COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

COMUNICAÇÕES ÓPTICAS Adolfo Cartaxo Paula Queluz Instituto Superior Técnico Engenharia de Transmissão 1

Comunicações Ópticas Constituem o suporte da transmissão na rede fixa. Comunicações em frequência muito elevada ( 193 THz), recorrendo a conversores electro-ópticos (lasers) e opto-eléctricos (PIN). A fibra óptica apresenta atenuações bastante reduzidas (~ 0.2 db/km) o que permite ligações com várias dezenas de quilómetros. Para ligações longas, é necessário usar repetidores (amplificadores ou regeneradores). Sistemas de Telecomunicações 2

Suporte de transmissão da rede de cabos submarinos Sistemas de Telecomunicações 3

Cabos submarinos Instalação e reparação de cabos submarinos: http://www.youtube.com/watch?v=gun9j9_htbq&list=pl169ff67809a0c837&index=1&feature=plpp_video http://www.youtube.com/watch?v=urkm5mz0u7a&list=pl169ff67809a0c837&index=2&feature=plpp_video http://www.youtube.com/watch?v=zwkrawdwtgw Sistemas de Teleomunicações 4

Exemplo: SEA-ME-WE-3 (Sudeste Asiático Médio Oriente Europa Ocidental) É uma das maiores ligações mundiais (liga mais de 30 países, numa extensão de 40000 km), com 39 landing points (um deles é em Sesimbra). Tem dois pares de fibras, com uma capacidade por fibra de 48 canais (multiplexagem por divisão no comprimento de onda - WDM) e em que cada canal transporta um sinal STM-64 2 48 10 Gbit/s ~ 1 Tbit/s (dados de 2007). Sistemas de Telecomunicações 5

Rede de acesso de banda larga Last / First mile network = 1550 nm = 1310 nm PON - Passive Optical Networks: Fibra monomodo; só componentes passivos entre central e utilizador Número de utilizadores: de 2 a 128 (valores típicos: 16, 32 ou 64) GPON (Gigabit PON): 2,488 Gbit/s (down) / 1,244 Gbit/s (up) EPON (Ethernet PON): 1 Gbit/s bidireccional (brevemente 10 Gbit/s) Sistemas de Telecomunicações 6

Comparação de tecnologias na rede de acesso Nota: Valores na tabela são por utilizador No futuro (maior débito até ao assinante ) WDM PON Sistemas de Telecomunicações 7

Relembrar... Espectro Electromagnético Sistemas de Telecomunicações 8

Espectro electromagnético e frequências ópticas Espectro óptico: 50 nm a 100 mm Primeira janela Segunda janela Terceira janela Ultravioleta Luz visível Infra-vermelho violeta vermelho n (THz) 0.4 0.66 0.8 1.3 1.55 750 450 375 230 193 0.9 (mm) Relação entre frequência óptica, n, e comprimento de onda, : (c - velocidade da luz no vazio) n c Sistemas de Telecomunicações 9

Elementos de uma ligação por fibra óptica Sinal eléctrico de entrada Sinal eléctrico Sinal óptico Amplificador Óptico Circuito de Excitação Rabicho de fibra Emissor Fonte Óptica Regenerador Fotodetector Rabicho de fibra Regeneração eléctrica Conv. E/O Conv. O/E Receptor Pré-amplificador eléctrico Conector Junta óptica Acoplador óptico ou divisor de feixe Para outros equipamentos Regeneração Fibra óptica Sinal eléctrico de saída A transmissão de informação realiza-se modulando a intensidade do campo (potência óptica) que se propaga na fibra óptica!!! Modulação de intensidade (IM - Intensity Modulation) + Detecção Directa (de potência) (DD - Direct detection) Sistemas de Telecomunicações 10

Atenuação específica da fibra, db/km Janelas de transmissão 1ª janela de transmissão Princípios da década de 70 nominal: 850 nm (800-900nm) primeiros sistemas de comunicação óptica utilizaram estes baixos comprimentos de onda: usados nos sistemas a baixos Década de 80 2ª janela de transmissão 3ª janela de transmissão débitos e curta distância. nominal: 1550 nm (1530-1610nm) nominal: 1300 nm (1220-1340nm) Anos 90 Comprimento de onda, nm São mais atractivos devido às melhores características de atenuação e dispersão: usados nos sistemas a elevados débitos e longa distância. Sistemas de Telecomunicações 11

Débitos binários Figura de mérito: D b L (bit/s. km) D b : débito binário (bit/s) L: distância entre repetidores (km) 1ª janela (década de 70) : D b ~ 45 Mbit/s ; L ~ 10 km (fibra multimodo) 2ª janela (década de 80) : D b ~ 100 Mbit/s (fibra multimodo) D b ~ 2.5 Gbit/s (STM-16); L ~ 40 km (fibra monomodo) 3ª janela (década de 90): D b ~ 10 Gbit/s (STM-64) ; L ~ 90 km (fibra monomodo) Hoje, com WDM: D b ~ 1 Tbit/s (sistemas comerciais); L ~ 100 km (fibra monomodo) D b ~ 10 Tbit/s (estado da arte) Sistemas de Telecomunicações 12

Atenuação específica da fibra, db/km Banda disponível na fibra de sílica Fibra All Wave TM Eliminação do ião hidróxido do material constituinte da fibra (Lucent Technologies, 1998) Comprimento de onda, mm Sistemas de Telecomunicações 13

Conversão de largura de banda óptica em nm em largura de banda óptica em Hz Relação entre frequência óptica e comprimento de onda n c Para d<< d n d d n d d Largura de banda óptica, em : D Largura de banda óptica, em n : Dn c 2 D n c 2 D 1550 nm: D=1 nm Dn125 GHz 1300 nm: D=1 nm Dn177 GHz Sistemas de TeleTelecomunicações

Exemplo de cálculo Determinar a largura de banda, em GHz - Dn - de um sinal que ocupa a gama de comprimentos de onda entre 1 =1550.5 nm e 2 =1549.5 nm. D = 1 2 1 nm 0 = ( 1 + 2 ) /2 1550 nm c 1) de Dn D 2 resulta Dn = 124.8 GHz 0 c 2) de n resulta Dn = n 2 n 1 c/ 1 c/ 2 124.8 GHz Sistemas de Telecomunicações 15

Estrutura da fibra óptica A fibra óptica é um guia dieléctrico cilíndrico constituído por dois materiais transparentes (vidro de elevada qualidade e/ou plástico) cada um com um índice de refracção diferente. Os dois materiais são dispostos de forma concêntrica de modo a formar um núcleo interior e uma bainha exterior. n 1 > n 2 Bainha (índice de refracção mais baixo, n 2 ) Luz Núcleo (índice de refracção mais elevado, n 1 ) Revestimento de protecção Material constituinte: sílica (SiO 2 ) + dopantes (GeO 2, P 2 O 5, etc) As dimensões da fibra são identificadas por dois parâmetros: os diâmetros do núcleo e da bainha. Sistemas de TeleTelecomunicações

Relembrar... Reflexão total n 5 n 4 n 3 n 2 2 n 1 1 Índice de refracção do meio i onde c 0 : velocidade da luz no vácuo c i : velocidade da luz no meio i n i =c 0 /c i Lei da refracção: n 1 sin 1 = n 2 sin 2 se n 1 > n 2 2 > 1 Reflexão total: 2 =/2 sin 1 = n 2 / n 1 Sistemas de Telecomunicações 17

Atenuação específica da fibra, a, db/km Atenuação da fibra óptica Dispersão de Rayleigh Atenuação total Linhas de absorção do ião hidróxido, OH - A db al Absorção dos IV Atenuação na fibra dispersão de Rayleigh (devido a irregularidades a nível microscópico) proporcional 1/ 4 limite fundamental para baixas perdas na fibra. absorção dos infra-vermelhos Impurezas (iões hidróxido), deformações e micro-curvas. Comprimento de onda, mm Sistemas de Telecomunicações 18

Outras origens de perdas - juntas e conectores - A fibra óptica está disponível em troços de comprimento da ordem de 1 km. Dois métodos de ligação destes troços de fibra cujo objectivo é transferir a maior potência de luz possível através da ligação juntas: ligações permanentes que consistem na fusão das duas extremidades da fibra: perdas médias entre 0.05 db e 0.1 db conectores: ligações sem carácter permanente; são utilizados nas ligações da fibra com o emissor e receptor ópticos para facilitar a sua substituição perdas de conectores de elevada qualidade para fibras monomodo 0.25 db Sistemas de Telecomunicações 19

Conectores E2000 FC SC F3000 LC Sistemas de Telecomunicações 20

Orçamento de potência de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica) 2 conectores N j juntas Emissor Receptor Óptico P S A c Aj Troços de fibra A j Ac PR Óptico Potência óptica média acoplada à fibra L [km] L N t i1 L i Potência óptica média à entrada do receptor Atenuação da ligação (N t troços de fibra, N c conectores, N j juntas) N t A a L + N A + N A T i i j j c c i1 Orçamento de potência P R P S A T Sistemas de Telecomunicações 21

Distorção de sinal na transmissão por fibra óptica A propagação de luz através da fibra óptica "sofre" o efeito da dispersão distorção e alargamento dos impulsos transmitidos cria interferência inter-simbólica (IIS) determina a taxa de transmissão máxima que a fibra suporta Energia do símbolo dispersa para os símbolos adjacentes Potência óptica no receptor: formas de impulso irregulares, com IIS Bit 1 tempo Bit 0 Bit 1 Bit 0 Bit 1 Bit 0 Bit 1 Potência óptica no emissor: formas de impulso aproximadamente rectangulares, sem IIS Sistemas de Telecomunicações 22

Tipos de fibra Fibra de índice em degrau (multimodo) Índice de refracção Corte transversal Revestimento absorvente Baínha Núcleo Baínha Distância radial Índice de refracção Corte transversal Revestimento absorvente Fibra de índice em degrau (monomodo) Distância radial Sistemas de Telecomunicações 23

Dispersão intramodal (ou cromática) Diferentes comprimentos de onda têm diferentes velocidades de propagação D ~ 1 ps/nm/km p/ fibra monomodo padrão 0 1300 nm D ~ 17 ps/nm/km p/ fibra monomodo padrão 0 1550 nm D T Atraso relativo de propagação D D S L D : parâmetro de dispersão intramodal (dependente de ), ps/nm/km D S : largura espectral, a meia potência (em nm), do sinal injectado na fibra L: comprimento de fibra Estimativa da capacidade imposta pela dispersão DT 1 4D b D b L 4. D 1 DS Sistemas de Telecomunicações 24

Exercício Determinar a capacidade máxima da fibra monomodo padrão imposta pela dispersão da fibra, numa ligação em que o sinal injectado na fibra apresenta uma largura espectral a meia potência de = 2 nm considerando que a transmissão se realiza: D S a) na segunda janela (D =1 ps/nm/km para a fibra monomodo padrão) b) na terceira janela (D =17 ps/nm/km para a fibra monomodo padrão) Soluções: a) D b L < 125 Gbit/s. km L=100 km D b max = 1.25 Gbit/s L=10 km D b max = 12.5 Gbit/s b) D b L < 7.35 Gbit/s. km L=100 km D b max = 73.5 Mbit/s L=10 km D b max = 0.735 Gbit/s Sistemas de Telecomunicações 25

Significado físico da dispersão e analogia (I) Dispersão nula (D = 0) Componentes espectrais em diferentes comprimentos de onda têm a mesma velocidade de propagação Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Sistemas de Telecomunicações 26

Significado físico da dispersão e analogia (II) Dispersão positiva (D > 0) Componentes espectrais nos violetas propagam-se mais rapidamente que as nos vermelhos Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Sistemas de Telecomunicações 27

Significado físico da dispersão e analogia (III) Dispersão negativa (D < 0) Componentes espectrais nos vermelhos propagam-se mais rapidamente que as nos violetas Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Sistemas de Telecomunicações 28

Parâmetro de dispersão, D, ps/nm/km Fibras monomodo Fibra padrão, SMF, G.652 Fibra de dispersão aplanada Comprimento de onda, mm Fibra de dispersão deslocada, DSF, G.653 Fibra de dispersão deslocada e não-nula, NZDSF, G.655 Características a 1550 nm SMF (G.652) dispersão elevada ~ 17 ps/nm/km limitações devidas à dispersão, a elevados débitos (Gbit/s) DSF (G.653) dispersão muito reduzida ~ 0 limitações devidas à dispersão reduzida e a efeitos não-lineares ( diafonia ) na fibra em sistemas WDM NZDSF (G.655) Compromisso na dispersão ~ 4 ps/nm/km Sistemas de TeleTelecomunicações

Fontes ópticas Díodo emissor de luz - LED (Light Emitting Diode) - emissão espontânea de luz Dispositivos de semicondutor Díodo laser - LD (Laser Diode) - emissão estimulada de luz LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Propriedades das fontes ópticas (importantes para os sistemas de Telecomunicações) velocidade (largura de banda de modulação) perdas de acoplamento comprimento de onda de emissão Potência óptica acoplada à fibra custo e fiabilidade Largura espectral do sinal injectado na fibra Sistemas de Telecomunicações 30

Intensidade óptica relativa Fontes ópticas - largura espectral sem modulação - As fontes de luz não são monocromáticas (não emitem um único comprimento de onda): emitem uma banda estreita de comprimentos de onda D F,LED D F,LD Largura espectral Largura, em comprimento de onda, D F, à qual a potência desce a metade do seu valor máximo (ponto a -3 db), FWHM (Full Width at Half Maximum) Potência óptica média acoplada à fibra, ps Comprimento de onda, nm LED: 10-100 mw LD: 1-10 mw LED: D F ~ até 0.1 0 LD: D F ~ 0.00001-5 nm Sistemas de Telecomunicações 31

Potência óptica LD multimodo longitudinal MLM - Laser = oscilador óptico LD Fabry-Perot: 1nm ~ D F ~ 5nm D b L limitado a 10 Gbit/s km Espectro de emissão sem modulação Modos longitudinais de oscilação D F Comprimento de onda, nm Sistemas de Telecomunicações 32

Potência óptica LD monomodo longitudinal - SLM - LD SLM Realimentação distribuída (DFB - Distributed Feed-Back) Realimentação localizada (DBR - Distributed Bragg Reflector) Espectro de emissão sem modulação LD monomodo: D F ~ 0.00001-0.001 nm (Dn F ~ 1-100 MHz) Um único modo longitudinal de oscilação Comprimento de onda Sistemas de Telecomunicações 33

Foto de emissor óptico (DFB) Laser DFB Correntes dos circuitos de controlo de temperatura e de polarização do laser Pigtail Conector Corrente do sinal de dados (informação) Fibra óptica Sistemas de Telecomunicações 34

Summary of typical optical sources features Optical source type Modulation bandwidth Linewidth Average coupled optical power Cost LED 200 MHz 30 nm - ~ 0.1 λ 0-20 a -10 dbm Low LD - MLM 1 GHz 2 GHz 1 nm 5 nm 0 a 10 dbm Medium LD - SLM 4 GHz 10 GHz 1 MHz 100 MHz 0 a 10 dbm High Sistemas de Telecomunicações 35

Fontes ópticas - modulação directa - D b < 10 Gbit/s (ideal/: D b < 1 Gbit/s Aplica-se uma corrente variável (dependente da informação a transmitir) ao laser potência emitida pelo laser deverá ser imagem da corrente Nível não nulo de potência conduz a degradação de desempenho do sistema (margem de ruído é a diferença entre níveis!) Potência óptica à saída do laser, p o Característica estática i th i 0 i 1 tempo Corrente eléctrica, i p o,1 p o,0 Razão de extinção: r=p o,0 /p o,1 Razão de extinção (ITU-T): r ext =p o,1 /p o,0 =1/r Corrente de limiar Valor mínimo indicado pela rec. G.957 da ITU-T: R ext =8.2 db Sistemas de Telecomunicações 36

Emissor Óptico - modulação externa - D b 10 Gbit/s Para optimizar a forma do sinal à entrada na fibra para elevados débitos (acima de vários Gbit/s) utiliza-se modulação externa do sinal óptico Corta sinal óptico por comando do sinal eléctrico Laser Modulador Óptico Para a fibra óptica Potência óptica contínua Sinal eléctrico Potência óptica modulada Sistemas de Telecomunicações 37

Foto de um modulador externo Entrada óptica Saída óptica Entrada eléctrica Sistemas de Telecomunicações 38

Estrutura do receptor óptico Fotodetector Pré-amplificador Igualador Amplificador principal e controlo automático de ganho (CAG) Amostragem, Decisão, Codificação Sinal óptico à entrada do receptor Fotodetectores Sinal eléctrico Específico dos receptores ópticos Front-end PIN (Positive-Intrinsic-Negative) APD (Avalanche Photo-Diode) CAG Díodos em Polarização inversa Circuito de extracção de relógio Semelhante ao utilizado em sistemas metálicos de transmissão digital O projecto do pré-amplificador eléctrico baseia-se num compromisso entre ruído e largura de banda: potência de ruído baixa largura de banda limitada igualação Sistemas de TeleTelecomunicações

Fotos de PINs PIN para 40 Gbit/s PIN+Amplificador de transimpedância para 10 Gbit/s Sistemas de Telecomunicações 40

Caracterização do PIN PIN real 1 1 fotão Potência óptica incidente, p i ideal PIN 1 par electrão-lacuna Foto-corrente, i Eficiência quântica (eficiência da conversão óptico-eléctrica) ritmo de geração de pares electrão - lacuna ritmo de fotões incidentes q = carga do electrão = 1.60210-19 C h = constante de Planck = 6.62610-34 J s p i i / q hn Respostividade (eficiência da conversão potência óptica - corrente eléctrica) i R A/W p i q R [A/W] hn R 1.24 mm Sistemas de Telecomunicações 41

Características típicas do PIN PINs usados na 1ª janela Material: silício Respostividade: 0.4 a 0.6 A/W Eficiência quântica: 75% a 90% PINs usados na 2ª e 3ª janelas Material: InGaAs Respostividade: 0.6 a 0.9 A/W Eficiência quântica: 60% a 70% Sistemas de Telecomunicações 42

Ruído de fotodetecção Número de foto-electrões gerados no fotodetector num intervalo de tempo é uma grandeza aleatória Corrente gerada aos terminais do fotodetector apresenta componente aleatória - ruído quântico, i q (t) - sobreposta à componente média, R p i i ( t) R p i ( t) i + q Potência de ruído dependente do nível de sinal (potência óptica incidente no fotodetector)!!! Ruído quântico é modelado p ( ) 1 por estatística gaussiana i hn Db Variância do ruído quântico (para uma potência incidente constante) p B i e, n 2 q largura 2 qr pi Be, n potência incidente de banda do receptor óptico constante Sistemas de Telecomunicações 43

Ruído do circuito eléctrico do receptor (Ruído de origem térmica) Fotodetector Tensão de polarização Resistência de polarização, R b Dado de fabricante Esquema simplificado do Front-end i Préamplificador Potência equivalente de ruído (NEP) ( f ) Sc NEP W Hz R ~ 1pW Hz ( t) R p ( t) i ( t) Saída i i + ( t) i ( t) i ( t) n q + c Dado de fabricante Raiz da DEP do ruído de corrente de circuito ( ) A Hz Sc f n ~ 1pA Variância da corrente de ruído gerado pelos elementos resistivos e activos (transistores) do front-end: 2 4kT B c f n, e B e, n Rb f n,e = factor de ruído do pré-amplificador T = temperatura em K k B = constante de Boltzmann (1.3810-23 J/K) Hz Densidade espectral de potência do ruído de circuito 4kT S f f c ( ) B 2 n, e A Hz R b Sistemas de Telecomunicações 44

Estatística do sinal detectado (PIN) Transmissão binária Para receptores a PIN, sem pré-amplificação óptica, normalmente o ruído de circuito é dominante, 2 2 n c e ( 2 2 c S c( f )) B e, n Símbolo 1 I R p 1 i,1 P eb Pr i n I D 1 2 I erfc 1 I 2 D c Símbolo 0 I R p 0 i,0 I D = (I 1 + I 0 )/2 P e 1 2 I erfc 1 erfc Q 2 2 D I 2 c 0 com I 1 I c D I I D c 0 Q Sistemas de Telecomunicações 45

Parâmetro Q Aproximação P e 1 erfc Q 2 2 P e exp ( 2 Q 2) para Q 3 Q 2 Q Q Q 6, P 7, P 8, P e e e 10 10 10 9 12 15 Sistemas de Telecomunicações 46

Parâmetro Q e Sensibilidade do receptor a PIN I 1 I c D I I D c 0 Q R p i,1 2 2 c p i,0 Q r p p i,0 i,1 p i p + i, 1 i,0 2 p Sensibilidade do receptor a PIN ( ) 2 1+ r Q c 1+ r Q Sc f Be, n 1+ r pi Q Be, n NEP 1 r R 1 r R 1 r Sensibilidade do receptor Potência óptica média mínima à entrada do receptor para garantir uma certa qualidade P e =10-9 Q=6 ou P e =10-12 Q=7 Sistemas de Telecomunicações 47

Sensibilidade de receptores a PIN (cont.) Sensibilidade do receptor a PIN ( ) 2 1+ r Q c 1+ r Q Sc f Be, n 1+ r pi Q Be, n NEP 1 r R 1 r R 1 r Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência à sua entrada para garantir o mesmo desempenho!!! p i Be, n Be, n p i D b D b A sensibilidade do receptor a PIN DIMINUI com a raiz quadrada do débito de transmissão Sistemas de Telecomunicações 48

Valores de sensibilidade de receptores a PIN p i 1+ r Q 1 r S c ( f ) R B e, n P e =10-12 Q=7, R =1A/W, r=0, ( f ) = 4.5 pa/hz 1/2 S c D b =2.5Gbit/s B e,n =2.5 GHz sensibilidade = -28dBm (1.58mW) D b =10Gbit/s B e,n =10 GHz sensibilidade = -25dBm (3.15mW) 2 c 5.0610-14 A 2 2 q 1.2610-15 A 2 2 c 2.0310-13 A 2 2 q 110-14 A 2 2 2 c q 2 2 c Sistemas de q Telecomunicações 49

Penalidade de potência Sensibilidade em condições ideais de funcionamento p i ideal... por exemplo, sem distorção Sensibilidade em condições reais de funcionamento p i real p i ideal... por exemplo, com distorção Acréscimo de potência por não se estar nas condições ideais de funcionamento: penalidade de potência indica quanto mais potência se tem de ter à entrada do receptor para garantir a mesma probabilidade de erro Penalidade de potência, em db DP i db 10log 10 p p i real i ideal Sistemas de Telecomunicações 50

Projecto de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica de linha) Realizado em duas etapas 1. Atribui-se um valor à penalidade devida à transmissão (resultante da distorção) de 1 a 2 db (habitualmente 2 db) e projecta-se a ligação de modo que apresente uma penalidade que não exceda aquele valor: i ( ) db 2 db DP D L 2. Assegura-se que o nível de potência à entrada do receptor é suficiente para garantir a qualidade mínima requerida: R S T i? P P A P + DP i ( D L) NOTA: Com a primeira etapa assegura-se que as distorções do sinal que chega ao receptor não são elevadas, possibilitando que o circuito de recuperação de relógio consiga extrair um relógio com boa qualidade Sistemas de Telecomunicações 51

Projecto de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica de linha) Realizado em duas etapas 1. Atribui-se um valor à penalidade devida à transmissão (resultante da distorção) de 1 a 2 db (habitualmente 2 db) e projecta-se a ligação de modo que apresente uma penalidade que não exceda aquele valor: i ( ) db 2 db DP D L 2. Assegura-se que o nível de potência à entrada do receptor é suficiente para garantir a qualidade mínima requerida: R S T i? P P A P + DP i ( D L) NOTA: Com a primeira etapa assegura-se que as distorções do sinal que chega ao receptor não são elevadas, possibilitando que o circuito de recuperação de relógio consiga extrair um relógio com boa qualidade Sistemas de Telecomunicações 52

Margem de funcionamento de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica de linha) 2 Conectores n Juntas Emissor Óptico Receptor Óptico P S A c Aj Troços DP ( D i de L) fibra A j Ac Pi L [km] Margem de funcionamento da ligação ( ) M P A P DP D L f db S T i i P 2 db R A T Potência requerida para uma dada qualidade: obtida em costas-com-costas (não contabiliza a penalidade devida à dispersão) Deve suportar margem de segurança do sistema (devido a perdas inesperadas), M s 3dB e margens para outros fins (envelhecimento e variações com a temperatura) Margem mínima de funcionamento: 6 db Sistemas de TeleTelecomunicações

Escala de potência (em unidades logarítmicas) Ilustração da margem de funcionamento em ligações sem amplificação óptica de linha Potência acoplada Perdas devidas à transmissão, à fibra, P S A margem de funcionamento foi definida sobre o nível de potência da ligação A T Potência à entrada do receptor, P R Margem de funcionamento, M f db Penalidade devida à transmissão (dispersão), i ( ) DP D L Sensibilidade do receptor, P i Sistemas de Telecomunicações 54

Exercícios Extra_1- Considere uma ligação em fibra óptica sem repetidores. O valor da potência óptica média injectada na fibra é 5 db m e a potência óptica média à entrada do receptor é -37 db w. Sabendo que o coeficiente de atenuação da fibra é 0.3 db/km, calcule o comprimento da ligação (despreze a atenuação introduzida pelas juntas e pelos conectores). (R: L=40 km). Extra_2- Considere que a ligação descrita no problema anterior se processa na 3ª janela ( 0 = 1.55 mm ), com um débito binário de transmissão de 2.5 Gbits/s (STM-16) e uma razão de extinção nula. O receptor óptico tem as seguintes característica: R Respostividade do PIN: = 0.6 A/W Densidade espectral de corrente de circuito: S ) = 4 pa/hz 1/2 c ( f Largura de banda da parte eléctrica do receptor: B e,n = 70% do débito binário Nestas condições, verifique se é possível garantir uma P eb máxima de 10-9 no sinal à saída do receptor. Sistemas de Telecomunicações 55

Relembrar Probabilidade de Erro para Cadeia de Regeneradores 1 N 2 E Reg 3R Reg 3R Reg 3R R p p p Cada repetidor tem uma probabilidade de erro, p, dependente do código de linha usado A probabilidade de erro de bit para uma cadeia de N repetidores é dada por: P e R, Np se p 1 e Np 1 Para código unipolar: P N Q ( ( s / 2 n) ) er, 1 p Sistemas de Telecomunicações 56

Limitação pela atenuação e pela dispersão Para obviar a limitação de Dispersão Atenuação Redução da dispersão da fibra (fibra de menor dispersão) Utilização de técnicas de compensação de dispersão Utilização de amplificação óptica (EDFA - amplificador de fibra dopada com érbio) Pós- -amplificador Amplificadores de linha Pré- -amplificador Emissor Óptico Receptor Óptico Sistemas de Telecomunicações 57

Amplificador de fibra dopada com érbio - EDFA Permite amplificar directamente o sinal no domínio óptico, sem necessidade de recorrer a conversões electro-ópticas + - Transparente ao débito binário e ao formato de modulação Ganho elevado Larguras de banda elevadas (permite a amplificação de vários canais em simultâneo) Só funciona na terceira janela Ganho dependente do comprimento de onda e da potência de sinal à entrada. Potência óptica máxima de saída: ~ 20 dbm Perdas de acoplamento baixas Sistemas de Telecomunicações 58

Bibliografia Transmissão por fibra óptica, Adolfo Cartaxo, AEIST, 2005 59