Apostila de Comunicacoes Opticas Ufrgs 20-11-09

7/31/2019 Apostila de Comunicacoes Opticas Ufrgs 20-11-09

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Srie TelecomunicaesVol 1

APOSTILA

de

COMUNICAESPTICAS

Prof. Dr. Jorge Guedes Silveira/Depto de Eng. Eletrica(Delet) / Escola de

Engenharia / UFRGSProf. MSc. Ricardo Balbinot/ Eng. Eletrica / UCS

Parte 1:

I- INTRODUO AS COMUNICAES PTICASParte 2:

II- CLCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS PTICAS

Volume

1


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INDICE:I- INTRODUO AS COMUNICAES PTICAS 3

I.1 INTRODUO 3I.2 CONCEITO DE COMUNICAES PTICAS 5I.3 LEIS BSICAS DA PROPAGAO PTICA 6I.4 INDICE DE REFRAO 7I.5 LEI DE SNELL 8I.6 LEI DE REFRAO 9I.7 ANGULO CRITICO 10I.8 REFLEXO INTERNA TOTAL 11I.9 DISPERSO 12I.10 TECNOLOGIA DAS FIBRAS OPTICAS 14I.11 TIPO DE FIBRAS OPTICAS 16I.12 ATENUAO EM UMA FIBRA OPTICA 25I.13 ACOPLAMENTO DA FONTE LUMINOSA FIBRA PTICA 28I.14 TECNICAS DE FABRICAO DAS FIBRAS OPTICAS 31I.14.1 CABOS OPTICOS 32I.14.2 TIPOS DE CABOS 33I.14.3 MODO SOLTO 34I.14.4 MODO COMPACTO 34

II- CALCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS OPTICAS 34II.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAO 34

II.2 ORAMENTO DE POTNCIA - ENLACE CONVENCIONAL 34II.3 EXEMPLO NUMERICO 1 35II.3.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAO 35II.3.1.1 ORAMENTO DE POTENCIA 35II.3.1.2 CALCULOS 36II.3.1.3 CONCLUSO 37II.3.2 CALCULO DO ENLACE PELA DISPERSO 37II.3.3 CONTINUAO DO EXEMPLO NUMERICO 1 38II.3.3.1 CALCULO PELA DISPERSO 38II.3.4 CONCLUSO GERAL 39II.4 EXEMPLO NUMERICO 2 39

II.4.1 CALCULO DO ENLACEORAMENTO DE POTENCIA 39II.4.2 CALCULO DO ENLACECALCULO PELA DISPERSO 39II.5 INTRODUO A AMPLIFICAO OPTICA 41II.5.1 OS MECANISMOS DA AMPLIFICAO OPTICA 42II.6 O CALCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS PTICAS

USANDO AMPLIFICADORES PTICOS 50II.6.1 ORAMENTO DE POTNCIA 51II.6.2 FIBRA COM DISPERSO DESLOCADA 60II.6.3 FIBRA COMPENSADORA DE DISPERSO 60II.6.4 FIBRA COM GRADE 61II.7 WDM ou MULTIPLEXAO POR COMPRIMENTO DE ONDA 62


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I- INTRODUOAS COMUNICAES PTICAS

I.1 INTRODUO

A aproximadamente 100 anos foram iniciados os primeiros testes de transmisso de

sinais eltricos via pares metlicos. De um nico sinal transmitido, nos ltimos anos passou-

se a 10.800 canais simultneos transmitidos via um par de cabos coaxiais.

Entretanto as caractersticas fsicas dos condutores de cobre fazem aumentar a

atenuao do sinal rapidamente com o aumento da frequncia e o aumento da atenuaoobrigam a diminuir proporcionalmente a distncia entre repetidores necessrios regenerao

do sinal. Ao mesmo tempo conhecida a perturbao que os sinais sofrem por influencia dos

campos eletrostticos nas proximidades.

Com o advento das FIBRAS PTICAS(que no um condutor eltrico, pois em lugar

de transmitir sinais eltricos transmite sinais de luz com comprimentos de onda na regio do

infravermelho), e portanto imune perturbaes eltricas e magnticas.

Considerando que a frequncia da luz elevada, a largura de banda do sinal

transmitido praticamente irrelevante j que sempre ser muito menor que a frequncia da

luz.

A atenuao da FIBRA PTICA determinada exclusivamente pelo comprimento de

onda da luz utilizada e, como esta pequena apresenta inmeras vantagens em relao aos

outros meios fsicos de transmisso.


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Algumas vantagens das Fibras pticas sobre outros sistemas

- Grande largura de banda

- Baixa atenuao

- Ausncia de diafona

- Grande distncia entre repetidores

- Imunidade a interferncia eletromagntica

- Cabos leves e de dimetro reduzido

- Disponibilidade ilimitada de matria prima

Aplicaes das Fibras pticas

- Redes de telecomunicaes

- Redes de comunicaes em ferrovias

- Transmisso de sinais de processamento de dados

- Instrumentao e controle

Evoluo das Fibras pticas no mundo

1988 Inicio das experincias

1966 Kao e Hockman na Inglaterra desenvolvem estudos tericos sugerindo o seu

uso em telecomunicaes.1969 Produo da 1 Fibra ptica (Nippon Sheet Co e Nippon Electric Co.) com

perdas acima de 100 dB/Km.

1970 Corning Glass Works (EUA) anunciam uma Fibra ptica com centenas de

metros de comprimento e atenuao menor que 20 dB/Km.

1974 Bell Laboratory (EUA) produz uma fibra com atenuao de 2,5 dB/Km.1989 Produo de fibras (Japo, EUA, etc., ) com perdas em torno de 0,2 dB/Km.

No Brasil:

1975 TELEBRAS/UNICAMP/CPqD iniciam o desenvolvimento da Fibra ptica

brasileira.

1980 Inicio da fabricao das fibras pticas Multimodondice Degrau, fabricado

pela ABCXTALRJ, com tecnologia transferida pelo CPqD.

1984 Inicio da fabricao das fibras pticas Multimodondice Degrau, fabricado

pela ABCXTALRJ, com tecnologia transferida pelo CPqD.

1989 Inicio da fabricao das fibras pticas Monomodo.


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I.2 CONCEITO DE COMUNICAES PTICAS

Nos sistemas de transmisso por Fibras pticas, a mensagem da fonte a ser

transmitida modula um conversor eletro-ptico. A luz gerada acoplada fibra sendo guiada

at o local de recepo. O sinal reconvertido num sinal eltrico por um conversor ptico-

eltrico, sofrendo em seguida um tratamento para poder ser enviado ao destinatrio, como

mostrado na figura 1.

O mecanismo de conduo do feixe de luz dentro da fibra ptica determinado pelas

leis da fsica referentes reflexo e refrao.

Figura 1 Princpio de Transmisso por Fibra ptica.

Fonte

Prod.SinalEltrico

Conv.eletro/ptico

Conv.ptico/eltrico

Tratam.do sinaleltrico

Usurio

Sistema ptico

Tx Rx

F.O


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I.3 LEIS BSICAS DA PROPAGAO PTICA

Princpios de Transmisso ptica

A palavra LUZ usada para descrever as radiaes eletromagnticas visveis etambm as das regies adjacentes (infravermelhas e ultravioletas prximas, pois se

comportam da mesma forma).

A luz que costuma ser caracterizada pelo comprimento de onda , e a frequncia

f, relacionam-se pela frmula: f = C/

onde C a velocidade da luz no vcuo. Exemplo: Se = 1x10 6

Obs: T indica Tera que significa expoente elevado a potncia 12.

A figura 2 mostra o espectro de frequncia das radiaes eletromagnticas e seus

respectivos comprimentos de onda.

As indicaes da regio prximo do infravermelho com comprimento de onda entre

800 e 1800 nm (ou 0,8 a 1,8 m), so as que podem ser usadas para comunicaes com Fibras

pticas e esto mostradas na figura 3. As mesmas correspondem as chamadas JANELAS DETRANSMISSO, 1, 2 e 3 janela respectivamente.

Atenuao em dB/Km

0,85

0,6 0,8 1,0 1,2 1,3 1,4 1,55 1,6 1,8 2,0

Comprimento de onda (m)

1 janela 2 janela 3 janela

Figura 3 Janelas de Transmisso

THzxx

Cxf 300103101

103 146

8

5

10

0


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I.4 INDICE DE REFRAO

A forma mais simples de se conduzir luz dentro de uma fibra ptica e evitar que ela se

escape, construir um guia de onda ptico constitudo de duas camadas concntricas comndices de refrao diferentes, chamados NCLEO e CASCA , como mostrado na figura 4.

Saliente-se que o ncleo sempre constitudo por um material de refrao maior que o

material usado na casca.

n2 casca

n1 ncleo

Figura 4 Corte transversal e longitudinal de uma fibra ptica

O ndice de refrao (n) definido como a relao entre a velocidade de propagao

da luz no vcuo e a velocidade da luz no material.

onde :

C a velocidade da luz no vcuo (300.000 km/s)

C1 a velocidade da luz no meio (ou material)

n o ndice de refrao

O que caracteriza um meio dieltrico cristalino, do ponto de vista ptico seu ndice

de refrao (n) e ele que define o comprimento da luz ao passar de um meio para outro.

Se o ndice de refrao de um material n = 1,5 ento sua velocidade no meio ser de:

Conclumos ento que a velocidade da propagao da luz varia de acordo com o meio.

1CCn

sKmx

C /000.2005,1

1038

1


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I.5 LEI DE SNELL

Consideremos um raio de luz se propagando no vcuo fazendo um ngulo deincidncia i superfcie de uma substancia A e seja r o ngulo de refrao da

substancia. A constante da lei de Snell ento chamada de ndice de refrao da substancia

A e designada porn.

Pela lei de Snell:

Na figura 5 mostramos um exemplo da determinao de n pela lei de Snell.

Figura 5 Lei de Snell

nA= 1,55

Sabemos agora que o ndice de refrao n tambm pode ser determinado pela lei de

Snell e portanto, se quisermos saber a velocidade da luz neste material, basta aplicar a

frmula:

r

in

sen

sen

=700 r = 37,30

55,1606.0

94,0

3,37sen

70sen

sen

sen0

0

r

i

An

sKmx

n

CC

A

/550.19355,1

1038

1

A


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I.6 LEI DE REFRAO

Quando um feixe de luz monocromtica (somente um comprimento de onda) passa por ummeio com ndice de refrao n1 para outro meio com ndice de refrao n2, este muda de

direo conforme o ngulo de incidncia como mostrado na figura 6.

normal

n2

n1

Figura 6 Mudana de direo de um raio conforme lei de refrao

A lei de refrao define que:

n1 sen = n2 sen

Ento podemos concluir que, quanto maior o ndice de refrao, menor a

velocidade de propagao da luz.


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I.7 NGULO CRTICO

Quando a luz passa de um meio n1 para um meio n2 , formando entre o meio n e a

normal um ngulo de 90, este ser chamado deNGULO CRITICO ( crit. ), como mostrado

na figura 7.

O ngulo critico um ngulo onde a luz refratada acompanha a superfcie de

separao dos dois meios.

sen = 90

Figura 7 Exemplo de ngulo critico para uma determinada fibra ptica

ndice de refrao da casca n2 = 1,475

ndice de refrao do ncleo n1 = 1,496

n2 = 1,475

crit = 80,3 n1 = 1,496

03,80

986,0496,1

475,1sen

crit

crit


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I.8 REFLEXO INTERNA TOTAL

Consideremos um raio de luz num certo meio (vidro por exemplo), incidindo sobre

uma superfcie alm da qual existe um meio com ndice de refrao n menor que o primeiro

(ar). Verifica-se que , a medida em que o ngulo de incidncia aumenta, chega-se a umasituao (raio e) em que o raio refratado sai tangente superfcie de refrao igual a 90.

Para ngulos maiores que este ngulo critico 2 no existe raio refratado, ocorrendo o

fenmeno chamadoREFLEXO INTERNA TOTAL, conforme mostrado na figura 8.

Figura 8 A figura mostra a refrao, o ngulo critico e a reflexo interna totalda luz de uma fonte S

A seguir veremos um exemplo com vrias substncias colocadas em camadas, sendo

que a substncia mais refringente est exatamente no centro, e as substncias menos

refringentes esto colocadas do centro para a periferia, como mostrado na figura 9.

Quando um raio monocromtico incide na substncia a, faz com este um ngulo de

incidncia i, ao sair de a, incide em b fazendo um ngulo a e assim sucessivamente

at chegar em d onde haver uma reflexo interna total. Aps esta reflexo o raio monocromtico retornar ao centro e sair para a outra periferia.

n2

n1

S

Ar

Vidro

Raio refratado

2

1Raio refletido


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Conclumos que a trajetria deste raio monocromtico forma uma forma senoidal,

devido a seu ngulo de incidncia e a diferena dos ndices de refrao.

Figura 9 A figura mostra um raio monocromtico propagando-se por vriasSubstncias com refringncias diferentes

I.9 DISPERSO

A maioria dos feixes de luz so misturas de ondas cujos comprimentos variam de um

extremo a outro de espectro visvel, como mostrado na figura 10.

Figura 10 Variao do ndice de refrao com o comprimento de onda parasubstncias pticas mais comuns .

ndice de refra o

Comprimento de onda nm

uarzo

1,7

1,6

1,5

1,4

400 500 600 700

Vidro Flint de Borato

Vidro Crow de Silicato

Quarzo Fundo

Fluorita

Vidro Flint de Silicato

violeta azul amarelo vermelho

Periferia

i

a

Periferia

b

c

d

b

c

d

a


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Embora a velocidade das ondas de luz no vcuo seja constante, a velocidade da luz

num meio material varia com o comprimento de onda. O ndice de refrao de uma substancia

portanto, funo do comprimento de onda.

Chamamos de DISPERSO, exatamente a propriedade da luz de percorrer um meio

material com diferentes velocidades, conforme seu comprimento de onda.

Consideremos um raio de luz branca mistura de tidas as cores) incidente num prisma.

Como o erro produzido aumenta com o ndice de refrao, a luz violeta ser a mais desviada e

a vermelha a menos, ao sair do prima, a luz se dispersa em forma de leque. Diz se ento, que

a luz foi dispersada em um espectro, conforme mostrado na figura 11.

Figura 11 Disperso por um prisma

Uma medida conveniente deste desvio dada pelo desvio da luz amarela, pois o

amarelo est mais ou menos no meio do vermelho e do violeta.

Como o desvio e o ndice de refrao esto relacionados o desvio do espectro inteiro

definido pelo ndice de refrao da luz amarela, enquanto que a disperso depende da

diferena entre os ndices de refrao para o violeta e o vermelho.

vermelho

laranja

amarelo

verde

azul

violeta

Desvio de luz amarela

anteparo

Luz branca

Medida da disperso


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I.10 TECNOLOGIA DAS FIBRAS PTICAS

Veremos a continuao alguns detalhes das caractersticas de propagao em fibras

pticas.

Em particular, sero discutidos os seguintes assuntos: propriedades do guiamento da

luz, disperso, espalhamento e atenuao (que uma das limitaes impostas ao projeto de

comunicaes por Fibras pticas).

Entendemos por Fibra ptica, o guia cilndrico de dieltrico transparente com a

funo de confinar e guiar a luz visvel ou infravermelha a longas distncias.

Aplicaes das leis bsicas da ptica nas Fibras pticas.

Quando um raio de luz ou modo de transmisso passa de um vidro com ndice de

refrao maior (ncleo da fibra) para um vidro com menor ndice de refrao (casca da fibra),

h uma mudana na direo do raio, como mostrado na figura 12.

Figura 12 Raio refratado i crit

Se o raio de incidncia do raio de luz for igual ao ngulo critico teremos:

Onde sen = 1, como mostrado na figura 13.

crit

senn

nsen

nucleo

casca

crit

i

n2 casca

n1 (ncleo)


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Figura 13 Quando i = crit, o raio de luz caminhar ao longo da linha divisriaentre o ncleo e a casca

Reflexo Interna Total na Fibra ptica

Enquanto o ngulo de incidncia for maior que o ngulo critico (i crit), o raio deluz ser conduzido dentro do ncleo da fibra por reflexo interna total e ser chamado de raioguiado pelo ncleo, como mostrado na figura 14.

Figura 14 Reflexo interna total ( i crit)

Como podemos notar, o mecanismo de guiamento de luz em Fibras pticas aReflexo Interna Total, como mostrado na figura 15.

Figura 15 Modos guiados pelo ncleo por reflexo interna total

n1 (ncleo)

i

crit

n2 casca

i

crit


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I.11 TIPOS DE FIBRAS PTICAS

A principal funo da Fibra ptica a de conduzir sinais luminosos de um ponto a

outro do sistema.

A primeira fibra desenvolvida foi a fibra MULTIMODO DE NDICE DEGRAU. Emseguida houve um esforo tecnolgico no sentido de diminuir a atenuao ptica e aumentar a

banda de passagem, surgindo ento as fibras MULTIMODO DE NDICE GRADUAL e as

FIBRAS MONOMODO, como mostradas na figura 16.

Fibra ptica de ndice Degrau

Fibra ptica de ndice Gradual

Fibra ptica Monomodo

5 m

10MHz 100MHz 1GHz 10GHz 100GHz

Figura 16 Tipos de Fibras pticasBanda Passante

50 m 125 m

50 m 125 m

125 m

5

10

Atenuao dBFibra

Monomodo

Fibra

Gradual

Fibra

Degrau

Cabo

Coaxial

fre ncia


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Fibra Multimodo de ndice Degrau

A fibra de ndice degrau consiste em um ncleo de 10 a 50 m de dimetro, coberto

por uma casca com um dimetro de 100, 200 ou 300 m e um ndice de refrao ligeiramente

menor que o ncleo.

Nesta fibra a luz totalmente refletida na linha divisria entre o ncleo e a casca

(reflexo interna total) e se propaga em forma de zig-zag.

Como o dimetro do ncleo muito menor que o comprimento de onda guiada,

existir um grande nmero de modos sendo transmitidos pela fibra. Devido a este elevado

nmero de modos e a propagao em linha quebrada (zig-zag), este tipo de fibra foi

denominados FIBRA MULTIMODO DE NDICE DEGRAU , como mostrado na figura 17. A

largura de banda est limitada na ordem de 30 a 100 MHz x Km.

2a = 60 m2b = 125 m

Figura 17 Fibra Multimodo de ndice Degrau

O clculo do nmero de modos N dado aproximadamente por:

Onde V padro normalizado de freqncia e dado por:

2b

2

2V

N


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Onde a o raio do ncleon o ndice de refrao e o comprimento de onda

Exemplo :

Calcular o nmero de modos guiados dentro de uma fibra ptica de uma

fibra ptica degrau, cujo dimetro do ncleo de 60 m e os ndices de refrao do ncleo e

da casca so respectivamente n1 = 1,561 e n2 = 1,483 e o comprimento de onda = 0,85

m.

V = 108

As fibras de ndice degrau so usadas em sistemas de curta distncia e de

reduzida largura de banda, por exemplo em avies, navios, etc.., onde sua imunidade ao rudo,

seu peso e, principalmente seu custo so fatores importantes.

Fibra multimodo de ndice gradual

Nesta fibra, o ndice de refrao maior no centro do ncleo e decresce do centro at a

linha divisria entre ncleo e casca, ou melhor, o ndice de refrao se torna cada vez menor a

medida que se aproxima do centro do ncleo.

Por outro lado, a luz nesta fibra no mais conduzida por mltiplas reflexes

mas sim refratada de volta ao centro do ncleo, assemelhando-se a uma propagao

ondulatria, como mostrado na figura 18.

2

12

2

2

1 )].(2[ nna

V

2

1

22

6

6

)483,1561,1].(10.85,0

10.30.28,6[

V

58002

1082

22

VN modos aproximadamente


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2a = 60 m2b = 125 m

Figura 18 Fibra multimodo de ndice gradual

Devido a esta variao do ndice de refrao e consequentemente propagao quase

ondulatria, os tempos de propagao dos modos vo ser quase os mesmos.

Note-se que os modos de transmisso que se dirigem a outra extremidade da fibra pelo

centro do ncleo tero um menor caminho a percorrer, porem com velocidades menores,

quando comparadas com os modos refratados, pois nestas ltimas a luz passa por regies

onde o ndice de refrao menor e, obviamente, ter uma velocidade maior do que nos

modos que se dirigem pelo centro do ncleo.

Este tipo de fibra tambm suporta centenas de modos guiados. Para uma fibra de

ndice gradual com as seguintes dimenses tpicas: dimetro do ncleo 2a = 50 m edimetro da casca 2b = 125 m, ndice de refrao do ncleo n1 = 1,551, ndice de refrao

da casca n2 = 1,485, com = 2 e = 0,043 a forma de se calcular o seu nmero de modos :

Onde a diferena relativa entre n1 e n2 dada por

e, o nmero que decide o perfil do ndice de refrao. Para a fibra ptica de ndice

degrau = , e para a fibra de ndice gradual = 2.

Vamos calcular para os dois tipos de fibras, o nmero de modos (aproximado), sendo

que as duas fibras so idnticas tanto no dimetro do ncleo e da casca como no ndice derefrao (usar os nmeros de ndice gradual).

2a

2b

21

).2(.

)2(

anN

1

21

n

nn


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Fibra de ndice Degrau

V = 83

Fibra de ndice Gradual

N = 1820 modos (aproximadamente)

Note-se que o nmero de modos guiados nesta fibra duas vezes menor

(aproximadamente) que na fibra de ndice degrau.

As fibras de ndice degrau so apropriadas para sistemas de comunicaes que

requerem extensa largura de faixa, ou para sistemas de elevadas taxas de bits, sendo usadas

tambm em redes de comunicaes em longas distncias.

Fibra Monomodo

Neste tipo de fibra, o dimetro do ncleo 2a = 5 m e muito menor que o dimetro

da casca 2b = 125 m. O ndice de refrao da casca (n2) ligeiramente menor que o ndice

de refrao do ncleo (n1). Valores tpicos n1 = 1,471 e n2 =1,457. A figura 19 mostra as

caractersticas geomtricas da fibra ptica monomodo.

2a = 5 m2b = 125 m

Figura 19 Fibra Monomodo

2

1

2

2

2

1)].(2[ nn

aV

34002

83

2

22

VN modos

2

1 ).2(.)2(

anN

2a

2b


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Em geral esta fibra possui um = 0,002 e, como o prprio nome indica suporta

apenas um modo de propagao para um particular comprimento de onda (). Para que isto

acontea, o padro normalizado de freqncia dado por:

E deve ser menor que 2,405.

Este tipo de fibra possui uma banda de passagem maior que 10 G Hz x Km e usada

em sistemas de e levada taxa de bits (acima de 140 Mbit/s), com uma distncia aproximada de

100 Km sem repetidores.

OBSERVAO: note-se que a banda de passagem tem aumentado de fibra parafibra, com a diminuio dos modos de propagao.Disperso e Largura de Banda

A largura de banda de um sistema de comunicaes definida como sendo a faixa de

freqncia que o sistema pode utilizar para transportar informaes. grande a sua

importncia, por ser diretamente proporcional capacidade de transmisso de informao do

sistema.

Por exemplo: considere a mais simples parcela da informao, um pulso querepresenta 0 ou 1, obviamente, quando mais pulsos por segundo puderem ser enviados

maior ser a capacidade de transporte de informao do sistema. Entretanto, o nmero de

pulsos enviados ou recebidos por segundo ser limitado pela largura de banda do sistema.

A largura de banda impe um limite porque , quando a velocidade de informaes se

torna muito elevada, o sistema no consegue distinguir a diferena entre 0 ou 1, como

ilustrado na figura 20.

Figura 20- A figura ilustra a dificuldade de reconhecimento dos pulsos de entrada na

sada

2

1

2

2

2).(

)2(2 nn

aV

Pulso de entrada Pulso de sada

ns ns

IN

OUT

FIBRA OPTICA


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De acordo com a figura anterior, lanando-se pulsos pticos com durao de

nanosegundos na fibra (gerados por um laser semicondutor), observamos o alongamento

que ocorre no perfil do pulso na sada da fibra. Este alongamento cresce ao longo da fibra e,

eventualmente, o pulso ir se sobrepor com seu vizinho, aumentando assim, o nmero de

erros na sada do receptor. Este fenmeno de alargamento tambm chamado de

DISPERSO DO PULSO e impe um limite sobre a largura de banda mxima da fibra.

A tcnica de domnio temporal para medir a disperso do pulso, mostra a mudana no

perfil do pulso aps percorrer a fibra, como mostrado na figura 21.

Figura 21 Alongamento que sofre um pulso aps percorrer a fibra

Se t1 a largura a meia altura da intensidade do pulso de entrada e t 2 a do pulso do

pulso de sada, ento a disperso do pulso , assumindo uma forma gaussiana dos pulsos,

dada opor: = ( 1

2 - 22)1/2

ento , o nmero mximo de pulsos por segundo (B) que pode ser transmitido, neste

comprimento defibra, pode ser aproximadamente estimado por:

B = (2 ) 1

Para o caso da figura anterior, a banda de passagem para este particular comprimento

de fibra ser de aproximadamente 510 MHz.

Mecanismos que contribuem para a disperso do pulso

Um pequeno pulso ptico se alarga depois da propagao em uma fibra tica em

virtude dos seguintes mecanismos:

Disperso Modal

Disperso Material

Disperso Modal g

A disperso modal causada pelas diferentes velocidades dos modos se propagandona fibra.

t1 = 0,5 ns t2 = 1,1 ns


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Vrios outros termos tem sido usados para se referir disperso modal:

Disperso Intermodal

Disperso Multicaminho

Disperso Multimodo

Disperso Monocromtica

A figura 22 ilustra o exemplo de vrios modos propagando-se na fibra com

velocidades iguais mas com distncias diferentes a percorrer.

Figura 22 - g completamente dominante numa fibra de ndice degrau visto que onmero de modos guiados extremamente grande

Como o nmero de modos guiados na fibra de ndice gradual duas vezes menor que

na fibra de ndice degrau, e o ndice de refrao maior no centro do ncleo, reduzindo-se a

interface com a casca, as velocidades dos modos vo ser diferentes. Desta forma, a disperso

modal ser dramaticamente reduzida como podemos ver na figura 23

Figura 23 Modos de transmisso em fibras de ndice gradual

Disperso Material m

A disperso material ocorre pelo fato de o ndice de refrao depender docomprimento da onda, causando diferenas entre as velocidades dos componentes espectrais

da fonte de luz usada.

Dois outros termos so usados para se referir a m, a saber:

Disperso Intramodal

Disperso Cromtica

Mesmo quando se usa o Diodo Emissor de Luz (LED) com largura espectral de 40 nm

como fonte de luz, minsignificante quando comparada com gna fibra degrau, porem, na

1 2

1 2


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fibra de ndice gradual, se usarmos a mesma fonte de luz, m maior que g. Na figura 24

temos a largura do LED e do LASER.

Figura 24 Largura espectral LED/LASER

Observe que, se usarmos um LASER como fonte de luz (com largura espectral de 2

nm ) como fonte de luz, e uma fibra multimodo de ndice gradual, a disperso ser quase que

totalmente reduzida; porem, se usarmos uma fibra monomodo praticamente no haver

disperso modal e nem a disperso material. Desta forma, a banda de passagem nesta ltima

fibra, ser da ordem de 10 GHz.

I.12 ATENUAO EM UMA FIBRA OPTICA

A atenuao uma das propriedades mais importantes de uma fibra ptica. Dela

depende substancialmente a separao entre os repetidores que regeneram os sinais

transmitidos, consequentemente, o custo do sistema depende de modo significativo da

atenuao. A atenuao nas fibras pticas inicialmente era muito elevada, da ordem de 100

dB/Km. Esta atenuao foi rapidamente reduzida a poucos dB/Km em decorrncia do avano

da tcnica de reproduo de vidros de alta pureza.

Os principais mecanismos que contribuem para a atenuao em fibras pticas so os

seguintes:

Absoro material

Variaes geomtricas

Espalhamento de Rayleigh

Efeitos ncleo casca

LED 40 nm

LASER 2nm

830 850 870

nm

IntensidadeRelativa


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Absoro MaterialA absoro material um mecanismo de atenuao pelo qual parte da energia

dissipada em forma de calor na fibra ptica. Isto porque o vidro usado nas fibras no

totalmente puro e freqentemente contm numerosas impurezas de IONS METLICOS com

transies eletrnicas na regio visvel prximo ao infravermelho (0,5 a 1 m), causando

bandas de absoro. Os principais ions metlicos so: Cromo, Cobre, Ferro e Manganes. Na

figura 25 esto ilustradas as bandas de absoro para os ions de Cr 3+, Cu2+ e Fe2+. Outro ion

muito difcil de ser eliminado o de Hidroxila (OH). evidente que a largura das bandas de

absoro varia com o elemento.

Figura 25 Alguns ions metlicos e as bandas de absoro

O pico de absoro fundamental para o OH prximo de 2,72 m e tem harmnicospara 1380, 950 e 720 nm. Combinaes entre estes harmnicos e a vibrao fundamental dosilcio (SiO2) resultam em picos em 1130 e 880 nm, portanto necessrio uma purezaextremamente alta para se alcanar baixas perdas.

Atenuao causada por defeitos na fibraSuponhamos vrios raios ou modos de transmisso se propagando na fibra, como

mostrado na figura 26. Observando a figura notamos que, se em um certo ponto da fibra

houver defeitos entre ncleo e casca, vrios modos de transmisso sero desviados para a

casca e, obviamente, provocaro uma maior atenuao .

Figura 26 Atenuao causada por defeitos na fibra

OH

Fe 2 +Cr 3 +

IntensidadeRelativa

OH

600 900 1000

1100

1200

700500 800

nm

1,0

0,5

0,01

Raio Vazante

Raio VazanteRaios Guiados


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Espalhamento de RayleighH uma srie de mecanismos de espalhamento que podem ocasionar perda. O mais

fundamental o espalhamento de Rayleigh, que est sempre presente devido a composio da

estrutura do vidro (flutuaes trmicas, presso, pequenas bolhas, etc,.), e que espalha luz em

todas as direes.

Este tipo de espalhamento fortemente reduzido operando com o maior comprimento

de onda, que de 1550 nm. Ento quando maior o comprimento de onda, menor a atenuao

por espalhamento, como ilustrado na figura 27.

Figura 27 Atenuao por espalhamento de Rayleigh

Efeito Ncleo - Casca inevitvel que alguma luz seja espalhada para dentro da casca. Uma parte

significativa da potncia espalhada pelo espalhamento de Rayleigh convertida em modosguiados pela casca, pois a casca com o ar age como um segundo guia de onda dieltrico, como

mostrado na figura 28. A reconverso de potncia de modos guiados pela casca em modos

guiados pelo ncleo teriam efeitos indesejveis sobre a disperso. Esta , portanto, uma

importante razo para que haja perdas na casca e isto pode ser evitado utilizando-se, na casca

um material que provoque uma grande atenuao naqueles modos.

utilizado tambm um revestimento no seu redor que tem por objetivo suprimir os

modos indesejveis e evitar a entrada de luz externa na fibra.

Figura 27 Modo guiado pela casca em virtude do espalhamento de Rayleigh

Modo guiado pelo ncleo Espalhamento de Rayleigh

Modo guiado pela cascaFibra ptica

Espalhamento de RayleighModo guiado pelo ncleo

Fibra ptica


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I.13 ACOPLAMENTO DA FONTE LUMINOSA FIBRAPTICA

Abertura numrica

Observamos na fibra que somente uma parte da luz que chega na extremidade desta capaz de entrar e ser capturada pela mesma. Esta habilidade de captura (em fibra ptica)

definida como AN , que um nmero que expressa a capacidade de captao luminosa da

fibra ptica, isto , define os ngulos mximos de entrada para serem propagados, como

ilustrado na figura 28.

Figura 28 Mximo ngulo de aceitao (igual ao ngulo crtico)

O seno de maior ngulo de aceitao (ngulo mximo do cone de aceitao na

entrada da fibra ptica em relao ao eixo da mesma) chamada de ABERTURA

NUMRICA (AN).

AN = n0 sen a ,= (n12- n22)1/2

Onde n0 o ndice de refrao do ar

n1 o ndice de refrao do ncleo

n2 o ndice de refrao da casca

Observar que aAN tambm pode ser determinada pelo ndice de refrao do ncleo e

da casca.

Considere como a diferena relativa de ndices de refrao entre o ncleo e a casca:

2

1

2

2

2

1

2n

nn

a

n2

n1

n0


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Onde para o caso de 1 (hiptese vlida para a maioria das fibras pticas de

interesse em sistemas de transmisso)

1

21

nnn

Combinando-se esta equao com a equao da AN para o meio ar (n0=1), obtm-

se a seguinte expresso de AN para valores de 1:

21xnAN

A abertura numrica de uma fibra ptica muito til para medir a capacidade de

captar e transmitir luz. interessante notar que essa capacidade independe do dimetro doncleo da fibra ptica.

Fibra ptica de Face Plana

A fibra de face plana tem como limitao para o cone de aceitao da luz guiada, a

prpria abertura numrica, como mostrado na figura 29.

a o ngulo mximo de aceitao da fibra de face plana.

Figura 29 Abertura numrica para a Fibra de Face Plana

Na fibra ptica de face plana necessidade de se encostar a fonte fibra, desta

forma, h uma realimentao para a fonte (o que coloca sua vida til em risco). Para

que isto no ocorra, foi desenvolvida a fibra de face esfrica.

a n2

n1


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Fibra de Face Esfrica

A fibra de face esfrica expande a limitao da NA (apesar de s propagar raios dengulo axial 0., pois a microlente capaz de coletar raios com e a, como ilustrado na

figura 30.

Observar que e sempre maior que a , desta forma uma fibra com microlente

coletar sempre mais luz que a mesma fibra com face plana.

n2

n1

Figura 30 Fibra de Face Esfrica

>e

>e

R Eixo da fibra

a


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I.14 TCNICAS DE FABRICAO DAS FIBRAS PTICAS

O material dieltrico usado na fabricao de fibras pticas deve atender aos seguintesrequisitos bsicos:

excelente transparncia (baixa atenuao) nas freqncias pticas de interesse;

materiais na casca e no ncleo com propriedades trmicas e mecnicas

compatveis e ndices de refrao ligeiramente diferentes;

possibilidade de realizao de fibras longas, finas e flexveis.

Isto limita a confeco de fibras pticas a, basicamente duas classes de materiais:

vidros e plsticos. O plstico entretanto limita o alcance a aplicaes de curta distncia por

apresentar nveis de atenuao ainda relativamente muito elevado. Consequentemente o vidro

se apresenta como o material mais apropriado para a fabricao de fibras pticas aplicadas aos

sistemas de telecomunicaes, em razo das caractersticas de atenuao mais favorveis.

Na classe dos vidros, considerando-se a janela espectral tpica das fibras atualmente

entre 0,7 e 1,6 m , destacam-se dois tipos fundamentais:

vidros de slica (SiO2) pura ou dopada;

vidros multicompostos

A distino entre estes dois tipos de vidros para fibras pticas reside, principalmente,

nos processos de fabricao. Em ambos os casos, os materiais em questo tm uma estrutura

vtrea isotrpica e so transformados em fibra na forma de um fluido.

As fibras de vidros de slica com dopantes caracterizam-se por um processo de

fabricao baseado em duas etapas. Na primeira etapa fabricado, atravs de um processo de

deposio qumica de vapor, um basto de slica com a composio de dopantes (GeO2, P2O5,

B2O3 e F) (oxido de germnio, oxido de fsforo, oxido de boro, ferro) desejada para o ncleo

e a casca da fibra. Este basto de slica preliminar chamado de preforma, transformado

numa fibra ptica numa segunda etapa, atravs de um processo de puxamento em alta

temperatura (aproximadamente 2.0000 C).


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No caso das fibras de vidros multicompostos, principalmente so formados bastes de

vidro multicomposto, um para o ncleo e outro para a casca, pelo processo clssico de

fabricao de vidros a partir de materiais em p muito puros. Os bastes de vidro

multicopostos assim formatados so, ento, utilizados num processo de fuso direta, atravs

de um mecanismo conhecido como duplo-cadinho, para a formao da fibra ptica. Os vidros

multicopostos constituem-se principalmente de silicatos de baixo ponto de fuso (em torno de

1.000 C).

Os diversos mtodos de fabricao das fibras pticas pode ser ver na literatura

especializada e no sero tratados nesta oportunidade.

I.14.1 CABOS PTICOS

Os cabos pticos so estruturas de encapsulamento e empacotamento de fibras pticas

que tm como funes bsicas prover as fibras de:

proteo

facilidade de manuseio

As caractersticas de transmisso dos guias de onda luminosos so sensveis a

influncias mecnicas e ambientais. O cabeamento portanto, procura proteger a fibra ou as

fibras contra adversidades mecnicas ou ambientais durante a instalao ou operao do

suporte de transmisso. Por exemplo, os cabos pticos devem ser suficientemente resistentes

de modo a evitar que as fibras se quebrem com as tenses de puxamento do cabo durante a

sua instalao. Devem, tambm, prover a rigidez necessria a fim de prevenir curvaturas

excessivas nas fibras. No caso dos cabos submarinos transocenicos, pode ser necessrio que

os cabos pticos suportem, por exemplo, presses equivalentes a vrios quilmetros de

profundidade em gua salgada. Por outro lado, no caso dos cabos pticos areos, estes devem

permitir s fibras operarem adequadamente sob condies de temperatura extremas

(inverno/vero).

O desempenho de um cabo ptico pode diminuir ao longo do tempo, por trs razes

principais:

Atenuao crescente em funo da presena de hidrognio, que pode ser gerado

pela corroso metlica da estrutura de suporte fsico do cabo em presena de gua

ou pela decomposio de material plstico de revestimento;


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Fadiga esttica, podendo fazer com que uma fibra quebre anos aps a instalao

do cabo;

Envelhecimento trmico da estrutura do cabo, fazendo com que a atenuao

induzida por microcurvaturas aumente.

A estrutura de um cabo ptico deve facilitar o manuseio e as emendas com as fibras,

uma vez que uma parcela significativa dos custos atribudos ao cabo, num sistema de

transmisso, principalmente a longas distncias, est associada a dificuldades com os

procedimentos de instalao. importante, portanto, que os cabos, assim como as fibras,

tenham revestimentos facilmente removveis no campo, de modo a facilitar a instalao e

eventuais reparos. Normalmente, as fibras so codificadas com cores para rpida identificao

e organizadas em subunidades contendo tipicamente 12,24,36,48 fibras (presentemente

existem cabos com mais de 600 fibras). As estruturas e os procedimentos de instalao dos

cabos pticos variam conforme a aplicao (cabos internos, externos, areos, subterrneos,

enterrados, submarinos etc).

I.14.2 TIPOS DE CABOS

A fibra ptica , durante o processo de fabricao, revestida por uma camada de

plstico de proteo. Em alguns casos, esse revestimento de proteo bsica suficiente para

permitir que a fibra seja utilizada diretamente numa estrutura de cabeamento. Entretanto na

maioria das aplicaes, necessrio prover a fibra de proteo adicional atravs de um

procedimento conhecido por buffering.

O processo de buffering de uma fibra em um cabo ptico pode ser basicamente de dois

tipos:

Modo solto (loose)

Modo compacto (tight)


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I.14.3 MODO SOLTO

A estrutura de buffering em modo solto mostrado na figura 31. Um tubo

longo, com o dimetro interno muito maior que o dimetro da fibra, isolando-a das tenses nocabo (foras externas e contraes devido a variaes de temperatura). A fibra pode mover-se

livremente com relao as paredes do tubo. O material do tubo de buffering deve ser duro,

liso e flexvel. Este tipo de estrutura vantajosa para cabos submetidos a importantes tenses

durante a sua instalao ou em operao, tais como os cabos areos e cabos submarinos.

Tambm apropriado para os sistemas de comunicaes a longa distncia, onde crtico um

desempenho com baixas perdas a longo prazo.

Figura 31 Estrutura bsica de cabos pticos

I.14.4 MODO COMPACTO

A estrutura do modo compacto (tight) tambm ilustrada na figura 31. Uma camadade proteo em plstico duro (nylon ou polister) extrusada diretamente sobre a fibra

revestida. . Ao contrrio da estrutura em modo solto, neste caso, as fibras so submetidas

imediatamente s tenses aplicadas ao cabo. O encapsulamento de fibras em modo compacto

prev menores dimenses permitindo a realizao de cabos multifibras mais densos e maior

resistncia a foras de esmagamento.

Fibra revestida

buffering

buffering

Fibra revestida

Composto de

preenchimento


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II- O CLCULO DOS ENLACES SOBRE

FIBRAS PTICASO dimensionamento de um enlace de fibras pticas exige o atendimento dos requisitos

de Oramento de Potncia e Disperso. Uma vez que ambos parmetros so satisfeitospodemos confirmar a viabilidade do enlace.

Inicialmente consideremos duas localidades A e B a serem interligadas via fibraspticas, como ilustrada na figura 1.

Figura 1

OBS: Considerar emendas das fibras a cada 4 km

II.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAO

A atenuao degrada o sinal diminuindo a sua intensidade a nveis prximos sintensidades do rudo intrnseco do receptor.

Do ponto de vista sistmico, a degradao pode sempre ser compensada por umaumento na amplitude do sinal ptico disponvel. Esse aumento pode vir de um laser maispotente, um receptor mais sensvel ou uma fibra de melhor qualidade .

II.2 ORAMENTO DE POTNCIA - ENLACECONVENCIONAL

Para este tipo de enlace, vamos definir os seguintes parmetros:

Equipamentos de Transmisso e Recepo PT Potncia do transmissor (dBm) PR Sensibilidade do receptor ptico (dBm) M Margem de Segurana (dB)

Cabo ptico

UC Atenuao do cabo (dB/Km) Lt Comprimento total do cabo (Km) US Perda na emenda (dB)

LOCALIDADEA LOCALIDADEB


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NS Numero de emendas no cabo UCOM Perda no conector (dB) NCOM Numero de conectores

A figura 2 mostra estes parmetros.

PT (UC Lt) (UCON NCON) PR

(US NS)

Figura 2Sistema Optico

Formula do oramento de potncia

O oramento de potncia deve atender a seguinte equao:

PT - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M 0

II.3 EXEMPLO NUMRICO 1

II.3.1 CALCULO DO ENLACE PELA ATENUAO

II.3.1.1 ORAMENTO DE POTNCIA

Seja Lt = 150 Km (Comprimento total do cabo)Fibra ptica com Uc = 0,22 dB/Km (Perda da Fibra)

Ncon = 4 (No. de Conectores)Ucon = 0,5 dB (Perda por conector)Ns = 38 150 / 4 = 37,5 = 38 emendasUs = 0,1 dB (Perda por emenda)M = 3 dB

1.- Sistema STM 1 (155,52 Mbps)

Laser DFB da Bosch com densidade espectral 0,4 nm.PT = de -3 a 0 dbm (0 dBm ou 1 mw eh a potencia max)PR = de -47 a -8 dbm (-47 dBm eh a sensibilidade do Receptor)

Mxima disperso D = 3200 ps

emendasconector

TX RX


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2.- Sistema STM 4 (622,08 Mbps)

Laser DFB da Bosch com densidade espectral 0,2 nm.

PT = de -1 a 2 dbm

PR = de -37 a -8 dbmMxima disperso D = 800 ps

3.- Sistema STM 16

Laser DFB da Bosch com densidade espectral 0,15 nm.

PT = de -1 a 2 dbmPR = de -29 a -9 dbm

Mxima disperso D = 200 ps

II.3.1.2 CLCULOS:

Sabendo que: PT - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M 0At = Atenuao TotalAt = UC Lt + NCON UCON + NS US + M - GanhosAt = 150x0,22 + 4x0,5 + 38x0,1 + 3 0 = 41,8 dB

1.- STM 1 0 - 2 - 3,8 -33 - (-47) - 3 07,2 0 ok pela atenuaoPR = o dBm41,8 dB = -41,8 dBm > - 47 dBm

2.- STM 4 2 - 2 - 3 - 33 - (-37) - 3 0- 2,8 0 invivel

Pois,PR = 2 dBm41,8 dB = - 39,8 dBm < - 37 dBm

3.- STM 16 2 - 2 - 3 - 33 - (-29) - 3 0- 10,8 0 invivel

Pois, PR = 2 dBm41,8 dB = - 39,8 dBm < - 29 dBm

Comportamento da distncia em todos os casos:

PT - NCO N UCON - NS US - UC Lt - PR - M 0

PT - 2 -4

tL . 0,1 - 0,22 . Lt - PR - 3 0

Onde,


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245,0

5X

Lt onde X = Faixa Dinmica = PT - PR

1.1.- STM 1KmL

t

4,171245,0

547

PTPR = 0 (-47) = 47

1.2.- STM 4 KmLt 7,138245,0

539

PTPR = 2 (-37) = 39

1.3.- STM-16 KmLt 1,106245,0

531

PTPR = 2 (-29) = 31

II.3.1.3 CONCLUSO:

Considerando-se apenas a atenuao omente o enlace STM 1 ( 155 ,52 Mbit/s) vivel. Para viabilizar os outros enlaces seria necessrio melhorar a qualidade da fibra, utilizarLaser's com maior potncia ptica, ou receptores pticos com melhor sensibilidade, ou aindausar repetidores.

II.3.2 CALCULO DO ENLACE PELA DISPERSO

Em geral a degradao do sinal pela disperso no pode ser totalmente compensadapor um aumento do sinal. O fenmeno da disperso em fibras pticas (fibras monomodo)resulta como conseqncia de que o ndice de refrao do material que compe a fibra ptica,tem em geral uma dependncia no linear com o comprimento de onda ou freqncia pticatransmitida. Isto implica em diferentes atrasos (velocidades) de propagao para os vrioscomponentes espectrais de um dado modo de propagao. Dessa forma, as componentes debaixa freqncia que compem o pulso ptico podem chegar ao receptor em instantesdiferentes das componentes de alta freqncia desse pulso. Qualitativamente a disperso afetaa forma dos pulsos e manifesta-se como um alargamento e deformao do formato do pulso.Isto leva a uma maior dificuldade na distino do "1" binrio em relao ao "0" binrio, ouseja, ocorre a interferncia inter-simblica e o fechamento do diagrama de olho. Acompensao da disperso, pelo aumento de sinal, denomina-se Penalidade da Degradao

por Disperso ou simplesmente, Penalidade.

A diversidade de componentes espectrais transmitidos imposta pelas fontesluminosas, que se caracterizam de uma maneira geral, por emisso de luz policromtica, isto, emisso em vrios comprimentos de onda em torno de um comprimento de onda central.

Para sistemas de alta capacidade, em geral maiores que 622 M bit/s, os enlacestendem agora a ser limitados por problemas relacionados com a disperso da fibra ptica.


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Para comprovar a viabilidade do enlace sob o ponto de vista da disperso devemosaplicar a seguinte frmula:

..

10.31,06

BDLt

Onde:Lt = Comprimento total do enlaceD = Disperso da fibra em ps/nm.KmB = Taxa de transmisso em G Bit/s = Largura espectral da fonte ptica (nm)

o valor 0,31.106 uma constante.

Considera-se que se esta relao satisfeita, o sistema de transmisso por fibra ptica

apresenta Penalidade inferior a 1 dB.Denomina-se em geral, "penalidade" a degradao da sensibilidade original doreceptor ptico devido aos rudos de batimento. Entretanto apenalidade pode ocorrer tambmpela gerao de efeitos no lineares na fibra ptica. Estes efeitos aparecem devido a altapotncia que pode estar presente na fibra ( 18 dB) em combinao com espectros de Lasersmuito estreitos ( como os usados nos sistemas DWDM, por exemplo), ncleos de fibrasreduzidos (principalmente em fibras comDisperso Deslocada) e disperso prxima de zero.

Apenalidade um fator que deve ser levado em considerao principalmente quandose utilizam amplificadores pticos e em geral, est includo na Margem de Segurana (MS).

A expresso de limitao de disperso do enlace mostra se bastante dependente dosfatores acima citados. Dado que a taxa de transmisso um valor prefixado, para que o enlace

obedea a condio de disperso para penalidade mnima devemos projetar o enlacetrabalhando com osparmetros Disperso da fibra (D) eLargura espectral da fonte ().

II.3.3 CONTINUAO DO EXEMPLO NUMRICO 1:

II.3.3.1 CALCULO PELA DISPERSO

Para sistemas de baixa capacidade ( em geral menores que 622 Mbit/s), os enlaces pordisperso so em geral sempre viveis, portanto para D= 18, temos.

Comprovao numrica:

..

10.31,06

BDL

t

1.- STM 1 KmLt 2774,0.155,0.18

10.31,06

2.- STM 4 KmLt 4,138

2,0.622,0.18

10.31,06


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3.- STM 16 KmLt 92,4515,0.5,2.18

10.31,06

II.3.4 CONCLUSO GERALPara a distncia considerada , o enlace vivel unicamente para enlaces com taxas de

155,52 Mbit/s. Nos demais casos seria necessrio utilizar regenerao ou repetio eletrnica(back to back ou costa -a - costa) ou ainda Amplificadores pticos (Amplificadores dePotncia ("Boosters"), "Per- Amplificadores" ou "Amplificadores de linha").

II.4 EXEMPLO NUMRICO 2

Sejam agora duas localidades distantes entre si de 300 Km. Queremos viabilizar oenlace para taxas de transmisso de 155,52 Mbit/s, 622 Mbit/s e 2,5 Gbit/s. Dimensionar oenlace e determinar os pontos de regenerao. Utilizar os mesmos dados do exemplo 1. Afigura 3 mostra esta situao.

II.4.1 CALCULO DO ENLACE - ORAMENTO DE POTENCIARealizar igual exemplo 1.

II.4.2 CALCULO PELA DISPERSO

Realizar igual exemplo 1.2.1.- STM 1

Do exemplo anterior este enlace alcana 171 Km pela atenuao e 277 Km peladisperso. Portanto necessrio um ponto de repetio, que pode ser na metade da distnciatotal.

Figura 3 Regenerao costa -a- costa

ADM

155

ADM

155

ADM

155

ADM

155

REPETIDORcosta -a- costa

LOC A LOC B

150 km 150 Km

300 Km


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2.2.- STM 4

Tambm do exemplo anterior podemos deduzir que para esta taxa detransmisso (622 Mbit/s), o enlace fica limitado a 138,6 Km pela atenuao e 138,4 peladisperso.

Portanto este enlace s fica viabilizado com dois pontos de regenerao, conformemostrado na figura 4 seguinte.

Figura 4 Regeneradores costa -a- costa

2.3.- STM 16

Seguindo o mesmo raciocnio, podemos observar que para esta taxa detransmisso, o mecanismo dominante o clculo pela disperso, que limita a distncia entrerepetidores a 45, 92 Km e portanto neste casso necessitaramos 6 pontos de regenerao,conforme a figura 5 mostrada a seguir.

42,5 43 43 43 43 43 42,5

Figura 5 Enlace com repetidores

Destes dois exemplos numricos, podemos concluir que o clculo de enlaces,conforme a distncia a ser vencida bem como das taxas de transmisso a serem transmitidas,tem forte dependncia dos parmetros acima especificados.

ADM622

ADM622


LOC A LOC B

100 Km 100 Km

300 Km

ADM622

ADM622

ADM622

ADM622


100 km

ADM2,5 Gbit/s

ADM2,5 Gbit/s


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II.5 INTRODUO A AMPLIFICAO PTICA

Fundamentalmente os parmetros dominantes que influenciam o alcance dos sistemasde comunicaes por fibras pticas so: a potncia do transmissor a sensibilidade do receptora atenuao da fibra ptica utilizada e a disperso da mesma. A limitao que estes

parmetros impem tanto em distncia como em taxas de transmisso, superada pelaregenerao peridica do sinal. Em geral a regenerao consiste na converso optica-eletrica-ptica (tipo back to back ou costa a costa)do sinal para cada sistema transmitido pelo par defibras, e obviamente torna-se cara e tecnicamente complexa, j que, ao aumentar a taxa detransmisso os pontos de regenerao, em geral , no so os mesmos. A regenerao do sinalptico foi e ainda , comum mente utilizada tanto em sistemas limitados pela atenuaocomo pela disperso.

Entretanto, nos ltimos anos a substituio dos amplificadores eletrnicos poramplificadores pticos, potencialmente mais baratos e simples foram popularizados.

Conforme a localizao dos amplificadores pticos , os mesmos recebem diferentesdenominaes. Quando instalados em substituio de regeneradores eletrnicos, isto , aolongo do enlace, so denominados Amplificadores de Linha. Esta substituio pode serempregada sempre que o desempenho do sistema no seja comprometido pelo efeitocumulativo da disperso e rudos gerados nos amplificadores em cascata. Esta soluo particularmente atrativa na moderna introduo de sistemas WDM (e DWDM) e suasmltiplas portadoras. A figura 6 ilustra o principio do WDM.

. .

. .

. .

. .. .

. .

Figura 6 Principio do WDM

Os amplificadores pticos so tambm comumente empregados em conjunto com ostransmissores de modo a aumentar a potncia de sada do mesmo. Os amplificadores queoperam nesta configurao so chamados de Amplificadores de Potncia ou "Boosters".

linhas de

transmissoseparadas

W DMUso mltiplo de

amplificadorespticos e fibras

n

1 ..n


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Similarmente, tambm so empregados com o subsistema de recepo, de modo a aumentar asensibilidade na recepo. Nesta configurao so chamados de Pr-Amplificadores.

II.5.1 OS MECANISMOS DA AMPLIFICAO PTICA

Um Amplificador ptico a Fibra (AOF) em sua forma mais simples composto porum pequeno comprimento de fibra dopada, um multiplexador de comprimento deonda(WDM) e um laser semicondutor.

Para operao na regio de 1550 nm, a fibra dopada com o elemento qumico rbio(terra rara) ou rbio/Itrbio. J para operao na regio de 1300 nm, a fibra deve ser dopadacom aos elementosNeodmio ou Praseodmio (tambm terras raras).

A fibra dopada o corao de amplificador, donde os mecanismos de amplificaoiro ocorrer. Para a ativao dos ons dopantes presentes na fibra, utiliza-se energia pticafornecida por um laser semicondutor de alta potncia (dezenas de miliwatts), conhecido comolaser de bombeamento. Estes lasers emitem energia ptica em comprimentos de onda nosquais os ons dopantes absorvem esta energia conforme ilustra a figura 7.

.98 1.06 1.32 1.33 1.48 1.56 m

Figura 7 Regies de absoro e emisso das Terras Raras

A luz proveniente do laser de bombeamento absorvida pelos ons de Er3 da fibra

dopada excitando-os do estado natural para nveis de energia mais elevados. Na transio doestado excitado para o estado natural, um fotn com em torno de 1550 nm emitido naregio de emisso. Quando estimulados por fotns do sinal a ser amplificado, os onsretornam ao seu estado fundamental e emitem esta energia na forma luminosa no mesmocomprimento de onda deste sinal.

Outra parte dos ons retornam espontaneamente ao estado natural emitindo umaenergia luminosa no combinada coerentemente com o sinal, esta energia luminosa tambmamplificada e conhecida como Emisso EspontneaAmplificada (ASE) e constitui naverdade umRudo ptico que acompanha o sinal amplificado na sada da fibra dopada. Emalgumas situaes parte da potncia de bombeamento remanescente pode tambmacompanhar o sinal amplificado. Dependendo do sentido de bombeio pode-se ter as seguintes

WDM fibra dopada

laser de bombeamento

Pr

Nd Er, Er.Yr


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configuraes: co-propagante, contra-propagante, duplo bombeio co-propagante e duplobombeio bidirecional, conforme ilustrado na figura 8 seguinte.

A funo do WDM combinar na fibra dopada, tanto a potncia do sinal a seramplificado como a potncia de bombeamento.

sinala)

b)

c)

d)

Figura 8 As configuraes bsicas de um Amplificador Fibra Dopada com Erbio (AFDE). a)copropagante b) contra-propagante c) duplo bombeio copropagante d) duplo bombeiobidirecional.

A configurao co-propagante, isto , quando o sinal se propaga na mesma direoque a potncia de bombeio dentro da fibra dopada usada em amplificadores onde o Rudoptico do amplificador um fator limitante no enlace. O inverso, ou seja, a propagao dosinal em direo oposta a da potncia de bombeamento caracteriza a configurao contra-popagante, que utilizada em amplificadores de alta potncia de sada.

Na prtica composies mais complexas de amplificadores pticos podem serencontrados. Para otimizar o desempenho dos amplificadores pticos acrescentam-se aindacomponentes tais como isoladores pticos e filtro pticos. A funo do isolador impedir o

fibra dopada

WDM


Er3

sinal

WDM

Er3

sinal

bombeamento bombeamento

WDM

sinal

Er


WDM

Er3

sinal sinal

WDM

bombeamentobombeamento

Er3

sinal

WDM

sinal


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retorno de reflexes de luz provenientes das extremidades do amplificador. Tais reflexestornam o amplificador instvel em vrias situaes de utilizao. A funo do filtro deixarpassar apenas o sinal amplificado e bloquear as potncias de ASE e de bombeamnento queacompanham o sinal. So adicionados tambm ao circuito ptico dos amplificadores pticos afibra dopada , acopladores pticos para retirada de uma pequena parcela de sinal amplificada

que utilizada para monitorar seu desempenho. A figura 9 ilustra uma composio de umAOF com os componentes mencionados.

Figura 9 Circuito ptico de um AOF encontrado na prtica

As aplicaes tpicas dos Amplificadores pticos a Fibra (AOF) so ilustradas aseguir:

Aplicao do AOF como Amplificador de Potncia

Conforme mostrado na figura 10.a, nesta aplicao o AOF colocada logo aps oequipamento de transmisso com o objetivo de elevar a potncia ptica antes de seguir para oenlace de fibra ptica.

A vantagem desta utilizao, est no fato de que o AOF pode ser instalado na mesmaestao que o transmissor, podendo ter as mesmas facilidades de manuteno e superviso. Adesvantagem, que nesta aplicao, o ganho liquido proporcionado por seu uso no toelevado.

Aplicao do AOF como Amplificador de Linha

Esta a aplicao mais clssica dos AOF onde so obtidos ganhos lquidos maisexpressivos. Como ilustrado na figura.10.b, os AOF so colocados na linha para manter onvel de sinal elevado de maneira a vencer a atenuao total do enlace. Os Amplificadores de

Linha substituem os regeneradores eletrnicos com muitas vantagens pois os mesmospossuem elevada largura de Banda Eltrica, elevada largura de Banda ptica, transparncia ataxa e ao formato de transmisso (amplificam tanto sinais analgicos como digitais), opera

com muitos comprimentos de onda, vantagem principalmente importante em sistemas WDM,opera em forma bidirecional, possui baixo consumo e dimenses reduzidas.

fibra dopada

laser debombeamento

Er3

sinalWDM SPL

det

sinal

isolador spliter

detetor

conectores

filtroptico


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Aplicao do AOF como Pr-Amplificador

Conforme ilustrado na figura 10.c o Pr-Amplificador colocado antes da recepoptica com o objetivo de melhorar a sensibilidade do receptor. O Pr-Amplificador apresentaas mesmas vantagens e desvantagens j mencionadas para o amplificador de potncia,

inclusive quanto a sua incorporao ou no no equipamento de recepo ptica.

Figura 10 Tipos de aplicaes para AOFs

A escolha da utilizao de um determinado tipo de amplificador em um enlace feitaem funo da atenuao total da linha e da banda dinmica do equipamento de transmisso.

A primeira opo a ser analisada o uso de um nico Amplificador de Potncia tendoem vista a simplicidade de utilizao. A segunda opo o uso de um Amplificador dePotncia mais um Pr-Amplificador, que utilizada geralmente quando uma repetio

intermediria no econmica ou tecnicamente recomendada. A prxima opo o uso deAmplificadores de Linha com o sem Amplificadores de Potncia ou Pr-Amplificador.

Do acima exposto podemos concluir que a escolha de um modelo ou outro vaidepender do comprimento do enlace, dos equipamentos utilizados, do tipo da fibra escolhida,da infra-estrutura disponvel e principalmente do bom senso de projetista.

Alguns parmetros importantes a serem considerados no uso deAmplificadores pticos

Existem vrios parmetros de amplificadores que devem ser analisados sob o ponto devista do prprio equipamento(amplificador) e sob o ponto de vista de sua influncia na rede.

Entre os parmetros do equipamento destacamos:

Ganho (GAOF) Figura de Rudo (NF) Banda de Amplificao (Bampl) Potncia de ASE (PASE)

Como a amplificao elevao do sinal, esta funo relaciona-se imediatamente com

o parmetro Ganho do amplificador GAOF . Se Pin a potncia ptica de entrada e Pout apotncia ptica de sada no amplificador, o Ganho definido como sendo:

Tx

Rx

Rx

Tx

Tx

Rx

AOF

AOF

AOF

a)

b)

c)


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in

ASEoutL

ampP

PPG

onde:

PASE a potncia de ASE na sada do amplificador Gamp

* o ganho expressa o quanto a potncia ptica de entrada foi elevada. Esteparmetro tem forte dependncia com outros parmetros, tais como:

Pin Potncia de entrada no Amplificador Comprimento de onda de operao () Potncia ptica de bombeamento (Ppump)

A operao em regies de baixo sinal de entrada, tipicamente menores que - 30 dBmclassifica o amplificador para ser utilizado como amplificador de linha ou Pr-amplificador,

como indicado na figura.11. Nestes casos, o ganho elevado ( 20 dB), porm, o rudo desada, ou seja , a Potncia de ASE (PASE) elevada.Para potncia de entrada elevada ( -10 dBm) onde o amplificador usado como

amplificador de potncia o ganho menor ( 20 dB), porm a potncia de ASE menor.

O sobre ndiceL indica que a varivel expressa na forma linear. Para obter-se este valor em dB, bastaaplicar a seguinte equao: Var = log (Var L)

Figura 11 Ganho e Figura de Rudo x Potncia de Entrada

O ganho apresenta variaes tambm em relao ao comprimento de onda do sinal queser amplificado.


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Dentro da banda ptica de amplificao (Bopt) e para sinais baixos, ( - 30 dBm) osAmplificadores a Fibra Dopados com rbio ADFE apresentam dois picos com ganho maiselevado como pode ser visto na figura 12.

Figura 12 Ganho x Comprimento de Onda (Sinais Baixos)

Um pico centrado em torno de 1536 nm e o outro em torno de 1550 nm. Entre elessitua-se um vale, ou seja uma regio de ganho mnimo. A diferena entre os ganhos mximo emnimo pode chegar a valores superiores a 10 dB. Alm de 1560 nm e antes de 1530 nm oganho cai rapidamente, portanto estes dois comprimentos de onda praticamente definem aregio de trabalho dos amplificadores, ou seja a Banda ptica de amplificao (Bopt). Parasinais de entrada elevador ( 10 dB) a curva do ganho praticamente plana com ocomprimento de onda, mantendo porm os limites de amplificao entre 1530 e 1560 nm.

Como mostrado na figura 13.

Figura 13 Ganho x Comprimento de onda (Sinais Altos)

Finalmente o ganho pode ser variado quando alteramos a potncia de bombeamento

que ativa os ons de Er3+

presentes na fibra dopada.Existe uma potncia de bombeamento mnima, na qual o ganho igual a zero, comoilustrado na figura 14. Para potncias abaixo desta, o amplificador se comporta como um


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atenuador de sinal. Para potncias acima deste limiar o ganho aumenta rapidamente com oaumento da potncia de bombeamento e depois satura-se, ou seja aumenta muito pouco oganho para potncias de bombeamento maiores.

Figura 14 Ganho x Potncia de Bombeio

Uma caracterstica bastante interessante dos amplificadores de potncia, que eles sopraticamente insensveis s variaes de potncia de entrada, como pode ser observado nafigura 15.

Figura 15 Potncia do sinal de Sada x Potncia do Sinal de Entrada

A potncia de ASE que o resduo de potncia ptica no aproveitada nos processosde amplificao apresenta variaes idnticas as do Ganho em relao a potncia de entrada,comprimento de onda e potncia de bombeio.

O parmetro que mostra o quanto o amplificador ptico acrescenta de rudo ao sinalamplificado aFigura de Rudo (NF noise figure), que dada simplificadamente por:


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0

317

).1(

..10.66,1

BG

PNF

AOF

ASEL

A Figura de Rudo bastante dependente da potncia de entrada no amplificador e

com o comprimento de onda de bombeamento.Existem ainda outros parmetros que mostram o efeito da utilizao dosamplificadores pticos em um sistema de comunicaes. So eles:

Penalidade por rudos de batimento Penalidade pela gerao de efeitos no lineares

Rudos de batimentos so rudos causados pela combinao das potncias de ASE comela prpria e com a potncia de sinal no sistema de recepo ptica. Para entendermos comoocorre a formao destes rudos devemos lembrar que a potncia de ASE pode ser divididaespectralmente como uma srie de portadoras pticas, como ilustrado na figura 16.

Figura 16 Espectro de ASE com suas componentes

As portadoras pertencentes ao espectro da potncia de ASE e tambm a potncia deSinal so ondas eletromagnticas que se combinam (batimento, modulao) no processo deconverso ptico-eltrico que ocorre no fotodetetor do receptor ptico. O efeito do batimento tal que para cada duas portadoras combinadas produz-se uma nova freqncia que a soma

dos comprimentos de onda de cada uma e tambm a diferena dos comprimentos de onda decada uma. O produto da soma no aproveitado no sistema de deteco, uma vez que se tratade uma freqncia fora do alcance do fotodetetor. Porm o produto da diferena pode serabsorvido pelo fotodetetor, uma vez que se trata de uma baixa freqncia. O resultado dosprodutos da diferena de todas as combinaes das portadoras pticas de ASE e sinal entre siproduz os rudos de batimento de ASE-ASE e ASE-Sinal. Conforme mostrado na figura 17,este rudo degenera o sinal digital gerando erros na deteco.


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Figura 17 Batimento entre portadoras pticas

Denomina-se Penalidade a " degradao da sensibilidade original do receptor ptico(sem amplificadores) devido aos rudos de batimento.

A Penalidade pode ocorrer tambm pela gerao de efeitos no lineares na fibraptica ( 18 dBm) em combinao com espectros de Lasers super estreitos, ncleos de fibras

reduzidos, como fibras com disperso deslocada por exemplo, e disperso prxima a zero.

II.6 O CALCULO DOS ENLACES SOBRE FIBRAS PTICASUSANDO AMPLIFICADORES PTICOS

Alem das consideraes feitas nas paginas 2 e 3, quando do calculo dos enlacespticos convencionais, devemos introduzir agora na utilizao dos amplificadores pticos osseguintes parmetros:

Amplificador ptico

GAOF Ganho do Amplificador (dB) PT

' Potncia de Sada (dBm) PASE Potncia ASE na sada do AOF (W) BASE Banda ptica de ASE (Hz) FR Figura de Rudo (linear, adimensional) PR

' Sensibilidade do Pr-Amplificador (dBm) PAOF Penalidade de potncia devido ao amplificador ptico (dB)

B0 Banda ptica (THz)? BE Banda eltrica (MHz)


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II.6.1 ORAMENTO DE POTNCIA

Enlace com Amplificador de Potncia

A figura 18 ilustra o diagrama de um enlace com amplificador de potncia ou"booster", com todas as variveis de um enlace de fibra ptica que devem ser computados nooramento de potncia.

PT (UC Lt) (UCON NCON) PR

(US NS)

Figura 18 Diagrama de um enlace e suas variveis para o oramento de potncia

Formula do oramento de potncia com amplificador


P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M 0

Exemplo 1

Determinar qual a potncia de sada de um amplificador de potncia para vencer asperdas de um enlace ptico com os seguintes parmetros:

Lt = 140 KmNcom = 4

Ucom = 0,5 dBNS = 28 (140/5)US = 0,1 dBUC = 0,25 dB/KmPR = - 34 dBm (622 Mbit/s) eM = 3 dB

P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M 0

P'T - 4.0,5 - 28.0,1 - 0,25.140 - (-34) - 3 = 0

P'T = 8.8 dBm

RXTX

emendasconector

amplificadorde potncia

P'T


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Consideraes prticas

De posse do valor de potncia mnima para o atendimento do oramento de potnciado enlace, pode-se escolher um equipamento comercial conforme a classe de potncia de

sada. Em geral existem amplificadores de potncia com sada de 10 dBm, 13 dBm, 16 dBm,18 dBm, 21 dBm etc,. Amplificadores com potncia de sada maior que 13 dBm usamconfiguraes internas com dois Lasers de bombeio, o que aumenta seu preo e em geralreduz a confiabilidade. O uso de Amplificadores com Potncias acima de 18 dBm, podemcausar na fibra um efeito chamado de Espalhamento de Brilloim (SBS). Este efeito que s significativo para nveis de potncia elevados, resulta na transferncia de potncia de ummodo para si mesmo, principalmente na direo contraria de propagao, e em outrafreqncia, portanto parte da potncia injetada na fibra do enlace perdida por esteespalhamento . O espalhamento de Brillouin mais acentuado em fibras com ncleosmenores, como as fibras com disperso deslocada, por exemplo. Tambm o espalhamento mais acentuado quanto menor a largura espectral dos Lasers de sinal usados.

O limiar de Brillouin (que a potncia mnima na qual o espalhamento inicia) tantomaior quanto maior for a taxa de modulao em cima do laser de sinal. Esta potncia delimiar dada por:

PBrillouin = 4,4 . 10-3 . d2 . 2 .f . [watts]

Onde: d [mm] o dimetro do ncleo da fibra [m] o comprimento da onda de operaof[dB/Km] a atenuao da fibra [GHz] a largura de faixa da fonte luminosa

Proteo contra radiao ptica

Os amplificadores pticos, principalmente os de potncia devem possuir um controleautomtico de desligamento ou reduo da potncia do laser de bombeamento em caso de

ausncia de potncia de entrada. Isto necessrio para que eventuais operadores de sistema outcnicos de reparao de cabos no sofram danos devido a alta potncia ptica emitida porestes amplificadores.

Superviso

A superviso de um amplificador de potncia, pode ser feita de maneira similar ao que feito no equipamento de transmisso, como ilustrado na figura 19.Em geral cada fabricantepossui uma interface proprietria para superviso destes equipamentos. Porm o sistema desuperviso deve estar preparado para comunicao com nveis superiores de gerenciamento

(Q3). Os alarmes que devem ser supervisionados no Amplificador de Potncia so: queda desinal de entrada, queda de potncia de bombeio e queda de tenso de alimentao.


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Figura 19 Esquema para Superviso de Amplificador ptico

Enlaces com Amplificador de Potncia e Pr-Amplificador

Quando um Amplificador de Potncia no suficiente para vencer as perdas doenlace, a opo preferencia a do acrscimo de um Pr-Amplificador no lado oposto doenlace, como mostrado na figura 20.

PT P'T (UC Lt) (UCON NCON) P'R PR

(US NS)

Figura 20 Enlace com Amplificador de Potncia e Pr-Amplificador

Oramento de potncia com amplificador e Pr-Amplificador


P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt - P'R - M 0

Exemplo 2

Considere o exemplo 1 porm com Lt = 180 Km e P'R = - 42 dBm (sensibilidade),neste caso NS = 36 (180/5). Qual o novo valor para P' T ?.

Tx

SSX

Sistema de Superviso localp/centralizado

TX

Pr-amplificadoramplificadorde potncia

RX


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Resolvendo a equao acima obtemos: P'T 11,6 dBm. Este resultado indica umamplificador com potncia de sada de 13 dBm.

Consideraes prticas

Os Pr-Amplificadores utilizam em sua configurao interna um componente pticochamado de filtro ptico. Sua funo filtrar , ou reduzir as potncias de ASE e debombeamento que podem estar presentes na sada do amplificador. A necessidade de filtrospticos sintonizveis em geral eleva o custo do Pr-amplificador em relao ao Amplificadorde Potncia.

A sensibilidade do Pr-amplificador (P'R) quando no citada pelo fabricante pode ser

calculada utilizando-se a seguinte frmula:

P'R = (PR + GAOF - PAOF)

A escolha do comprimento de onda de sinal no crtica dentro da banda deamplificao, mesmo que, como o caso dos Pr-Amplificadores que trabalham com baixosinal de entrada, onde o ganho bastante dependente do comprimento de onda. Isto verdadepois o ganho liquido do Pr-Amplificador depende da potncia de ASE, e como vistoanteriormente a potncia de ASE tambm diminui com a diminuio do ganho. Desta forma adiminuio do ganho compensada pela diminuio da potncia de ASE, e portanto causandomenor penalidade de potncia.

Superviso

Utiliza o mesmo esquema dos Amplificadores de Potncia. A figura 21 ilustra odiagrama completo para o enlace com Pr e Amplificador de potncia.

Figura 21 Superviso com Pr e Amplificador de potncia

Enlace com Amplificadores de Linha

O uso de um Amplificador de linha uma situao bastante particular, que podeocorrer em funo de situaes geogrficas especificas. Como o Amplificador de linha um


Tx

SSX


Rx

SSX


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amplificador ptico, substitui em muitos casos com vantagens, a regenerao eltrica, e setorna particularmente importante com o advento dos sistemas WDM e DWDMprincipalmente.

Oramento de potncia com amplificador de linha

O oramento de potncia neste caso, deve atender a seguinte equao:

PT - NCON UCON - NS US - UC Lt + GAOF - PR - M 0

Exemplo 3

Considere o exemplo 2 porm com Lt = 200 Km e PT = - 3 dBm , neste caso NS = 40(200/5). Qual seria o ganho necessrio do amplificador para vencer as perdas do enlace? Afigura 22 esquematiza o uso do Amplificador de Linha.

Resolvendo a equao acima obtemos: GAOF = 28 dB.

Figura 22 Enlace utilizando Amplificador de Linha

Consideraes prticas

A utilizao do amplificador ptico com baixo sinal de entrada ( - 30 dB) que asituao tpica para uso de um nico amplificador de linha deve ser seguida de uma criteriosaescolha do comprimento de onda do sinal, uma vez que para baixo sinal de entrada o

amplificador ptico tem seu ganho bastante dependente com o comprimento de onda (comomostrado na figura 12). A melhor posio para instalao do amplificador de linha unitrio entre 40 a 60 % do comprimento do enlace, onde a influncia da potncia de ASE de sada bastante minimizada.

RXTX

amplificadorde linha

PT PR(UC,Lt) (US,NS)

(Ucom,Ncom)


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Superviso

Amplificadores de linha devem utilizar superviso de linha ptica (quando usados empontos remotos) o que encarece o sistema e o torna mais complexo. A figura 23 ilustra uma

configurao tipicamente adotada para superviso de amplificadores de linha, onde utiliza-setransmisso WDM para o canal de superviso.

Figura 23 Superviso em Amplificadores de Linha

Enlace com Amplificador de Potncia, Pr e Amplificadores de linha

Enlaces com mltiplos amplificadores so geralmente usados em cabostransocenicos. Quando vrios amplificadores pticos so concatenados, como mostrado nafigura 24, ocorre o acumulo de rudo ptico ou potncia de ASE na linha. Este acumulo temdois efeitos importantes que so: aumento da penalidade e conseqente elevao do ponto deoperao dos amplificadores para a regio de saturao de ganho. Por este motivo nestesenlaces prefere-se distanciar os amplificadores em distancias menores de tal forma que elesoperem em regies onde a potncia de ASE menor, de forma a trabalhar com nveis depotncia de entrada entre -20 a - 15 dbm para garantir uma boa relao sinal/rudo na linha.

PT P'T P'R PR

Figura 24 Enlace com Amplificadores de linha

Tx

Rx

AFDE

Tx

superviso supervisoprocessamento

Rx

Rx Tx

Tx Tx

Tx Rx

Rx

Rx

AFDE

sinal

su erviso

RXTX

Pr-amplificadoramplificadorde potncia

amplificadorde linha 1

amplificadorde linha 2


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A seguinte equao poderia ser aplicada para o calculo do oramento de potncia doenlace:

P'

T - NCON UCON - NS US - UC Lt + nGAOF - P'R - M 0

Exemplo 4

Calcule o nmero de amplificadores de linha para um enlace de 500 Km com P'T =16 dBm, P'R = - 25 dBm (para taxa de 2,5 Gbit/s), N S = 100, GAOF = 25 (Potncia deentrada = - 15 dBm) e os demais dados similares ao do exemplo 2.

Efetuando os clculos encontramos que n 3,9 ou n = 4 amplificadores.

Consideraes prticas

Devido as caractersticas intrnsecas dos amplificadores a fibra, dopada com rbio,quando da utilizao de amplificadores de linha em cascata ocorre um efeito de concatenaode ganho no enlace. Este efeito tal que privilegia o comprimento de onda centrado em 15558nm 2 nm. Portanto este comprimento de onda dever ser especificado para operao deenlaces com mltiplos amplificadores pticos. Deve-se avaliar criteriosamente o valor dasensibilidade do Pr-Amplificador frente a presena de potncia de ASE acumulada. ASuperviso feita como nos casos anteriores.

Exemplo 5

Consideremos agora um enlace hipottico de 256. Km (distncia aproximada entreSMA e PAE por exemplo).

Lt = 256 Km (256/4 = 64 emendas)Taxa de transmisso 2,5 Gbit/sFibra escolhida SM - 9/125 PirelliAtenuao = 0.2 dB/Km

Disperso cromtica D 18 ps/nm.KmLargura espectral da fonte ptica = 0,15 nmEquipamentos pticos Bosch com PT = 2dBm, PR = - 29 dBmAmplificador de Potncia (Booster) da Xtal AO - 48(bom. duplo) P'T = 16 dBmDisperso mxima TD = 200 nm

Viabilizao do enlace

Pela Atenuao:

PT - NCON UCON - NS US - UC Lt - PR - M 02 - 4.0,5 - 64.0,1 - 0,2.Lt - (- 29) - 3 0


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2 - 2 - 6,4 - 0,2.Lt + 29 - 3 0

0,2 Lt = 19,6

Lt = 98 Km

Pela Disperso:

..

10.31,0 6

BDLt

KmLt 4515,0.5,2.18

10.31,06

Concluso

O enlace invivel tanto pela atenuao como pela disperso. Ainda podemos afirmarque o emprego de um Booster e de um Pr-amplificador tambm no resolveriam o problema.Portanto teremos que utilizar amplificadores de linha.

Escolhemos um Amplificador de linha com Ganho de GAOF = 27 dB.

Passamos ento agora a determinar o nmero de repetidores de linha necessrios no enlace:

PT - NCON UCON - NS US - UC Lt + nGAOF - PR - M 0Considerando 2 conectores por Amplificador:

2(4 + 2n)x0,5 - 6,4 - 51,2 + n . 27 + 29 - 3 0-57,6 + 26n + 26 > 0

26n=>31,6 e n= 1,215 ou

31 + n . 26 - 62,6 0

n 1,215 2 amplificadores de linha

O esquemtico do enlace ficaria assim:

Verificao 24 (8 connx05 dB;Conn) - 6,4 - 0,2 Lt + 2. 27 + 29 - 3 0

Tx Rx

83 Km 90 Km 83 Km

PAE SMA


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KmLt

3732,0

4,1385

Concluso Sob o ponto de vista do oramento de potncia o enlace vivel.

A utilizao dos amplificadores de linha ao longo do enlace implicam na existencia deuma infra-estrutura adequada na rota de transmisso escolhida. Dependendo dascircunstncias,esta infra-estrutura pode no existir ou a sua instalao pode tornar dispendiosoo enlace. Vamos verificar ento como ficaria o enlace coma a utilizao de um nicoamplificador de linha e a adio na estao de transmisso de um amplificador de potncia oubooster .

Neste caso usamos a seguinte frmula:

P'T - NCON UCON - NS US - UC Lt + GAOF - PR - M 0

16 - 2 - 6,4 - 0,2 Lt + 27 - ( - 29 ) - 3 0

0,2 Lt = 72 - 11,4

Lt = 303 Km

Concluso

O enlace tambm vivel com a utilizao de um amplificador de linha e umamplificador de potncia ( de 16 dBm). Ter que verificar-se agora pela disperso.

Pela Disperso:

Pela disperso continuaramos com a mesma limitao de 45 Km, a menos quefaamos algumas mudanas ou no tipo da fibra escolhida ou na largura espectral da fonteptica.

Supondo que a fibra existente, o nico recurso que nos sobra mudar a fonte ptica.

Escolhemos ento um Laser com densidade espectral 0,1 nm. Ento:

..

10.31,0 6

BDLt

KmLt 8,681,0.5,2.18

10.31,06

Concluso:

Como o enlace fica limitado a 68 Km aproximadamente, devemos utilizar 4repetidores ao longo da rota.


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II.6.2 FIBRA COM DISPERSO DESLOCADA

As fibras com disperso deslocada so fibras projetadas para ter disperso mnima najanela de 1550 nm sendo o valor tpico da ordem de 2,5 ps/nm.Km. O uso da fibra com

disperso deslocada pode resolver a primeira vista o problema da disperso do enlace, pormoutros problemas podem advir do uso deste tipo de fibra. Em primeiro lugar estas fibras somais caras que as convencionais. Em segundo lugar estas fibras potencializam os problemasdos efeitos no lineares j comentados anteriormente (ver pagina 16). Estes efeitos estopresentes na fibra quando o sinal de transmisso (ou os sinais no caso de transmisso WDM) de potncia alta. Portanto quando existe a necessidade de utilizao de amplificadores depotncia e existem problemas de disperso a utilizao da fibra com disperso deslocada podeno ser a melhor opo de projeto.

Supondo hipoteticamente que no nosso exemplo a fibra disponvel seja uma fibra comdisperso deslocada, observamos que agora o enlace ficaria limitado novamente pela

atenuao, j que pela atenuao no haveria necessidade de repetio.

KmLt 4961,0.5,2.5,2

10.31,06

II.6.3 FIBRA COMPENSADORA DE DISPERSO

A fibra compensadora constitui-se em um pequeno trecho de fibra com valor dedisperso negativa e extremamente alta conforme ilustra a figura 25.

Este pequeno trecho de fibra compensadora pode ser utilizado em qualquer ponto doenlace para compensar o efeito da disperso de uma fibra convencional, como mostrado nafigura 26.

Figura 25 Disperso da fibra vs Comprimento de Onda

100

50

- 50

- 100

0

Disperso (ps/.nm.Km)

Fibra Convencional

Fibra Compensadora

Comprimento deonda ( m)

1,51,3 1,4 1,6


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Figura 26 Utilizao da Fibra Compensadora de Disperso no enlace

II.6.4 FIBRA COM GRADE

Existe um dispositivo que pode compensar o efeito de disperso de um enlace de fibraptica bastando instala-lo em qualquer ponto do enlace, da mesma forma que a fibracompensadora de disperso. Este dispositivo uma grade de difrao construda num pedaode fibra, conforme ilustra a figura 27

Figura 27 Esquema de um dispositivo compensador de disperso

As grades construdas no ncleo da fibra ptica tem a disperso bastante negativa.Estas fibras podem compensar grandes valores de disperso, porem trabalham dentro debandas pticas estreitas ( 2 nm), o que significa ser necessrio o casamento do comprimentode onda do sinal com o da banda da fibra com grade. Para insero no enlace as fibras comgrade necessitam de um componente conhecido como circulador ptico conforme mostra afigura 28.

Figura 28 Mtodo para insero da fibra com grade no enlace

TxFCD

RxFCD

Ncleo da Fibra

Pulso alargado

Pulso corrigido

Grade

Tx

RxCirculador

Fibra co m grade


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Modulao Direta vs Modulao Externa

Quando um Laser modulado diretamente sua largura de linha espectral alargada("chirp"). Conforme j comentado o alargamento da largura espectral do laser potencializa os

problemas de disperso do enlace. Devido a este efeito o uso de modulao direta em geralproibitiva em taxas de transmisso acida de 2,5 Gbit/s. Nestes casos a melhor opo para otransmissor ptico o uso de modulao externa. Na modulao externa um laser monomodooperando com corrente continua, isto , sem modulao, acoplado a um modulador externo(eletro-ptico ou ekletro-absortivo). O fato do laser no ser modulado implica em que estepreservar sua largura de linha estreita. A modulao do sinal ptico ocorrer, conformeilustra a figura 29, no modulador externo, atravs de efeitos que no causam problemas dealargamento no espectro de sinal.

Figura 29 Tcnicas de Modulao

II.7 WDM (WAVELENGTH DIVISION MULTIPLEX) ou

MULTIPLEXAO POR COMPRIMENTO DE ONDA

A Multiplexao em Comprimento de Onda (WDM) uma tcnica que consiste natransmisso simultnea de vrias portadoras pticas em comprimentos de onda distintos emuma nica fibra ptica. A vantagem do uso desta tcnica est na economia de fibras pticas deum cabo e no aumento da capacidade de um sistema, sem aumentar a hierarquia de

transmisso. Nas redes urbanas o aumento da capacidade pode ser utilizado para ofereceroutros servios bem como para alugar a capacidade excedente a outras operadoras. Nas redeinterurbanas o uso do WDM associado repetidores pticos reduz sensivelmente o nmero derepetidores eltricos necessrios, com a conseqente reduo de custos envolvidos naampliao de sistemas.Atualmente existem equipamentos que utilizam 80 comprimentos de onda

Apostila de Comunicacoes Opticas Ufrgs 20-11-09

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