UNIVERSIDADE DE PASSO FUNDOFACULDADE DE ENGENHARIA E ARQUITETURA CURSO DE ENGENHARIA ELTRICA

OSA - ANALISADOR DE ESPECTRO PTICO MICROCONTROLADO

Disciplina: Projeto de Graduao Acadmico: Felipe DAgostini Arcari Professor: Adriano Lus Toazza

Passo Fundo, dezembro de 2010.

Felipe DAgostini Arcari

OSA - Analisador de Espectro ptico Microcontrolado

Trabalho apresentado ao curso de Engenharia Eltrica, da Faculdade de Engenharia e Arquitetura, da Universidade de Passo Fundo, como requisito para obteno do ttulo de Engenheiro Eletricista, sob orientao do Prof. Dr. Adriano Lus Toazza.

Passo Fundo, 2010

Felipe DAgostini Arcari

OSA - Analisador de Espectro ptico Microcontrolado

Banca Examinadora:

____________________________________________________ Professor Dr. Adriano Lus Toazza UPF Orientador

___________________________________________________ Professor Dr. Carlos Allan Caballero Petersen UPF Examinador

________________________________________________________ Professor Dr. Paulo Srgio Corra Molina UPF Examinador

Passo Fundo, 2010

Dedico este trabalho aos meus pais Delrio apoiaram e Deonice durante que toda tanto a lutaram pela minha educao e me caminhada no curso de Engenharia Eltrica, a minha irm Gabriela por toda a compreenso e a minha namorada Sani pelo companheirismo, pacincia e apoio durante a realizao deste trabalho.

AGRADECIMENTOS

Dedico este espao para demonstrar meu reconhecimento e gratido s pessoas que me ajudaram na realizao deste projeto, de forma direta ou indireta, seja atravs de idias e solues ou mesmo atravs de simples palavras de incentivo e confiana em minha pessoa. Agradeo aos meus colegas de faculdade e de modo especial aos amigos Bruno, Diego, Emanuel, Jeferson, Jos, Maicor, Marcelo, Vincius e ao pessoal do ncleo de manuteno eletrnica, SEPE Empresa Junior e do almoxarifado. Aos professores que me orientaram e me impulsionaram para obter a formao acadmica, em especial ao professor Adriano Lus Toazza, meu orientador e ao professor Carlos Caballero, meu coorientador. Ao meu colega Dante por ter ajudado na fuso das fibras pticas e a Professora Marines, pela ajuda na parte gramatical. Agradecimento especial ao Mestre Reginaldo da Silva, primeiramente por ter sugerido a excelente idia do projeto e tambm por ter dado todo o apoio necessrio e disponibilizado todos os componentes pticos para o desenvolvimento do mesmo. Por fim agradeo a minha famlia por sempre dar apoio aos meus estudos e objetivos. Espero, em um futuro prximo, poder retribuir o apoio, empenho, dedicao, suporte e confiana que depositaram em mim.

RESUMO

O uso das fibras pticas em sistemas de comunicaes trouxe muitas vantagens para transmisso de dados, e consigo surgiu a necessidade de instrumentos de testes e medies dos componentes pticos. Um destes instrumentos o analisador de espectro ptico OSA (Optical Spectrum Analyzer). Este instrumento mede a potncia ptica em determinados comprimentos de onda e assim, possvel avaliar o comportamento de certos dispositivos pticos. Para tanto, ele separa o espectro de sinal recebido em pequenas janelas de medio, atravs de uma tcnica de multiplexao por diviso de comprimento de onda WDM (Wavelength Division Multiplexer). Neste trabalho objetivou-se projetar e construir um analisador de espectro ptico microcontrolado. Para isto, foi feito um estudo terico sobre componentes pticos bem como a implementao de um hardware e um software. O hardware composto por um laser de sinal juntamente com um laser de bombeio, este usado para amplificar o sinal no EDFA (Amplificador a Fibra Dopada com rbio). Esta amplificao gera um rudo ASE que estar presente na anlise espectral do sinal emitido. O sistema tambm composto por mais alguns componentes pticos passivos, como acoplador, isolador, filtro ptico e fotodetector. O envio do sinal para o software feito por um microcontrolador via conversor paralelo/USB. Este software faz o controle dos dados recebidos para depois plotar um grfico de Potncia (dBm) x Comprimento de onda (nm), possibilitando analisar o comportamento do dispositivo ptico. Palavras-chave: OSA, anlise espectral, componentes pticos, laser, microcontrolador, software.

LISTA DE FIGURASFigura 1.1 - Estrutura de uma Fibra ptica..............................................................................14 Figura 1.2 - Curva relativa atenuao por comprimento de onda em uma fibra ptica e as janelas de transmisso. [4]........................................................................................................15 Figura 1.3 - Emisso espontnea. (a) Eltron passando para um nvel superior de energia por algum meio de excitao. (b) Recombinao do par eltron-lacuna, liberando energia e gerando um fton. [12]..............................................................................................................17 Figura 1.4 - (a) Tpica relao de potncia ptica de sada pela corrente para um LED e um Diodo Laser. (b) Comparao das caractersticas do espectro. [5]...........................................19 Figura 1.5 - Esquema do diagrama de dois nveis de energia e emisso estimulada. (a) Eltron em um nvel superior de energia. (b) Recombinao do par eltron lacuna gerando, pela estimulao do primeiro fton, dois ftons com mesma fase. [12] [14]...................................19 Figura 1.6 - Esquema Bsico de uma Cavidade ptica. [12]...................................................21 Figura 1.7 - Cavidade ptica Fabry-Perot para um diodo laser. [1].........................................21 Figura 1.8 - Princpio de construo de um mdulo laser. [14]................................................22 Figura 1.9 - Pastilha termoeltrica usado no dissipador de Peltier. [15]..................................23 Figura 1.10 - Esquema simplificado das cavidades de lasers (a) Fabry-Perot. (b) DFB sem facetas refletoras. [16] [18].......................................................................................................24 Figura 1.11 - Largura de linha dos Espectros. (a) LED. (b) Laser Fabry-Perot. (c) Laser DFB. [18]............................................................................................................................................26 Figura 1.12 - (a) Esquema estrutural de um fotodiodo PIN. (b) Representao de um fotodiodo PIN com circuito externo. [1] [22]...........................................................................29 Figura 1.13 - Diagrama simples das bandas de energia de um fotodiodo PIN. Ftons com uma energia maior ou igual banda proibida podem gerar pares eltron-lacuna livres que agem como portadores de foto corrente. [1] [22]...............................................................................30 Figura 1.14 - Esquema estrutural de um fotodiodo APD. [22].................................................31 Figura 1.15 - Esquema de um isolador ptico baseado no efeito Faraday. Transmisso de luz no sentido de passagem.............................................................................................................33 Figura 1.16 - Ilustrao de um acoplador ptico de fibra fundida. [34]...................................34 Figura 1.17 - Ilustrao de um acoplador ptico baseado numa cavidade alinhada. [34]........35 Figura 1.18 - Resposta espectral de um acoplador WDM e sua representao fsica...............36 Figura 1.19 Caracterstica espectral do ganho de um EDFA. [54]........................................39 Figura 1.20 - EDFA com configurao de bombeio co-propagante. [53]................................40 Figura 1.21 - EDFA com configurao de bombeio contra-propagante...................................40 Figura 1.22 - EDFA com configurao de bombeio bi-direcional...........................................41 Figura 1.23 - Esquema bsico de um filtro ptico sintonizvel. [41].......................................42 Figura 2.1 - Diagrama de blocos do sistema.............................................................................46 Figura 2.2 - Laser de sinal utilizado no sistema. [45]...............................................................47 Figura 2.3 - Circuito de controle de corrente e tenso do laser de sinal...................................48

Figura 2.4 - Mdulo Laser de Bombeio utilizado no sistema. (a) Encapsulamento. (b) Estrutura interna. [46]...............................................................................................................49 Figura 2.5 - Controle de corrente do laser de bombeio.............................................................50 Figura 2.6 - Circuito de controle de temperatura do mdulo laser de bombeio........................51 Figura 2.7 - Acoplamento do motor de passo ao filtro ptico sintonizvel..............................54 Figura 2.8 - Acoplamento do motor de passo ao filtro ptico sintonizvel. [51].....................55 Figura 2.9 - Curvas de resposta do fotofiodo PIN InGaAs. (a) Responsividade por comprimento de onda. (b) Corrente fotodetectada por potncia ptica de entrada. [49]..........56 Figura 2.10 - Circuito de condicionamento do Fotodiodo utilizado.........................................56 Figura 2.11 Curva de potncia por tenso do fotodiodo........................................................57 Figura 2.12 - Diagrama de pinos do PIC16F877A. [47]...........................................................59 Figura 2.13 - Circuito eltrico da alimentao e comunicao do FT245BL. [50]..................60 Figura 3.1 - Diagrama de blocos do firmware..........................................................................63 Figura 3.2 Layout do aplicativo OSAu.exe........................................................................66 Figura 4.1 - Clivagem da fibra ptica. Clivador e alicate de decapagem.................................70 Figura 4.2 - Mquina de fuso e alinhamento das fibras pticas..............................................71 Figura 4.3 - Curva de Potncia ptica emitida por corrente de alimentao do laser de sinal. ...................................................................................................................................................72 Figura 4.4 Resultado da anlise espectral ptica do laser de sinal sem EDFA......................75 Figura 4.5 Resultado da anlise espectral ptica do laser de sinal com EDFA.....................76 Figura A.1 Desenho do eixo mecnico em AutoCad.............................................................86 Figura C.1 - Layout da placa de circuito impresso do soquete do laser de sinal......................90 Figura C.2 - Layout da placa de circuito impresso do soquete do laser de bombeio................90 Figura D.1 - Layout da placa de circuito impresso principal....................................................91 Figura D.2 - Layout da placa de circuito impresso do soquete do conversor USB..................91 ...................................................................................................................................................92 Figura E.1 Circuitos de controle dos lasers e peltier..............................................................92 ...................................................................................................................................................93 Figura E.2 Circuitos do conversor paralelo/USB, microcontrolador com driver de corrente e condicionamento do sinal do fotodiodo....................................................................................93

LISTA DE ABREVIATURAS

Ampop Amplificador Operacional; ASE Amplified Spontaneous Emission (Emisso Espontnea Amplificada); A/D Analgico para Digital;

CWDM Coarse Wavelength Division Multiplexing (Multiplexao por Diviso de Comprimento de Onda Espaado) DBR Distributed Bragg Reflector (Refletor de Bragg Distribudo); DFB Distributed FeedBack (Realimentao Distribuda); D/A Digital para Analgico; EDFA Erbium Dopated Fiber Amplifier (Amplificador a Fibra Dopada com rbio); FDE Fibra Dopada com rbio FIFO First In First Out (Primeiro a entrar, primeiro a sair) Gbps Giga bits por segundo ILD Injection Laser Diode (Diodo Laser de Injeo); Ith Threshold Current (Corrente de limiar) LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplificao de Luz por Emisso Estimulada de Radiao); LD - Laser Diode (Diodo Laser); LED Light Emission Diode (Diodo Emissor de Luz); Mbps Mega bits por segundo nm Nano-metro; OSA Optical Spectrum Analyzer (Analisador de Espectro ptico); OSNR Optical Signal Noise Relation (Relao Sinal Rudo ptica) PC Personal Computer (computador pessoal); THz Tera Hertz USB Universal Serial Bus; USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter; WDM Wavelength Division Multiplexer (Multiplexao por diviso de comprimento de onda); m Micro-metro;

SUMRIO

...................................................................................................................................................14

INTRODUO

A fim de desenvolver novas tecnologias, tanto para comunicaes, como segurana e instrumentao biomdica, o homem desenvolveu o laser. Juntamente veio a descoberta da fibra ptica e vrios componentes. Com o crescente avano da tecnologia nos sistemas de telecomunicaes, surgiram muitas tcnicas de modulao e multiplexao e com isso, a necessidade de uma alta taxa de transmisso e maior largura de banda tornou-se essencial. No ltimo sculo a utilizao da fibra ptica nestes sistemas vem sofrendo uma grande evoluo tecnolgica, tendo em vista suas inmeras vantagens, como imunidade a interferncias eletromagnticas e alta capacidade de transmisso quando comparada com cabos metlicos. [6] O analisador de espectro ptico se encaixa nesse meio como uma ferramenta de teste e medio. Este instrumento mede a potncia ptica em vrios comprimentos de onda. Dessa forma, pode-se avaliar o comportamento de certo dispositivo ptico em toda a faixa do espectro emitido ou nas imediaes de um determinado comprimento de onda. Para tanto, este instrumento separa o espectro do sinal recebido em pequenas janelas de medio, atravs de uma tcnica de multiplexao por diviso de espectro. [14] Este trabalho tem por objetivo projetar e implementar um analisador de espectro ptico microcontrolado que foi desenvolvido por estgios. Estes estgios so constitudos por um laser de sinal e um laser de bombeio (com controle de temperatura), um filtro ptico sintonizvel mecanicamente por um motor de passo, controlado pelo microcontrolador, que tambm faz o controle do fotodetector e do envio dos dados para o software em um microcomputador. Este software faz o controle dos dados recebidos, para ento, plotar um grfico de Potncia (dBm) x Comprimento de onda (nm) e assim possvel analisar o comportamento do dispositivo ptico. No primeiro captulo deste trabalho foi realizado um estudo terico sobre os componentes utilizados em um analisador de espectro ptico. O segundo captulo explica em detalhes o projeto que ser desenvolvido. O terceiro captulo dedicado a programao de firmware e software. E por fim, no quarto captulo so mostrados alguns resultados obtidos, como testes dos componentes lasers e resultados das anlises espectrais.

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1.

Fundamentao Terica

Para o bom desenvolvimento deste projeto, uma anlise terica sobre comunicaes, fibras e componentes pticos proporcionou maior nfase na escolha das tecnologias usadas. O Analisador de Espectro ptico Microcontrolado, por analogia chamado de OSA (Optical Spectrum Analyzer, ou seja, Analisador de Espectro ptico).

Sistemas de Comunicaes

O desenvolvimento nos sistemas de comunicaes tem criado uma sociedade dependente da informao. Ao longo dos anos muitas formas de sistemas tm surgido, e a principal motivao por trs de tudo isso a necessidade de melhorar a fidelidade de transmisso destes sistemas, para ento, poder aumentar a taxa de dados transmitidos. [1] nesse ponto que as tecnologias que usam componentes e fibras pticas surgem como uma soluo para estes problemas em razo das suas inmeras vantagens, como por exemplo, ampla largura de banda disponvel para transmisso, baixas perdas, baixa distoro, segurana, imunidade eletromagntica, entre outras. [2]

Fibras pticas

Fibras pticas so capilares formados por materiais cristalinos e homogneos, transparentes o bastante para guiar um feixe de luz atravs de um trajeto qualquer. Estas fibras so constitudas por materiais dieltricos, plstico ou vidro com alto grau de pureza, em forma cilndrica, transparente e flexvel, de dimenses microscpicas comparveis as de um fio de cabelo. A estrutura bsica desses capilares so cilindros concntricos com determinadas espessuras e com ndices de refrao tais que permitam o fenmeno da reflexo interna total. O centro (miolo) da fibra chamado de ncleo e a regio externa chamada de casca (Figura 13

1.1). Para que ocorra o fenmeno citado necessrio que o ndice de refrao do ncleo seja maior que o ndice de refrao da casca. [2]

Figura 1.1 - Estrutura de uma Fibra ptica.

Os modos de propagao so "caminhos" especficos por onde a luz pode viajar dentro do ncleo da fibra. Matematicamente, um modo uma das diversas solues das equaes de Maxwell para a propagao da luz em meios dieltricos. Estes modos dependem da geometria e do perfil de ndice de refrao da fibra e tambm do ngulo de incidncia da luz. De acordo com o nmero de modos, a fibra ptica pode ser classificada como monomodo ou multimodo. A espcie multimodo divide-se em duas subespcies: ndice degrau ou abrupto, e ndice gradual. Na fibra de ndice degrau o ndice de refrao do ncleo uniforme e completamente diferente do da casca. J na fibra de ndice gradual o ncleo no possui ndice de refrao constante, mas este diminui progressivamente do eixo central at as bordas (variao parablica). [6] As informaes transmitidas pela fibra ptica no sofrem interferncias eletromagnticas, mas como estas so enviadas na forma de luz, elas sofrem atenuaes e disperses ao longo da transmisso. A Fibra ptica vem a ser um meio fsico de transmisso cada vez mais utilizado em redes de telecomunicaes que, quando conectada a equipamentos adequados, permite trafegar voz, dados e imagens, a altas taxas, com velocidades muito prximas a velocidade da luz. Assim sendo, o emprego de cabos de fibra ptica cada vez mais frequente e vem

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substituindo os chamados cabos metlicos, como os cabos de pares tranados e cabos de tubos coaxiais. [3] Para transmitir informao atravs de uma fibra ptica, a mesma deve ser convertida num sinal ptico. Essa converso pode ser feita atravs de um Laser ou um LED. Na prtica, a transmisso desta informao atravs de uma fibra ptica sofre uma atenuao que depende do comprimento de onda do feixe de luz (Figura 1.2). As janelas de transmisso dizem respeito s regies de comprimento de onda aonde a atenuao ptica baixa o suficiente para uma transmisso com poucas perdas. [4]

Figura 1.2 - Curva relativa atenuao por comprimento de onda em uma fibra ptica e as janelas de transmisso. [4]

A Figura 1.2 mostra a atenuao pelo comprimento de onda de uma fibra ptica. Tambm esto destacadas as janelas de transmisso, com suas baixas atenuaes. So nestas janelas que a luz infravermelha mais utilizada. Os dispositivos pticos, usados como fonte de luz nos transmissores pticos, conhecidos como Diodo Laser (LD) e Diodo Emissor de Luz (LED), operam na faixa de infravermelhos do espectro eletromagntico (entre 750 nm e 1 mm) e, por isso, a sua luz de sada invisvel aos olhos humanos. [4]

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Fontes pticas

As principais fontes de luz usadas para aplicaes de comunicaes por fibra ptica so junes e heterojunes estruturadas como diodos lasers semicondutores, tambm chamado de ILD (diodo laser de injeo) e LEDs (diodo emissor de luz). Uma heterojuno consiste de dois materiais semicondutores adjacentes com diferentes energias de banda proibida. Estes dispositivos esto disponveis para sistemas de transmisso por fibras porque possuem potncia de sada adequada para uma ampla gama de aplicaes. Sua potencia ptica pode ser diretamente modulada por variao da corrente de entrada do dispositivo, que tem uma eficincia elevada, e as suas caractersticas dimensionais so compatveis com as da fibra ptica. [1] [7]

1.1.2.1.

LED Diodo Emissor de Luz

As fontes mais comuns para os sistemas de comunicao por fibra ptica so os LEDs, porque, alguns especficos, emitem luz invisvel prxima do infravermelho. Seu princpio de funcionamento baseia-se nos nveis de energia e bsico como um diodo. Estes dispositivos so formados por uma juno semicondutora, dopadas com impurezas do tipo P e do tipo N, polarizada diretamente. Uma pequena tenso que aplicada entre seus terminais, faz uma corrente fluir atravs da juno. Devido estreita espessura da regio de depleo (juno), uma grande quantidade de eltrons consegue cruzar a faixa da juno, e pular para a banda de conduo. Os eltrons que pularam para a banda de conduo podem acabar retornando para a banda de valncia, esse processo chamado de recombinao, pois nele o eltron se recombina com uma lacuna, liberando energia. Na recombinao os eltrons e lacunas se aniquilam, liberando energia na forma de ftons. Sua emisso utiliza o processo de fotogerao por recombinao espontnea. [7] [9] [12]

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1.1.2.1.1. Emisso Espontnea

A emisso de radiao do LED segue o processo de emisso espontnea. Quando um tomo excitado, alguns eltrons passam para rbitas mais afastadas do ncleo (banda de conduo), ocorrendo uma inverso de populao (Figura 1.3a). Entretanto, os eltrons no podem manter-se indefinidamente neste estado, pois se trata de uma condio instvel dos tomos. Isso significa que, pouco tempo depois, os eltrons comeam a saltar de volta para seus nveis originais de energia (estado fundamental), o que faz com que eles "devolvam" a energia absorvida na forma de emisso de um fton de luz (Figura 1.3b). O fton emitido tem energia igual energia do estado inicial menos a energia do estado final. No caso da emisso espontnea, a luz gerada chamada de luz incoerente, pois os ftons so emitidos em direes aleatrias, sem relao de fase entre eles. [12]

Figura 1.3 - Emisso espontnea. (a) Eltron passando para um nvel superior de energia por algum meio de excitao. (b) Recombinao do par eltron-lacuna, liberando energia e gerando um fton. [12]

O comprimento de onda emitido pelo LED depende dos nveis internos de energia do semicondutor. Substncias usadas como dopantes permitem que luz de diversos comprimentos de onda seja emitida. Em aplicaes para fibra ptica, seus comprimentos de onda mais usados so de 820 e 850 nm (primeira janela de transmisso). Diodos emissores de luz so usados em sistemas de comunicaes que exijam taxas de transferncia menores do que 100 a 200 Mbits/s. [7] 17

1.1.2.2.

Diodo Laser Semicondutor

O Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), cuja sigla significa Amplificao da Luz por Emisso Estimulada de Radiao, um dispositivo que produz radiao eletromagntica com caractersticas especiais. Este dispositivo produz luz fortemente monocromtica (frequncia bem definida), coerente (possui relaes de fase bem definidas), alm de ser colimada (a luz propaga-se como um feixe) e com polarizao e direo bem definidas. [5] [13] Apesar de o nome Laser significar amplificao de luz, ele na realidade um oscilador e o efeito fsico por trs de seu funcionamento a emisso estimulada, descoberta pelo fsico Albert Einstein, como condio necessria ao equilbrio trmico da radiao com a matria. [5] [12]

1.1.2.2.1. Emisso Estimulada

Einstein descobriu, atravs de consideraes tericas, que no apenas um tomo absorve um fton incidente e o reemite ao acaso aps certo tempo (emisso espontnea), mas que tambm este mesmo tomo deve reemitir seu fton absorvido se um segundo fton interage com ele (emisso estimulada). O fton reemitido deve ser coerente, ou seja, tem a mesma frequncia do fton que o estimulou e, igualmente importante, tem a mesma fase. [5] [12] Para que haja emisso estimulada, a corrente de excitao dos tomos deve ultrapassar a corrente de limiar (Ith), Figura 1.4a, abaixo da qual o diodo laser se comporta como um LED, havendo apenas emisso espontnea e uma irradiao de luz mais ampla (menos direcionada). Acima desta corrente de limiar, comea a emisso estimulada e a potncia ptica irradiada aumenta rapidamente. [14]

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Figura 1.4 - (a) Tpica relao de potncia ptica de sada pela corrente para um LED e um Diodo Laser. (b) Comparao das caractersticas do espectro. [5]

Na Figura 1.4b apresentada uma comparao entre o espectro de frequncia emitido pelo LED e pelo Laser. Como pode ser visto, a frequncia do Laser bem definida, j a frequncia de emisso do LED mais ampla, abrangendo vrios comprimentos de onda. Na Figura 1.5 pode ser melhor entendido o processo de emisso estimulada. Depois que o tomo excitado pela corrente eltrica, o eltron pula para a banda de conduo (eltron excitado) (Figura 1.5a), no momento em que esse eltron est retornando para seu estado fundamental (banda de valncia), ele excitado por um segundo fton, ento so gerados dois ftons (Figura 1.5b). Isso significa que o eltron, quando volta ao nvel original, reemite outra partcula de luz e como resultado tem-se dois ftons coerentes.

Figura 1.5 - Esquema do diagrama de dois nveis de energia e emisso estimulada. (a) Eltron em um nvel superior de energia. (b) Recombinao do par eltron lacuna gerando, pela estimulao do primeiro fton, dois ftons com mesma fase. [12] [14]

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Em termos de ondas eletromagnticas, pode-se pensar que o pulso emitido est exatamente em fase com a onda inicial. Isto faz com que ambos os pulsos se unam formando um pulso mais longo, e reduzindo desta forma a largura espectral do pulso. [11] Portanto, para um laser funcionar ele deve conseguir excitar um nmero mnimo de tomos de determinado material para um nvel de energia superior, de modo a se obter a inverso de populao (quando existem mais tomos excitados do que tomos no estado fundamental). Quando isso ocorre, a emisso espontnea de ftons, que acontece naturalmente a todo tempo, amplificada pelos tomos vizinhos, que vo emitir ftons estimulados pelos primeiros. Estes ftons, por sua vez, estimulam a emisso de outros, num efeito cascata. Para que tudo isso funcione, entretanto, necessria uma realimentao, ou seja, sempre manter ftons emitidos estimuladamente interagindo com os tomos. Isso obtido atravs de uma cavidade ptica, uma regio do espao em que se confina luz por algum tempo com o uso de espelhos altamente refletores e convenientemente alinhados, para que haja uma amplificao dessa emisso estimulada. [5]

1.1.2.2.2. Cavidade ptica Ressonante

A construo do primeiro laser s foi possvel na dcada de 60, pois para que a emisso estimulada fosse expressiva era necessrio manter a condio de inverso de populao. Para resolver este problema a soluo foi construir um sistema fechado, onde a radiao emitida ficasse confinada, estimulando assim novas emisses de ftons. Isso foi feito atravs de uma cavidade de espelhos seletivos, dentro da qual colocado um meio ativo, que estimulado continuamente para manter a inverso de populao. Estes espelhos refletem somente o comprimento de onda desejado, desta maneira a cavidade acumula oscilaes pticas no comprimento de onda requerido, ento a cavidade deve favorecer a amplificao de uma frequncia e uma s fase. [5] [11] Esta cavidade trata-se de um amplificador seletivo que resulte em amplificao de ondas eletromagnticas que formaram um modo de onda estacionria na cavidade. As cavidades utilizadas no laser semicondutor so tipicamente cavidades de Fabry-Perot. Estas so compostas por dois espelhos paralelos, de ndices de reflexo diferentes. Um totalmente 20

reflexivo, e o outro, em torno de 95%, ou seja, 5% so perdas que saem atravs do espelho na forma de radiao laser. [14] Pode-se observar na Figura 1.6 o esquemtico bsico de uma cavidade ptica com seus respectivos espelhos, e alguns ftons sendo amplificados.

Figura 1.6 - Esquema Bsico de uma Cavidade ptica. [12]

Na figura 1.7, possvel ver como montada uma cavidade ptica do tipo FabryPerot. As camadas de confinamento ptico so os semicondutores que formam uma juno. A regio ativa tambm esta representada dentro da cavidade ptica.

Figura 1.7 - Cavidade ptica Fabry-Perot para um diodo laser. [1]

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Estas caractersticas gerais deste tipo de laser fazem com que seja um dispositivo extremamente pequeno para implement-lo na tecnologia eletrnica. de se referir com algum destaque que a maioria dos dispositivos eletrnicos que utilizam luz, por exemplo, para transmisso de informao, funcionam com base neste tipo de laser. [5] Na figura 1.8 pode-se ver o princpio de construo de um mdulo laser usado para emisso de luz via fibra ptica.

Figura 1.8 - Princpio de construo de um mdulo laser. [14]

Uma regulao do diodo laser sobre uma potncia de radiao constante s pode ser feita com segurana mediante a medio direta de uma parte proporcional da radiao emitida pelo diodo. Para este fim, no mdulo laser se aproveita a peculiaridade do diodo laser de emitir partes de radiao, mutuamente proporcional, desde ambos os espelhos em direes contrrias. Somente um espelho pode acoplar radiao fibra ptica. O outro espelho serve para a medio do nvel de radiao, onde um diodo monitor recebe luz emitida, e a converte em uma foto corrente proporcional a ela e pode ced-la para um circuito regulador externo. [14] A temperatura de servio constante necessria no mdulo, para uma potncia de radiao constante, consegue-se por transferncia trmica sobre um dissipador trmico primrio (dissipador de Peltier) e por meio de uma adequada transmisso trmica interna 22

sobre a parede modular externa, que constitui o dissipador trmico secundrio (dissipador externo na parede do laser).

1.1.2.2.3. Dissipador de Peltier

Na conduo trmica ativa, a temperatura do diodo laser ajustada por meio de um dissipador de Peltier. Para isso, h um termistor situado sobre o dissipador primrio que mede a temperatura no mdulo e isto permite manter constante a temperatura do diodo laser, com um circuito de regulao da temperatura, conectado externamente ao mdulo, independentemente da temperatura ambiente e da potencia ptica ajustada. O dissipador de Peltier constitudo de pastilhas termoeltricas que operam utilizando o efeito Peltier. Este diz que h um efeito aquecedor ou resfriador quando uma corrente eltrica passa por dois condutores. A tenso aplicada aos plos de dois materias distintos cria uma diferena de temperatura. Graas a essa diferena, o resfriamento Peltier far com que o calor se mova de um lado para o outro. Uma tpica pastilha de Peltier contm uma srie de elementos semicondutores do tipo P e tipo N (Figura 1.9), agrupados como pares que agiro como condutores diferentes. [15] [14]

Figura 1.9 - Pastilha termoeltrica usado no dissipador de Peltier. [15]

Essa srie de elementos soldada entre duas placas cermicas, eletricamente em srie, e termicamente em paralelo. Quando uma corrente contnua passa por um ou mais elementos 23

de tipo N a tipo P, h uma reduo na temperatura do lado frio, resultando em uma absoro do calor do ambiente. Este calor transferido pela pastilha por transporte de eltrons e emitido no outro lado (quente). [15] A variao de temperatura no Laser faz com que seu raio espectral sofra variaes, portanto, o controle de temperatura bastante importante para manter o comprimento de onda () fixo.

1.1.2.3.

Laser DFB

Um avano tecnolgico na rea de lasers de semicondutor consistiu na substituio de lasers Fabry-Perot por lasers de realimentao distribuda (DFB Distributed FeedBack). Num laser DFB no estritamente necessrio o uso de facetas refletoras na cavidade do laser, uma vez que a reflexo realizada ao longo de toda a cavidade, de modo distribudo, devido a uma variao peridica no ndice de refrao na regio ativa (Figura 1.10). [16] [18]

Figura 1.10 - Esquema simplificado das cavidades de lasers (a) Fabry-Perot. (b) DFB sem facetas refletoras. [16] [18]

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1.1.2.4.

Laser DBR

O Laser semicondutor DBR (Refletor de Bragg Distribudo) foi desenvolvido na dcada de 80, em paralelo com o laser DFB. Diferente do laser DFB, no DBR a variao do ndice de refrao, tambm chamada de Grades de Bragg, no so gravadas na regio ativa, e sim nas duas faces opostas da cavidade. Estes espelhos variam sua refletividade de acordo com o comprimento de onda da luz. A emisso laser ocorre no comprimento de onda para o qual a refletividade mxima para estes espelhos. Um problema do laser DBR que como estas grades de Bragg so gravadas em ambas as extremidades, as perdas pticas na regio interna do DBR so elevadas e a refletividade resultante pobre. O problema de perda no material pode ser resolvido atravs de um material para o refletor Bragg distribudo, que relativamente transparente no comprimento de onda do laser. Para lasers InGaAsP, o substrato de InP pode ser utilizado para este fim. No entanto, para este tipo de laser, o refletor de Bragg distribudo e a regio ativa formam duas guias de onda distintas e de transferncia do modo ptico entre elas. Inevitavelmente, so as perdas de acoplamento que reduzem a refletividade efetiva do DBR. [16] As caractersticas de emisso dos lasers DBR so semelhantes aos lasers DFB. No entanto, a corrente de limiar Ith no DBR geralmente elevada, pelas perdas de acoplamento. [16] [44]

1.1.2.5.

Comparao entre Fontes de luz

Diante deste estudo terico sobre fontes de luz possvel fazer uma breve comparao entre o LED e o Laser. Existem muitas alternativas que podem ser usadas para a emisso de luz. Inicialmente, a custo reduzido, considerou-se o uso de diodos emissores de luz (LED). Estes tm algumas vantagens, como sua durao ser mais longa e no necessitar de controle de temperatura. No entanto, o seu espectro de emisso espontnea amplificada (ASE) tem uma largura de aproximadamente 100 nm, o que dificulta o funcionamento monomodal, sendo por isso desaconselhado no contexto das comunicaes pticas. 25

O prximo passo na evoluo da fonte luminosa foi o uso do Laser que, ao invs de basearem o seu funcionamento em emisso espontnea usam a emisso estimulada. Na emisso estimulada, os ftons j existentes definem qual ser a frequncia dos novos ftons emitidos, tornando a fonte luminosa coerente. Entre os vrios lasers de semicondutor usados atualmente, um dos primeiros a ser utilizado foi o laser Fabry-Perot. Este laser representa um grande avano relativamente a um LED, mas ainda apresenta limitaes, nomeadamente pelo fato de permitir a coexistncia de vrios modos ressonantes na cavidade do laser, resultando um espectro multimodal. [16] Pelo desenvolvimento de novas tecnologias, surgiu o Laser de realimentao distribuda (DFB) e o Laser DBR, que com estas tecnologias, aps uma boa otimizao da estrutura, consegue-se um espectro bastante puro, no sentido em que praticamente monocromtico. [18] A largura de linha dos espectros eletromagnticos emitidos pelas fontes de luz pode ser entendida como a diferena entre as frequncias das suas extremidades de potncia quando o mesmo cai pela metade. A Figura 1.11 faz uma simples comparao entre as larguras de linha dos espectros das fontes de luz estudadas.

Figura 1.11 - Largura de linha dos Espectros. (a) LED. (b) Laser Fabry-Perot. (c) Laser DFB. [18]

26

1.1.3. Receptores pticos

Na sada de uma linha de transmisso ptica deve haver um dispositivo receptor, que interpreta a informao contida no sinal ptico. O primeiro elemento deste receptor um fotodetector.

1.1.3.1.

Fotodetectores

Fotodetectores so dispositivos cujo funcionamento est baseado na transduo de sinais pticos em sinais eltricos. Quando a radiao incide sobre um fotodetector, esta pode gerar tenso ou corrente eltrica no dispositivo, dependendo do circuito a ele acoplado. As magnitudes desses parmetros podem ser medidas e utilizadas para analisar a intensidade da radiao que o atinge. Como o sinal ptico muito fraco e distorcido, necessrio que o fotodetector apresente um elevado desempenho. Assim, deve possuir uma elevada velocidade de resposta e sensibilidade no comprimento de onda de emisso, introduzir o mnimo de rudo no sinal de sada e deve ter uma largura de banda suficientemente grande para poder suportar a quantidade de informao transmitida. O dispositivo deve ser tambm insensvel a variaes de temperatura e ser compatvel com as dimenses fsicas do canal de transmisso. [1] [22] Existem vrios tipos de fotodetectores, tais como os tubos fotomultiplicadores, fotodiodos de vcuo, detectores piezeltricos e os fotodiodos semicondutores. Estes ltimos so os detectores pticos utilizados em sistemas de fibras pticas, devido ao seu desempenho, por serem compatveis com as fibras pticas e por terem um custo baixo. Os mais utilizados so os GaAs (Arsenieto de Glio) e o InGaAs (Arsenieto de Glio e ndio). [20]

27

1.1.3.1.1. Fotodiodos Semicondutores

O fotodiodo um diodo de juno construdo de forma especial, de modo a possibilitar a utilizao da luz como fator determinante no controle da corrente eltrica. Seu funcionamento oposto ao funcionamento do LED. [23] Este, um dispositivo de juno pn semicondutora cuja regio de operao limitada pela regio de polarizao reversa e caracteriza-se por ser sensvel luz. A aplicao de luz juno resulta em uma transferncia de energia das ondas luminosas incidentes (na forma de ftons) para a estrutura atmica, resultando em um aumento do nmero de portadores minoritrios e um aumento do nvel da corrente reversa. A corrente de escuro a corrente que existir sem nenhuma iluminao aplicada. [1] [22] A corrente reversa e o fluxo luminoso variam quase que linearmente, ou seja, um aumento na intensidade luminosa resultar em um aumento semelhante na corrente reversa. Pode-se admitir que a corrente reversa seja essencialmente nula na ausncia de luz incidente. O nvel de corrente gerada pela luz incidente sobre um fotodiodo no suficiente para que ele possa ser usado em um controle direto, sendo necessrio para isto que haja um estgio de amplificao, como o caso dos fotodiodos de avalanche (APD). Entre os fotodiodos semicondutores destacam-se o fotodiodo PIN (P-dopado, Iintrnseco, N-dopado) e o fotodiodo de avalanche APD. Ambos os dispositivos geram os pares eltron-lacuna na regio de depleo, tendo o fotodiodo APD um ganho de corrente interno. [20]

1.1.3.1.1.1.

Fotodiodo PIN

O fotodetector de semicondutores mais comum o fotodiodo PIN. Sua estrutura consiste de uma regio tipo n ou p levemente dopada (regio intrnseca) entre as regies p e n normais (Figura 1.12), com nveis de dopagem relativamente elevados. Em operao normal uma tenso suficientemente grande de polarizao inversa aplicada em todo o dispositivo de modo que a regio intrnseca totalmente empobrecida de portadores. [22]

28

Figura 1.12 - (a) Esquema estrutural de um fotodiodo PIN. (b) Representao de um fotodiodo PIN com circuito externo. [1] [22]

Quando um fton incidente tem uma energia igual ou superior energia de banda proibida do material semicondutor, o fton pode liberar sua energia e excitar um eltron da banda de valncia para a banda de conduo. Este processo gera pares eltron-lacuna livres que so conhecidos como fotoportadores, pois eles so portadores de carga gerados por ftons, como mostra na Figura 1.13.

29

Figura 1.13 - Diagrama simples das bandas de energia de um fotodiodo PIN. Ftons com uma energia maior ou igual banda proibida podem gerar pares eltron-lacuna livres que agem como portadores de foto corrente. [1] [22]

O fotodetector normalmente concebido de modo que estes portadores so gerados principalmente na regio de depleo (regio intrnseca empobrecida), onde a maior parte da luz incidente absorvida. O grande campo eltrico presente na regio de depleo faz com que os fotoportadores gerados sejam rapidamente separados e coletados pelos terminais da juno inversamente polarizada. Isto d origem a um fluxo de corrente em um circuito externo, com um fluxo de eltrons para cada par de portadores gerado. Esta corrente conhecida como a fotocorrente. [1] [22] [23] A relao entre a corrente produzida no diodo PIN e a potncia de luz incidente chamado de Responsividade do fotodetector, e dada por:

(1.1)

30

1.1.3.1.1.2.

Fotodiodo de Avalanche - APD

Os fotodiodos APD so fotodiodos que combinam a deteco de sinais ticos com amplificao interna da fotocorrente. O ganho interno dado atravs da multiplicao por avalanche de portadores na regio da juno. Isto faz com que ele tenha maior responsividade do que os fotodiodos comuns.Os fotodiodos de avalanche so construdos de forma a terem uma regio com um

elevado campo eltrico que ir acelerar os fotoportadores at uma velocidade suficiente para que as colises entre os tomos produzam novos portadores (emisso secundria). Estas partculas criadas por ionizao so aceleradas pelo campo eltrico dando ento continuidade ao processo de avalanche. Assim, os APD multiplicam (amplificam) internamente a corrente foto detectada. [23] A construo de um APD difere da construo de um PIN devido existncia de um nvel adicional do tipo P, entre a regio intrnseca e a regio N, como nos mostra a Figura 1.14. Os pares eltrons-lacuna so gerados na regio intrnseca, no entanto, a multiplicao por avalanche ocorre na regio tipo P adicionada.

Figura 1.14 - Esquema estrutural de um fotodiodo APD. [22]

Para que exista multiplicao por avalanche o diodo tem de ser submetido a grandes campos eltricos, assim, os fotodiodos de avalanche utilizam tenses de polarizao inversa 31

da ordem das dezenas s centenas de Volts. A maioria dos sistemas de transmisso longa distncia e com elevada velocidade de transmisso utilizam APD na seo frontal do receptor. Portanto, o fotodiodo APD feito de forma que a juno fique localizada o mais prximo possvel da superfcie e tenta-se aumentar a largura da regio de depleo para melhorar a coletagem de cargas fotogeradas. Os fotodiodos do tipo PIN aumentam a largura da regio de depleo melhorando a eficincia. Alm disso, quando a tenso reversa suficientemente grande, h a emisso secundria de fotoeltrons produzindo um efeito de avalanche. [11]

1.1.4. Isoladores pticos

A emisso laser um processo muito delicado e pode ser facilmente interferido. Sua estabilizao em frequncia bastante perturbada pela realimentao de luz devido a reflexes parasitas nas superfcies dos elementos pticos ou se houver qualquer luz refletida dentro da fibra no sentido do laser. A desestabilizao causa a flutuao da potncia de sada do laser. Alm disso, como os sistemas de transmisso evoluram para altas taxas de bits necessrio um controle preciso dos comprimentos de onda dos transmissores. Para evitar este tipo de problema necessrio integrar ao sistema um isolador ptico que permite a passagem de luz em uma nica direo, bloqueando a luz no sentido inverso. [24] [25] Um isolador ptico constitudo de trs partes: um polarizador de entrada, um rotor de Faraday e um polarizador de sada. Estes polarizadores so uma juno de lentes e materiais birrefringentes com uma defasagem nos eixos. O polarizador de entrada tem um eixo de transmisso vertical e o polarizador de sada tem um eixo rotacionado 45 no sentido horrio da vertical. O rotor de Faraday gera um campo magntico paralelo a direo de propagao da luz que pode ser fornecido por um simples im. [25] Se a luz viaja pelo sentido de passagem do isolador, o polarizador de entrada polariza a luz verticalmente, ou seja, polariza o campo eltrico da luz no sentido vertical. Em seguida a luz passa pelo rotor de Faraday, com seu campo de propagao longitudinal campo magntico paralelo ao

, ento ocorre uma rotao na polarizao da luz de 45 no sentido

horrio. Assim, o polarizador de sada permitir que a luz passe para frente, pois a luz est com a mesma polarizao (Figura 1.15). [27] 32

Figura 1.15 - Esquema de um isolador ptico baseado no efeito Faraday. Transmisso de luz no sentido de passagem.

Quando a luz retorna na direo inversa do isolador, passa pelo polarizador de sada e depois pelo rotor de Faraday. O campo longitudinal enxerga o campo magntico gerado

pelo rotor de Faraday invertido. Ento a polarizao da luz rotacionada 45 no sentido antihorrio, ficando em polarizao horizontal. O polarizador de entrada ir eliminar o campo eltrico, pois seu eixo de transmisso est alinhado verticalmente, isto far o bloqueio da luz. [26] A isolao usualmente medida em dB, de acordo com a expresso: (1.2) Onde Iv e Ii so respectivamente as intensidades de luz que passam e que incidem sobre o diodo no sentido em que ele bloqueia. Assim, uma isolao de -40 dB significa que se incidirmos luz na direo reversa do diodo, apenas 0,01% desta luz passar por ele. [24]

33

1.1.5. Acopladores pticos Direcionais

Alm dos componentes pticos bsicos (laser, led, fibra e fotodetetor) j estudados, outros dispositivos esto sendo incorporados a sistemas de comunicaes pticas. o caso de divisores, acopladores WDM, amplificadores de fibras dopadas com rbio e filtros pticos. [32] Os divisores e acopladores pticos direcionais executam quase a mesma funo, cada um de acordo com a aplicao. O termo divisor (splitter) usado quando se quer separar um sinal ptico de entrada para duas ou mais fibras de sada. Na maioria dos casos, estes so projetados para dividir potncias iguais para duas fibras de sada (ou qualquer outro guia de onda). O tap o termo usado para divisores que direcionam a maior parte da potncia do sinal de entrada para uma das portas de sadas e somente uma pequena frao para a outra porta. Estes so amplamente utilizados para explorar uma pequena amostra do sinal e controlar o seu nvel de energia e comprimento de onda. Todos estes dispositivos possuem quatro portas, mas em muitas implementaes a quarta porta geralmente uma porta sem uso. [25] O acoplador direcional usado em aplicaes onde no necessrio usar todas as quatro portas. A estrutura deste dispositivo pode ser obtida por dois mtodos. Um deles mostrado na Figura 1.16, onde a construo do acoplador feita a partir da toro, aquecimento (fuso) e puxamento (ajuste da fora de acoplamento) de duas fibras monomodo que so acopladas sobre uma seo de comprimento uniforme. [25] [34]

Figura 1.16 - Ilustrao de um acoplador ptico de fibra fundida. [34]

34

As entradas e sadas de luz da fibra possuem uma longa seo nas quais as fibras so mais estreitas. Quando a luz passa atravs da regio estreita em direo regio de acoplamento, uma parte do campo eltrico da entrada 1 se propaga para fora da fibra 1 e acoplada na fibra 2. Uma poro irrelevante da potncia ptica de entrada refletida de volta para entrada. A potncia ptica acoplada de uma fibra para outra varia em funo do comprimento da regio de acoplamento, do tamanho da reduo do raio do ncleo da fibra na regio de acoplamento e da diferena entre os raios do ncleo das duas fibras na regio de acoplamento. [34] O outro mtodo envolve polimento da parte de fora do revestimento de duas fibras e, em seguida o posicionamento das fibras em uma cavidade de tal forma que seus ncleos so alinhados suficientemente perto para que a luz seja capaz de acoplar de uma fibra para outra (Figura 1.17). O grau de interao entre as duas fibras varia em funo do espaamento e do ndice de refrao entre elas. Por variao do espaamento ou do alinhamento dos ncleos das fibras pode-se ajustar a fora de acoplamento e, portanto, a razo de separao. H sempre uma perda de potncia ptica quando a luz passa por um acoplador.

Figura 1.17 - Ilustrao de um acoplador ptico baseado numa cavidade alinhada. [34]

Portanto, os acopladores pticos so dispositivos passivos que podem ser feitos com a fuso de duas ou mais fibras que permitem o desvio de potncia luminosa para uma derivao. Os acopladores de fibra fundida exibem um efeito de dependncia do comprimento de onda, de forma que possvel fabricar multiplexadores e demultiplexadores controlando o comprimento da fibra fundida. Esta tcnica usada na gerao de sistemas WDM, onde o 35

interesse simplesmente separar e juntar os sinais da primeira e segunda janela ou entre a segunda e terceira janela de transmisso. [34]

1.1.5.1.

Acoplador WDM

Os WDM so acopladores pticos com os quais se est usando as suas propriedades espectrais, segundo as quais a razo de acoplamento depende do comprimento de onda. Como se pode ver na Figura 1.18, a potncia correspondente a um modo de comprimento de onda igual a 980 nm est entrando em uma das portas e na outra porta est entrando um comprimento de onda de 1550 nm. [32]

Figura 1.18 - Resposta espectral de um acoplador WDM e sua representao fsica.

36

O fenmeno do acoplamento WDM depende da relao entre o comprimento do segmento de fibra fundida e o comprimento de onda, de forma que o projeto deste consiste em encontrar, para um par de comprimentos de onda (no caso 980 nm e 1550 nm), a distncia crtica que fornea o melhor filtro ou acoplamento possvel para aquele par de comprimentos de onda. [34]

1.1.6. EDFA - Amplificador a Fibra Dopada com rbio

No incio das comunicaes pticas, os sistemas utilizavam repetidores eletrnicos, que recuperavam, aps uma determinada distncia da fonte, a forma e a amplitude dos sinais transmitidos. Contudo, a complexidade dos circuitos opto-eletrnicos do repetidor, particularmente daqueles projetados para a recuperao de sinais pticos modulados digitalmente em altas taxas, faziam com que o custo final dos repetidores se tornasse muito alto, de forma a inviabilizar a transmisso de mais de um canal ptico (diferente comprimento de onda) por fibra. Com a melhoria dos processos de fabricao da fibra, que minimizaram a sua disperso intrnseca, e com, principalmente, o aparecimento dos amplificadores pticos a fibra dopada com rbio (EDFA Erbium Dopated Fiber Amplifier), a transmisso multicanal por uma nica fibra ptica tornou-se tcnica e economicamente vivel. Em vista disso, e com a baixa disperso, o processamento do sinal ficou resumido sua amplificao, que pode, agora, ser realizada totalmente no prprio domnio ptico, descartando-se a necessidade de repetidores regenerativos. [28] [29] Os EDFA's tm a capacidade de realizar a amplificao simultnea de vrios canais modulados ou chaveados com mnima interferncia entre eles, em uma ampla banda de comprimentos de onda em torno de 1.550 nm (cerca de 35 nm). Desta forma, na transmisso ptica multicanal, onde se adota a tecnologia de multiplexao por diviso em comprimento de onda (WDM), cada canal pode ser amplificado com o mnimo de intermodulao, e utilizar, potencialmente, a ampla banda de transmisso da fibra ptica. Esta prtica aumenta a capacidade efetiva de transmisso e diminui o custo por canal, em relao a sistemas com repetidores. [29]

37

O Amplificador a Fibra Dopada com rbio (EDFA) se firmou como um dispositivo utilizado na amplificao de uma portadora ptica se propagando ao longo de um sistema de comunicao de longa distncia e de alta taxa de informao. Como responsvel pela regenerao dos sinais de informao, opera compensando efeitos de atenuao a partir de mecanismos totalmente pticos e seu funcionamento baseia-se na emisso estimulada, que ocorre devido presena do rbio em sua forma inica (Er+3) na fibra ptica que compe o amplificador. [30] Para o funcionamento do EDFA so importantes: o laser de bombeamento, um acoplador WDM e a fibra dopada com rbio (FDE) com o comprimento timo disponvel. O laser de bombeamento fornece a energia necessria para a FDE amplificar o sinal de entrada. O acoplador WDM tem como funo acoplar a potncia de bombeamento e a de sinal FDE. O rbio presente na fibra o meio de ganho quando excitado pelos ftons de bombeamento. A emisso (estimulada) caracterstica do rbio responsvel pela recuperao da intensidade do sinal de informao. As caractersticas de funcionamento de um EDFA so interdependentes. Idealmente, o amplificador deve garantir o maior ganho possvel, para uma dada potncia de bombeamento disponvel, alm de produzir a maior potncia de saturao de sada, gerando o menor rudo possvel. As combinaes dessas caractersticas fornecem o desempenho do dispositivo. No processo de amplificao na FDE, os ftons do bombeamento fornecem a energia absorvida pelos ons de rbio, resultando em ftons emitidos na faixa de 1550 nm, de forma coerente com o sinal. No entanto, nem todos os ftons emitidos a partir do processo de amplificao pelo rbio se somaro ao sinal, uma parcela deles contribuir para a ASE (emisso espontnea amplificada), a principal fonte de rudo no amplificador. [30]

1.1.6.1.

Ganho do EDFA

O ganho de um EDFA uma consequncia direta de caractersticas como dopagem, comprimento da fibra dopada, potncia de entrada do sinal, potncia de bombeio e comprimento de onda do bombeio, entre outros. Na figura 1.19 mostra-se uma curva tpica do ganho do EDFA. [54]

38

Figura 1.19 Caracterstica espectral do ganho de um EDFA. [54]

1.1.6.2.

Configuraes de bombeio

Existem trs tipos de configuraes bsicas para bombeio em sistemas com EDFA. Cada uma das configuraes est diretamente relacionada ao posicionamento do bombeio na fibra e a relao entre o sentido de propagao do bombeio e do sinal.

1.1.6.2.1. Bombeio co-propagante

Esta configurao est representada na Figura 1.20 e consiste em posicionar o Laser de bombeio no incio da fibra para que o bombeio se propague no mesmo sentido do sinal. Sendo assim, uma boa parte do processo de amplificao ocorre no incio da fibra, uma vez que o bombeio apresenta maiores nveis de potncia em pontos mais prximos de onde o bombeio est localizado. [52] 39

Figura 1.20 - EDFA com configurao de bombeio co-propagante. [53]

A maior vantagem desta configurao que boa parte do rudo ASE gerada logo no incio da fibra e, dessa forma, esse rudo se propagar ao longo da fibra at a sada, juntamente com o sinal sofrendo atenuao e chegando ao receptor com valores de potncia bem reduzidos, garantindo assim um valor melhor para a OSNR (Optical Signal Noise Relation). [52] [53]

1.1.6.2.2. Bombeio contra-propagante

A configurao contra-propagante, conforme ilustra a Figura 1.21, consiste em posicionar o Laser de bombeio no final da fibra ptica, de forma que ele se propague no sentido contrrio ao do sinal. Nessa situao, a parte significativa do processo de amplificao do sinal ocorre no final da fibra, devido ao mesmo fato descrito para bombeios copropagantes em que a amplificao maior prximo aos lasers de bombeio. [52]

Figura 1.21 - EDFA com configurao de bombeio contra-propagante.

40

A maior vantagem desta configurao vem do fato de que nela o sinal no apresenta, em nenhum momento, valores muito elevados, j que na amplificao o sinal j est bastante atenuado, evitando assim efeitos no lineares indesejados. Contudo, maior potncia de bombeio na sada da fibra tambm implica em ter maior rudo ASE gerado prximo do receptor, o que faz com que os valores de OSNR sejam normalmente mais baixos. [52] [53]

1.1.6.2.3. Bombeio bi-direcional

A Figura 1.22 representa uma configurao de bombeio bi-direcional, que consiste em posicionar um Laser de bombeio no incio e outro no final da fibra, tendo assim bombeios se propagando em ambos os sentidos. Com isso, o sinal ser fortemente amplificado tanto no incio quanto no final da transmisso. [52]

Figura 1.22 - EDFA com configurao de bombeio bi-direcional.

Por apresentar lasers de bombeio tanto no incio quanto no final da fibra, esta configurao apresenta um bom OSNR, como o da configurao co-propagante e uma baixa suscetibilidade a efeitos no-lineares devido configurao contra-propagante. Tal compromisso realizvel atravs de escolhas da relao de potncia do bombeio no incio e no final da fibra. A desvantagem a de que necessrio o dobro de lasers, sendo assim, economicamente menos vivel. [52] [53]

41

1.1.7. Filtros pticos

Os filtros pticos so tipos de estruturas que possuem caractersticas especiais de reflexo e transmisso de luz, de tal forma que podem bloquear ou transmitir a luz em uma determinada frequncia, com mais ou menos intensidade. So largamente empregados em elementos dos mais simples, como os espelhos, at em equipamentos ptico-eletrnicos complexos, ou ainda em sensores. [39] [40]. Em sistemas WDM, os filtros pticos so dispositivos destinados a seleo de um dado canal ptico. Um filtro ptico pode se representado por uma caixa preta, conforme vemos na Figura 1.23. Ele possui em sua entrada um ou mais sinais de diferentes comprimentos de ondas, e tem na sua sada, devido ao processo seletivo, apenas o sinal no comprimento de onda desejado. Estes filtros so do tipo Passa-Faixa, pois filtram as frequncias, ou comprimentos de ondas, dos dois lados da frequncia central.

Figura 1.23 - Esquema bsico de um filtro ptico sintonizvel. [41]

Quando se analisa o desempenho de um filtro ptico, os seguintes requerimentos so levados em considerao: banda ptica passante, nmero mximo de canais sintonizveis, 42

perdas causadas por insero e diafonia, atenuao, tempo de acesso na sintonia do canal, controlabilidade do dispositivo, dependncia do dispositivo com a polarizao, tamanho, ambiente de operao do dispositivo e custos. A quantidade de canais sintonizveis o parmetro mais importante de um filtro ptico quando usado em sistemas WDM. Pode-se analisar este requerimento sob dois aspectos: primeiramente quanto faixa na qual o filtro ajustado e em segundo lugar quanto seletividade da resposta em frequncia quando o filtro ajustado. A faixa de operao ideal de um filtro ptico para atender as necessidades das redes WDM, deveria ser de 200 nm, correspondente a segunda e terceira janelas (1530 e 1550), onde se tem os mais baixos valores de atenuao das fibras pticas. Por sua vez a seletividade de resposta em frequncia nos determina qual deve ser o espaamento mnimo entre os canais, para que uma vez selecionado o canal, tenhamos as menores penalidades devido diafonia. Um filtro ptico deve ser estvel de tal modo que uma vez ajustada uma dada frequncia, fatores trmicos ou mecnicos no causem um desvio no seu ajuste maior que uma pequena frao da largura de faixa do canal. Tambm deve ser facilmente reajustvel para qualquer valor de frequncia, por isso a controlabilidade do filtro um fator importante. Para evitar o uso de complexos sistemas de controle de polarizao, um dos requerimentos dos filtros pticos que estes sejam insensveis a polarizao do sinal. De um modo geral os filtros pticos so classificados quanto a seus aspectos construtivos como: filtros interferomtricos de Fabry-Perot, filtros interferomtricos de MachZehnder, filtros acusto-pticos, filtros eletro-pticos, filtros ativos semicondutores DFB ou DRB, grades de difrao e filtros de mltiplas camadas interferentes. [42] Neste ltimo, foi dada uma maior nfase, pois o tipo de filtro que foi utilizado no decorrer deste trabalho.

1.1.7.1.

Filtros de Mltiplas Camadas Interferentes

Os filtros pticos de mltiplas camadas interferentes so dispositivos compostos por uma sequncia de camadas (tipicamente dieltricas) de espessuras diferentes depositadas sobre um substrato. Estas camadas possuem uma largura espectral estreita e transmitncia 43

elevada. Como normalmente essas espessuras so comparveis ao comprimento de onda da luz, estes tambm podem ser chamados de filtros de filmes finos [35] [36]. Os sistemas de mltiplas camadas so projetados para obter mxima transmitncia na faixa de passagem e mxima refletncia nas demais faixas do espectro, para tanto um monitoramento preciso da espessura ptica do filme realizado durante o processo de deposio das camadas. [37] Embora um filtro de filmes finos possa ser idealizado de forma que cada uma de suas camadas seja constituda por materiais arbitrrios, por razes prticas, frequentemente desejvel que sejam constitudos por apenas dois tipos de materiais de ndices de refrao diferentes e alternados. A escolha cuidadosa desses materiais, da quantidade de camadas e da espessura de cada uma delas, determina o comportamento do filtro em funo da frequncia, do ngulo de incidncia e do tipo de polarizao da luz. [38] Para os filtros ajustveis por posio, a espessura do filme continuamente variada atravs da abertura do filtro. Isto obtido pela deposio dos filmes em um substrato rotativo (disco) com as fontes de evaporao apropriadamente dispostas relativas ao eixo de rotao. Em um material dieltrico o ndice de refrao funo do comprimento de onda, portanto, esse filtro possui internamente um disco que tem ndice de refrao diferente em cada ponto (variao angular). Ao posicionar esse filtro entre duas extremidades de fibras ele deixar, ou no, a luz passar de uma fibra para outra. Se estiver posicionado em um ponto onde ele transparente para tal comprimento de onda, ele o deixar passar, se porventura estiver posicionado em um ponto cujo ndice de refrao no est coerentemente alinhado, ele desviar a luz para um ponto fora da fibra, ou at mesmo bloquear a passagem desse comprimento de onda especfico. Portanto, filtros pticos de mltiplas camadas interferentes funcionam com base em um prisma ou disco, de ndice de refrao varivel.

44

2.

Sistema Desenvolvido

Neste captulo detalha-se o sistema que foi desenvolvido e as especificaes dos componentes.

2.1.

Analisador de Espectro ptico Microcontrolado

O analisador de espectro ptico uma ferramenta de teste e medio. Este instrumento mede a potncia ptica em vrios comprimentos de onda. Dessa forma, pode-se avaliar o comportamento de certo dispositivo ptico em toda a faixa do espectro emitido, ou nas imediaes de um determinado comprimento de onda. Para tanto, este instrumento separa o espectro do sinal recebido em pequenas janelas de medio, atravs de uma tcnica de multiplexao por diviso de espectro. [14] O componente ptico analisado neste sistema um Laser de sinal com comprimento de onda centrado em 1550 nm. O sinal ptico emitido por este Laser amplificado por um EDFA. Para ocorrer a amplificao deste sinal, usado um laser de bombeio com comprimento de onda de 980 nm. Estes sinais so acoplados por um WDM. A configurao de bombeio utilizada a co-propagante, pois com esta configurao obtem-se no final da fibra um rudo ASE reduzido e tambm uma boa relao OSNR (Relao Sinal Rudo ptico). Depois de amplificado, o sinal de 1550 nm passa por um isolador para evitar realimentaes reflexivas, e depois filtrado por um filtro ptico sintonizvel mecanicamente. Para o controle mecnico da banda passante do filtro, utilizado um motor de passo. Um microcontrolador faz o controle do motor de passo e da aquisio do sinal recebido pelo fotodetector, e com este sinal recebido feita uma converso A/D para depois enviar para o software, via conversor paralelo/USB. O software recebe o sinal, pela porta USB do PC (Personal Computer), e plota um grfico de Potncia (dBm) x Comprimento de onda (nm) e assim possvel analisar o comportamento do Laser de sinal na faixa de espectro emitido. Na Figura 2.1 mostrado um diagrama de blocos do sistema.

45

Figura 2.1 - Diagrama de blocos do sistema.

O sistema desenvolvido consiste de um conjunto de componentes pticos e seus respectivos controles eletrnicos que sero descritos nos itens seguintes.

2.1.2. Laser de Sinal

Sistemas CWDM so sistemas WDM espaados. A banda de operao para estes sistemas est entre 1270 e 1610 nm, com espaamento entre canais de 20 nm. O amplo espaamento entre canais permite reduo nos custos atravs do uso de dispositivos com maiores tolerncias. o caso dos lasers DFB no refrigerados (sem dissipador de Peltier), que operam com modulao direta e potncia tpica entre 0 a 3 dBm. Alm disso, apresentam

46

deslocamento trmico de aproximadamente 90 pm/C, resultando em uma variao de mais ou menos 3 nm em relao ao comprimento de onda central. [43] O laser de sinal utilizado um mdulo laser DFB coaxial projetado para transmisses digitais de at 2,5 Gbps. O mdulo tem uma estrutura coaxial com uma fibra monomodo em um pigtail (Figura 2.2), e contm um diodo laser DFB, um fotodiodo monitor de potncia e um isolador ptico interno.

Figura 2.2 - Laser de sinal utilizado no sistema. [45]

Este laser da marca Fitel e tem nomeao FOL15Q5MWIB-OH2-S7, que no seu datasheet pode ser melhor entendida [45]. Seu pico do comprimento de onda situa-se em torno de 1550 nm, e neste comprimento que ser feita toda a anlise do espectro. Sua corrente de limiar Ith est em torno 8 a 15 mA em operao contnua. Quando estiver numa sobre-temperatura, esta corrente de limiar pode aumentar para 50 mA. Tambm, pode-se destacar que este laser possui tenso e corrente de alimentao baixa, respectivamente em torno de 1,1 V e 90 mA e sua largura espectral mxima, segundo datasheet, est em torno de 1 nm, considerando que esta largura pode variar de acordo com as taxas de transmisses e a vida til do Laser. Sua potncia de sada ptica est em torno de 2 mW, ou seja, 3 dBm. [45] O fotodiodo monitor de potncia serve para monitorao da emisso laser interna, podendo assim ser feito um controle da alimentao do laser por uma amostragem da emisso.

47

2.1.2.1.

Controle de Corrente

O controle de corrente dos lasers foi feito por uma simples fonte de corrente controlada por tenso, por isso no foi utilizado o fotodiodo monitor. Isto torna o controle da alimentao mais simples, j que o objetivo do projeto a anlise espectral dos componentes pticos. A Figura 2.3 ilustra o circuito de controle da corrente do laser de sinal. Para a entrada positiva do ampop comparador feito um divisor de tenso. Como em um ampop ideal, as duas entradas tendem a terem tenses iguais, a entrada inversora ficar com a mesma tenso do dividor. Esta tenso na entrada inversora estar sobre os resistores R2 e R3, ento, a corrente que circula no laser de sinal encontrada pela diviso desta tenso pelos resistores R2 mais R3.

Figura 2.3 - Circuito de controle de corrente e tenso do laser de sinal.

Inicialmente o rel RL2 estar aberto (laser de sinal desligado), quando o pino RELE_LASER_SINAL do microcontrolador for setado, o rel ser fechado e ir circular corrente pelo laser. 48

2.1.2. Laser de Bombeio

O laser de bombeio de extrema importncia para o sistema, pois ele quem faz o bombeio para o sinal ser amplificado no EDFA. De acordo com a fundamentao terica do EDFA, este laser faz um bombeio em um comprimento de onda e o EDFA emitir radiao em outro. O laser utilizado (EM4 P219-400-976A [46]) um mdulo de bombeio que possui um laser de fibra do tipo DBR, um cooler termoeltrico integrado (dissipador de Peltier), termistor e fotodiodo monitor. Sua potncia de sada ptica de 400 mW (26 dBm) e seu comprimento de onda de bombeio de 980 nm. Sua corrente de limiar Ith est em torno de 55 mA. Ao contrrio do laser de sinal, o laser de bombeio necessita de uma corrente de alimentao alta, prxima de 750 mA. [46] O mdulo utiliza suas grades de Bragg de estabilizao para "travar" o comprimento de onda de emisso. Ele fornece um espectro de banda estreita, sem rudo, mesmo sob mudanas de temperatura e realimentao ptica. Na Figura 2.4a pode ser visualizada a estrutura deste laser, na Figura 2.4b esto nomeadas algumas entradas e sadas dos componentes internos. O dissipador termoeltrico controlado por um circuito externo.

Figura 2.4 - Mdulo Laser de Bombeio utilizado no sistema. (a) Encapsulamento. (b) Estrutura interna. [46]

49

2.1.2.1.

Controle de Corrente

A Figura 2.5 ilustra o circuito de controle da corrente do laser de bombeio. O circuito funciona da mesma forma que o controle de corrente do laser de sinal, apenas o pino de acionamento do rel outro.

Figura 2.5 - Controle de corrente do laser de bombeio.

Inicialmente o rel RL1 estar aberto (laser de bombeio desligado), quando o pino RELE_LASER_BOMBEIO do microcontrolador for setado, o rel ser fechado e ir circular corrente pelo laser.

2.1.2.2.

Controle de Temperatura

A alta potncia emitida pelo laser de bombeio gera variao de temperatura significativa, ento, so necessrios meios de dissipao para este calor. Para isso, este mdulo laser possui internamente um dissipador de Peltier que faz o sistema de refrigerao. 50

Quando o mdulo comea a gerar a emisso laser, ele tende a esquentar, por isso o dissipador termoeltrico necessita de uma alta corrente para esfri-lo. Na Figura 2.6 pode ser visualizado o circuito de controle de temperatura.

Amplificador Proporcional Integral

Buffer

Amplificador Diferencial

Figura 2.6 - Circuito de controle de temperatura do mdulo laser de bombeio.

O controle de temperatura composto por um buffer, um amplificador proporcional integral e um amplificador diferencial. O buffer tem a funo isolar e conectar a sada do termistor NTC com a entrada do amplificador proporcional integral. O amplificador proporcional integral faz um set point de tenso (referncia) em 25 C e tambm operar como subtrator dos desvios ou sinais de baixas frequncias da entrada inversora do ampop. O amplificador diferencial tem a funo de comparar a tenso correspondente aos 25 C do set

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point mais os desvios de temperatura, se houverem, com a tenso dada pela corrente que circula no Peltier. Quando o laser est em temperatura normal (prximo aos 25C), o amplificador proporcional integral no tem sua sada alterada, pois sua entrada inversora est com variao de tenso muito baixa, ento o amplificador diferencial satura negativamente. Como a alimentao de 0 V a VCC, a sua sada satura em baixa tenso, aproximadamente 1,5 V devido a sua queda interna de tenso, fazendo com que o transistor fornea pouca corrente para o Peltier. Quando o laser tem um aumento de temperatura, a entrada inversora do amplificador proporcional integral tem uma considervel variao. Desta maneira a tenso na entrada no inversora do amplificador diferencial fica maior que a inversora, saturando-se positivamente (VCC) e fazendo com que o transistor (TIP122) fornea uma alta corrente para o Peltier. Este transistor puxar corrente para a entrada positiva do dissipador, fazendo com que haja uma diminuio da temperatura do lado frio do dissipador, resultando em uma absoro do calor emitido pelo laser. Este calor ser transferido para o lado quente do Peltier e o dissipador secundrio (externo) se encarregar de dissipar esta energia trmica. Tambm importante destacar que este circuito tambm funciona como uma fonte de corrente controlada por tenso, onde a corrente mxima dada por:

(2.1)

2.1.3. Acoplador

O acoplador utilizado um WDM (multiplexao por diviso de comprimento de onda) da marca AC Photonics.Inc.. Sua funo acoplar o sinal do laser de bombeio com o laser analisado e mandar para o EDFA.

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2.1.4. EDFA

O amplificador a fibra dopada com rbio (EDFA) faz a amplificao do sinal em 1550 nm pelo bombeio do laser de 980 nm.

2.1.5. Isolador

O isolador ptico utilizado no sistema baseado no efeito Faraday. E ele impede realimentaes para o EDFA e para os lasers.

2.1.6. Filtros pticos

Devido dificuldade e ao alto custo de se obter um filtro sintonizvel eletricamente, o filtro utilizado no sistema sintonizvel mecanicamente. Este filtro permite que uma janela de comprimento de onda em torno de 0,5 nm seja passante por sintonizao. Esta janela depende da posio do disco interno de ndice de refrao varivel, dado pela posio do motor de passo. O filtro tem uma faixa de operao de 31 nm, que situa-se entre 1530 nm at 1561 nm, e dentro desta faixa que o laser de sinal far a emisso para ser analisado. O controle da sintonizao foi feita por um motor de passo de quatro bobinas excitadas por 6 V e 200 mA. Na Figura 2.7 pode ser visto o acoplamento do motor de passo com o filtro ptico via eixo mecnico e alguns ajustes manuais de posicionamento. O desenho deste eixo, em AutoCAD, pode ser encontrado no ANEXO A.

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Figura 2.7 - Acoplamento do motor de passo ao filtro ptico sintonizvel.

O controle do motor de passo foi feito por um microcontrolador e um driver de corrente que sero especificados nos prximos itens.

2.1.7. Controle do Motor de Passo

O controle do motor foi feito pelo firmware do microcontrolador. Como as portas de sada do PIC16F877A no tm corrente suficiente para alimentar as bobinas do motor, foi utilizado o driver de corrente ULN2803A. Na Figura 2.8 est representado o controle do motor de passo via driver de corrente e microcontrolador.

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Figura 2.8 - Acoplamento do motor de passo ao filtro ptico sintonizvel. [51]

Como pode ser visto, os pinos do microcontrolador esto controlando o acionamento das bobinas e o driver de corrente est disponibilizando a corrente necessria para haver o passo.

2.1.8. Fotodetector

O fotodetector utilizado no sistema um fotodiodo PIN de InGaAs (Arsenieto de Glio e ndio). Algumas caractersticas so: Detecta comprimentos de onda entre: 1000 nm a 1650 nm; Mxima potncia de entrada ptica: 10 dBm; Tenso de funcionamento tpica: -5 V;

Na Figura 2.9a pode ser visualizada a curva de responsividade pelo comprimento de onda e a curva da corrente foto detectada pela potncia ptica de entrada (Figura 2.9b).

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Figura 2.9 - Curvas de resposta do fotofiodo PIN InGaAs. (a) Responsividade por comprimento de onda. (b) Corrente fotodetectada por potncia ptica de entrada. [49]

Pode ser visualizada na Figura 2.9a, que na faixa em que o laser de sinal analisado (1530 a 1561 nm), o fotodiodo apresenta uma boa responsividade. Para seu funcionamento este fotodetector necessita de um condicionamento de sinal, como pode ser percebido na Figura 2.10.

Figura 2.10 - Circuito de condicionamento do Fotodiodo utilizado.

Este circuito de condicionamento funciona como um conversor de corrente para tenso. O trimpot Rx ajustado para a tenso de sada ficar entre a faixa de referncia

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desejada. O sinal condicionado enviado para o microcontrolador fazer uma converso A/D, para ento enviar os dados ao PC. A equao da converso dada por:

(2.2)

2.1.8.1.

Curva de resposta dBm x V do fotodetector

No software h a necessidade de saber a relao entre a potncia ptica e a tenso dada pelo fotodetector. A soluo foi levantar uma curva de potncia (dBm) por tenso (V) para ento, tirar a equao desta curva e usar no software. Esta curva pode ser visualizada na Figura 2.11.

Figura 2.11 Curva de potncia por tenso do fotodiodo.

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Com auxlio do software Origin Pro 8, foi plotada a curva acima. Os pontos em azul representam a relao entre potncia e tenso da resposta do fotodetector. Atravs de testes no prprio programa foi encontrada a equao de tendncia (2.3) que gera a melhor aproximao da curva de resposta do fotodetector (em vermelho). (2.3) Para maior compreenso, um exemplo: Quando o fotodetector estiver liberando na sua sada 4,5 Volts: (2.4) (2.5) Este valor de 4,5 V de sada do fotodetector representa 5,86 dBm de entrada.

2.1.9. Microcontrolador

O microcontrolador utilizado no sistema o PIC16F877A. Sua escolha devido ampla quantidade de perifricos internos. Algumas caractersticas teis podem ser citadas abaixo: 7 entradas analgicas; Possui hardware interno para converso A/D (necessrio para o fotodetector); 33 pinos (5 portas) de entrada e sada configurveis (uma porta necessria para converso USB, outra para controle das bobinas do motor de passo e tambm possibilidade de integrar ao sistema um Display LCD); Possui hardware interno de comunicao USART. [47] A disponibilidade do componente e o fato da utilizao do mesmo microcontrolador em outros projetos e em sala de aula, facilitou o desenvolvimento deste trabalho. A frequncia de oscilao do microcontrolador escolhida para o trabalho de 4 MHz. 58

Na Figura 2.12 mostrado o diagrama de pinos do microcontrolador, bem como a funo de cada um.

Figura 2.12 - Diagrama de pinos do PIC16F877A. [47]

Para fazer a comunicao com o PC foi usado um conversor paralelo/USB, j que a interface USB tornou-se mais usual que a serial e paralela. Estas j esto extintas em notebooks.

2.1.10. Conversor USB

Como meio de comunicao entre o hardware e software utilizado o protocolo USB. Para isto existem duas solues: uma consiste em utilizar um microcontrolador com interface direta USB (exemplo PIC18F2550 da Microchip) e a outra a utilizao de um mdulo conversor USB (exemplo FT245BL da FTDI). A primeira opo tem a necessidade de criao dos drivers necessrios para comunicao com o PC. A segunda opo, por sua vez, tem uma abordagem mais simples, na qual um CI dedicado comunicao responsvel pela troca de dados e o prprio fabricante disponibiliza os drivers necessrios para a comunicao. [48]

59

Duas opes de conversores da FTDI (Future Technology Device Intl.) foram consideradas: o mdulo conversor FT232 e o FT245. A principal diferena entre os mdulos o fato do mdulo FT232 receber os dados via comunicao serial (USART) e o outro mdulo, por sua vez, recebe os dados por um barramento paralelo de 8 bits. Ambos possuem os mesmos drivers de instalao, mas como o FT245 possui envio de dados paralelos sua velocidade de transmisso superior. [12] [48] Para este projeto foi utilizado o conversor paralelo/USB FT245BL. Este conversor implementa um buffer FIFO (First In, First Out, primeiro a entrar, primeiro a sair) de leitura e escrita atravs de uma porta bidirecional de 8 bits. A escolha deste dispositivo no requer a utilizao de memrias para armazenamento dos dados a serem enviados para o PC, uma vez que este CI possui um buffer FIFO de transmisso de 384 bytes e um buffer FIFO de recepo de 128 bytes. [50] No datasheet [50] disponibilizado pelo fabricante h algumas configuraes de alimentao para este conversor. A que melhor se encaixa neste projeto a configurao de alimentao externa, pois j existe a necessidade de uma fonte de alimentao dos lasers e controle de temperatura. Na Figura 2.13, mostrado um esquema eltrico desta configurao.

Figura 2.13 - Circuito eltrico da alimentao e comunicao do FT245BL. [50]

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O controle da leitura e escrita no FT245BL feita pelo pinos WR e RD com seus respectivos flags TXE e RXF. O ciclo de leitura realizado quando dados so enviados do microcomputador. A recepo destes dados s pode ser feita quando o bit de controle RXF=0, o que indica que o buffer de recepo tem dados para serem lidos no FIFO de recepo. Para leitura deste dado necessrio um pulso de descida (nvel lgico alto para nvel lgico baixo) no bit de controle RD, ficando os 8 bits de dados disponveis no barramento em D0...D7. [50] O ciclo de escrita realizado quando se quer enviar dados ao microcomputador. O envio dos dados s pode ser feito se o bit de controle TXE=0, o que indica que o buffer de transmisso no est cheio. Para os dados serem enviados, aps coloc-los no barramento D0...D7, basta um pulso de subida (nvel lgico baixo para nvel lgico alto) no bit de controle WR, fazendo com que este dado fique guardado no buffer de transmisso do FT245BL. [50]

2.1.11. Fonte de alimentao

Como fonte de alimentao do projeto, foram analisadas trs solues: projetar e construir uma fonte linear, uma fonte chaveada ou usar uma fonte chaveada pronta de computador. Considerando que os lasers e o dissipador de Peltier necessitam de bastante corrente, a construo de uma fonte linear se torna invivel, pois o transformador necessrio seria de no mnimo 5 Ampres. Como este transformador seria um tanto grande, encareceria muito a simples construo dessa fonte. Para se projetar e implementar uma fonte chaveada seria necessrio um estudo sobre a mesma, o que atrasaria muito o projeto e poderia causar a perda do escopo, que a anlise espectral dos componentes pticos. A soluo para isto o uso de uma fonte chaveada de computador. Esta que j disponibiliza tenses reguladas, 5 V, 12 V, 3,3 V, -5 V, -12 V, com uma alta corrente, podendo chegar at 18 Amperes para tenso de 5 V. E tambm por ter um tamanho consideravelmente adequado comparado ao projeto. Para alimentar os lasers, uma regulao destas tenses ainda ser necessria, pois suas tenses variam de 1,1 V a 2,5 V. O esquema eltrico geral pode ser encontrado no ANEXO E no final deste trabalho. 61

3.

Programao do Firmware e do Software

Para o controle do Analisador de Espectro ptico Microcontrolado foram desenvolvidas programaes do firmware do microcontrolador e do software do aplicativo OSA.

3.1.

Desenvolvimento do Firmware

O desenvolvimento do firmware do microcontrolador foi realizado no compilador PCW da CCS Incorporation. Neste firmware foi programado o controle de acionamento das bobinas do motor de passo para ajustar a posio do filtro ptico. Tambm foi programada a converso A/D do sinal recebido pelo fotodetector e a comunicao com o conversor paralelo/USB. Na figura 3.1 apresentado um diagrama de blocos do firmware do microcontrolador PIC16F877A. Os processos de cada bloco so descritos no item 3.1.1. No ANEXO F encontrada a programao comentada do firmware.

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Figura 3.1 - Diagrama de blocos do firmware.

3.1.1. Descrio do Firmware

Como representado no diagrama de blocos da Figura 3.1, o programa tem uma sequncia de processos necessrios para a correta comunicao com o software. Abaixo so descritos os processos de cada bloco:

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Incio: este bloco constitudo de todas as declaraes de bibliotecas, variveis e prototipagem de funes; Configuraes: aps o incio da programao so configurados os TRIS das portas do microcontrolador juntamente com os registradores da converso A/D e da interrupo externa. O pino da interrupo externa est fisicamente ligado ao pino de recepo do conversor paralelo/USB (RXF), sendo que cada interrupo corresponde a um dado recebido; Seleo de Componentes: estando todas as portas devidamente configuradas o programa aguarda a primeira interrupo. A interrupo externa tem a funo de copiar para um vetor o que for lido pela PORTD do microcontrolador. Este primeiro valor recebido quem define se a anlise ser feita com o laser de sinal e de bombeio ou apenas com o laser de sinal; Liberao da Anlise: na sequncia transmitido um sinal de desbloqueio para o software iniciar a anlise. Ligando-se o laser de sinal, o programa aguarda uma nova interrupo, esta que ir liberar a primeira converso A/D e a transmisso do primeiro dado da anlise. Este dado ser armazenado no software como o valor central da anlise, situado em 1550 nm; Anlise de 1550 a 1530 nm: transmitido o primeiro dado, o programa entra num lao que impe vinte vezes uma sequncia de ajustes e transmisses. O ajuste feito chamando a funo de ajuste do motor de passo no sentido horrio. Esta funo ir girar uma quantidade de passos fazendo com que a janela passante do filtro ptico seja deslocada. Os passos do motor seguem a sequncia de um vetor, cada posio deste vetor aloca um acionamento diferente das bobinas fazendo com que o motor tenha um acionamento de meio passo. Aps o ajuste do motor, o programa aguarda uma nova interrupo externa, esta indica que o software est pronto para receber os dados. Terminando a sequncia feita a converso A/D e o envio dos dados para o software; Centraliza Anlise: aps o termino da anlise para um dos lados da frequncia central do filtro, chamada a funo que centraliza o motor no sentido antihorrio.

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Anlise de 1550 a 1561 nm: novamente o programa entra num lao para fazer a anlise do outro lado da banda do filtro ptico. Esta etapa chama a funo de ajuste do motor no sentido antihorrio e tambm a funo da converso A/D e de transmisso dos dados. Centraliza Anlise: feita a anlise, os lasers so desligados e a funo que centraliza o motor no sentido horrio chamada. Chegando ao final da sequncia de processos, o programa direciona para o incio, assim o firmware entra num lao infinito, este necessrio para que possam ser feitas diversas anlises sem a necessidade da reinicializao do microcontrolador. Para o correto funcionamento do projeto, as programaes do software e do firmware devem estar casadas, considerando que ocorre um processo de transmisso e recepo de dados.

3.2.

Desenvolvimento do Software

O aplicativo tem a funo de controlar a seleo dos componentes e o incio da anlise. Seu resultado final um grfico de potncia por comprimento de onda obtido pela emisso laser dos componentes pticos. O software em questo foi desenvolvido em linguagem de programao C++ em um ambiente chamado Borland C++ Builder 6, que uma ferramenta de programao orientada a objetos. A tela principal do software pode ser vista na Figura 3.2. Neste aplicativo possvel reconhecer e remover o dispositivo USB tal como verificar algumas instrues do software que indicam a sequncia correta de execuo e algumas instrues do hardware dentre outras descritas no item 3.2.1. No ANEXO G encontrada a programao comentada do aplicativo.

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Figura 3.2 Layout do aplicativo OSAu.exe.

3.2.1. Descrio do Software

Como mostrado na Figura 3.2, a tela de controle do aplicativo dispe de algumas funes de controle e outras de visualizao. Na tela principal temos: OSA Analisador de Espectro ptico Microcontrolado: este componente do aplicativo foi desenvolvido com a ferramenta PlotLab instalada dentro do Builder C+ +. Ela disponibiliza ao usurio o grfico da anlise espectral aps o trmino da mesma. Reconhecer Dispositivo: boto que inicia a comunicao USB com dispositivo FT245BL usando algumas built ins da biblioteca ftd2xx.h: FT_Open( ): Funo que abre a porta de comunicao USB. FT_Reset( ): Funo de reset necessria para a correta inicializao do conversor paralelo/USB. 66

FT_Purge( ): Funo que limpa os buffers de recepo e transmisso do conversor. Remover Dispositivo: boto que finaliza a comunicao USB com o dispositivo FT245BL usando algumas built ins da biblioteca ftd2xx.h: FT_Purge( ): Funo que limpa os buffers de recepo e transmisso do conversor. FT_Close( ): Funo que fecha a porta de comunicao USB. Seleo de componentes: disponibiliza a opo de seleo do laser de bombeio quando for feita uma anlise com EDFA; Iniciar Anlise: boto que inicia a anlise aps o reconhecimento do dispositivo e a seleo dos componentes; Nova Anlise: boto que limpa a tela do grfico para uma nova anlise; Arquivo: nesta opo do menu est disponibilizado a opo Sair, a qual fecha o software e tem como atalho a tecla Esc; Instrues do Software: nesta opo do menu citada uma lista de passos para a correta inicializao do aplicativo; Instrues do Hardware: nesta opo do menu so disponibilizados dois esquemas de ligaes dos componentes pticos, um para anlise com EDFA e outro sem EDFA; Sobre: nesta opo do menu mostrada uma janela com algumas informaes do aplicativo e do projetista;

3.1.2. Instrues de utilizao do aplicativo

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Para o correto funcionamento do aplicativo devem ser seguidos alguns passos de inicializao. A sequncia destes passos de extrema importncia para no ocorrerem erros na comunicao com o hardware. 1. Inicialmente, deve-se instalar o driver do circuito integrado FT245BL utilizado para converso de dados paralelos/USB. Este driver disponibilizado no site do fabricante do mesmo como D2XX driver, sendo que a verso do driver deve ser compatvel com o sistema operacional Windows 7 x64; 2. Aps instalado o driver, o usurio deve executar o instalador do aplicativo chamado Software OSA Setup.exe. Aps instalado, deve-se executar o programa OSAu.exe e conectar o cabo de comunicao USB. Estando o cabo conectado, deve-se ligar a chave ON/OFF do hardware e clicar no boto Reconhecer Dispositivo para inicializar a comunicao, caso contrrio, o aplicativo no funcionar corretamente. Se a mensagem recebida ao clicar neste boto for ERRO! Dispositivo USB no conectado, o usurio deve desligar o hardware, desconectar e conectar novamente o cabo USB e ligar a chave ON/OFF do hardware. Se a mensagem recebida for Dispositivo USB conectado, o usurio poder selecionar os componentes da anlise. 3. Para uma anlise com EDFA, o usurio deve selecionar a opo Laser de Bombeio. Aps a seleo dos componentes, deve-se clicar no boto Iniciar Anlise para o software comear a enviar sinais para que microcontrolador faa os ajustes e converses necessrias. 4. Na sequncia, o usurio deve aguardar o trmino da anlise para poder visualizar o grfico. Quando visualizado, possvel salvar a imagem ou imprimi-la nos botes do componente de interface visual do OSA. 5. Para uma nova anlise basta clicar no boto Nova Anlise que o aplicativo ir limpar a tela do grfico e iniciar a nova anlise. Observaes: 68

Aps a instalao do driver D2XX e programado a primeira funo desta interface, foi encontrado um problema de extenso de arquivo. Para corrigir este problema foram realizados alguns procedimentos descritos nos itens abaixo: Criar uma nova pasta em um lugar qualquer do disco C; Copiar para a pasta o arquivo executvel coff2omf.exe encontrado na raiz de instalao do Borland Builder: C:\ProgramFiles(x86)\Borland\CBuilder6\Bin; Copiar tambm para esta pasta o arquivo ftd2xx.lib encontrado na pasta de driver do FT245BL; Em seguida Iniciar->Executar: cmd.exe No prompt de comando entrar na pasta criada com os arquivos e executar o aplicativo coff2omf.exe digitando: coff2omf.exe ftd2xx.lib new.lib; Em seguida o novo arquivo new.lib deve ser renomeado como ftd2xx.lib; Aps estes passos deve-se copiar outro arquivo da raiz do Borland Builder chamado implib.ex