Comunicacoes_opticas

8/8/2019 Comunicacoes_opticas

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Comunicao Digital I Sistemas de Comunicaes pticas

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Prof. Dr. Carmelo J. A. Bastos Filho Escola Politcnica de Pernambuco - UPE1

Captulo X Sistemas de Comunicaes pticasSistemas de comunicaes pticas so sistemas de transmisso que utilizam a luz

para transferncia de informao. Em um sistema bsico, tem-se o transmissor, que

constitudo por um dispositivo que converte o sinal do domnio eltrico para o domnio

ptico, o meio de transmisso, que guia a luz at o receptor, e o prprio receptor, que

responsvel por converter o sinal do domnio ptico para o domnio eltrico. Os

transmissores mais utilizados so os LEDs (Light Emitting Diodes) ou os LASERs (Light

Amplification by Stimulated Emission Radiation) (ambos sero abordados na seo 10.3).

Os receptores so fotodetectores, basicamente divididos em dois tipos, p-i-n ou APD( Avalanche Photodiode) (ambos sero abordados na seo 10.4). O meio de transmisso

mais comum a fibra ptica, apesar de existirem sistemas que transmitam informao no

domnio ptico pelo espao livre.

A fibra ptica determinou um marco histrico na evoluo dos sistemas de

comunicaes. As fibras pticas, que so estruturas finas e flexveis constitudas de vidro

ou plstico, permitem propagar o sinal de informao utilizando ondas de luz por longas

distncias. Atualmente, sistemas de comunicaes pticas utilizando fibras pticas

(doravante utilizaremos somente sistemas de comunicaes pticas para descrever estes

sistemas) compem a tecnologia que podem prover a maior banda de transmisso entre os

sistemas de transmisso conhecidos atualmente. O recorde de transmisso pertence a uma

equipe japonesa [Fukuchi 2001]. O experimento consistiu na transmisso de 10,92 Tb/s

utilizando 273 canais de 40 Gb/s utilizando tecnologia WDM nas bandas C, S e L (ver

seo 10.6).

Por esse e vrios outros fatores, a comunidade cientfica internacional investe muita

ateno nesta rea, pois os sistemas de comunicaes pticas ainda possuem um grande

potencial para novas descobertas e desenvolvimento.

O resto do captulo est organizado da seguinte forma: Na seo 10.1 ser

apresentado um breve histrico sobre comunicaes pticas; Na seo 10.2 esto descritos

alguns fundamentos bsicos sobre fibras pticas; na seo 10.3 e 10.4 so discutidos os

dispositivos optoeletrnicos para transmisso e recepo, respectivamente; Na seo 10.5

so apresentados dispositivos para aumentar o alcance dos enlaces; Na seo 10.6 so


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discutidas as nuances da utilizao da tecnologia de multiplexao por diviso de

comprimentos de onda (WDM, Wavelength Division Multiplexing); Na seo 10.7

discutida uma medida importante de desempenho de sistemas, a taxa de Erro por bit (BER,

Bit Error Rate); Na seo 10.8 so apresentados os conectores pticos e na seo 10.9 so

discutidas as perspectivas para evoluo dos sistemas de comunicaes pticas para redes

pticas de alta velocidade. Na seo 10.10 esto listadas algumas referencias para leitura

complementar.

10.1. HISTRICO DAS COMUNICAES PTICASAo longo da histria vrios fatos foram importantes para definir a atual tecnologia

dos sistemas de comunicaes pticas. Os primeiros passos foram os estudos e as

descobertas sobre a luz e os efeitos correlacionados com sua propagao. Em 1621,

Willebrod Snell descobriu dois efeitos comportamentais sobre a propagao da luz que

ficaram conhecidas como as leis de Snell. Basicamente estas leis modelam a reflexo e

refrao em uma interface entre dois meios com ndices de refrao diferentes segundo as

condies da ptica geomtrica. Em 1678, Christian Huygens modela a luz como onda e

alguns anos depois, De Brouglie discute sobre o comportamento dualstico onda/matria da

luz. Em 1800, William Herschel descobriu a regio infravermelha do espectro e, um ano

aps, Ritter descobriu a regio ultravioleta do espectro.

Em 1870, John Tyndal mostrou Royal Society, do Reino Unido, um efeito que

motivaria a criao das fibras pticas dois sculos depois. Foi mostrado que a luz se curva

para acompanhar um esguicho de gua. Isto decorre do efeito de reflexo interna total que

ser descrito detalhadamente na prxima seo 10.2.Por volta de 1930, algumas estruturas capazes de guiar de luz foram desenvolvidas

comPerspex para iluminar cirurgias. Em 1950, pesquisadores comeam a sugerir o uso de

uma casca em volta da fibra para guiar a luz. Estes novos dispositivos chamados

fibrescopes foram desenvolvidos, mas na poca o custo para produo ainda era proibitivo.

Em 1952, O fsico indiano Narinder Singh Kanpany prope a idia de utilizar estas

estruturas para transmisso de informao, surge ento o termo fibra ptica, empregado


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pela primeira vez em 1956. Nesta ocasio, uma equipe do Laboratrio Bell (USA)

composta pelo Doutor Kampany e pelos Doutores A. L. Schawlow e C. H. Townes

apresentaram os planos para a construo do primeiro LASER a ser usado em Sistemas de

Telecomunicaes.

Em 1964, Kao especulou que a reduo das perdas das fibras para 20 dB/km (a cada

quilometro a potncia ptica do sinal se reduz a um centsimo), tornaria possvel transmitir

sinais de informao longa distncia com repetidores. Contudo, em 1968 as fibras pticas

da poca apresentavam perda de 1000 dB/km, valor que torna invivel a construo de um

sistema de comunicaes pticas de longa distncia. Note que com esta perda de 1000

dB/km, em apenas 20 metros de fibra ptica o sinal perde 99% da sua potncia. Pararesolver este problema, a empresa The Post Office patrocina projetos para obter vidros de

menor perda. Em 1970, a empresa Corning Glass conseguiu produzir alguns metros de

fibra ptica com perdas de 20 dB/km.

Em 1976, aBell Laboratories instalou um link telefnico em Atlanta com 1 km de

alcance e provou ser possvel utilizar fibras pticas para telefonia. O primeiro link de TV a

cabo com fibras pticas foi instalado na cidade deHastings no Reino Unido. Enquanto isso,

a empresa Rank Optics na cidade de Leeds, Reino Unido, fabricava fibras pticas com

dimetro de 110 mm para propsitos de iluminao e decorao.

O que realmente impulsionou a utilizao das fibras pticas para comunicaes foi a

fabricao de fibras pticas com perdas menores do que 1,5 dB/km em 1978. Em 1988, foi

lanado o primeiro cabo submarino de fibras pticas no oceano que deu incio s

transmisses transocenicas.

A primeira gerao de sistemas de comunicaes pticas operava em 850 nm. A

determinao do comprimento de onda deveu-se basicamente disponibilidade dos

componentes de transmisso e recepo da poca. Os dispositivos optoeletrnicos eramconstrudos de GaAs (liga de semicondutor composta por Arsnio e Glio) que emitem em

850 nm. A migrao para a janela de 1310 nm ocorreu de forma paralela ao surgimento de

dispositivos construdos da liga ternria InGaAs. Esta migrao foi interessante, pois a

janela de 1310 nm apresenta perdas e disperso mais baixa do que a janela anterior. A

segunda migrao para a janela de 1550 nm foi um pouco mais conturbada porque apesar

das fibras pticas padro apresentarem perdas menores neste comprimento de onda, a


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disperso, efeito responsvel por alargar os pulsos deinformao, era mais alta. Entretanto,

com o surgimento de amplificadores pticos adequados (EDFAs, verso seo 10.5) e

desenvolvimento de fibras pticas com perfis de disperso mais sofisticados, a janela de

1550 nm se tornou a opo mais interessante para comunicaes pticas de longa distncia.

Atualmente, as fibras pticas apresentam perdas de aproximadamente 0,17 dB/km

em 1550 nm e constituem a melhor opo para transmisso de alta capacidade. Em 2001, o

mercado envolvendo a fibra ptica j movimentava cerca de 30 bilhes de dlares anuais.

10.2. FUNDAMENTOS BSICOS SOBRE FIBRAS PTICASPara melhor entender o funcionamento das fibras pticas faz-se necessrio discorrer

brevemente sobre os conceitos fsicos envolvidos no processo. As leis de Snell podem ser

consideradas como ponto de partida para melhor entendimento sobre o funcionamento de

uma fibra ptica. Considere a Fig. 10.1, a primeira lei de Snell diz que, em uma interface

que separa dois meios com ndices de refrao diferentes, uma parcela da potncia de um

raio incidente (representado pela seta que incide na interface com ngulo 1 ) refletida

para o mesmo meio com ngulo r1 igual em relao normal ( 11 =r ). Tambm foi

observado que quando a luz atravessa esta interface, as condies de propagao mudam e

a direo de propagao muda. Esta formalizada pela primeira vez o efeito da refrao e

eternizada como a segunda lei de Snell.

Figura 10.1 Representao dos raios refletidos (1) e refratados (2) na interface entre dois meios com

ndices de refrao diferentes.


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Matematicamente, a segunda lei de Snell enunciada pela relao apresentada em

(10.1). Note que se o ndice de refrao muda, a angulao do raio luminoso no meio

tambm muda.

( ) ( )2211 sennsenn = . (10.1)

Esta equivale a,

( )

= 2

1

211 sen

n

nsen . (10.2)

Considere agora que o ndice de refrao do meio do raio incidente maior do que o

ndice de refrao do outro meio 21 nn > . Ento, existe um ngulo de incidncia que faz

com que o ngulo refrao seja 90o. Este ngulo chamado de ngulo crtico c e dado

pela seguinte expresso:

=

1

21

nnsenc . (10.3)

As fibras pticas usam este efeito, chamado de reflexo interna total, para guiar luz.

A forma mais comum de se conseguir confinamento espacial de luz em uma determinada

regio espacial construir um guia cilndrico constitudo de um cilindro (ncleo) com

ndice de refrao maior do que uma casca cilndrica (casca). A Fig. 10.2 ilustra a estruturacom um corte transversal.

A Fig. 10.3 mostra um corte longitudinal de uma fibra ptica. importante ressaltar

da Fig. 10.3 que a luz deve ser inserida na fibra ptica longitudinalmente e deve respeitar

um ngulo mximo de entrada 0 para continuar sob a condio de reflexo interna total na

interface ncleo-casca. Um valor tpico para este ngulo 12o. Este ngulo mximo pode

ser facilmente calculado e dado pela seguinte expresso:


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0

22

211

0 n

nn

sen

=

. (10.4)

O ngulo mximo define, na verdade, um cone espacial chamado de cone de

aceitao (ver Fig. 10.2). O seno do ngulo mximo de entrada referido como abertura

numrica (NA, Numerical Aperture) e frequentemente encontrado nas especificaes

tcnicas das fibras pticas comerciais.

Figura 10.2 Estrutura de um fibra ptica comum com seu cone de aceitao.

Figura 10.3 Condio de propagao: raio verde dentro do cone de aceitao e raio vermelho fora do

cone de aceitao.

Existem dois efeitos que so bastante prejudiciais ao funcionamento sistemas de

comunicaes por fibra ptica. So a atenuao e a disperso.

A atenuao faz com que haja perdas no sinal transmitido, prejudicando

principalmente o alcance do enlace, e tem vrias fontes como: a absoro no infravermelho

e no ultravioleta do material que compe a fibra, o espalhamento de Rayleigh e a absoro

de ons que so depositados no material durante o processo de fabricao. Recentemente, os


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processos de fabricao melhoraram bastante fazendo com que as fibras pticas tenham

diminudo substancialmente os picos de absoro por ons, tornando o espectro de absoro

mais plano, se aproximando muito do limite terico, e tornando possvel a explorao de

uma faixa de comprimentos de onda bem mais extensa por meio de tecnologia de

multiplexao espectral.

A potncia na sada de uma fibra ptica outP depende da potncia de entrada na fibra

ptica inP da seguinte forma:

Linout ePP

= , (10.5)

onde o coeficiente linear de atenuao da fibra. Uma outra forma de se expressar

perdas na escala logartmica. Por isso, pode-se tambm definir um coeficiente de

atenuao da fibra em decibis, que pode ser calculado experimentalmente a partir da

seguinte expresso:

out

indB

P

P10log10= . (10.6)

A Fig. 10.4 mostra o espectro de perdas de uma fibra ptica comercial. Pode-se

notar que os atuais processos de fabricao tornam proveitosa uma extensa faixa espectral.

Entretanto, existem outros fatores que podem gerar perdas. Por exemplo, a

curvatura acentuada de uma fibra instalada pode favorecer a transferncia de luz do modo

guiado para a casca da fibra, gerando perdas adicionais. Para que essas perdas por curvatura

sejam desprezveis (< 0,01 dB), o raio de curvatura de uma fibra padro deve ser maior que

4 cm (dimetro da fibra padro de 125 m.


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Figura 10.4 Espectro de atenuao tpico de uma fibra composta de Silica.

A disperso responsvel basicamente por causar uma deturpao temporal do

espectro de freqncia de um sinal luminoso propagando em um guia. A disperso pode ser

intermodal ou intramodal.

A disperso intermodal ocorre em fibras multimodo. Numa abordagem simplista,

baseada em ptica geomtrica, pode-se dizer que as fibras multimodo permitem que vrios

raios propagem com ngulos diferentes na fibra (ver Fig. 10.5). Por causa disso, os

caminhos fsicos so diferentes e cada modo demora um tempo diferente para alcanar o

receptor. A conseqncia imediata que os pulsos que carregam o sinal de informao se

alargam ao longo da propagao.

Figura 10.5 Propagao de dois modos em uma fibra multimodo.


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A expresso abaixo determina o mximo produto taxa de transmisso versus

distncia em uma fibra ptica multmodo com perfil de ndice degrau.

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