Embed Size (px)
Citation preview
1
COMUNICAÇÕES ÓPTICAS
2
Sumário
1. Introdução
1.1 Tecnologia para as redes de acesso
1.1.1 As redes sem fio
1.1.2 xDSL e modem a cabo
2. Redes de computadores
2.1 Classificação da rede quanto a distância
2.1.1 Rede Local
2.1.2 Rede Metropolitana
2.1.3 Rede de Longa Distância
2.2 Linhas de comunicação – tipos de ligação física
2.2.1 Formas de utilização da linha
3
Sumário
3. Fibras Ópticas
3.1 Perspectiva Histórica
3.2 Fatores que podem afetar a transmissão de luz em um sistemas de comunicações ópticas
4. Composição da Fibra Óptica
4.1 Óptica Geométrica na Fibra
4.1.1 Refração
4.1.2 Reflexão
4.1.3 Velocidade
4.1.4 Largura de Banda
4
Sumário
5. Tipos de Fibra
5.1 Fibra Multimodo
5.1.1 Fibra Multimodo de Índice Degrau
5.1.2 Fibra Multimodo de Índice Gradual
5.2 Fibra Monomodo
5.2.1 Composição da Fibra Monomodo
5.2.2 Diâmetro de campo de modo de Fibra Monomodo
5.2.3 Área Efetiva
6. Atenuação Espectral da Fibra
7. Janelas de Telecomunicações
5
Sumário
8. Mecanismos de Perda de Ligação
8.1 Micro-curvaturas e Macro-curvaturas
8.2 Dispersão
8.2.1 Dispersão Modal
8.2.2 Dispersão Cromática
8.2.3 Dispersão por Modo de Polarização
9. Sistemas de Comunicação Óptico
9.1 Transmissor
9.2 Fontes Ópticas
6
Sumário
10. Modulador Óptico
10.1 Modulação Direta
10.2 Modulação Externa
10.2.1 Modulação Externa: a estrutura do modulador Mach-Zender
11. Receptores Ópticos
11.1 Fotodetectores
12. Conclusões
7
1.INTRODUÇÃO
Desde o surgimento da Internet, a demanda por serviços de alta velocidade vem aumentando, devido à popularidade da rede mundial.
Linhas telefônicas começaram a ficar saturadas com o tráfego provocado pelo acesso discado à Internet, e o aumento do número de linhas, além de requerer grandes investimentos, não resolveria o problema.
As redes de telecomunicações podem ser classificadas, de acordo com a escala, em redes geograficamente distribuídas (Wide Area Networks —WANs), redes metropolitanas (Metro Area Networks — MANs) e redes locais (Local Area Networks — LANs)
8
1.INTRODUÇÃO
As redes de telecomunicações podem ser classificadas, de acordo com a escala, em redes geograficamente distribuídas (Wide Area Networks —WANs), redes metropolitanas (Metro Area Networks — MANs) e redes locais (Local Area Networks — LANs)
Representação das redes de acesso como gargalo da Internet
9
1.1 Tecnologias para as redes de acesso
Sem fio
xDSL,
modem a cabo e
fibra óptica.
10
1.1.1 As redes sem fio
As redes sem fio possuem o menor custo de implantação dentre as categorias citadas e são representadas pelas tecnologias WiFi e WiMAX.
A implementação desse tipo de rede está se tornando cada vez mais comum, não só nos ambientes domésticos e empresariais, mas também em locais públicos (bares, lanchonetes, shoppings, livrarias, aeroportos, etc), devido ao curto alcance ela se torna restrita a pequenos nichos .
Devido ao curto alcance, a tecnologia WiFi tem aplicação restrita a aplicações de escala restrita, tais como parques, livrarias e aeroportos.
11
1.1.1 As redes sem fio
Tecnologia WiMAX foi definida em abril de 2002. Ela provê uma taxa de 70 Mbps em um raio de 5 km.
No Brasil, esta tecnologia foi implantada em algumas regiões, como, por exemplo, na cidade de Mangaritiba (Rio de Janeiro) e Parintins (Amazonas) [9]-[11].
Apesar das implementações recentes terem obtido sucesso, o WiMAX não tem tido um grande desenvolvimento em grandes centros urbanos devido a concorrência com o DSL e modem a cabo.
A tendência é que a tecnologia fixe seu nicho em zonas rurais, onde o cabeamento não seja viável economicamente.
12
1.1.2 xDSL e modem a cabo
A Linha Digital de Assinante, xDSL, é uma tecnologia baseada no fato de que os cabos de cobre das linhas telefônicas conectam praticamente todas as residências e áreas empresariais com uma central telefônica.
De forma similar às companhias telefônicas, as empresas de TV a cabo encontraram uma forma de prover acesso banda larga a seus usuários através da tecnologia Modem a Cabo.
Atualmente, as operadoras de TV a cabo estão competindo com as companhias telefônicas pelos usuários residenciais que cada vez mais pedem banda para acessar a internet em alta velocidade.
13
2. Redes de Computadores
Um conjunto de computadores autônomos interconectados por uma única tecnologia. Dois computadores estão interconectados quando podem trocar informações.
A conexão não precisa ser feita por um fio de cobre; também podem ser usadas fibras ópticas, microondas, ondas de infravermelho e satélites de comunicações.
A tecnologia de transmissão das LANs quase sempre consiste em um cabo, ao qual todas as maquinas estão conectadas, como acontece com as linhas telefônicas compartilhadas que eram utilizadas em áreas rurais.
14
2.1. Classificação da rede quanto à distância
Rede Local - LAN (Local Área Network)
Rede Metropolitana MAN
Rede de Longa Distância - Também chamada de Rede Geograficamente Distribuída
15
2.1.1 Rede Local
As redes locais, muitas vezes chamadas LANs, são redes privadas contidas em um único edifício ou campus universitário com ate alguns quilômetros de extensão.
Elas são amplamente usadas para conectar computadores pessoais e estações de trabalho em escritórios e instalações industriais de empresas, permitindo o compartilhamento de recursos (por exemplo, impressoras) e a troca de informações.
As LANs tem três características que as distinguem de outros tipos de redes: (1) tamanho, (2) tecnologia de transmissão e (3) topologia.
16
2.1.1 Rede Local
As LANs de difusão admitem diversas topologias.
Em uma rede de barramento (isto e, um cabo linear), em qualquer instante no maximo uma maquina desempenha a função de mestre e pode realizar uma transmissão.
Nesse momento, as outras maquinas serão impedidas de enviar qualquer tipo de mensagem.
Então, será preciso criar um mecanismo de arbitragem para resolver conflitos quando duas ou mais maquinas quiserem fazer uma transmissão simultaneamente.
Barramento:
17
2.1.1 Rede Local
Um segundo tipo de sistema de difusão é o anel;
Em um anel, cada bit se propaga de modo independente, sem esperar pelo restante do pacote ao qual pertence.
Em geral, cada bit percorre todo o anel no intervalo de tempo em que alguns bits são enviados, muitas vezes ate mesmo antes de o pacote ter sido inteiramente transmitido.
Assim como ocorre em todos os outros sistemas de difusão, existe a necessidade de se definir alguma regra para arbitrar os acessos simultâneos ao anel. São usados vários métodos, como fazer as maquinas adotarem turnos.
18
2.1.1 Rede Local
ANEL
19
2.1.2 Rede Metropolitana
Uma rede metropolitana, ou MAN, abrange uma cidade. O exemplo mais conhecido de uma MAN e a rede de televisão a cabo disponível em muitas cidades.
Uma rede metropolitana baseada na TV a cabo:
2.1.3 Rede de Longa Distância
Uma rede geograficamente distribuída, ou WAN (wide área network), abrange uma grande área geográfica, com frequência um pais ou continente.
Ela contem um conjunto de maquinas cuja finalidade e executar os programas (o u seja, as aplicações) do usuário.
Na maioria das redes geograficamente distribuídas, a sub-rede consiste em dois componentes distintos: linhas de transmissão(transportam os bits entre as maquinas) e elementos de comutação(são computadores especializados que conectam três ou mais linhas de transmissão).
21
2.2 Linhas de Comunicação -Tipos de Ligação física
Na organização dos enlaces físicos num sistema , encontramos diversas formas de utilização das linhas de comunição. As ligações físicas podem ser de dois tipos: ponto a ponto ou multiponto.
Ligações ponto a ponto caracterizam-se pela presença de apenas dois pontos de comunicação, um em cada extremidade do enlace ou ligação.
Nas ligações multiponto observa-se a presença de três ou mais dispositivos de comunicação com possibilidade de utilização do mesmo enlace.
22
2.2 Linhas de Comunicação - Tipos de Ligação física
23
2.2.1Formas de utilização da linha
Simplex: o enlace é utilizado apenas em um dos dois possíveis sentidos de transmissão
24
2.2.1Formas de utilização da linha
Half-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos de transmissão, porém apenas um por vez.
25
2.2.1Formas de utilização da linha
Full-duplex: o enlace é utilizado nos dois possíveis sentidos de transmissão simultaneamente.
26
3. Fibras Ópticas
O surgimento da Fibra Óptica veio alavancar uma grande evolução no sistema de comunicação.
Através disso, todas as novas tecnologias de comunicação, de um modo geral, têm adotado as fibras óticas como suporte básico de comunicação, de maneira a melhorar a transmissão de dados, de uma maneira mais rápida e mais segura.
Essa transmissão se dá de através da propagação da luz. A capacidade de transmissão depende essencialmente da estrutura da fibra.
27
3.1Perspectiva Histórica
VANTAGENS: Usos da luz para comunicação
Necessidade de comunicações de fibra óptica:
O advento do telégrafo
A invenção do telefone
O desenvolvimento de redes de telefonia: O uso de cabos coaxiais no lugar de pares de fios aumentou a capacidade do sistema de comunicação consideravelmente
28
3.1Perspectiva Histórica
Porém ha desvatangens como:
Necessita manter a impedância constante, através de terminadores;
É um cabo muito pesado e de difícil de Instalação.
Se o cabo quebrar, ou o "T" de interligação estiver com mau contato, a rede a partir do ponto falho irá parar.
29
Uma figura de mérito comumente usado para a comunicação de sistemas óptico é o produto da taxa-bit distância, BL, onde B é a taxa de bits e L é o espaçamento de repetição.
3.1Perspectiva Histórica
30
3.1Perspectiva Histórica
Sistemas de comunicação com taxas BL de 100 Mb/s estavam disponíveis em 1970 e foram limitadas a estes valores, devido a limitações fundamentais.
Foi realizado durante a segunda metade do século XX um aumento de várias ordens de grandeza no produto BL e ondas ópticas foram utilizados como veículo.
Contudo, nem uma fonte óptica coerente nem um adequado meio de transmissão estava disponível durante a década de 1950
A invenção do laser e sua demonstração em 1960, resolveu o primeiro problema(fonte óptica coerente). A atenção foi então focada na busca de caminhos para a utilização de luz laser para comunicações ópticas.
31
3.1Perspectiva Histórica
A disponibilidade simultânea de compactos ópticos e fontes de fibras ópticas de baixa perda conduziu a um esforço mundial para desenvolver sistemas de fibra óptica de comunicação
A implantação comercial de sistemas lightwave seguiu a fase de pesquisa e desenvolvimento de perto.
O progresso tem sido de fato tão evidente, rápida a partir de um aumento da taxa de bits por um fator de 100.000 ao longo de um período de menos do que 25 anos.
As distâncias de transmissão também aumentaram a partir de 10 a 10.000 km sobre o mesmo período de tempo
32
3.2 Fatores que podem afetar a transmissão de luz em um sistema de comunicações ópticas.
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.
Mecanismos responsáveis pela atenuação em fibras ópticas:• – Absorção• – Espalhamento (Scattering)• – Perdas por curvaturas• – Perdas por radiação devido a acoplamento de modos• – Perdas devidas aos “Leaky-rays”
33
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
3.2 Fatores que podem afetar a transmissão de luz em um sistema de comunicações ópticas.
34
4. Composição da Fibra Óptica
Uma fibra óptica é composta de uma haste de vidro muito fina, 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.
35
4. Composição da Fibra Óptica
36
4.1 Óptica Geométrica na Fibra
Um raio de luz entra em uma fibra em um pequeno angulo alfa - o valor maximo aceitável do cabo de fibra para receber a luz através de seu núcleo é determinada pela sua abertura numérica (NA)
NA = senα(n1 ² - n2²)1/2 Onde α0 é o ângulo maximo de aceitação, n1 índice de refração do núcleo e n2 o índice de refração do revestimento
37
4.1 Óptica Geométrica na Fibra
A propagação de um raio de luz na fibra óptica segue a Lei de Snell - Descartes.
Uma porção da luz é guiada através da fibra óptica, quando injetada no cone de aceitação da fibra.
Refração: é a curvatura de um raio de luz numa entre dois meios diferentes de transmissão
Reflexão: a reflexão é a mudança abrupta de um raio de luz em uma interface entre dois meios de transmissão diferentes
38
4.1.1 Refração
Se α >α0, então o raio refratado totalmente e não é capturado pelo
núcleo.
39
4.1.2 Reflexão
Neste caso, o raio de luz retorna ao meio a partir do qual se originou se α<0 e, em seguida, o raio é refletido e permanece no núcleo
40
4.1.2 Reflexão
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.
41
4.1.3 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.
42
4.1.4 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
43
4.1.4 Largura de Banda
Larguras de banda típicas para diferentes tipos de fibra.
44
5. Tipos de Fibra
A fibra é classificada em diferentes tipos (multímodo ou monomodo) com base na maneira em que a luz viaja através da mesma. A fibra está intimamente relacionada com o diâmetro do núcleo e de revestimento
45
5.1 Fibra Multimodo
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.
46
Composição da Fibra Multímodo
5.1 Fibra Multimodo
47
5.1.1Fibra Multimodo Índice Degrau
Fibra Multímodo de Índice Degrau: raios de luz são 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 de no mínimo 50um, um diâmetro de revestimento entre 100 e 140um e uma abertura numérica entre 0,2 a 0,5
48
5.1.2 Fibra Multímodo 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.
49
5.2 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.
50
5.2.1 Composição da Fibra Monomodo
51
5.2.2 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 MFD de 9, 5um .
Este fenômeno ocorre por causa da luz energia também viaja através do revestimento
52
5.2.2 Diâmetro de campo de modo de fibra monomodo
53
5.2.3 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.
54
6. 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.
55
6. Atenuação espectral da fibra
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
56
7. 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.
57
7. 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.
58
8. 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
59
8. Mecanismos de perda de ligação
60
8.1 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).
61
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.
8.1 Micro curvaturas e Macro Curvaturas
62
8.2 Dispersão
Outro fator que afeta o sinal durante a transmissão é a 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.
63
8.2.1 Dispersão Modal
Dispersão modal ocorre normalmente com fibra multimodo.
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.
64
8.2.1 Dispersão Modal
65
8.2.2 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).
66
8.2.2 Dispersão Cromática
67
8.2.2 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.
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).
68
8.2.2 Dispersão Cromática
Tanto o coeficiente de dispersão (padronizado para um quilômetro) e a inclinação são dependentes do comprimento da fibra.
Dispersão cromática depende principalmente da fabricação processo.
Fabricantes de cabos devem levar em conta os efeitos de Dispersão Cromática na concepção de diferentes tipos de fibra para diferentes aplicações e com diferentes necessidades.
69
8.2.3 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.
70
8.2.3 Dispersão por Modo de Polarização.
71
8.3 Efeitos não lineares
Ocorrem na fibra óptica devido à potência óptica alta concentrada em uma área pequena:
Potência óptica: amplificadores ópticos (P>5dBm);
Área: núcleo com diâmetro de μm (A<100 μm2).
Na presença de potência óptica alta, a fibra deixa de se comportar como um meio passivo, pois seu índice de refração passa a depender do nível da potência do sinal
72
8.3 Efeitos não lineares A fibra passa a atuar no sinal, causando:
Geração de ruído adicional , Alargamento espectral
Geração de novas frequências, Retroespalhamento do sinal
Auto modulação de Fase (SPM) - em sistemas mono e multicanal , Modulação de Fase Cruzada (XPM) - apenas em sistemas multicanal
Espalhamento Brillouin (SBS) - em sistemas mono e multicanal , Espalhamento Raman (SRS) - apenas em sistemas multicanal
Mistura de Quatro Ondas (FWM) - apenas em sistemas multicanal, Instabilidade de Modulação (MI) - em sistemas mono e multicanal
73
9. Sistemas de Comunicação Óptico
Independentemente da qual geração óptica pertença um sistemas óptico ele é sempre constituído de três componentes essenciais, que serão detalhados a seguir: transmissor, canal de transmissão e receptor.
O canal de transmissão é a Fibra Óptica; e os outros dois componentes (transmissor e receptor) são projetados para atender as especificidades desse tipo de canal
74
9.1 Transmissor
O papel de um transmissor óptico é converter o sinal do domínio elétrico para o óptico para possa ser inserido na fibra
75
9.2 Fontes ópticas
São as seguintes: Led, laser
Led(diodo emissor de luz):
Em sua forma mais simples, um LED é uma homojunção “ pn” polarizada diretamente que emite luz por emissão espontânea (processo conhecido como eletroluminescência).
Essa emissão de luz é provocada pela recombinação radiativa de pares elétron-lacuna na região de depleção do semicondutor.
76
9.2 Fontes ópticas
Outras características de LEDs:
Baixa potência de saída, se comparado à produzida pelos lasers;
Tempo de resposta de emissão lento, que é o atraso de tempo entre a aplicação de um
Pulso de corrente e o início da emissão de luz (este é o fator que limita a largura de banda de modulação direta de LED);
Eficiência quântica normalmente menor que o dos lasers (este parâmetro está relacionado com a fração de pares elétron-lacuna injetados que se recombinam radiativamente).
77
9.2 Fontes ópticas
Os LED podem ser classificados como de emissão de superfície (surface-emitting) ou de emissão lateral (edge-emitting).
Esta classificação leva em consideração o seguinte critério: dependendo respectivamente se o LED emite luz de uma superfície que é paralela ao plano de junção ou de uma borda da região de junção
78
9.2 Fontes ópticas
Lasers semicondutores são as fontes de luz mais utilizadas em sistemas de comunicação óptica devido ao desempenho superior comparado ao dos LED.
Eles emitem luz por emissão estimulada e são essencialmente um amplificador óptico inserido em uma cavidade refletiva que passa por um processo conhecido como bombeio para obter o ganho óptico.
Devido às diferenças fundamentais entre emissão estimulada e espontânea, os lasers são capazes de emitir potências mais altas, emitem luz coerente e também possuem um espalhamento angular do feixe óptico de saída menor que o dos LED o que permite uma alta eficiência (em torno de 50%) no acoplamento da luz em fibras monomodo.
79
9.2 Fontes ópticas:
Devido a suas características, os lasers são usados em sistemas de médias e longas distâncias que utilizam fibras monomodo e que operam a altas taxas de transmissão.
O ponto negativo dos lasers é que eles são inerentemente não lineares, o que torna transmissões analógicas mais difíceis
Eles também são muito sensíveis a flutuações na temperatura e na corrente injetada, que causam alteração do comprimento de onda produzido.
Em aplicações WDM (wavelength division multiplexing), a estabilidade das fontes ópticas é fundamental, o que exige circuitos mais complexos e mecanismos de realimentação para detectar e corrigir variações no comprimento de onda.
80
10. Modulador óptico
Um dos primeiros passos no projeto de um sistema de comunicação óptica é decidir como o sinal elétrico será convertido em uma sequência de bits ópticos.
Normalmente a saída de uma fonte óptica é modulada aplicando-se o sinal elétrico ou diretamente na fonte óptica (modulação direta) ou a um modulador externo (modulação externa).
81
10.1 Modulação direta
A modulação direta de lasers (DML –directly modulated laser) é a maneira mais fácil de imprimir informação sobre uma portadora óptica.
A informação é modulada sobre a corrente de controle do laser, resultando num formato de modulação em intensidade binária.
82
10.1 Modulação direta
A principal desvantagem de lasers modulados diretamente para transmissão de altas taxas de bits em aplicações que não sejam de curtas distâncias é seu chirp, isto é, a modulação de fase residual acompanhando a modulação em intensidade desejada.
O chirp do laser alarga o 16 espectro óptico, o que dificulta a utilização de modulação direta em sistemas DWDM (dense wavelength division multiplexing ), nos quais os canais têm seu espaçamento reduzido.
Além disso, o chirp pode conduzir a distorções do sinal intensificadas pela interação com a dispersão cromática da fibra
Atualmente, os lasers modulados diretamente são largamente empregados na modulação de taxas de 2,5 Gb/s e também estão disponíveis para algumas aplicações em 10 Gb/
83
10.2 Modulação externa
Moduladores de eletroabsorção (EAM – electroabsorption modulator ) são estruturas de semicondutor “pin” cujo limiar de absorção pode ser modulado pela aplicação de uma tensão externa, dessa forma alterando propriedades de absorção do dispositivo.
Moduladores de absorção apresentam tensões de comando (ou driving) relativamente baixas (tipicamente 2 V).
Desvantagens: Atualmente existem EAM para modulação de taxas de 40 Gb/s e há demonstrações em pesquisas para taxas de até 80 Gb/s. Entretanto, assim como os lasers modulados diretamente, eles produzem um pouco de chirp residual.
Eles possuem características de absorção que dependem do comprimento de onda, suas taxas de extinção (razão entre a máxima e a mínima potência do pulso modulado) não ultrapassam 10 dB e suas perdas de inserção atingem 10 dB
84
10.2 Modulação externa
O modulador Mach-Zehnder (MZM – Mach-Zehnder modulator) é um modulador externo baseado no interferômetro Mach-Zehnder.
Esta categoria de modulador faz uso de material eletro-óptico, cujo índice de refração pode ser alterado pela aplicação de uma tensão externa, e de um interferômetro Mach-Zehnder para, utilizando o princípio de interferências construtivas e destrutivas entre os sinais que se propagam por cada um de seus braços, produzir modulação em intensidade.
85
10.2.1 Modulação externa : a estrutura do Modulador Mach-Zender
O sinal óptico que nele chega é dividido por um acoplador de entrada e percorre dois guias de onda (os braços do interferômetro).
Na ausência de tensão externa, os campos nos dois braços experimentam deslocamentos de fase idênticos e interferem construtivamente na saída de outro acoplador.
O deslocamento de fase adicional introduzido em um dos braços, através de mudanças no índice de refração induzidas por tensão, reduz a natureza construtiva da interferência, reduzindo assim a intensidade transmitida.
Quando a diferença a de fase entre os dois braços igual a p, nenhuma luz é transmitida devido à interferência totalmente destrutiva entre os dois sinais.
Dessa forma, a sequência de bits elétricos aplicada ao modulador produz uma réplica óptica dessa sequência de bits.
86
A estrutura do Modulador Mach-Zender
10.2.1 Modulação externa : a estrutura do Modulador Mach-Zender
87
11. Receptores Ópticos
Os receptores ópticos são compostos de um acoplador, um fotodetector e um demodulador.
88
11. Receptores Ópticos
O acoplador focaliza o sinal óptico recebido para a entrada do fotodetector.
Os fotodetectores utilizados em sistemas de comunicação são fotodiodos semicondutores devido a sua compatibilidade com as fibras ópticas.
Frequentemente, o sinal recebido está na forma de pulsos ópticos representando os bits 0 e 1.
No processo denominado detecção direta, o sinal recebido é convertido diretamente em corrente elétrica.
89
11. Receptores Ópticos
A demodulação é realizada por um circuito de decisão que identifica os bits como 0 ou 1, dependendo da amplitude da corrente elétrica.
A precisão do circuito de decisão depende da relação sinal-ruído (SNR) do sinal elétrico gerado no fotodetector.
A sensibilidade é um dos parâmetros utilizados para se medir o desempenho de um receptor óptico.
É usualmente definido como a potência óptica média mínima que deve ser recebida no receptor óptico para se garantir uma BER especificada.
90
11. Receptores Ópticos
A sensibilidade do receptor depende da SNR, que, por sua vez, depende de várias fontes de ruído que corrompem o sinal recebido.
Mesmo em um receptor perfeito, alguns ruídos são introduzidos pelo próprio processo de fotodetecção.
A sensibilidade do receptor é determinada para efeito cumulativo de todos os possíveis mecanismos que degradam a SNR no circuito de decisão.
Em geral, isso também depende da taxa de bits, pois a contribuição de algumas fontes de ruído aumenta proporcionalmente com a largura de banda do sinal.
91
11.1 Fotodetectores
Os tipos predominantes de fotodetectores usados em sistemas de comunicação utilizam o princípio da ionização em um material semicondutor, e os outros dispositivos apenas utilizam uma variação deste princípio.
Existem três tipos de receptores ópticos, os fotocondutores, os fototransistores e os fotodiodos.
Fotodectores são construídos com materiais semicondutores.
Os fótons incidentes num semicondutor cedem energia para elétrons na banda de valência.
92
11.1 Fotodetectores
Nos receptores que empregam detecção direta, um fotodetector converte o feixe de fótons que chega (feixe de luz) em um feixe de elétrons (corrente elétrica).
Essa corrente é então amplificada e passada através de um dispositivo comparador que verifica a presença ou ausência de níveis de corrente – bits “0” e “1”.
Outra forma é a detecção coerente. Nela a informação de fase é usada na codificação e detecção dos sinais.
93
11.1 Fotodetectores
Os receptores baseados nessa técnica utilizam um laser monocromático como oscilador local.
O feixe óptico que chega e que está numa freqüência ligeiramente diferente da freqüência do oscilador é combinado com o sinal do oscilador, resultando em um sinal de freqüência diferente.
Esse sinal resultante, que está situado na faixa de microondas, é amplificado e fotodetectado. A detecção coerente permite a recepção de sinais fracos em meios onde o ruído é significativo.
Entretanto, em sistemas ópticos é difícil manter a informação de fase requerida para a detecção coerente
94
12. Conclusões
As fibras ópticas são de extrema necessidade nos dias de hoje, devido a um trafego cada vez maior de informações.
As rede ópticas de acesso constituem como o maior problema (“gargalo”) das redes de telecomunicações no cenário mundial, aplicações emergentes como Video on Demand (VoD), High Definition TV(HDTV), dentre outras só pode ser obtida com redes ópticas de acesso.
