Faculdade de Tecnologia e Ciências

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1 Faculdade de Tecnologia e Ciências Curso: Engenharia de Telecomunicações Disciplina: Comunicações Ópticas Carga Horária: 60 horas Professor: Clovis Almeida

2 Faculdade de Tecnologia e Ciências Regras do Jogo: Aulas expositivas em quadro, Power Point, ou transparências : Entregar material em meio eletrônico ou via Internet; Foco no Conteúdo programático (evitar desvios); Reposição de aulas aos sábados (à tarde); Exercícios de Revisão. Avaliação : Assiduidade, Pontualidade e Participação; Trabalhos (Opcionais); Testes surpresa; Provas Individuais.

3 Faculdade de Tecnologia e Ciências Conteúdo Programático (referência) Primeira parte 30 aulas Elementos de comunicações ópticas Segunda parte 18 aulas Redes de comunicações ópticas Terceira parte 12 aulas Projeto de enlace óptico

4 Faculdade de Tecnologia e Ciências Primeira parte 30 aulas Elementos de comunicações ópticas

5 Histórico das Comunicações Ópticas 600 AC Sistema de comunicação visual através de sinais de fogo e estações (humanas) repetidoras; 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 na área de medicina através de feixes de fibras a curta distância (alguns metros); 1958 O protótipo de Fibra óptica; Invenção do Laser; Fibra com atenuação de 2.000dB/Km; Fibra com atenuação 20dB/Km

6 A experiência de Tyndall Fonte de Luz Água Luz Refletida Jato D Água Em 1870, o físico inglês John Tyndall realizou uma experiência na qual constatou que a luz poderia ser guiada, demonstrando, assim, o fenômeno da Reflexão Total.

7 O fotofone de Graham Bell Em 1880, Alexander Graham Bell (aquele que inventou o telefone) desenvolveu um aparelho que ele próprio chamou de fotofone, transmitindo sinal de voz a uma distância de 200 metros. Espelhos refletiam a luz solar sobre um diafragma acoplado a uma cápsula telefônica transmissora. No lado oposto havia um resistor de selênio conectado a um espelho parabólico e a uma bateria conectada a uma cápsula telefônica receptora. À proporção que o diafragma vibrava pela pressão do ar expelido pela boca, havia uma variação na intensidade da luz transmitida. A variação da luz era re-convertida em corrente elétrica pelo resistor e em som pela cápsula. Nos dias de hoje a idéia de Graham Bell é aplicada para transmissão de dados de alta velocidade em áreas urbanas, porém com novas tecnologias. Trata-se da propagação óptica sem fio.

8 Evolução tecnológica Casca Núcleo Luz A casca possibilita completo confinamento Revestimento Sem a casca a luz irá se perder gradualmente A partir da invenção do fibroscópio (bastante usado em medicina na área da endoscopia) em 1950, a tecnologia de transmissão óptica vem atravessando uma fantástica evolução. A laparoscopia surgiu graças ao avanço tecnológico das fibras. As primeiras fibras apresentavam perdas elevadas. A introdução de uma secunda camada de fibra (casca) possibilitou o confinamento da luz na primeira camada (núcleo), de acordo com a Lei de Snell-Descartes. Obteve-se uma considerável redução da perda na propagação da luz pela fibra. A segunda camada com índice de refração menor faz com que a luz retorne e se mantenha na primeira camada.

9 Evolução tecnológica A invenção do Diodo Emissor de Luz (LED) e do LASER foram os próximos passos de importância no sentido de viabilizar a indústria das fibras. Tais dispositivos possuem a propriedade de gerar grande quantidade de luz em um feixe muito pequeno. Várias gerações de laser se sucederam, incluindo os de rubi e os de hélio-neônio. Nos dias atuais os mais utilizados em comunicações ópticas são os lasers a semicondutor. Na área das telecomunicações, as fibras rapidamente se mostraram bastante eficientes. Sua capacidade é milhares de vezes superior à dos rádios de microondas. A transmissão óptica pelo ar encontra-se em fase bastante avançada. Já existem enlaces ópticos sem fibra em áreas urbanas, onde as distâncias são curtas. A luz é bastante atenuada por condições meteorológicas como nuvens, chuva, nevoeiro etc. Graças a processos de purificação do vidro, hoje é possível a produção de fibras com atenuação da ordem de 0,1 db/km.

10 Janelas de operação das fibras As fibras evoluíram ao longo dos anos conforme o comprimento de onda da luz. A curva de atenuação superior corresponde ao início da década de A do meio, ao final da mesma década, enquanto que a última corresponde aos dias atuais. As primeiras fibras utilizavam a janela em torno de 850 nm, conhecida como primeira janela. Está situada entre diversos picos de absorção causados, principalmente, por vapor d água e espalhamento de Rayleigh.

11 Exercícios em sala de aula 1) Descreva a experiência de Tyndall; 2) Faça um diagrama de blocos simplificado do fotofone de Graham Bell.

12 Trabalhos de pesquisa Os trabalhos de pesquisa não serão aceitos fora do prazo. 1) Descreva em apenas uma folha A4 o processo de laparoscopia. Prazo de entrega: sete dias corridos; 2) Descreva em apenas uma folha A4 o funcionamento do Diodo Emissor de Luz. Prazo de entrega: catorze dias corridos; 3) Descreva em apenas uma folha A4 o funcionamento do LASER. Prazo de entrega: vinte e um dias corridos;

13 Vantagens da Fibra Óptica Baixa atenuação e maior largura de banda Distâncias maiores / maior capacidade de informação Construção dielétrica e imune a EMI & RFI Elimina problemas de aterramento, diafonia e correntes induzidas

14 Vantagens da Fibra Óptica A grande virtude das comunicações ópticas é a incrível capacidade de transmissão. Os serviços de banda larga estarão cada vez mais disponíveis para o mercado em massa, possibilitando comunicações interativas não apenas para empresas mas, também, para os usuários residenciais. Por enquanto, e na maioria dos casos, a chamada última milha só atinge a área próxima às residências (FTTC = Fiber To The Curb). Com a redução crescente no custo das fibras e com a evolução tecnológica das fibras de plástico será possível levar as comunicações ópticas até as residências (FTTH = Fiber To The Home).

15 Fibras Ópticas : Aplicações principais Espinha dorsal ( backbone ) de Redes Locais (LAN); Rede de TV à Cabo (CATV); Rede Óptica de Assinante (ROA); Medicina, Indústrias, Usinas Hidroelétricas, Subestações, Automóveis, etc.); Redes de Entroncamento (Locais e Interurbanas).

16 Enlace óptico básico Transmissor Receptor Sinal de entrada Interface Fonte Óptica Fibra óptica Receptor Óptico Amplificador Sinal de saída Um enlace óptico usa os mesmos elementos básicos que um enlace com cabo metálico: Transmissor, Meio de Transmissão e Receptor.

17 Enlace óptico básico Transmissor Receptor Sinal de entrada Interface Fonte Óptica Fibra óptica Receptor Óptico Amplificador Sinal de saída O transmissor utiliza uma interface elétrica para codificar a informação a ser transmitida. Um diodo emissor de luz (LED) ou um diodo laser possibilita a transmissão na forma de radiação com comprimento de onda de 850 nm, 1310 nm ou 1550 nm (valores típicos).

18 Enlace óptico básico Transmissor Receptor Sinal de entrada Interface Fonte Óptica Fibra óptica Receptor Óptico Amplificador Sinal de saída O receptor utiliza um fotodiodo PIN ou um fotodiodo avalanche (APD), os quais re-convertem o sinal óptico em sinal elétrico. Um demodulador re-converte o sinal elétrico para a forma como foi transmitido após codificado.

19 Enlace óptico básico Transmissor Receptor Sinal de entrada Interface Fonte Óptica Fibra óptica Receptor Óptico Amplificador Sinal de saída Um sistema de longa distância aumentará a complexidade do enlace. Serão necessários outros elementos como regeneradores, repetidores e amplificadores ópticos. Em entroncamentos com derivações serão necessários os dispositivos de derivação e inserção, multiplexadores, demultiplexadores, acopladores etc.

20 Enlace óptico básico

21 A fibra óptica A fibra óptica interliga o transmissor e o receptor. A fibra pode ser monomodo ou multimodo. A fibra é formada por três regiões principais, a saber: 1. Núcleo ( core ) (transporta a luz) 2. Casca ( cladding ) (garante o confinamento) 3. Revestimento ( coating ) (protege a fibra)

22 Principais partes de uma fibra Casca 125 µm Núcleo 62,5 µm 250 µm Revestimento Núcleo: Casca: Região por onde a luz é guiada. Material: vidro sólido e claro. Mantém a luz no núcleo. Material: vidro sólido e claro. Revestimento: Protege a fibra durante o manuseio. Material: acrilato. SWSC B.12125

23 Tipos de fibra quanto à composição do material Núcleo-Casca Sílica-Sílica; Sílica-Plástico; Plástico-Plástico; Infravermelho Janela 0,6 a 1,6 Ultravioleta

24 Espectro eletromagnético

25 Dispersão Antes de apresentarmos os tipos de fibra, é importante o entendimento do conceito de dispersão. A dispersão provoca o espalhamento do pulso, o que limita a velocidade de transmissão devido a colisões. No início das transmissões achava-se que a fibra óptica viria resolver de uma vez por todas as demandas diversas por altas velocidades. Na medida em que as velocidades aumentavam, o efeito da dispersão tornavam-se cada vez mais nocivos e, na prática, é apenas minimizado. Do ponto de vista da Física, dispersão é o fenômeno que provoca a separação de uma onda em diferentes componentes espectrais. Em comunicações ópticas, a dispersão acima não é a única existente.

26 Dispersão Em uma fibra óptica a dispersão pode ocorrer de duas formas: 1. Dispersão cromática coincide com o conceito da Física. Na fibra, é devida a impurezas do material, a imperfeições da fibra na condição de guia de onda e das variações do índice de refração. 2. Dispersão modal devida ao fato de que uma fibra óptica é semelhante a um guia de ondas para a luz, isto é, possui vários modos de propagação. Cada modo possui uma determinada velocidade. Se a radiação é composta de vários modos, haverá uma defasagem temporal entre os modos ao final do percurso, causando degradação do sinal. As dispersões cromática e modal são fornecidas pelos fabricantes da fibra e devem ser levadas em conta no cálculo do enlace óptico.

27 Dispersão cromática Assemelha-se ao que ocorre em um prisma de vidro, que decompões a luz visível em sete cores. Cada cor sofrerá um desvio de acordo com o comprimento de onda. A velocidade de fase de uma onda é dada por: v = c n em que v é a velocidade da onda, c é a velocidade da luz no vácuo e n é o índice de refração do meio. A cada comprimento de onda corresponderá uma velocidade.

28 Dispersão cromática O índice de refração, por sua vez, depende do comprimento de onda e é obtida pela fórmula empírica de Sellmeier para um meio transparente: Coeficientes Vidro tipo crown B B x10 1 B C x10 3 µm 2 C x10 2 µm 2 C x10 2 µm 2 B e C são os coeficientes de Sellmeier obtidos experimentalmente para cada material específico. λ é o comprimento de onda no vácuo e deve ser inserido em micrometros. A cada comprimento de onda corresponderá uma velocidade. Obs.: Vidro crown é o vidro com baixo índice de refração.

29 Dispersão modal Em uma fibra ideal, na qual a seção reta é exatamente um círculo, o campo elétrico (ou o campo magnético) se propaga em polarizações ortogonais e com a mesma velocidade. Em uma fibra real, as imperfeições fazem com que as duas polarizações tenham velocidades diferentes. A fibra é dita possuir um eixo rápido e um eixo lento. Mesmo que se conseguisse obter uma simetria perfeita na seção reta da fibra, esforços mecânicos durante o manuseio afetariam a simetria fazendo com que a polarização se altere de forma imprevisível.

30 Dispersão modal A diferença de velocidade faz com que as duas ondas se separem e provoquem espalhamento e colisão. A dispersão modal acima descrita denomina-se Dispersão por Modo de Polarização (PMD). A dispersão modal é difícil de ser calculada. Os valores fornecidos pelos fabricantes baseiam-se em medições feitas no processo de produção. Os efeitos da dispersão modal são menos danosos do que os da dispersão cromática.

31 Dispersão modal As imperfeições da fibra são aleatórias e considera-se um valor médio dependente do tempo denominado Retardo de Grupo Diferencial (DGD) ( τ), proporcional à raiz quadrada da distância de propagação. τ = DPMB L D PMB é o parâmetro PMD da fibra, fornecido pelo fabricante e ps dado em. km

32 Tipos de fibra quanto ao núcleo Projetar e operar um sistema óptico envolve o conhecimento das características dos diferentes tipos de fibra e suas respectivas aplicações. Existem dois tipos básicos de fibra quanto ao núcleo: 1. Fibras multimodo (vários modos de propagação) Indicada para distâncias curtas. Ideal para redes locais e circuitos fechados de vídeo. 2. Fibras monomodo (apenas um modo de propagação) Mais adequada para longas pois apresenta perdas menores que as multimodo. Adequada para entroncamentos telefônicos de média e alta capacidades e difusão de sinais de vídeo multicanal.

33 Tipos de fibra quanto ao núcleo Multimodo Monomodo

34 Fibras multimodo A fibra multimodo foi a primeira a ser produzida e comercializada. Vários modos (raios de luz) se propagam simultaneamente pela fibra multimodo. O diâmetro do núcleo é maior que o da fibra monomodo, o que possibilita uma grande quantidade de raios (modos). A fibra multimodo pode ser de dois tipos: 1. Fibra multimodo de índice degrau 2. Fibra multimodo de índice gradual

35 Multimodo Degrau Tipos de Fibra Multimodo Multimodo Gradual

36 Fibra índice degrau Basicamente, três diferentes modos percorrem a fibra, de acordo com o ângulo de incidência do raio sobre a superfície de separação entre o ar e o núcleo. Um modo percorre a fibra pelo centro do núcleo. Um segundo modo incide sobre a parede interna do núcleo e retorna de volta. As diferenças nos tempos de propagação constituem o que se denomina dispersão, uma característica inevitável em fibras ópticas com índice degrau. O terceiro modo incide com um ângulo tal que incide sobre a perede interna do núcleo e sofre refração para a casca. Pode-se concluir que os dois primeiros modos percorrem a fibra com tempos diferentes.

37 Fibra índice gradual O índice gradual se refere à variação gradual do índice de refração do núcleo que decresce gradualmente do centro para a periferia. A velocidade no centro do núcleo é menor e vai aumentando em direção à periferia. Os tempos de propagação são aproximadamente iguais, com redução da dispersão. O aumento do índice nas proximidades do núcleo faz com que os raios percorrem a fibra aproximadamente no mesmo tempo, reduzindo, portanto, a dispersão.

38 Fibras monomodo As fibras monomodo apresentam dispersão muito baixa pois apenas um modo de propagação está presente. A atenuação, portanto, é muito menor do que as multimodo e são indicadas em entroncamentos de alta capacidade. Inicialmente as fibras monomodo apresentavam índice degrau, porém, com o aperfeiçoamento dos processos de produção, outros tipos surgiram. A nível do nosso curso, somente será tratada a fibra monomodo índice degrau por ser superior em qualidade à multimodo com índice gradual.

39 Fibras monomodo A fibra monomodo tem uma desvantagem em relação à multimodo, além do preço, claro. O menor diâmetro do núcleo faz com que o acoplamento entre a fonte de luz e o núcleo seja mais difícil, exigindo conectores adequados e bem adaptados. A fibra monomodo tem passado por contínua evolução ao longo dos anos. Três tipos principais são bastantes utilizadas nas telecomunicações modernas: 1. Fibra com Dispersão Não Deslocada (NDSF). 2. Fibra com Dispersão Deslocada (DSF). 3. Fibra com Dispersão Deslocada Não Nula (NZ-DSF).

40 Fibras monomodo Fibra com Dispersão Não Deslocada (NDSF). É a mais antiga e ainda a mais usada, inicialmente projetada para a faixa de 1310 nm. Na faixa (janela) de 1550 nm apresenta alta dispersão. Fibra com Dispersão Deslocada (DSF). Surgiu para compensar a deficiência da NDSF em 1550 nm, ampliando a faixa de dispersão nula até a região de 1550 nm. Fibra com Dispersão Deslocada Não Nula (NZ-DSF). As fibras NDSF e DSF se mostraram eficientes para apenas um comprimento de onda ao redor de 1550 nm. Porém apresentavam má linearidade em sistemas com Multiplexagem Densa no Domínio do Comprimento (DWDM). A fibra NZ-DSF apresenta boa linearidade e se apresenta com dispersão negativa e com dispersão positiva e tende a se tornar padrão de mercado.

41 Fibras NZ-DSF A fibras NZ-DSF pode se apresentar com dispersão positiva (+D), na qual a dispersão é diretamente proporcional ao comprimento de onda ou com dispersão negativa (-D), em que a dispersão é inversamente proporcional ao comprimento de onda. Uma solução técnica eficiente consiste em alternar fibras com dispersões positiva e negativa para aplicações DWDM, a distâncias aproximadamente iguais. A redução da dispersão não será ótima em toda a faixa, porém será satisfatória, na média.

42 Fibras PM As fibras não apresentam seção reta constante, devido a fatores industriais e de manuseio. Panda bastões de reforço núcleo Gravata A assimetria da seção reta afeta a polarização de forma imprevisível. A fibra com Polarização Preservada (PM), é construída de várias formas. A mais comum possui dois bastões dentro da casca para absorver os esforços mecânicos durante o manuseio, reduzindo a assimetria da fibra. Seu uso é praticamente restrito a dispositivos que necessitam de polarização sensível a variações, pois são de custo elevado, construção difícil e perda maior que a fibra monomodo convencional.

43 Tipos de fibra quanto ao núcleo Os números abaixo representam os diâmetros do núcleo e da casca em µm. Multimodo Índice Degrau (MMID) Multimodo Índice Gradual (MMIG) Monomodo (SMID) 50/ /140 62,5/125 9/ /240 85/125

44 Não-linearidades da fibra Os efeitos da não linearidade aumentam de acordo com a velocidade de transmissão, comprimento do cabo, número de comprimentos de onda e aumento da potência do transmissor óptico. As não linearidades são o principal fator a limitar a velocidade na fibra. As principais causas de não linearidades da fibra são: Efeito de Espalhamento Brillouin Estimulado (SBS) Efeito de Espalhamento Raman Estimulado (SRS) Mistura de quatro ondas (FWM) Auto-modulação em fase (SPM) Modulação em fase cruzada

45 Dependência do índice de refração A equação geral para o índice de refração do núcleo é: Em que: n = n + n 0 2 P A ef n 0 = índice de refração do núcleo em baixas potências n 2 = coeficiente do índice de refração não linear (2.35 x m 2 /W para a sílica) P = potência óptica em watts = área efetiva do núcleo em metros quadrados A ef Nas fibras atuais, a dependência é minimizada maximizando-se a área efetiva.

46 Dependência do índice de refração A variação do índice com a potência é muito pequena. Na prática, tona-se relevante em enlaces com centenas de quilômetros de cabo óptico.

47 Espalhamento Brillouin Estimulado O espalhamento Brillouin, do ponto de vista quântico, ocorre quando a luz interage com variações do índice de refração devido a vibrações acústicas e gradientes de temperatura. Espalhamento Brillouin Estimulado é aquele que ocorre com a luz incidente na fibra. Estabelece um limite superior na potência a ser transmitida de forma eficiente pela fibra. Quando o limite acima é ultrapassado ocorre um considerável retorno da luz para a fonte (potência refletida), além do risco de saturação do receptor.

48 Potência óptica recebida (dbm) Potência óptica refletida (dbm) Espalhamento Brillouin Estimulado Potência recebida diminui Com a potência de transmissão acima do limiar, ocorre um considerável aumento de retorno da luz. Limiar SBS Espalhamento aumenta Potência óptica transmitida (dbm) Para comprimentos de onda em torno de 1550 nm, valores típicos para potência de transmissão situam-se entre +8 a +10 dbm. Valores limiares típicos: de +4 a +6 dbm.

49 Potência óptica recebida (dbm) Potência óptica refletida (dbm) Exercícios em sala de aula 1) A figura abaixo se refere ao Espalhamento Brilhouin Estimulado (SBS). Observe a linha vertical tracejada e responda: a) O que ocorre antes da linha tracejada? b) O que ocorre após a linha tracejada? Potência recebida diminui Espalhamento aumenta Limiar SBS Potência óptica transmitida (dbm)

50 Espalhamento Raman Estimulado É menos danoso que o espalhamento Brillouin. Seu limiar está em torno de 1 W, ou seja, quase 100 vezes o limiar SBS. Todavia, já existem no mercado amplificadores ópticos (FDE = Fibra Dopada com Érbio) com potência de transmissão da ordem de 500 mw (+27 dbm), com tendência de alta. Portanto, o limiar SRS pode ser atingido em enlaces que exijam 3 amplificadores em série. O efeito SRS pode causar um efeito semelhante ao SBS, porém o que se observa na prática é que os canais com menor comprimento de onda perdem potência para os canais com maior comprimento.

51 Espalhamento Raman Estimulado Potência (dbm) Comprimento de onda (nm) Os comprimentos de onda inferiores apresentam menor potência, comparativamente aos de maior comprimento de onda Alguns amplificadores utilizam este efeito para proporcionar aumento de potência em entroncamentos de longa distância. São denominados Amplificadores Raman.

52 Mistura de quatro ondas (FWM) Efeito que ocorre geralmente em sistemas com vários comprimentos de ondas simultâneos, como o DWDM. Causado pela não linearidade do índice de refração. No exemplo a seguir, temos os produtos mais danosos para um sistema com: λ 1 = nm, λ 2 = nm, and λ 3 = nm. Observamos que os produtos abaixo situam-se ao redor da janela de 1550 nm. λ 1 + λ 2 - λ 3 = nm λ 1 - λ 2 +λ 3 = nm λ 2 + λ 3 λ 1 = nm λ 1 -λ 2 + λ 3 = nm 2λ 1 -λ 3 = nm 2λ 3 - λ 1 = nm λ 2 + λ 3 -λ 1 = nm 2λ 2 - λ 1 = nm 2λ 3 -λ 2 = nm

53 Janelas de transmissão Perda/km x Comprimento de Onda 2.0 db/km 0.5 db/km 0.2 db/km Comprimento de onda em nanômetros (nm)

54 QUARTA E QUINTA JANELAS

55 Fibra AllWave TM Disponibiliza espectro óptico ideal para Aplicações Metropolitanas e de CATV Atenuação (db/km) Adiciona espectro na faixa de dispersão otimizada para sistemas em 10 Gb/s de baixo custo Fibra AllWave elimina o pico d água em 1385 nm Fibra Convencional ( nm) Fibra AllWave ( nm) > 60% mais de largura de banda 23.7THz 40THz Comprimento de onda (nm)

56 Janelas de Transmissão das Fibras Ópticas Primeira Janela (LED Multimodo) : 45Mbps com Repetidores a cada 10Km. 800nm Segunda Janela (LED Multimodo / Laser Monomodo) : 1.300nm (de a 1.325nm) Multimodo :100Mbps / Monomodo : 1,7G com repetidores a cada 50Km. Terceira Janela (Fibras DS / Laser Monomodo) : 1.550nm (de a 1.565nm) 2,5Gbps com repetidores a cada 70Km. Quarta Janela : 1.600nm Quinta Janela : de a 1.450nm