Adolfo Cartaxo Instituto Superior Técnico. Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 1

COMUNICAÇÕES ÓPTICAS Adolfo Cartaxo Instituto Superior Técnico Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 1

Comunicações Ópticas Constituem o suporte da transmissão da 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). Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 2

Suporte de transmissão da rede de cabos submarinos Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 3

Exemplo: SEA-ME-WE-3 É uma das maiores ligações mundiais (liga mais de 30 países, numa extensão de 40000 km). Tem dois pares de fibras, com uma capacidade por fibra de oito canais (multiplexagem por divisão no comprimento de onda - WDM) e em que cada canal transporta um sinal STM-16 ). Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 4

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 l (mm) Relação entre frequência óptica, n, e comprimento de onda, l: (c - velocidade da luz no vazio) n c l Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 5

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 Rabicho de fibra Regeneração eléctrica Conv. E/O Conv. O/E Receptor Pré-amplificador Conector Junta óptica Acoplador óptico ou divisor de feixe Para outros equipamentos Fotodetector 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) eléctrico Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 6

Atenuação específica da fibra, db/km Janelas de transmissão 1ª janela de transmissão Princípios da década de 70 l 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. l nominal: 1550 nm (1530-1610nm) l nominal: 1300 nm (1220-1340nm) Anos 90 São mais atractivos devido às melhores características de atenuação e dispersão: usados Comprimento de onda, nm nos sistemas a elevados débitos e longa distância. Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 7

Atenuação específica da fibra, db/km Banda disponível na fibra de sílica Fibra All Wave TM Comprimento de onda, mm Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 8

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 l Para dl<<l d n d d n l d l l d Largura de banda óptica, em l : Dl Largura de banda óptica, em n : Dn c 2 l D n c 2 l D l l1550 nm: Dl=1 nm Dn125 GHz Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 9 l1300 nm: Dl=1 nm Dn177 GHz

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 ) Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 10 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.

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/l 4 limite fundamental para baixas perdas na fibra. absorção dos infra-vermelhos impurezas, deformações e microcurvas. Adolfo Cartaxo Comprimento de onda, mm Sistemas de Comunicações 11

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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 12

Conectores E2000 FC SC F3000 LC Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 13

Orçamento de potência de uma ligação óptica ponto-a-ponto (sem amplificação óptica) 2 conectores N j juntas Emissor Óptico P S A c Aj Troços de fibra A j Ac PR Receptor Óptico Potência óptica média acoplada à fibra L [km] L N t L i1 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 Orçamento de potência T i i j j c c i1 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 14 P R P S A T

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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 15

Dispersão intramodal (ou cromática) Diferentes comprimentos de onda têm diferentes velocidades de propagação D T Atraso relativo de propagação D l Dl S L D l ~ 1 ps/nm/km p/ fibra monomodo padrão l 0 1300 nm D l ~ 17 ps/nm/km p/ fibra monomodo padrão l 0 1550 nm D l : parâmetro de dispersão intramodal (dependente de l), ps/nm/km Dl 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 D b D b L 1 Dl DlS Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 16

Significado físico da dispersão e analogia (I) Dispersão nula (D l = 0) Componentes espectrais em diferentes comprimentos de onda têm a mesma velocidade de propagação Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 17

Significado físico da dispersão e analogia (II) Dispersão positiva (D l > 0) Fibra óptica Componentes espectrais nos violetas propagam-se mais rapidamente que as nos vermelhos Atraso de propagação 0 t 0 t Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 18

Significado físico da dispersão e analogia (III) Dispersão negativa (D l < 0) Componentes espectrais nos vermelhos propagam-se mais rapidamente que as nos violetas Atraso de propagação Fibra óptica 0 t 0 t Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 19

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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 20

Parâmetro de dispersão, D l, ps/nm/km Fibra padrão, SMF, G.652 Fibras monomodo Fibra de dispersão aplanada Fibra de dispersão deslocada, DSF, G.653 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 (mistura de quatro ondas) na fibra em sistemas WDM Fibra de dispersão deslocada e não-nula, NZDSF, G.655 Comprimento de onda l, mm NZDSF (G.655) Compromisso na dispersão ~ 4 ps/nm/km Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 21

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 Comunicações) velocidade (largura de banda de modulação) comprimento de onda de emissão perdas de acoplamento custo e fiabilidade Potência óptica acoplada à fibra Largura espectral do sinal injectado na fibra Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 22

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 Dl F,LED Dl F,LD Largura espectral Largura, em comprimento de onda, Dl F, à qual a potência desce a metade do seu valor máximo (ponto a -3 db), FWHM (Full Width at Half Maximum) LED: Dl F ~ até 0.1l 0 LD: Dl F ~ 0.00001-5 nm Comprimento de onda, nm Potência óptica média acoplada à fibra, ps LED: 10-100 mw LD: 1-10 mw Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 23

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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 24

Fontes ópticas - modulação directa - 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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 25

Variação da intensidade de corrente eléctrica que excita o laser Fontes ópticas - modulação directa - Modulação da potência Variação da densidade de electrões (no interior do laser) Variação do comprimento de onda de emissão do laser (algumas décimas de nm) Chirp, por si só, não é problema para sistemas IM/DD (porquê?) Aliado à dispersão na fibra é factor limitativo de transmissão a elevados débitos (vários Gbit/s) Desvio de frequência (chirp) à saída do laser O sinal à saída do laser modulado directamente está modulado simultaneamente em intensidade e frequência Parâmetro do laser que controla a amplitude do chirp factor de enriquecimento da largura espectral, a c valor típico: a c =6 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 26

Tensão normalizada à entrada do decisor Desvio de frequência (GHz) Tensão normalizada à entrada do decisor Ilustração da influência do chirp no desempenho do sistema D b =2.5Gbit/s Padrão de olho sem transmissão na fibra (ligação directa emissor-receptor) O fecho de olho com transmissão deve-se quase exclusivamente ao chirp Padrão de olho do chirp à saída do laser Padrão de olho com transmissão na fibra (D l L=4800ps/nm) Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 27

Emissor Óptico - modulação externa - Para evitar as limitações de transmissão impostas pelo chirp a 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 (sem modulação): Sinal Potência óptica modulada e com muito pouco chirp! Parâmetro equivalente de chirp do sinal à saída do modulador a c =0 ausência de chirp! eléctrico Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 28

Foto de um modulador externo - com uma entrada eléctrica (single-ended) - Entrada óptica Saída óptica Entrada eléctrica Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 29

Foto de um modulador externo - com duas entradas eléctricas (double-ended) - Entrada eléctrica Saída óptica Entrada óptica Entrada eléctrica Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 30

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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 31

Fotos de PINs PIN para 40 Gb/s PIN+Amplificador de transimpedância para 10 Gb/s Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 32

Caracterização do PIN PIN real 1 1 fotão Potência óptica incidente, p i Eficiência quântica (eficiência da conversão óptico-eléctrica) ritmo de geração de pares electrão - lacuna ritmo de fotões incidentes Respostividade (eficiência da conversão potência óptica - corrente eléctrica) i R A/W l p i ideal PIN 1 par electrão-lacuna Foto-corrente, i q l h n 1.24 l Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 33 R l q = carga do electrão = 1.60210-19 C h = constante de Planck = 6.62610-34 J s p i / q i hn mm

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 l p i i ( t) R p i ( t) l 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) e, n qr l pi Be, n Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 34 p B i 2 q potência largura 2 incidente constante de banda do receptor óptico de ruído

Ruído do circuito eléctrico do receptor (Ruído de origem térmica) Fotodetector Tensão de polarização Resistência de polarização, R b Esquema simplificado do Front-end Préamplificador i ( t) R p ( t) i ( t) Saída i n l ( t) i ( t) i ( t) q i c n 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) Potência equivalente de ruído (NEP) ( f ) Sc NEP W Hz R l ~ 1pW Hz Raiz da DEP do ruído de corrente de circuito ( ) A Hz Sc f ~ 1pA Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 35 Hz Densidade espectral de potência do ruído de circuito 4kT S f f c ( ) B 2 n, e A Hz R b

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 bit 0 bit 1 Estatística do sinal detectado, i(t) distribuição gaussiana, tanto para o bit 1 como para o bit 0 Média Variância I I R p 0 l i,0 1 l i,1 ( ( )) 2 2 2 2 0 n c Sc f Be, n bit 0 ( ) 2 R p 2 2 2 ( ) p p Nota: tanto a potência de ruído é proporcional à B e,n do receptor redução de B e,n distorção de sinal i,1 i,0 S f B 1 n c c e, n bit 1 potência incidente no PIN para potência incidente no PIN para o bit '1' o bit '0' solução Adolfo Cartaxo de compromisso: largura de banda eléctrica entre 0.5 e 0.7 do valor Sistemas do débito de Comunicações de transmissão 36

Avaliação da probabilidade de erro P e ( 0 1) p Pr( 1 0) p1 Pr 0 Símbolos equiprováveis (p 1 =p 0 =1/2) P e 1 2 Pr ( 0 1) Pr( 1 0) p 1 = probabilidade a priori de enviar o símbolo 1 p 0 = probabilidade a priori de enviar o símbolo 0 Pr(0 1) = prob. decidir pelo 0 tendo enviado o 1 0 1 1 I 1 I D ) PrI i ( t ) I erfc 1 n D D 2 1 2 Pr Pr(1 0) = prob. decidir pelo 1 tendo enviado o 0 ( 1 0) PrI i ( t ) 0 n D I D 1 2 I D I erfc 0 2 0 erfc 2 ( x) 1 4 I 1 D D 0 Pe erfc erfc Adolfo Cartaxo 1 2 0 2 Sistemas de Comunicações 37 x e t 2 dt I 1 4 I I

Parâmetro Q Aproximação Limiar de decisão Aproximação habitual I 1 I 1 Pr(0 1) = Pr(1 0) D I D I 0 0 Q Definição do parâmetro Q I1 1 I0 0 Q I D 0I1 1I 1 0 0 Q 6, P e Q 7, P e Q 8, P e 10 10 10 9 12 15 Para receptores a PIN (sem pré-amplificação óptica), o ruído independente de sinal é dominante, 1 0, I D =(I 1 + I 0 )/2 exp Q 1 erfc Q 2 2 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 38 P e P e ( 2 ) Q 2 para Q 3 2

Sensibilidade de receptores a PIN r p Sensibilidade do receptor Potência óptica média mínima à entrada do receptor para a qual P e =10-9 Q=6 ou P e =10-12 Q=7 i p p i,0 i,1 pi, 1 pi,0 pi,1 1 r 2 2 Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência à sua entrada para garantir o mesmo desempenho!!! Receptores a PIN (sem pré-amplificação óptica) o ruído independente de sinal é dominante, 1 0, Rl pi,1 pi,0 Q 2 2 Sensibilidade do receptor a PIN Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 39 ( ) 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 l p i l c i Be, n Be, n p A sensibilidade do receptor a PIN DIMINUI com a raiz quadrada do débito de transmissão D b D b

Valores de sensibilidade de receptores a PIN p i 1 r Q c 1 r R l 2 P e =10-12 Q=7, R l =1A/W, r=0, 4.5pA/Hz 1/2 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 2 2 Adolfo Cartaxo c q Sistemas c de Comunicações q 40

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 i real DPi 10log db 10 p Adolfo Cartaxo i ideal Sistemas de Comunicações 41 p

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: Projecto facilitado porque se separam dois efeitos ( ) db 2 db DP D L O devido à distorção resultante da transmissão (primeira etapa) O devido às perdas e níveis de potência no emissor e requerido no receptor para uma dada qualidade. 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 i l 2. Assegura-se que o nível de potência à entrada do receptor é suficiente para garantir a qualidade mínima requerida: P P A P R S T i Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 42?

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 de fibra A j Ac Pi L [km] Margem de funcionamento da ligação f db S T i i P R ( ) M P A P DP D L 2 db l 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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 43

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), Sensibilidade do receptor, P i ( ) DP D L Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 44 i l

Projecto de ligações multi-secção com regeneradores No caso das secções de regeneração apresentarem desempenho diferente Nsec Nsec Pe, tot P e, k Pe, k 1 k1 k1 N P sec ek, número de secções de regeneração probabilidade de erro de símbolo binário na k-ésima secção Para garantir que a probabilidade de erro de símbolo binário seja inferior a um valor previamente especificado P P ( esp) e, tot e, tot há inúmeras possibilidades de escolha das probabilidades de erro para cada secção Estratégia adoptada Repartir a prob. erro total especificada de modo proporcional ao comprimento de cada secção P L P ( esp) k ( esp) e, k N sec e, tot k1 Lk Lk k comprimento da -ésima secção Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 45

Instantes de amostragem Regeneradores Nível de decisão Amplificador repete o sinal (+ ruído) de entrada na saída, amplificando-o Regenerador regenera o sinal de entrada realizando 3 funções (3R) Reshaping (Re-formatação) iguala e amplifica Decisão e formatação dos impulsos Retiming (Re-temporização) cria o sinal de relógio a partir do sinal recebido e usa-o para amostrar o sinal Gerador de impulsos Regeneration (Regeneração) decide e codifica Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 46

Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Re-formatação Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Amplitude de sinal (unidades arbitrárias) Funções dos regeneradores 3R Amplificação Tempo / período de bit Tempo / período de bit Igualação Tempo / período de bit Retemporização e Regeneração Tempo / período de bit Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 47

Estrutura de regenerador de rede SDH Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 48

Utilização de amplificação-óptica 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 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 49

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 Só funciona na terceira janela Ganho dependente do comprimento de onda Larguras de banda elevadas (permite a amplificação de vários canais em simultâneo) Perdas de acoplamento baixas Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 50

Multiplexador de comprimento de onda Desmultiplexador de comprimento de onda Princípio básico de funcionamento da WDM 1 fibra óptica l 1, l 2,...,l N l 1, l 2,...,l N Pós-amplificador Amplificador de linha Pré-amplificador Combinador de comprimentos de onda Secção Separador de comprimentos de onda Fontes ópticas de reduzida largura espectral Desafio: baixas perdas de inserção Desafio: elevada selectividade no domínio óptico para evitar diafonia Receptores ópticos individuais um por canal (comprimento de onda) = PIN + receptor eléctrico Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 51

... para os receptores ópticos individuais Canais modulados Princípio básico de funcionamento do desmultiplexador de WDM Resposta na frequência do filtro óptico Desmultiplexador de comprimento de onda Filtro óptico l 3 l 1 l 1 Exemplo de diafonia no canal 3 Largura de banda a -3 db da banda de passagem do Mux e Demux: B -3 db =2D b,c +2Δν c /5 D b,c = débito binário de transmissão por canal Δν c = espaçamento entre canais... do pré-amplificador óptico Divisor de potência óptica Filtro óptico l 2 Filtro óptico l 3 Filtro óptico l 4 Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 52 l 2 largura de banda deve-se à largura de banda do sinal de informação + deriva da frequência de emissão l 4 Interferência dos canais 1, 2 e 4 no canal 3 (crosstalk)

Foto de Mux / Demux óptico Entrada / Saída comum Entrada / Saída individual Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 53

Atenuação específica da fibra, a, db/km Grelha de frequências da ITU-T Rec. G.692 da ITU-T: 100 GHz (0.8 nm) de espaçamento (na frequência) entre canais; grelha ancorada em 193.1 THz (1552.52 nm) Segunda janela ~1270-1350nm Terceira janela ~1480-1600nm De 1528.8 nm a 1560.6 nm Espaçamentos alternativos 25 GHz (0.2 nm) 50 GHz (0.4 nm) 200 GHz (1.6 nm) Banda disponível: ~ 30 nm ~ 38 canais (espaçados de 0.8 nm) Adolfo Cartaxo Comprimento de onda, nm Sistemas de Comunicações 54

Ganho do amplificador, db Bandas da 3ª janela Banda C (Convencional) Banda L (l Longos) ~1530-1565nm Largura de banda: ~35nm ~1565-1625nm Largura de banda: ~60nm Banda total disponível: ~ 95 nm ~ 118 canais (espaçados de 0.8 nm) Comprimento de onda, nm Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 55

Rede de Comunicações Óptica Adolfo Cartaxo Sistemas de Comunicações 56