do comprimento de onda empregado. Alguns gases, como o O 2 (oxigênio), CO 2 (dióxido de carbono), O 3 (ozônio) e o H 2 O (vapor de água), causam severas atenuações nos comprimentos de onda do infravermelho, limitando a transmissão aos comprimentos de onda localizados em uma das janelas de alta transmitância, como observado no espectro de absorção típico da figura 4 [1]. 7

8 Figura 4: Janelas Atmosféricas [1] As janelas atmosféricas são as faixas do espectro onde ocorre uma menor absorção por moléculas, ou seja, é o comprimento de onda que possui maior transmitância na propagação. Percebe-se que, no interior das janelas há uma variação suave da transmitância em relação a variação dos comprimentos de ondas. A escolha dos comprimentos de onda utilizado nos enlaces ópticos do FSO (785nm, 850nm e 1550nm) é feita com a escolha das janelas de maior transmitância. Pode-se perceber também que, nas janelas atmosféricas utilizadas, o vapor d água é o maior responsável por absorção. Pode-se perceber também que, nas janelas atmosféricas utilizadas pelo FSO, na janela onde estão presentes os comprimentos de onda do infravermelho próximo, o vapor d água é o maior responsável por absorção. Atenuação por chuva Embora seu impacto seja significativamente menor do que a atenuação gerada por neblina, para o feixe óptico, a chuva pode ser um fenômeno muito degradante. Suas gotas possuem dimensões entre 200 mm a 2000 mm (muito maiores que os comprimentos de onda utilizados pela transmissão do FSO), e introduzem uma atenuação moderada. Para contornar tal atenuação deve-se projetar o enlace para operar com uma margem maior do que a atenuação oferecida pela chuva para que o feixe óptico possa penetrar a chuva sem elevada degradação [1]. Atenuação por neblina Um dos fatores mais degradante é a neblina, que em certas condições pode interromper o sistema FSO. Composta por de gotículas de água, que possuem apenas alguns de micro diâmetro, formam um obstáculo na trajetória do laser e até mesmo pode impossibilitar a passagem da luz por completo. O problema da neblina pode ser contornado na adoção de enlace de curta distância. A Tabela 4.1 mostra os diferentes graus chuva e neblina de acordo com o Código Internacional de Visibilidade para as condições do tempo e precipitação [1]. Tabela 1: Código internacional de visibilidade para as condições do tempo e precipitação [1] e [2] 8

9 CONDIÇÕES DE TEMPO TIPO DE PRECIPITAÇÃO PRECIPITAÇÃO (MM/H) VISIBILIDADE (M) ATENUAÇÃO (DB/KM) Nevoeiro ,65 Denso Nevoeiro ,57 Grosso Nevoeiro Moderado Nevoeiro Leve Tempestade ,65-9,26 Nevoeiro Fino Chuva Forte ,22-3,96 Neblina Chuva Média 12, ,58-1,62 Neblina Fina Chuva Fraca 2, ,96-0,44 Limpo Garoa 0, ,24-0,22 Muito Limpo ,19-0,06 Linhas de Visada (LOS) A linha de visada pode ser definida como a vista de um ponto de interesse sem a obstrução de obstáculos. A utilização de um sistema FSO requer uma linha de visada direta (LOS) o que significa que o transmissor e o receptor devem ser visíveis entre si. Como os raios na faixa do infravermelho, propagam de forma linear. Os critérios adotados para a obtenção de uma linha de visada para o FSO são menos rigorosos, quando comparados com os critérios adotados em sistemas de micro-ondas, pelo requerimento de uma autorização do caminho adicional para dar conta da extensão das Zonas de Fresnel [1]. Podemos determinar se há linha de visada no enlace FSO de várias maneiras, a mais simples é a observação visual, porém este método é restrito a longas distâncias, podendo ser empregue telescópio de alinhamento, ou mapeamento por satélite do enlace [1]. Atenuação por divergência do feixe Devido à impossibilidade de obtenção de um feixe óptico perfeitamente colimado, a luz sofrerá um espalhamento e essa perda denominamos de atenuação por divergência do feixe. No projeto de um enlace do sistema FSO, o cálculo dessa atenuação e feito a partir do ângulo de divergência oferecido pelo laser. Esta divergência faz com que a área da seção reta do feixe aumente continuamente, e consequentemente apenas uma parcela da energia óptica transmitida será captada pelo receptor. Na figura 5, tem-se uma ilustração do cone de divergência e dos principais parâmetros utilizados no modelo de atenuação por divergência. 9

10 Figura 5: Diagrama representativo da atenuação geométrica [1] Podemos obter a atenuação por divergência através da equação 2, que descreve a relação entre a área efetiva de captação do Receptor S RX e da área da seção reta do feixe na posição do receptor S RX (R), onde d RX e d TX são os diâmetros efetivos do receptor e do transmissor, respectivamente, q é o ângulo de divergência do feixe e D é o comprimento do enlace. (2) Turbulências atmosféricas Definição A partir do que foi discutido anteriormente, conclui-se que locais com clima quente e seco favoreceriam a implantação do sistema FSO. Isso não é totalmente verdade, pois em regiões com estas características ocorrem fenômenos denominados turbulências. Surgem com o aquecimento do solo e, posteriormente, com o aquecimento de bolsas de ar. Algumas bolsas de ar são aquecidas mais do que as outras e isso provoca variações constantes do índice de refração, que por sua vez modifica a direção do feixe óptico interferindo na propagação. A figura 6 ilustra esse fenômeno. Figura 6: Representação do feixe óptico em encontro com bolsas de ar Como o movimento dessas bolsas variam com o tempo e com o espaço, o índice de refração seguirá um movimento aleatório, comportamento denominado Turbulento. Assim todos os feixes ópticos que atravessarem uma região com a presença de bolsas de ar quente sofrem desvios igualmente variantes no 10

11 tempo e aleatórios. Podemos classificar três efeitos distintos na ocorrência de turbulência, são eles: Passeio do feixe. Na presença de grandes bolsas de ar, o feixe óptico tem seu alinhamento modificado através da mudança aleatória do índice de refração o que pode prejudicar a linha de visada. Este fenômeno é conhecido como passeio do feixe. Com o emprego de um eficiente sistema de auto alinhamento podemos reduzir sua influência e até mesmo desconsiderar o passeio do feixe no dimensionamento do enlace [1]. O aumento da divergência do feixe. Esse pode ser percebido pelo aumento da seção transversal do feixe, mais do que previsto na análise da atenuação por divergência [1]. Mudanças de fase. O efeito devido às mudanças de fase sofridas por parcelas do feixe que percorrem comprimentos ópticos ligeiramente diferentes, devido à propagação através de bolhas de ar quentes menores que o diâmetro do feixe. Essas parcelas do feixe, ao alcançarem o receptor geram interferências construtivas e destrutivas aleatórias. Isso causa flutuações na intensidade do sinal recebido em torno de um valor médio, fenômeno é conhecido como cintilação. Trata-se do efeito que traz maiores prejuízos em um sistema FSO [1]. Outros fatores que afetam FSO Visibilidade A baixa visibilidade reduz a eficácia e a disponibilidade dos sistemas FSO. A figura 7 apresenta-se um gráfico com a relação entre visibilidade e o máximo alcance do FSO nas condições climática especificadas pelo Código Internacional de Visibilidade. Nota-se que em um enlace FSO hipotético, seu alcance máximo seria de 8 km, nas condições de céu claro, e em regiões onde probabilidade da ocorrência de nevoeiro é alta, para manter a confiabilidade do sistema, o alcance do enlace seria próximo de 2 km [8]. Figura 7: Relação entre Visibilidade e o alcance máximo de um enlace FSO No projeto de enlaces FSO necessita-se de dados meteorológicos com uma média anual de visibilidade da região de interesse, a fim de manter a confiabilidade do sistema. Os Gráficos abaixo apresentam uma média anual de visibilidade de algumas das principais cidades brasileiras para uma possível comparação. De acordo com o Gráfico 4.8 (a) nas capitais nordestinas, em 90% do tempo, a visibilidade se aproxima em até 12 km, e em Aracaju a visibilidade chega a até 20 km. No Gráfico 4.8 (b) observam-se as principais cidades da 11

12 região Sudeste onde a situação é pior, porque em 90% do tempo sua visibilidade seria de apenas 5 km. A exceção é Belo Horizonte, onde esse índice é ainda pior, devido as grandes variações atmosféricas. Analisando a disponibilidade de um enlace FSO por estes gráficos, nota-se que, enquanto em Aracaju o enlace poderia chegar a até 20 km, em Belo Horizonte o enlace poderia chegar a no máximo 2,5km [8]. (a) (b) 12

13 (c) (d) Figura 8: Visibilidade média anual regional A figura 8. apresenta os gráficos com a média anual de visibilidade [8] de algumas da principais cidades das regiões: Nordeste (a); Sudeste (b); Centro-oeste capitais (c); Sul capitais (d). Distância A distância é um dos fatores mais importante para a implantação de um sistema FSO, o impacto sofrido com a sua variação pode ser dividido em três formas: 1 - Mesmo que haja condições climáticas favoráveis, o feixe óptico transmitido irá divergir com o aumento do comprimento do enlace e consequentemente o receptor irá receber menos potência. Por 13

14 exemplo, se o comprimento de um enlace fosse duplicado, a atenuação geométrica iria ser acrescida de 6dB [1]. 2 - A atenuação por espaço livre irá aumentar, proporcional ao aumento da trajetória do feixe óptico [1]. 3 - Em distâncias mais longas o efeito da cintilação irá aumentar. Para compensar, será necessário o aumento da margem de segurança para cintilação para manter o valor da BER desejada [1]. Obstruções Físicas As obstruções físicas também ocasionam vários problemas de recepção, um simples pássaro voando podem interromper a linha de visada temporariamente, causando pequenas interrupções e a necessidade de retransmissões. Podemos contornar esse problema com transceptores de múltiplos feixes ópticos [4]. Segurança O sistema FSO utiliza lasers de alta potência para a transmissão e a exposição do olho humano a esses raios de luz pode ocasionar sérias lesões, por isso a implantação dessa tecnologia deve seguir alguns padrões internacionais que visa um balanço entre segurança e desempenho do sistema [4]. Atividade Sísmica Em algumas localidades com registro de pequenos abalos sísmico podem ocorrer à perda do alinhamento dos transceptores, prejudicando o desempenho do sistema. Porém podemos recuperar o alinhamento através de um sistema de auto alinhamento ou transceptores com múltiplos feixes ópticos [4]. Balanço de potência Para que um sistema FSO seja corretamente planejado atendendo as exigências de confiabilidade, devemos fazer o cálculo do balanço de potência com a finalidade de equilibrar as atenuações impostas ao enlace com a potência de transmissão e sensibilidade de recepção. (3) Para um enlace onde não haja nenhuma das atenuações apresentadas, ou seja, em condições atmosféricas ideais, a potência total recebida deve ser definida pela equação 4: (4) Onde: S RX : Sensibilidade óptica média do receptor; P TX : Potência óptica média emitida pelo transmissor; d RX : diâmetro da abertura do receptor em metros; d TX : diâmetro da abertura do transmissor em metros; θ: Ângulo de divergência; 14

15 D: Comprimento do enlace em metros; D opt : Perda de potência introduzida pelos elementos ópticos; D al : Perda de potência devido ao desalinhamento entre transmissor e receptor; M c : Margem de segurança para a cintilação; M: Margem de segurança para as atenuações atmosférica O termo d RX 2 / (dtx + θ * R) 2 é referente à atenuação geométrica do enlace, as perdas referentes aos elementos ópticos passivos, como lentes e filtros são descritos pelo fator D opt, e o fator D al refere-se à atenuação causada pela não uniformidade do feixe óptico dentro do ângulo de divergência, o fator M c e o fator M são as margens de segurança para acomodar as atenuações e atenuações atmosféricas respectivamente [1], [4] e [9]. 15

16 FSO II: Circuito Receptor Introdução Analisaram-se os modelos de transmissores de luz como diodo emissor de luz, diodo laser, e como se transmitem sinais digitais através de modulação PCM. Os dispositivos óptico-eletrônicos produzem uma intensidade do feixe de luz modulada com base no sinal digital codificado. Na detecção, o processo produz uma corrente proporcional à intensidade de luz incidente, através de fotodetectores. Necessita-se de um circuito receptor para dar origem a uma tensão digital adequada. O desempenho do sistema FSO depende de certas características do receptor, como, sensibilidade do receptor, a largura de banda que se quer utilizar, o consumo de energia do sistema, e a área exigida para implantação do mesmo, de acordo com a necessidade do local de implantação, as taxas que se quer do sistema, a robustez do sistema e quanto de energia se pode utilizar, verifica-se quais características são mais importantes para determinada aplicação. Como um exemplo, a comunicação entre satélites, no satélite se tem baixa disponibilidade de energia, área limitada, com estas características o sistema deve ter um baixo consumo, uma boa sensibilidade e ter tamanho e peso reduzido, com estas características pode-se extrair o máximo do sistema de comunicação nesta aplicação. Nesta seção será descrito o receptor, as tecnologias de fotodetectores, com analise das perdas e como o sistema recupera o sinal transmitido, a sua conversão óptico-elétrica e demais fatores para garantir a eficiência da comunicação. Lentes convergentes para detecção do sistema FSO Na transmissão o feixe óptico é concentrado para se propagar no espaço com o menor espalhamento possível, mas conforme a propagação deste feixe, o mesmo sofre espalhamento e interferências. Conforme a distância percorrida tende a se espalhar e a ser atenuado, portanto temos um fator importante nesta lente de recepção que é sua área a fim de captar a maior intensidade deste feixe transmitido para uma maior intensidade de luz no fotodetector. Esta lente deve ser uma lente convergente e em seu foco deve estar o fotodetector. Fotodetectores O fotodetector tem a função de receber o sinal luminoso e converter esta intensidade luminosa que tem certa potência em uma corrente elétrica, para posteriormente ser amplificada e demodulada. Os fotodetectores são feitos de material semicondutor, baseados no mecanismo elétrons-lacuna. Isto significa que quando o material semicondutor é exposto a fótons os mesmos são absorvidos pela camada de valência, portanto temos uma redução em sua resistência ôhmica ( ), energia absorvida através dos fótons for maior que a energia necessária para romper a banda proibida, com este ocorrência os elétrons absorvem esta energia e passam para a camada de condução, deixando lacunas na camada de valência. Aplicando-se uma tensão externa teremos uma corrente com valores proporcionais à energia luminosa absorvida pela pastilha semicondutora através de uma resistência de carga teremos um valor de tensão com a mesma proporcionalidade da corrente, portanto sendo proporcional a potencia luminosa absorvida [10]. Na figura 9, temos um exemplo de fotodetector. 16

17 Figura 9: Detector fotossensível, conforme a incidência de luz terá uma corrente proporcional Através destes fatores foram desenvolvidos os fotodetectores. Existem vários tipos de fotodetectores como, por exemplo: fotodiodo, fotodiodo PIN, fotodetector avalanche (ADP), e fotodetector FET. Fotodiodo Os fotodiodos são cristais semicondutores de junção p e n, através de estudos se observou que os fótons de comprimento de onda menores possuem alta energia e em contato com o cristal são rapidamente absorvidos, portanto com pequena profundidade de penetração. Os fótons de comprimento de onda maiores possuem baixa energia, portanto com grande penetração no meio. A incidência de luz comumente é feita sobre o cristal do tipo p, temos um modelo básico na figura 10 [10]. Fotodiodo PIN Figura 10: Esquema básico de um fotodiodo O fotodiodo PIN (PPD) se diferencia do fotodiodo convencional, pois o semicondutor é levemente dopado tendo as regiões p e n bem pequenas, consequentemente a região intrínseca tende a ser bem maior, tem a vantagem de responder com comprimentos de onda menores, esta camada entre os cristais pode ser um cristal p ou n pouco dopado na figura 11 temos o exemplo do fotodiodo PIN [10]. 17

18 Fotodetector avalanche (ADP) Figura 11: Esquema básico de um fotodiodo do tipo PIN O fotodiodo de avalanche (APD avalanche photodiodo) demonstra um ganho bem maior que os fotodiodos, e os fotodiodos PIN em ordem de 30dB, funcionando da seguinte maneira, com a geração dos pares elétrons-lacuna pelo bombardeio de fótons, são geradas novas lacunas, sendo aceleradas em sentidos opostos ao movimento dos elétrons, neste processo novos eletros e lacunas são criados se acumulando gerando o efeito avalanche, gerando uma grande corrente de saída no dispositivo. Na figura 12 temos um exemplo de pastilha semicondutora exemplificando este efeito [10]. Fototransistores Figura 12: Esquema de um fotodiodo do tipo avalanche APD O fototransistor é nada mais que a junção de dois diodos, a diferença do fotodiodo é que além de converter o sinal luminoso para um sinal elétrico esta pastilha pode fornecer um ganho para ente sinal elétrico deixando o sistema mais robusto [10]. O fototransistor BJT normalmente utiliza a base desligada, ou se necessário para alguma polarização, a corrente circulante será diretamente proporcional a potencia luminosa recebida. Exemplo de ligação com BJT na figura 13 [10]. 18

19 Figura 13: Esquema elétrico de um fotodetector BJT O fototransistor FAT utiliza o gate para recepção dos fótons, este processo gera uma corrente no gate, esta variação de corrente passa por uma carga resistiva, onde podemos obter uma variação de tensão (gatesource), após teremos a multiplicação deste sinal através da transcondutância do fototransistor FAT, gerando uma corrente que alterará a tensão entre dreno e source. Na figura 14 temos um exemplo de um fototransistor FAT [10]. Classificação dos pré-amplificadores Figura 14: Esquema elétrico de um fototransistor FAT Classificam-se os receptores ópticos como de alta impedância, transimpedância, baixa impedância, e o integrador (integrate-and-dump), dependendo do projeto do seu pré-amplificador. Na figura 15 ilustram-se os quatro procedimentos [16]. 19

20 Figura 15: Classificação dos pré-amplificadores, (a) baixa impedância, (b) alta impedância, (c) transimpedância, (d) integrador (integrate-and-dump). Os receptores de baixa impedância possuem uma largura de banda, mas baixa sensibilidade. Os receptores de alta impedância possuem uma sensibilidade melhor, mas não possuem uma largura de banda útil. Os receptores de trans-impedance, possui uma sensibilidade boa e uma boa largura de banda, oferecendo uma boa relação entre os dois fatores. Os receptores integrate-and-dump além de oferecer uma sensibilidade maior que a dos anteriores, com o tempo de bit já é possível fazer a digitalização do sinal recebido através do comparador do capacitor e da chave controlada pelo tempo de bit. Como se tem grande dificuldade e estudos avançam para este receptor pré-amplificador, temos dificuldades com o Glock deste sistema tendo de estar sincronizando o sistema o tempo todo gerando muitas dificuldades e muito trafego de sinalização. Observando estes fatores fica claro que atualmente o melhor sistema de recepção e pré-amplificação esta a cargo do receptor de trans-impedance [16]. Podemos observar que nos três primeiros (a, b, c), temos o sinal analógico na entrada e saída do receptor, no receptor integrador temos a entrada do sinal analógico e a saída digital, a partir de um circuito de decisão, isto só é possível através do sincronismo entre transmissor e receptor, para fazer o chaveamento [16]. Amplificação O projeto de amplificador mais simples possível é com um inversor CMOS, pois não necessita de nenhuma tensão de polarização sendo utilizados apenas dois transistores, como podemos ver na figura 16 [16]. 20

21 Figura 16: Projeto de amplificador por detector inversor CMOS O projeto corrente invertida no source, substitui a tensão do sinal com um nível de tensão constante. Este tipo de projeto pode ter uma capacidade menor do que o inversor CMOS, mas desde que a transcondutância não seja utilizada, também possui um ganho menor comparado com inversor CMOS. Com a tensão de polarização temos mais liberdade para ajustar o ganho do amplificador que pode excursionar em uma faixa muito maior que o inversor CMOS. Temos exemplo do circuito na figura 17. Estes dois projetos sofrem com a capacitância parasita [16]. Figura 17: Projeto de amplificador por corrente invertida no source Podemos evitar esta capacitância parasita utilizando transistores em cascata. Um fator negativo deste sistema é imprecisão no ganho, para se evitar a capacitância parasita temos em detrimento a perda da largura de banda [16]. O projeto com inversor source-ratio é visualizado na figura 18. É baseado nos inversores de corrente (FET), incluindo um transistor-diodo ligado na saída, isto serve para deslocar o polo de saída para altas frequências reduzindo a impedância, mais temos a perda do ganho. Isto nos permite um controle mais apurado sobre o ganho e sobre a largura de banda [16]. 21

22 Circuito de decisão Figura 18: Esquema de montagem do amplificador com transistores em cascata Para o circuito de decisão, podemos utilizar um inversor de corrente, como visto na figura 19. Apos a decisão teremos bits, estes bits deverão ser analisados por um processador para se verificar possíveis erros, determinando se a informação transmitida esta correta, se a algum bit errado, se temos a possibilidade de correção, ou se o numero de erros e muito elevado e não é possível com a capacidade do sistema esta correção, então haverá um pedido de novo envio da informação transmitida, através da retransmissão dos pacotes perdidos ou errados [16]. Ruídos Figura 19: Circuito de decisão para detecção de bits, com inversão de corrente Um dos principais fatores para a escolha do fotodetector, que torna difícil esta escolha, é o ruído, pois o sinal óptico muitas vezes chega com um nível baixo no receptor, e qualquer influencia neste ponto pode degradar muito o sinal tornando impossível sua decodificação [10]. Ruído térmico 22

23 Ruído térmico, ou ruído branco (AWGN) surge pala agitação térmica aleatória das cargas do material semicondutor. Podemos calcular sua potencia através da equação 5. (5) Onde, N t é o ruído térmico, K constante de Boltzman igual à 1,38 x J/K, T temperatura dada em Kelvins, e B a largura debanda do sistema [10]. Ruído de avalanche Com o efeito avalanche temos um problema que este efeito também gera ruído, denominado de ruído de avalanche, sendo o ganho do semicondutor (M) amplificador do ruído de escuro e a corrente de ruído quântico, através da equação 6 temos: (6) Onde temos, para valores de M <= 50, sendo x um parâmetro empírico, com um valor para cada tipo de material: como Ge ~= 1, Si ~= 0,3, InGaAs ~= 06. Para M > 50 temos a equação 7: (7) Sendo K a a probabilidade de ionização por impacto [1]. Ruído corrente de escuro A corrente é oriunda da falta de incidência de luz no semicondutor, aumentando quando o material se aquece, portanto devemos ter um cuidado com estes componentes a corrente é dada pela equação 8: Onde, q é carga de elétrons, B é a largura de banda, e I s é a corrente média no semicondutor, com estes fatores podemos determinar a corrente de escuro I sd [10]. Ruídos de disparo Este tipo de ruído acontece através da flutuação da corrente do seu valor médio e pode ser determinada pela equação 9: (8) (9) Onde, q é a carga do elétron, I é a corrente continua, e B a largura de banda. Portanto se sabemos a corrente 23

24 que circula no semicondutor podemos calcular a corrente de flutuação I sh. Ruído quântico Sabemos que a geração de luz em um semicondutor é aleatória, portanto um processo probabilístico. Com a irradiação da luz temos a flutuação deste feixe, gerando assim o ruído quântico, como podemos observar na equação 10: (10) Sendo, P o a potência óptica incidente [10]. 24

25 FSO II: Considerações Finais Comentários gerais Neste trabalho, foram descritos os principais fatos que marcaram a evolução de sistemas ópticos no espaço livre para fins de comunicações. Inicialmente, foi apresentada uma descrição dos aspectos relevantes e a motivação para desenvolvimento e implantação do sistema de comunicações ópticas no espaço livre (FSO). Mostrou-se que esse sistema surgiu como uma alternativa viável para auxiliar no provável gargalo das atuais redes de telecomunicações envolvendo altas taxas de transmissão. Em particular, mostrou-se sua relevância no que concerne à possibilidade de contornar diferentes problemas envolvendo a escassez do espectro de frequência na faixa de radiocomunicações. Além disto, auxilia de maneira significativa na crescente demanda por sistemas que permitam as operações em elevadas taxas de transmissão. Posteriormente mostrou suas vantagens na melhoria do coeficiente entre custo e benefício, em relação a outros processos mais tradicionais, e a evolução de equipamentos capazes de cumprirem as aplicações exigidas. Conclusões Em sistemas FSO, a atenuação atmosférica afeta de forma muito importante a visibilidade entre os pontos de conexão e determina diversos fatores que definem a capacidade e o alcance do enlace. Destacam-se diversos fenômenos que afetam a propagação e, consequentemente, a visibilidade do sistema. Entre eles, um dos mais importantes é o espalhamento de Mie, fortemente dependente do comprimento de onda escolhido. A visibilidade de um enlace FSO está também associada às condições meteorológicas. Em dias chuvosos ou com nevoeiros, ela é muito reduzida, diminuindo assim o alcance previsto para determinado equipamento. Em dias ensolarados, tem-se maior visibilidade, garantindo maior alcance. Devido à alta dependência em relação às condições climáticas, o projeto deve cumprir critérios muito rigorosos, principalmente no que concerne às garantias de extensões dos enlaces. Para as propostas atuais, os equipamentos devem satisfazer as condições para alcances desde algumas dezenas de metros até dezenas de quilômetros. Para se aumentar a margem de segurança do enlace e, consequentemente, a capacidade do mesmo devem ser empregados fotodetectores de elevadíssima sensibilidade, no lado do receptor, e diodos lasers com alta potência, pequena largura espectral, elevada estabilidade e longo tempo de vida útil no lado do transmissor. Além disto, há necessidade de dispositivos que impeçam divergências acentuadas do feixe óptico irradiado. Referências [1] WILLEBRAND, H.; GHUMMAN, B. S. Free-Spece Optics: Enabling Optical Connectivity in Today s Network. Editora Sams. Indianapolis USA. [2] BOPUCHET, O.; SIZUN, H.: BOISROBERT, C.; FORNEL, F.; FAVENNEC, P. N. Free-Space Optics, Propagation and Communication ISTE. Londres [3] BARBOSA, C. F Análise de Parâmetros Envolvidos na Implantação de um Sistema de Comunicação Utilizando Óptica no Espaço Livre. Universidade Federal do Espírito Santo. Espírito Santo, Vitória, Março/2008. [4] JÚNIOR, J. F. M. A.; FONSECA, M. A. S. da Balanço de Potência em Enlace FSO. Teleco Inteligência em Telecomunicação, Disponível em: 25

26 Acesso em: 27 de maio [5] SANTOS, L. B. dos Análise de Sistemas de Comunicação Utilizando Óptica no Espaça Livre. Instituto Militar de Engenharia. Dissertação de Mestrado. Rio de Janeiro 2008 [6] SAKAMOTO, B. F. R.; FEGADOLLI, W.; OLIVEIRA, J. E. B.; Emprego Militar de Comunicações Ópticas em Espaço Livre FSO; [7] JORGENSEN, S. E. Optisk kommunikation i deep space. Speciale i fysik ved Niels Bohr Institutet for Astronomi, Fysik og Geofysik, udarbejdet på Dansk Rumforskningsinstitut; København, 27 oktober [8] MOURA, L. E. da S.; BARBERO, A. P. L.; HARBOE, P. B. Estudo Teórico e Experimental da Viabilidade da Tecnologia Óptica no Espaço Livre. Revista Ciência & Tecnologia. São Paulo, Piracicaba, [9] ALEX, J. B.; RODRIGUES, C. N.; SANTOS, R. S. Um Estudo de Caso para a Aplicação de Enlaces FSO em Backhaul de Telefonia Celular. Rio de Janeiro [10] RIBEIRO, J. A. J. Comunicações ópticas, 3ª edição, Editora Érica. São Paulo, Tatuapé, [11] NUNES, F. D. Sistemas de Comunicação Óptica Projetando Enlaces Ópticos; Universidade de Pernambuco. [12] SCOTT BLOOM, PhD The Physics of Free-Space Optics; Chief Technical Officer. AirFiber, Inc. 2 may [13] WAUNRIGHT, E.;HAZEM H. R.; SLUSS, J. J. Jr. Wavelength Diversity in Free-Space Optics to Alleviate Fog Effects. Electrical and Computer Engineering, University of Oklahoma Tulsa; Oklahoma [14] TEIXEIRA, Cassiane Ribeiro. Transmissores e receptores para comunicações ópticas p., il. Graduação - Graduação - Engª Elétrica, Santa Rita do Sapucaí, Orientação de: José Antônio Justino Ribeiro. (TCC - Trabalho de Conclusão de Curso Inatel) [15] FIGUEIREDO, Rogerio Alves. Amplificadores ópticos. 12/06/ p., il. Especialização - Pós-Graduação, Santa Rita do Sapucaí, 12/06/2002. Orientação de: Maria Regina Campos Caputo. (TCC - Trabalho de Conclusão de Curso Inatel) [16] KRISHNAKUMAR VENKITAPATHY, B.E. Transmitter and Receiver Circuits for Digital Free-Space Optical Interconnect: Design and Simulation. Texas Tech University. The Requirements for the Degree of Master of Science. May

27 FSO II: Teste seu entendimento 1. Qual das alternativas abaixo representa um dos tipos de atenuações atmosféricas que afetam os enlaces FSO? Espalhamentos. Absorções atmosféricas. Atenuação por chuva. Atenuação por neblina. Todas as anteriores. 2. Qual são os efeitos que afetam os feixes ópticos dos enlaces FSO quando da ocorrência de turbulências? Concentração do feixe, aumento da divergência do feixe e mudanças de fase. Passeio do feixe, aumento da divergência do feixe e mudanças de frequência. Passeio do feixe, aumento da divergência do feixe e mudanças de fase. Passeio do feixe, aumento da convergência do feixe e mudanças de fase. 3. Qual das alternativas abaixo não representa um dos tipos de ruídos que afetam os fotodetectores dos sistemas FSO? Ruído crosstalk. Ruído térmico e ruído de avalanche. Ruído corrente de escuro e ruídos de disparo. Ruído quântico. 27