COMUNICAÇÕES ÓPTICAS

Princípio de um sistema de comunicações óptica

• Transmitir uma sinal através de uma fibra óptica para um receptor remoto. O sinal elétrico é convertido para o domínio óptico no transmissor e é convertido de volta para o sinal original ao receptor• Comunicação de fibra óptica tem várias vantagens sobre outros de transmissão, tais como cobre e comunicação a rádio

• São eles: atenuação, largura de banda e dispersão.

• Atenuação: como o sinal de luz percorre a fibra, perderá óptica devido a absorção, scatterring e outros, perdas de radiação. Em algum momento, o nível de potência pode tornar-se demasiado fraco para o receptor distinguir o sinal óptico anda o ruído de fundo

Há três principais fatores que podem afetar a transmissão de luz em um sistema de comunicações ópticas.

• Largura de banda: Uma vez que o sinal de luz é composta por diferentes frequências, a fibra vai limitar as frequências mais altas e menor e limita a capacidade de transporte de informações.

• Dispersão: como o sinal de luz percorre a fibra, os pulsos de luz vão espalhar ou ampliar e vai limitar a capacidade de carga de informações no bit muito alto ou de transmissão muito longas distâncias

Composição da Fibra Óptica• Uma fibra óptica é composta de uma haste

de vidro muito fino, que está rodeada de um revestimento protetor plástico. A vareta de vidro contém duas partes, a parte interna da haste (ou núcleo) e o circundante camada (ou revestimento). Luz, que é injetado no núcleo da fibra de vidro, seguirá o caminho físico do que fibra devido a reflexão interna total da luz entre o núcleo e o revestimento.

Princípios de Transmissão• Raios de luz entram na fibra em ângulos

diferentes e não seguem os mesmos caminhos. Raios de luz entram no centro do núcleo de fibra em um ângulo muito baixo terá um caminho relativamente direto através do centro da fibra. Raios de luz entram no núcleo da fibra em um ângulo de incidência elevado ou perto da borda externa do núcleo da fibra terão um caminho menos direto, através da fibra e irão percorrer a fibra mais lentamente.

• Cada caminho, resultantes de um determinado ângulo de incidência anda em um ponto determinado, e dará origem a um modo.

• Os modos que viajam ao longo da fibra, cada uma delas é atenuada em algum grau.

Velocidade• A velocidade em que a luz viaja através de

um meio de transmissão é determinado pelo índice de refração do meio de transmissão.

• O índice de refração (n) é um número sem unidade, que representa o razão entre a velocidade da luz no vácuo, para a velocidade da luz no meio de transmissão.

• N = c/v, onde n é o índice de refração do meio de transmissão, c é a velocidade da luz no vácuo ( c= 2.99792458x 108)

• Como regra geral, quanto maior o índice de refração, mais lento será velocidade do meio de transmissão.

Largura de Banda• Largura de banda é definida como a largura da

faixa de frequência que pode ser transmitido através de uma fibra óptica. A largura de banda determina a capacidade máxima de informação transmitida de um canal, o qual pode ser realizada ao longo da fibra ao longo de uma determinada distância. Largura de banda é expressa em MHz

• Larguras de banda típicas para diferentes tipos de fibra.

Tipos de Fibra• A fibra é classificada em diferentes tipos

(multímodo ou monomodo) com base na maneira em que a luz viaja através do mesmo. A fibra tipo está intimamente relacionada com o diâmetro do núcleo e de revestimento

Fibra Multímodo• A fibra multímodo, devido ao seu grande

núcleo, permite a transmissão de luz usando caminhos diferentes (vários modos) Por esta fibra razão, a fibra multímodo é bastante sensível à dispersão modal.

• As principais vantagens de fibra multímodo são a: facilidade de acoplamento para fontes de luz e a outra fibra, menor custo de fontes de luz (transmissores) e simplificando a conectorização e emenda de processos. No entanto, sua atenuação relativamente alta e baixa largura de banda limitam a transmissão de luz de curta distância de fibra multímodo...

Composição da Fibra Multímodo

Fibra Multímodo Índice Degrau• Fibra Multímodo de Índice Degrau: guias de raios de luz

por meio de reflexão total na fronteira entre o núcleo e o revestimento. O índice de refração é uniforme no núcleo. Fibra multímodo de Índice Degrau tem um diâmetro de núcleo mínimo de 50um, um diâmetro de revestimento entre 100 e 140um e uma abertura numérica entre 0,2 a 0,5

Fibra Multímodo de Índice Gradual• O núcleo das fibras multímodo de índice

gradual possuem um índice de refração não uniforme, diminuindo gradualmente do eixo central para o revestimento. Esta variação do índice de refração dos núcleos obriga os raios de luz a se propagar através da fibra de forma senoidal.

Fibra Monomodo• A vantagem da fibra monomodo é o seu

melhor desempenho em respeitar a largura de banda e atenuação. O diâmetro reduzido do núcleo da fibra monomodo limita a luz a um único modo de propagação, eliminando completamente dispersão modal.

• Com dispersão adequada através da compensação de componentes, uma fibra monomodo pode transportar sinal em longas distâncias. A capacidade do sistema pode ser aumentada através da injeção de múltiplos sinais de comprimentos de onda ligeiramente diferentes (multiplexação de divisão de comprimento de onda) em uma fibra.

Composição da Fibra Monomodo

Diâmetro de campo de modo de fibra monomodo• O diâmetro de campo de modo (MFD) de fibra

monomodo pode ser expresso como a parte da fibra, onde a maior parte da luz energia passa.

• O MFD é maior do que o diâmetro do núcleo físico. Ou seja, uma fibra com um núcleo físico de 8um pode render um 9, 5um MFD. Este fenômeno ocorre por causa da luz energia também viaja através do revestimento

Área Efetiva• Área efetiva é outro termo que é usado para

definir o diâmetro do campo de modo. A área efetiva é a área da fibra correspondente ao diâmetro do campo de modo.

Transmissão de luz• Transmissão de luz em fibra óptica utiliza três

elementos básicos: um transmissor, um receptor e um meio de transmissão, através da qual o sinal é transmitido de um para o outro. O uso de fibra óptica introduz a atenuação e dispersão no sistema. Atenuação tende a aumentar os requisitos de potência do transmissor em a fim de satisfazer os requisitos de energia do receptor. Dispersão, por outro lado, limita a largura de banda dos dados que podem ser transmitida através da fibra.

• Atenuação: o sinal de luz percorre a fibra, que diminui a potência. A diminuição do nível de potência é expressa em dB ou uma taxa de perda por unidade de distância (dB/Km)

Atenuação espectral da fibra• Os dois principais mecanismos de perda de

transmissão de luz em fibras ópticas são: a absorção de luz e dispersão

• Absorção da luz: a luz é absorvida no material da fibra como sua energia é convertida em calor devido as impurezas de comprimento de onda de ressonância molecular.

• Espalhamento Rayleigh: também contribui para a atenuação. Provoca a dispersão da luz em todas as direções, sendo que uma parte da luz escape pelo núcleo da fibra Uma pequena parte desta energia é retornada para o núcleo e é denominada retroespalhamento.

• Espalhamento de luz frontal (Raman scattering) espalhamento de luz para trás (espalhamento Brillouin) são dois fenômenos de espalhamento adicional que podem ocorrer em materiais ópticos sob condições de alta potência

Janelas de telecomunicações

Os principais comprimentos de onda de transmissão de telecomunicações correspondem para os pontos no gráfico, onde a atenuação é, mínima. Estes comprimentos de onda são conhecidos como as janelas de telecomunicações.

• O símbolo OH- identificado no gráfico indica que a comprimentos de onda de 950nm, 1244nm, 1383nm e, na presença de hidrogênio e íons HIDROXILA no material de cabo de fibra óptica faz um aumento da atenuação. Estes íons são resultado da presença da água que entra no material através do cabo ou de um produto químico através da reação do processo de fabricação ou como umidade no ambiente.

• A variação da atenuação com comprimento de onda devido a absorção de água para o padrão de cabo de fibra monomodo óptico ocorre principalmente em torno de 1383nm. Recentes avanços na fabricação processos de cabo de fibra óptica que superar a água 1383nm pico e resultaram em fibra de baixa água de pico.

Janelas de telecomunicações

Transmissão de luz• Transmissão de luz em fibra óptica utiliza três

elementos básicos: um transmissor, um receptor e um meio de transmissão, através da qual o sinal é transmitido de um para o outro.

• O uso de fibra óptica introduz a atenuação e dispersão no sistema.

• Atenuação tende a aumentar os requisitos de potência do transmissor em a fim de satisfazer os requisitos de energia do receptor.

• Dispersão, por outro lado, limita a largura de banda dos dados que podem ser transmitida através da fibra.

Mecanismos de perda de ligação• Para uma extensão de fibra óptica, os efeitos dos

componentes passivos e perdas de conexão devem ser adicionados à atenuação inerente da fibra a fim de obter a atenuação de sinal total. Esta atenuação (ou perda), para um determinado comprimento de onda, é definida como a razão entre a potência de entrada e a potência de saída da fibra que está sendo medida. Geralmente é expressa em decibéis

Micro curvaturas e Macro Curvaturas

• Micro curvaturas e macro curvaturas são problemas comuns em sistemas de cabos, porque pode induzir a perda de potência do sinal. Micro curvatura ocorre quando o núcleo de fibra desvia do eixo e podem ser causados por defeitos de fabricação, restrições mecânicas durante as variações de fibra de poedeiras processo e ambiental (Temperatura, umidade ou pressão) durante a vida da fibra.

• Macro curvatura refere-se a uma grande curva da fibra (com mais de um 2 milímetros de raio).

• O gráfico acima mostra a influência da curvatura raio (R) sobre a perda de sinal em função do comprimento de onda. O traço "UC" refere-se a uma fibra ideal sem curvatura.

Dispersão • Outro fator que afeta o sinal durante a

transmissão é dispersão. A Dispersão reduz a largura de banda efetiva disponível para transmissão. Existem três tipos principais de dispersão: dispersão modal, a dispersão cromática, e a dispersão por modo de polarização.

• Dispersão total da Fibra = dispersão modal + dispersão cromática + dispersão por modo de polarização.

Dispersão Modal• Dispersão modal ocorre

normalmente com fibra multímodo. Quando um pulso de luz muito curto é injetado para dentro da fibra dentro do numérico abertura, toda a energia não chega ao fim da fibra no ao mesmo tempo. Diferentes modos de oscilação levar a energia para baixo da fibra através de caminhos de comprimentos diferentes.

Dispersão Modal

Dispersão Cromática• Dispersão cromática (CD) ocorre porque um pulso

de luz é composta de diferentes comprimentos de onda, cada um viaja com velocidades diferentes abaixo da fibra. Estas velocidades de propagação diferentes amplia o pulso de luz quando chega ao receptor, reduzindo a relação de sinal-ruído(SR) e

aumentando a erros de bits(BER).

Dispersão Cromática• Dispersão cromática é definida por três parâmetros

principais: 1. Atraso em um determinado comprimento de

onda, expresso em ps. 2. O coeficiente de dispersão (D), expresso em ps /

nm. Este corresponde ao desvio em atraso como uma função do comprimento de onda (Ou para a inclinação da curva que representa atraso em função da distância a um dado comprimento de onda). É expresso em ps / (nm*km) se é padronizado para um quilômetro.

3. A inclinação (S), expresso em ps / (nm²*km). Isto corresponde a derivada do coeficiente de dispersão como uma função de comprimento de onda (ou para a inclinação da curva que representa a dispersão como uma função da distância a um dado comprimento de onda). Tanto o coeficiente de dispersão (padronizado para um quilômetro) e a inclinação são dependentes do comprimento da fibra.

Dispersão Cromática

• Dispersão cromática depende principalmente da fabricação processo. Fabricantes de cabos ter em conta os efeitos de CD na concepção de diferentes tipos de fibra para diferentes aplicações e com diferentes necessidades, tal como a fibra standard, dispersão deslocada fibra, ou não-zero dispersão deslocada fibra.

Dispersão por Modo de Polarização.

• Dispersão de polarização modo (PMD) é uma propriedade básica da fibra monomodo. Afeta o valor da taxa de transmissão. PMD resulta da diferença de velocidades de propagação da energia de um dado comprimento de onda, a qual é dividida em duas polarizações que se encontram em ângulos retos

• A origem da PMD é a birrefringência das fibras, isto é, a dependência das propriedades ópticas da fibra com o plano de oscilação eletromagnético Atraso

Perda de Retorno Óptico• Perdas de retorno - ORL (optical return loss)

- É a quantidade de luz refletida para trás, atingindo o transmissor.

• ORL é expressa em decibéis (dB) e é definido como o logaritmo razão entre a energia incidente para a potência reflectida na origem da fibra: ORL = 10LOG(PE/Pr), onde PE é a energia transmitida e Pr é a potência refletida, expressa em Watt (W).

• A ORL é causado por 2 efeitos fundamentais: Retrodifusão, (Backscattering), Reflexões de Fresnel.

Efeitos não-lineares• Ocorrem na fibra óptica devido àpotência

óptica alta concentrada em uma área pequena:

Fenômenos de índice de refração