Qualificação de Redes de FO Multigigabit UL · Qualificação de Redes de FO Multigigabit José...

Qualificação de Redes de FO Multigigabit

José Manuel dos Santos Duarte

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Eletrotécnica e Computadores

Orientador: Prof. José António Marinho Brandão Faria

Júri

Presidente: Prof. Adolfo da Visitação Tregeira Cartaxo

Orientador: Prof. José António Marinho Brandão Faria

Vogais: Prof. Pedro Manuel Brito da Silva Girão,

Prof. Luís Manuel de Jesus Sousa Correia

Abril 2014

i

Agradecimentos

O meu primeiro agradecimento vai para o conjunto de Professores do IST com os quais convivi no

POSTIT pelos estímulos que me conseguiram transmitir, agradecimento que veiculo na pessoa do

Coordenador do Curso o Prof. Luis M. Correia.

A frequência do POSTIT veio estimular a minha atenção e interesse em obter o Grau de Mestre, novo

passo da minha qualificação após o términos da Licenciatura em 1988. Os estímulos do Prof. António

Cruz Serra e do Prof. Pedro Girão tiveram um contributo importante para a concretização deste

objetivo, razão pela qual aqui apresento o meu agradecimento.

O tema que sempre tive em mente para o trabalho de Mestrado estava ligado ao ensaio de redes de

fibra ótica, uma das atividades a que estive técnica e profissionalmente ligado desde inícios da

década de 1990.

Ao Prof. Brandão Faria, Orientador do Trabalho de Mestrado, o qual sem abdicar das suas

prerrogativas, atuou como um amigo, com quem partilhei as preocupações de saúde que entretanto

me ocorreram, e me incentivou a continuar a lutar.

Aos trabalhadores da minha equipa na PT Inovação, com os quais foi possível realizar com sucesso,

entre outras, as atividades de ensaio de redes de fibra ótica que aqui pretendo apresentar.

Esta atividade de ensaio teve a sua grande expressão em 1994 aquando da instalação em Portugal

de uma rede de gasodutos, da qual a rede de fibra ótica era uma das realizações deste projeto. Pela

dimensão do projeto e pelos desafios que foram colocados, foi sem dúvida um marco nesta atividade.

Gostaria assim de realçar os laços de profissionalismo e de amizade que foram possíveis construir

com este Cliente, nas pessoas dos Engºs Carlos Marques, Rui Cardoso, Manuel Matos e Sérgio

Diabinho.

Por último à minha família mais chegada, a minha esposa Júlia e os meus filhos Teresa e Vasco, aos

quais por diversas vezes suprimi a atenção devida em prol da atividade profissional ou de estudante,

e dos quais sempre recebi a compreensão, o carinho e o estímulo que tanto relevo e que foi

determinante para o caminho que tenho percorrido.

Sou Engenheiro e como costumo dizer, não sei o que outra coisa poderia ser. O impulso inicial devo-

o aos meus pais, José e Amélia. O meu grande obrigado.

iii

Resumo

O tema Qualificação de Redes de Fibra Ótica Multigigabit é apresentado na forma de relatório de

projeto, e pretende descrever a atividade de ensaio de redes de fibra ótica realizada desde meados

da década de 90 até hoje, visando a sua qualificação em função de especificações internacionais

e/ou de cliente ou a simples constatação do seu estado operacional.

Com vista a apoiar a compreensão dos ensaios experimentais, seus resultados e fatores de

influência, far-se-á uma introdução às comunicações óticas em fibra e identificação dos fatores que a

determinam e que serão objeto de ensaio.

São apresentados e discutidos os métodos de ensaio aprovados em Normas Internacionais e as suas

diversas metodologias de implementação.

Apresentam-se e discutem-se os resultados dos ensaios em diversas redes e com diversos tipos de

cabo ótico.

O tema é concluído com a discussão da problemática do ensaio de redes de fibra ótica e nas suas

vantagens para o seu operador.

Palavras chave:

Fibras óticas, ensaios de qualificação de rede, perdas de inserção, atenuação espetral, dispersão

cromática e dispersão de modos de polarização.

v

Abstract

The theme Network Fiber Optics Qualification, presented as a project report, has the objective to

describe the activity of fiber optic network testing held since the mid -90s until today, aiming to qualify

the networks according to international and client specifications or just finding the operating state of a

network in operation.

In an introductory way, we will go through optical fiber communications and pulse propagation on fiber

optics, identifying the factors that determine it, and which will be the appropriate test method.

The applied test methods according to International Standards and its various implementation

methodologies are discussed.

The tests results of various networks and various types of optical cable are present and discuss.

The work is concluded with discussion of the problem of testing fiber optic networks and its benefits to

the operator.

Keywords :

Chromatic dispersion, fiber optics, insertion loss, network qualification tests, polarization mode

dispersion, spectral attenuation.

vii

Índice Agradecimentos i

Resumo iii

Abstract v

Índice vii

Lista de Figuras ix

Lista de Tabelas xiii

Lista de Acrónimos xv

Lista de Símbolos xvii

Capítulo 1- Introdução 1

1.1 Enquadramento 1

1.2 Motivações e Objetivos 6

1.3 Estrutura da Dissertação 6

1.4 Contribuições 7

Capítulo 2 - Propagação em fibra ótica 9

2.1 Propagação da luz 10

2.2 Propagação de sinais na fibra ótica 14

2.2.1 Equações de Maxwell 14

2.2.2 Atenuação 18

2.2.3 Dispersão 20

Capítulo 3 - Métodos de ensaio e especificações de fibra ótica 25

3.1 Atenuação 26

3.1.1 Perdas de inserção 27

3.1.2 Atenuação Espetral 28

3.1.3 Coeficiente de Atenuação 29

3.2 Perdas de retorno 35

3.3 Dispersão 36

3.3.1 Dispersão Cromática (CD) 37

3.3.2 Dispersão de modos de polarização (PMD) 40

viii

Capítulo 4 - Caracterização de redes óticas 45

4.1 Rede suportada em fibra G653 47

4.1.1 Ligação A -1996 49

4.1.2 Ligação B - 1998 53

4.1.3 Discussão do caso 55

4.2 Rede suportada em fibra G652 56

4.2.1 Ligação C - 2000 57

4.2.2 Ligação D - 2000 61

4.2.3 Discussão dos casos 64

4.3 Rede suportada em fibra G652 e G655 65

4.3.1 Ligação E-2009 66

4.3.2 Ligação F - 2009 70

4.3.3 Discussão dos casos 77

Capítulo 5 - Conclusões 79

Apêndice A – Situações problemáticas 81

A.1 Quando os métodos e equipamentos de fusão não estão aptos 81

A.2 Os ensaios de aceitação não se destinam a identificar erros 83

A3 Quando as especificações são subentendidas 83

A.4 Quando não existe diálogo entre cliente e fornecedor 86

Apêndice B - Instalação de redes fibra ótica – cabos, fibras, juntas e conectores 89

B.1 Cabos de fibra ótica 89

B.2 Tipos de fibras monomodo 90

B.3 Juntas de fibra ótica 92

B.4 Conectores para fibra ótica 95

Bibliografia e referências 99

ix

Lista de Figuras

Fig. 2. 1 – Esquema de blocos de um sistema de comunicações por fibra ótica ................................... 9

Fig. 2. 2 - Representação dos fenómenos de reflexão e refração da luz na superfície de separação de

dois meios. ............................................................................................................................................ 10

Fig. 2. 3 - Ilustração da configuração cilíndrica e estrutura da fibra ótica. ............................................ 11

Fig. 2. 4 - Representação da variação do índice de refração (n) em função da distância radial (d) para

a fibra de índice em degrau e índice gradual. A fibra está representada em corte transversal. .......... 12

Fig. 2. 5 - Identificação da zona (cone) de aceitação e a sua relação com o ângulo ab ..................... 12

Fig. 2. 6- Perfil de atenuação de uma fibra ótica genérica (CCITT G652A). ........................................ 19

Fig. 3. 1- Diagrama esquemático do ensaio de atenuação ................................................................... 27

Fig. 3. 2 - Curva de atenuação espetral de uma ligação ótica com 114 km. ........................................ 29

Fig. 3. 3- Diagrama esquemático do OTDR .......................................................................................... 30

Fig. 3. 4 - Diagrama esquemático do ensaio de coeficiente de atenuação .......................................... 30

Fig. 3. 5.-Traço de uma ligação ótica medido pelo OTDR. Comprimento de onda () de 1310 nm e

largura de impulso de 30 ns. ................................................................................................................. 34

Fig. 3. 6 -Tabela de eventos tipo gerada pelo OTDR, correspondente à ligação ótica cujo traço se

apresentou na Fig.3.5. ........................................................................................................................... 35

Fig. 3. 7- Extrato da tabela de eventos da Fig 3.6, realçando-se os resultados da medição das perdas

de retorno e refletâncias. ....................................................................................................................... 36

Fig. 3. 8 - Ligação com fibra do tipo G.652 de 13 km de comprimento: gráfico do atraso de grupo

relativo (a) e da CD (b), em função do comprimento de onda .............................................................. 39


relativo (a) e da CD (b), em função do comprimento de onda .............................................................. 39

Fig. 4. 1 - Gráfico com as Perdas Totais (dB) por fibra a 1310 nm e 1550 nm .................................... 50

Fig. 4. 2 - Gráfico da representação do valor médio e desvio padrão da atenuação espetral nos

comprimentos de onda entre 1200 nm e 1600 nm. .............................................................................. 50

Fig. 4. 3 - Gráfico da representação coeficientes de atenuação a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm. ..... 51

Fig. 4. 4 - Gráfico da representação do Comp. de Onda com CD nulo para todas as fibras do troço. 52

Fig. 4. 5 - Gráfico da representação do Declive da CD no ponto 0 para todas as fibras do troço. .... 53

Fig. 4. 6 - Gráfico da representação Coeficiente de CD médio das fibras do troço. ............................. 51

x

Fig. 4. 7 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD das fibras do troço no comprimento de

onda de 1310 nm. .................................................................................... Error! Bookmark not defined.

Fig. 4. 8 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD das fibras do troço no comprimento de

onda de 1550 nm. .................................................................................... Error! Bookmark not defined.

Fig. 4. 9 - Gráfico da representação do PMD/DGD das fibras do troço no comprimento de onda de

1310 nm e 1550 nm. .............................................................................................................................. 55

Fig. 4. 10.-Gráfico com as Perdas Totais (dB) por fibra a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm. .................. 58

Fig. 4. 11 - Gráfico da representação da atenuação espetral nos comprimentos de onda entre 1200

nm e 1650 nm. ....................................................................................................................................... 58

Fig. 4. 12- Gráfico da representação coeficientes de atenuação a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm. .... 58

Fig. 4. 13 - Gráfico da representação do Comprimento de Onda com CD. .......................................... 59

Fig. 4. 14 - Gráfico da representação do Declive da CD no ponto 0. ................................................. 59

Fig. 4. 15 - Gráfico da representação Coeficiente de CD para todas as fibras do troço em função do

comprimento de onda. Valor médio e desvio padrão. ........................................................................... 60

Fig. 4. 16 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD em1310 nm. ........................................... 60

Fig. 4. 17 - Gráfico da representação do Coeficiente de CD em 1550 nm. .......................................... 60


1310 nm e 1550 nm. .............................................................................................................................. 61


nm e 1600 nm ........................................................................................................................................ 62

Fig. 4. 20- Gráfico da representação do Comprimento de Onda com CD nulo. ................................... 63

Fig. 4. 21- Gráfico da representação do Declive da CD no ponto 0 para todas as fibras do troço. ... 63

Fig. 4. 22- Gráfico da representação do PMD/ DGD das fibras do troço no comprimento de onda de

1310 nm e 1550 nm. .............................................................................................................................. 64


nm e 1600 nm. ....................................................................................................................................... 67

Fig. 4. 24- Gráfico da representação da CD média das fibras do troço em função do comprimento de

onda ....................................................................................................................................................... 68

Fig. 4. 25- Gráfico da representação do PMD/DGD (ps) da fibra do G652-Fb 5 no comprimento de

onda de 1550 nm ................................................................................................................................... 69


onda de 1550 nm. .................................................................................................................................. 69

Fig. 4. 27- Gráfico da representação da atenuação espetral nos comprimentos de onda entre 1240 nm

e 1600 nm. ............................................................................................................................................. 71


onda de 1550 nm. .................................................................................................................................. 73


onda de 1550 nm durante o período de 24 h. ....................................................................................... 73

xi

Fig. A. 1- Gráfico atenuação espetral de secção com 12 km ............................................................... 84

Fig. A. 2 - Gráfico atenuação espetral de secção com 18 km .............................................................. 84

Fig. A. 3 - Gráfico resultados medição CD secção 12 km .................................................................... 84

Fig. A. 4 - Gráfico resultados medição CD secção 18 km .................................................................... 84

Fig. A. 5 - Gráfico resultados medição PMD secção 12 km .................................................................. 85

Fig. A. 6 - Gráfico resultados medição PMD secção 18 km .................................................................. 85

Fig. A. 7 – Gráfico medição PMD da Via 1.0......................................................................................... 87

Fig. A. 8 - Gráfico medição PMD da Via 2.1 ......................................................................................... 87

Fig. A. 9 - Gráfico medição PMD da Via 2.2 ......................................................................................... 87

Fig. A. 10 - Gráfico atenuação espetral Via 2.1 .................................................................................... 87

Fig. A. 11 - Gráfico atenuação espetral Via 2.2 .................................................................................... 87

Fig. B. 1- Imagens de conectores óticos com problemas de conservação ........................................... 96

Fig. B. 2- Imagens de conectores em bom estado de conservação e funcionamento ......................... 97

xiii

Lista de Tabelas

Tab. 1. 1 - Lista de características e ensaios a realizar numa rede de fibra ótica .................................. 4

Tab. 1. 2 - Lista de ensaios e Normas Internacionais aplicáveis ............................................................ 5

Tab. 2. 1 - Características relacionadas com o meio (ideal ou fibra ótica de sílica) que afetam a

relação entre E e P. ............................................................................................................................... 16

Tab. 2. 2- Bandas óticas para fibras monomodo. ................................................................................. 20

Tab. 3. 1.- Valor máximo de PMD em função do débito de transmissão na rede ................................ 41

Tab. 3. 2 - Apresentação dos métodos de ensaio por grau de concordância dos resultados .............. 44

Tab. 3. 3- Tabela de resultados da medição de fibras óticas (5,5 km e 75,6 km) pelo método

Analisador Fixo (AF) e GINTY ............................................................................................................... 44

Tab. 4. 1.- Características mecânicas de cabo ótico. ........................................................................... 46

Tab. 4. 2 – Especificações para fibra e parâmetros de instalação para Rede G652............................ 56

Tab. 4. 3 – Resultados totais da atenuação e DGD relativos à Ligação C – 2000 ............................... 61

Tab. 4. 4 – Especificações da rede 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm ...................................... 65

Tab. 4. 5– Resultados globais das medições de atenuação, CD e PMD e sua comparação com

especificação ......................................................................................................................................... 66

Tab. 4. 6 – Tabela de resultados de Perdas de inserção a 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm . 67

Tab. 4. 7– Tabela de resultados globais das medições de CD ............................................................. 68

Tab. 4. 8– Tabela de resultados de PMD/DGD nas fibras do cabo ...................................................... 69

Tab. 4. 9– Tabela de resultados da medição PMD/DGD (ps) da fibra G652-Fb 5 e G655-Fb 45 ........ 69

Tab. 4. 10– Resultados globais das medições e sua comparação com especificação ........................ 70

Tab. 4. 11– Tabela de resultados de Perdas de inserção a 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm 71

Tab. 4. 12– Tabela de resultados globais das medições de CD ........................................................... 72

Tab. 4. 13– Tabela de resultados de PMD/DGD nas fibras do cabo .................................................... 72

Tab. 4. 14– Tabela de resultados de PMD/DGD na fibra Fb 47. .......................................................... 73

Tab. 4. 15– Tabela de resultados da medição PMD/DGD (ps) da fibra G655-Fb 47 durante o período

de 24 h ................................................................................................................................................... 74

Tab. A. 1 - Resultados da medição de PMD ......................................................................................... 86

Tab. B. 1 - Atenuação na junta devido a separação longitudinal .......................................................... 94

Tab. B. 2 - Atenuação na junta devido a diferenças do diâmetro do campo modal ............................. 94

Tab. B. 3 - Atenuação na junta devido à separação angular (Tilt) ........................................................ 95

Tab. B. 4 - Atenuação na junta devido a “Offset” .................................................................................. 95

xv

Lista de Acrónimos

CD − Chromatic Dispersion (Dispersão cromática)

FC/PC − Ferrule connector/ physical contact

IEC − International Electrotechnical Commission

ITU − International Telecommunications Union

JME − Jones Matrix Eigenvalues

NPL − National Physical Laboratory

OCWR − Optical Continuous Wave Reflectometry

OFDR − Optical Frequency Domain Reflectometry

OLCR − Optical Low Coherent Reflectometry

OTDR − Optical Time Domain Reflectometry

PMD − Polarization Mode Dispersion (Dispersão de modos de polarização)

PSA − Polarization State Analyzer

SOP − States of Polarization

xvii

Lista de Símbolos

A − Coeficiente de atenuação total da fibra (1/km) resultante da média aritmética do coeficiente de atenuação nos dois sentidos

A() − Atenuação em função do comprimento de onda

B − Vetor campo indução magnética

Bd − Débito binário

c − Velocidade de propagação da luz

CD − Coeficiente de dispersão cromática

D − Vetor deslocamento elétrico

E − Vetor campo elétrico

f − Frequência do sinal modulador (MHz);

H − Vetor campo magnético

L − Diferença de comprimento (km) entre a fibra a ensaiar e a fibra de referência.

k0 − Constante de propagação no vácuo

N0 − Índice de refração do meio 0

n1 − Índice de refração do meio 1

n2 − Índice de refração do meio 2

NA − Abertura numérica

P − Vetor polarização elétrica

Pent() − Potência de entrada do sinal ótico em função do comprimento de onda

Pi − Potência do sinal incidente

Po − Potência de pico do impulso ótico

Pr − Potência do sinal refletido

Prbs (t) − Potência do sinal ótico de retorno por efeito de Rayleigh

Prl − Perdas de retorno

Psaíd() − Potência de saída do sinal ótico em função do comprimento de onda

S − Fator de dispersão do sinal ótico na fibra

xviii

S/N − Relação sinal ruído

S0 − Inclinação da curva de dispersão no ponto de dispersão nula

T0 − Largura do impulso

V − Frequência de corte normalizada

vg − Velocidade de grupo

− Coeficiente de atenuação da fibra

ab − Ângulo de abertura

rs − Coeficiente de atenuação (1/km) no sentido da propagação

− Constante de propagação do modo

− Suscetibilidade linear do meio

0 − Permitividade elétrica no vácuo

in (i) − Valores de fase medidos no sistema de referência (graus)

out (i) − Valores de fase medidos no sistema a ensaiar (graus)

− Comprimento de onda do sinal ótico

0 − Comprimento de onda no ponto de dispersão nula

0 − Permeabilidade magnética no vácuo

1 − Ângulo de incidência no meio 1

2 − Ângulo de refração no meio 2

c − Ângulo crítico

− Densidade de carga

(i) − Atraso de grupo relativo (ps/km)

1

Capítulo 1

Introdução

Este capítulo aborda de forma introdutória o trabalho realizado enquadrando-o com o contexto atual

das telecomunicações, assim como indica as motivações que levaram à sua realização e objetivos

que se pretendem atingir.

1.1 Enquadramento

O mercado (clientes particulares e empresariais) têm vindo a colocar aos provedores de serviços de

telecomunicações, cada vez maiores exigências e desafios aos serviços por estes prestados, sejam

estes provedores pela via do arrendamento ou possuidores de redes próprias.

Estas duas vertentes, procura e oferta, colocam sobre a rede em que os serviços são prestados

grandes exigências, designadamente elevada disponibilidade, qualidade de serviços, acessibilidade e

capacidade de transmissão; os provedores de serviços procuram a rentabilidade e baixos custos de

investimento e manutenção.

Os provedores lutam entre si para captar clientes, utilizando para tal políticas comerciais agressivas e

serviços inovadores e diferenciados, onde ser o primeiro é considerado como uma vantagem

competitiva relevante.

2

As redes de telecomunicações por fibra ótica assumiram desde há anos um papel determinante no

desenvolvimento e expansão das telecomunicações, contribuindo para que se atingissem os objetivos

acima indicados.

A fibra ótica foi inventada por Narinder S. Kapany em 1952 [1,2]. Em 1966 o Dr. Charles Kao

apresentou os requisitos da fibra ótica para utilização em telecomunicações. Poucos anos depois

(1970) uma equipa de cientistas da empresa Corning Incorporated, composta por Donald Keck,

Robert Mauer e Peter Schultz, produziram a primeira fibra óptica a cumprir os requisitos apresentados

pelo Dr. Charles Kao. Hoje em dia a fibra ótica é o meio que permite realizar a comunicação entre

dois pontos com maior qualidade de serviço (QdS), velocidade e capacidade de transporte de

informação.

As comunicações por fibra ótica têm diversas vantagens sobre os outros métodos de transmissão,

tais como cabos de cobre ou via rádio, referindo-se as seguintes:

O sinal pode ser transmitido ao longo de grandes distâncias (200 km) sem ser necessário o

recurso a regeneração;

A transmissão é praticamente insensível a perturbações eletromagnéticas, para além de que

a fibra não é condutora de,

A capacidade num sistema de comunicações óticas é muito superior à existente em cabos

metálicos coaxiais;

O cabo ótico é muito mais leve e de menores dimensões do que um cabo metálico;

O cabo ótico é muito fiável, flexível e quase insensível a vibrações.

Um cabo ótico pode conter até centenas de fibras óticas, agrupadas em estruturas tubulares

ocas.

Em Portugal as primeiras redes de telecomunicações em fibra ótica apareceram na década de 80.

A uma rede de fibra ótica é geralmente associado um tempo de garantia na ordem dos 20 a 30 anos,

cuja responsabilidade de assegurar está repartida entre o fabricante da fibra ótica e o instalador da

rede.

Num prazo de utilização desta amplitude é expectável que possam existir fenómenos físicos,

ambientais e intervenções externas que afetem o desempenho da rede, traduzindo-se numa

degradação das suas características iniciais. Neste largo período de exploração é importante

acompanhar a evolução da rede, identificando-se eventuais problemas existentes ou potenciais, bem

como a sua capacidade e aptidão para suportar a evolução tecnológica das soluções de transmissão

e aumento do tráfego.

Porque a instalação de novas infraestruturas de comunicação exigiria investimentos significativos, as

operadoras de telecomunicações, como forma de aumentar a sua oferta de capacidade, preferem

aumentar a capacidade de seus meios de fibra ótica, usando técnicas de multiplexagem de

comprimento de onda, tais como C/DWDM, prática também aplicada nas redes novas. Contudo, parte

3

significativa das redes de fibra óticas instaladas são antigas, podendo por isso apresentar

características físicas que limitam a sua capacidade de transmitir sinais de alta velocidade.

Uma abordagem racional aponta para a necessidade de verificação/ ensaio prévia da rede, como

forma de assegurar que esta pode cumprir os padrões de qualidade e de funcionamento,

internacionalmente aceites e definidos.

Numa fibra ótica a luz ao propagar-se é afetada por fenómenos de atenuação, de dispersão e de não-

linearidades na fibra.

A atenuação na fibra é causada por fenómenos intrínsecos a esta, designadamente espalhamento e

absorção da luz no meio e processa-se ao longo comprimento da ligação; e por razões extrínsecas

que estão relacionadas com o processo de instalação e envelhecimento da mesma. A atenuação

depende o comprimento de onda da luz propagada, do tipo de fibra utilizada e é diretamente

proporcional à distância que o sinal tem de percorrer. Por exemplo, para uma fibra do tipo G652A, a

atenuação normalizada máxima, nos comprimentos de onda de 1310 nm é de 0,5 db/km e em 1550

nm é de 0,4 db/km. Já para uma fibra do tipo G652D, a atenuação normalizada máxima nos

comprimentos de onda de 1310 nm a 1625 nm e 1550 nm é 0,4 db/km e 0,3 db/km.

Os fenómenos dispersivos fazem-se sentir provocando atrasos na chegada das diversas

componentes do sinal, o que é um fator de distorção do mesmo e introduz limitações a nível da

velocidade de transmissão deste. Menores velocidades implicam maiores tempos de transmissão e

menor largura de banda útil disponível. Quando a diferença de atraso se manifesta seletivamente nas

diversas componentes espetrais do sinal, diz-se estarmos perante fenómenos de dispersão cromática

(Chromatic Dispersion - CD); quando a diferença dos tempos de chegada das componentes do sinal

estiveram relacionadas com a polarização dos modos, diz-se estarmos perante fenómenos de

dispersão de polarização (Polarization Mode Dispersion - PMD).

Apesar de uma fibra poder ter um comprimento de 100 km ou mais, já um cabo de fibras óticas terá

no máximo 6 km. Assim para se vencerem grandes distâncias é necessário interligarem-se vários

cabos, usando-se para tal um método de ligação das fibras denominado fusão. Este tipo de ligação

tem valores específicos de perdas, sendo 0,1 dB um valor máximo típico.

Também o acesso às várias fibras de um cabo e a sua distribuição por vários destinos e clientes, é

feito por via de fichas adequadas. Cada uma destas ligações também tem valores especificados,

assumindo-se como admissível uma perda de 0,5 dB.

No processo de instalação, más práticas associadas ao não cumprimento dos requisitos de esforço

físico (e.g. tração) ou de raio de curvatura, a que uma fibra pode ser submetida, podem prejudicar as

características de atenuação da fibra, aumentando-a significativamente.

Se compararmos então o valor da atenuação máxima normalizada de uma fibra G652D, para o

comprimento de onda de 1550 nm (0,3 dB/km), com as atenuações nas ligações por fusão (0,1 dB) e

conectores (0,5 dB), somos levados a concluir que uma fusão, mesmo cumprindo os requisitos

definidos, tem um impacto na atenuação corresponde a uma distância de 300 m; uma ligação com

ficha, com 0,5 dB máximo, corresponde a 1600 m. As ligações são indispensáveis para se atingirem

4

maiores distâncias e aceder aos utilizadores, razão de ser de uma rede, mas as consequências são

uma redução na extensão da ligação e a necessidade de utilização de amplificadores para recuperar

o sinal perdido, compensando ou minimizando estes efeitos.

Um processo de qualificação de uma rede em fibra ótica, independentemente do débito que se

preveja que a mesma venha suportar, terá assim de contemplar este contexto, preocupando-se com

todos os fatores e avaliando todos os atributos da ligação, sendo por isso recomendável o seguinte

conjunto de ensaios apresentado na Tab. 1. 1. No caso específico de uma rede nova, a qualificação

deverá incluir a validação dos atributos da fibra e do cabo ainda na fábrica, e termina com os ensaios

após instalação.

Tab. 1. 1 - Lista de características e ensaios a realizar numa rede de fibra ótica

Característica Descrição dos ensaios tipo

Atenuação

-Perdas totais nos comprimentos de onda de 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm ; -Coeficiente de atenuação nos comprimentos de onda de 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm; -Perdas de retorno nos comprimentos de onda de 1310 nm, e 1550 nm; -Atenuação espetral na banda de 1260 nm a 1630 nm;

Dispersão

-Dispersão Cromática na banda de 1260 nm a 1630 nm; -Dispersão de Polarização nos comprimentos de onda de 1310 nm, e 1550 nm.

Numa rede de fibra ótica destinada ao transporte de grandes fluxos de informação, poderão ser

utilizados, de acordo com a classificação ITU e que se tornaram referências internacionais, os

seguintes tipos de fibra ótica:

-Fibra G652(A/B/C/D): monomodo de uso geral; Recomendação ITU-T Fibra G 652;

-Fibra G653(A/B): monomodo de dispersão deslocada; Recomendação ITU-T Fibra G 653;

-Fibra G655(A/B/C): monomodo de dispersão não nula. Recomendação ITU-T Fibra G 655;

Estas recomendações descrevem as características geométricas, mecânicas e de transmissão

especificadas para esses tipos de fibras.

As fibra mais utilizadas em redes são as chamadas de "dispersão não deslocada" (ITU G.652), as

quais têm uma pequena dispersão cromática (CD) na janela ótica em torno de 1310 nm, e um maior

valor na região dos 1550 nm. Esta dispersão limita o comprimento possível transmissão sem

compensação.

5

A ITU G.653 é uma fibra de dispersão deslocada (DSF), concebida para minimizar a dispersão

cromática em 1550 nm com janela de dispersão nula entre 1525 nm e 1575 nm. Contudo, este tipo de

fibra tem vários inconvenientes, como a maior dispersão de polarização comparativamente às ITU

G.652, e um risco elevado de efeito de mistura de sinais devido ao efeito denominado “Four Wave

Mixing”, tornando DWDM praticamente impossível. Por estas razões, foi desenvolvida outra fibra

monomodo: a “Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber” (NZDSF). As fibras NZDSF têm agora substituído

fibras DSF, que não são mais utilizadas.

As fibras ITU G.655 Non-Zero Dispersion Shifted Fibers, foram desenvolvidas para eliminar efeitos

não lineares existentes em fibras DSF e dirigiram-se especialmente para aplicações DWDM na janela

de 1550nm. O facto de terem um comprimento de onda de corte em torno de 1310 nm limita a sua

operação nesta janela.

A acompanhar o processo de normalização das características das fibras óticas, foi também

necessário normalizar os procedimentos de ensaio aplicáveis, tornando-os internacionalmente

aceites, por clientes e fabricantes.

Assim as Normas Internacionais a aplicar para cada ensaio são as apresentadas na Tab. 1. 2.

Tab. 1. 2 - Lista de ensaios e Normas Internacionais aplicáveis

Ensaio Norma

Perdas totais IEC 60793-1-40

Coeficiente de atenuação IEC 60793-1-40

Perdas de retorno IEC 61300-3 -6

Atenuação espetral IEC 60793-1-40

Dispersão cromática (CD) IEC 60793-1-42

Dispersão de modos de polarização (PMD) IEC 60793-1-48

A atividade de ensaio que se apresenta neste trabalho teve contributo determinante para assegurar

que no caso de redes novas eram cumpridas as especificações que lhe foram definidas, ou no caso

de redes em operação foram identificados os troços da ligação que por impedirem o cumprimento dos

novos objetivos especificados, tinham de ser objeto de reconstrução ou manutenção.

A atividade da qualificação da rede exerce a sua influência e contribuição para além da rede

propriamente dita, existindo outros aspetos de extrema relevância e que se relacionam com a

possibilidade de transmissão de conhecimentos, sensibilização para a necessidade de se utilizarem

as melhores práticas de instalação e da utilização de meios de produção em bom estado de

funcionamento, contributos importantes para os instaladores de rede de fibra ótica.

6

1.2 Motivações e Objetivos

Estavam decorridos 22 anos após a minha Licenciatura no Instituto Superior Técnico de Lisboa (IST),

quando decidi retomar a vivência universitária e o gosto renovado pela aprendizagem neste contexto,

recorrendo para o caso ao curso POSTIT – Pós Graduação em Telecomunicações e Tecnologias da

Informação.

Este evento foi o despoletar do interesse em me inscrever no Mestrado de Engenharia Eletrotécnica e

Computadores, permitindo renovar as minhas qualificações e obter o grau de Mestre.

O tema que sempre tive em mente para a Dissertação, estava ligado ao ensaio de redes de fibra

ótica, uma das atividades a que estive técnica e profissionalmente ligado desde finais da década de

1980, realizando uma intensa atividade nesta área, tendo como alvo a caracterização duma rede em

termos de efeitos lineares e dispersivos com vista à sua qualificação face a especificações de cliente

e normas internacionais, identificando anomalias ao seu desempenho esperado ou auditando a sua

instalação.

É o conjunto das experiências e conhecimentos adquiridos, a vasta documentação dos casos e a sua

relação com os aspetos teóricos que motiva a elaboração deste Relatório.

O principal objetivo é apresentar e discutir, numa forma amostral, os resultados dos diversos

trabalhos (ensaios) realizados sobre os diversos tipos de fibra ótica, apresentar a problemática do

ensaio e a comparação de vários métodos de realização dos mesmos e abordar a problemática da

instalação de redes de fibra ótica.

1.3 Estrutura da Dissertação

Este Relatório está organizado em 5 capítulos, cujas finalidades seguidamente se apresentam:

Capítulo 1 – Dedicado ao enquadramento, motivação e objetivos, estrutura do relatório e

contribuições

Capítulo 2 - Discutem-se os aspetos teóricos de comunicação em fibra ótica e principais efeitos

lineares e dispersivos.

Capítulo 3 – Abordam-se as várias técnicas de ensaios aplicadas na qualificação de uma rede de

fibra ótica, enquadradas nas Normas Internacionais respetivas.

Capítulo 4 – Apresentação e discussão dos casos práticos e resultados.

Capítulo 5 - Apresentam-se as conclusões e trabalhos futuros.

7

1.4 Contribuições

O contacto com os ensaios de fibra ótica iniciou-se com os ensaios de fibra multimodo e monomodo

para uma rede de comunicações de um edifício de uma grande empresa nacional que estava na

altura a construir a sua nova sede.

Este primeiro passo foi o despoletar pelo interesse no ensaio de dispositivos para redes de

telecomunicações, o qual na altura se focalizou nas redes óticas e metrologia associada, criando-se,

poucos anos após, de raiz e para o efeito um laboratório de calibração e ensaio em fibra ótica.

A atividade foi inicialmente desenvolvida, tendo como principal alvo os operadores de

telecomunicações da altura, situação que se veio a alterar, dada a evolução das redes de

telecomunicações em Portugal (diversos operadores e redes de fibra ótica pertencentes a não

operadores de telecomunicações).

Em princípios da década de 90, implementou-se em Portugal, fora do contexto dos operadores de

telecomunicações, uma grande rede de telecomunicações por fibra ótica, a qual visava, em primeira

instância, suportar os sistemas de comunicação e supervisão inerentes a uma rede de energia. Esta

rede pela sua dimensão quer geográfica quer de capacidade, cabo de 36 fibras óticas, era muito

relevante e estavam subjacentes perspetivas de expansão futuras. Uma vez mais estivemos

presentes, assumindo a responsabilidade pela execução dos ensaios de qualificação desta rede,

atividade que perdurou durante alguns anos e que se mantém até aos dias de hoje, acompanhando o

seu crescimento.

Com o despoletar das redes de fibra ótica de nova geração (multigigabit) em meados da década de

2000 e a sua implementação em diversas regiões do País e fora do contexto dos operadores, criou-

se nova oportunidade de assumir a realização dos ensaios de qualificação dessas redes, as quais

tinha como requisito principal o débito de 10 Gb/s. Também aqui estivemos presentes em dois casos,

um Norte e outro no Sul do País.

Entre estes grandes projetos continuaram a realizar-se os ensaios de qualificação 10 Gb/s para as

redes de operador de telecomunicações.

Este trabalho tem assim por base o resultado dos ensaios (campo e laboratoriais) e experiências de

atividades de qualificação de redes de fibra ótica, realizados desde finais da década de 80 do

passado século até 2011.

9

Capítulo 2

Propagação em fibra ótica.

Um sistema de comunicações pode genericamente ser descrito através de três blocos: o emissor, o

canal de transmissão e o recetor. No caso das comunicações por fibra ótica teremos nos extremos, o

bloco de transmissão ótica e o bloco de receção ótica; o canal de transmissão é formado pela fibra

ótica. Na Fig. 2. 1, ilustra-se em esquema de bloco o sistema de comunicações por fibra ótica.

Independentemente do sistema de comunicação, podemos classificá-lo quanto ao seu alcance como

Longas Distâncias (Long–haul > 100 km) ou Curtas Distâncias (Short-haul < 100 km).

No contexto deste trabalho abordaremos a fibra ótica como o constituinte do canal de comunicação e

ou transmissão, cuja principal função é transportar o sinal ótico entre dois pontos denominados

transmissor e recetor.

Fig. 2. 1 – Esquema de blocos de um sistema de comunicações por fibra ótica

No processo de transmissão de um sinal em fibra ótica ocorrem fenómenos que afetam a qualidade

do sinal; são eles a atenuação, cujo impacto é a redução da potência ótica do sinal e a dispersão,

Transm.Óptica

FibraÓptica

Recept.Óptico

Sinal eléct

Sinal óptico

Sinal eléctrico

10

cujo impacto é o alargamento do impulso ótico transmitido. A atenuação determina a distância

máxima entre o transmissor e o recetor; a dispersão tem influência dupla, determina o débito máximo

a que se pode transmitir o sinal e também a distância entre o transmissor e o recetor.

2.1 Propagação da luz

Na abordagem da ótica geométrica, a propagação da luz pode ser entendida como um conjunto de

raios deslocando-se em linha reta num meio, os quais se refletem ou refratam quando atingem a

superfície de separação entre dois meios. Na Fig. 2. 2 ilustra-se esta abordagem, na qual temos um

meio com índice de refração n1 e outro com índice de refração n2

Fig. 2. 2 - Representação dos fenómenos de reflexão e refração da luz na superfície de separação de

dois meios.

As leis da ótica geométrica estipulam que

1r

= 1 (2. 1)

e de acordo com a lei de Snell teremos

n1 sen

1 = n2 sen

2 (2. 2)

onde,

n1 é o índice de refração do meio 1;

1 e 1r

são respetivamente, os ângulo de incidência e de reflexão no meio 1;

n2 é o índice de refração do meio 2;

2 é o ângulo de refração no meio 2.

Com o aumento de ângulo de incidência (1), o ângulo de refração (2) também aumenta. Na

situação em que n1 é superior a n2, atinge-se um ponto em que 2 = /2. Para valores de 1 ainda

superiores atinge-se então a situação de reflexão total e a energia da onda incidente no meio n1 é

11

refletida totalmente para esse mesmo meio. Ao valor mínimo de 1 que conduz à reflexão total

denomina-se de ângulo crítico c, sendo dado pela expressão c = arc sen (n2/n

1).

O fenómeno da reflexão interna total, responsável pela propagação da luz nas fibras óticas segundo a

ótica geométrica, é conhecido desde 1854 [1], contudo só em meados da década de 1970 é que foi

possível a produção de fibra ótica com valores de atenuação (0,2 dB/km @ 1550 nm) que

possibilitassem a sua utilização nas telecomunicações de longa distância.

A fibra ótica é formada por uma estrutura cilíndrica dupla concêntrica, no caso vertente de sílica,

protegida externamente por uma camada protetora. À estrutura cilíndrica interior dá-se a

denominação de núcleo (core); a estrutura cilíndrica exterior denomina-se de bainha (cladding); a

camada de proteção denomina-se revestimento primário (jacket). Na Fig. 2. 3 ilusta-se a configuração

cilíndrica da fibra ótica.

O índice de refração do núcleo é superior ao da bainha. O modo de variação do índice de refração do

centro (núcleo) para a periferia (bainha), permite classificar as fibras óticas, quanto a este aspeto, em

dois tipos: índice em degrau e índice gradual.

Na fibra de índice em degrau, o índice de refração do núcleo mantém-se constante em toda a sua

secção; no caso da fibra de índice gradual, o índice de refração do núcleo vai diminuindo radialmente.

Na Fig. 2. 4 ilustram-se estas duas situações.

Fig. 2. 3 - Ilustração da configuração cilíndrica e estrutura da fibra ótica.

Aplicando-se a abordagem da ótica geométrica à propagação da luz na fibra ótica, podemos assim

afirmar que a luz se propaga devido ao efeito de reflexão total na interface núcleo - bainha, desde que

seja cumprida a condição de que o ângulo de incidência seja superior ao ângulo crítico c.

Núcleo Baínha Revestimento

12

Fig. 2. 4 - Representação da variação do índice de refração (n) em função da distância radial (d) para

a fibra de índice em degrau e índice gradual. A fibra está representada em corte transversal.

O conhecimento do valor do ângulo crítico na interface núcleo-baínha, permite a determinação de um

parâmetro relevante para a propagação, designadamente o ângulo de aceitação ab. Este ângulo,

conforme Fig. 2.5, define a abertura máxima do cone de aceitação de luz que possibilita a sua

propagação ao longo do núcleo da fibra e está intrinsecamente relacionado com outro parâmetro

designado abertura numérica (NA), tendo influência relevante no projeto de dispositivos óticos. Na

Fig. 2.6, ilustra-se a propagação da luz na fibra, no contexto da interface ar-núcleo e núcleo-bainha,

para fibra de índice em degrau. Note-se que na interface ar-núcleo existe refração do feixe de luz

(transmissão do meio 0 para o meio 1), enquanto que para o interface núcleo-baínha a situação

desejável é contrária. O ângulo de aceitação deverá respeitar estas duas condições.

Aplicando a lei de Snell e tendo em atenção que r =/2 - teremos [1]

n0 sen i = n

1 sen r = n1

cos = (n1

2- n

2

2)

½

(2. 3)

A abertura numérica NA é dada por [1]

NA= n0 sen i = (n

1

2- n

2

2)

½ (2. 4)

Fig. 2. 5 - Identificação da zona (cone) de aceitação e a sua relação com o ângulo ab

13

Fig. 2. 6 - Propagação da luz na fibra, nas interfaces ar-núcleo e núcleo-bainha, para fibra de índice

em degrau.

Da Fig.2.5 e Fig.2.6, tomando n0=1, resulta imediatamente que NA= sen ab

O valor da abertura numérica (NA) está relacionado com a aptidão para a captação do maior nível

possível de energia para o núcleo da fibra, fator que podendo-se considerar positivo é responsável

contudo, por um fenómeno indesejável para a utilização da fibra ótica nas telecomunicações ao qual

se dá o nome de dispersão multi-caminho ou modal. Recorrendo-se à Fig. 2.6, verifica-se que, para

cada raio de luz pertencente ao cone de aceitação, existe um caminho diferente com maior ou menor

número de reflexões na interface núcleo-baínha. Quantas mais reflexões maior a distância que o raio

tem de percorrer, resultando numa dispersão dos tempos de chegada ao fim da fibra, causando

distorção no sinal.

A diferença de tempo de chegada, entre o caminho mais longo que o raio percorre (i = ) e o mais

curto (i =0), é dada por [1]

∆∅

(2. 5)

em que L é o comprimento da fibra ótica, c a velocidade da luz no vazio e c é o valor mínimo do

ângulo a partir do qual só existe reflexão e a propagação fica confinada somente ao núcleo.

Como referido, a abordagem à propagação da luz na fibra ótica segundo a ótica geométrica aplica-se

somente no caso das dimensões do núcleo da fibra serem muito superiores ao comprimento de onda

de trabalho. A abordagem mais geral consiste em tratar a propagação de campos óticos, como

qualquer fenómeno de propagação de ondas eletromagnéticas, onde a propagação da luz ao longo

da fibra ótica é descrita em termos de ondas eletromagnéticas guiadas, assunto a abordar na secção

seguinte.

14

2.2 Propagação de sinais na fibra ótica

2.2.1 Equações de Maxwell

A luz é uma onda eletromagnética pelo que a sua propagação em qualquer meio é descrita pelas

equações de Maxwell [1,2].

. D = (2. 6)

. B = 0

(2. 7)

x E = -

(2. 8)

x H = J+

(2. 9)

Onde, D é o vetor deslocamento elétrico, é a densidade de carga elétrica, B é o vetor campo de

indução magnético, E representa o vetor campo elétrico, H representa o vetor campo magnético e J é

o vetor densidade de corrente.

Em qualquer meio [2] D = 0E + P e B = 0(H+M), em que P é o vetor polarização elétrica, o qual

depende das propriedades da matéria e do campo aplicado, 0 representa a constante dielétrica do

vácuo, 0 representa a permeabilidade magnética do vácuo e M o vetor polarização magnética.

No caso de matérias como a sílica, comummente utilizadas para a fabricação da fibra ótica, assume-

se que:

no meio não existem cargas elétricas, pelo que =0;

o valor da condutividade é extremamente reduzida ( ≈ 0), pelo que sendo J=E, resulta

imediatamente J= 0;

sendo a sílica material não magnético, a sua suscetibilidade magnética m=0, pelo que sendo

M=m H, resulta M=0.

Recorrendo a estes resultados e relações, aplicando-os nas equações de Maxwell, e reescrevendo-a

somente em termos dos vetores E e P, como exemplo da sua importância prática, resulta [1,2]

(2. 10)

A relação entre P e E depende da natureza do meio e, no caso das fibras óticas, devido à natureza

da sílica, é a origem de dois importantes efeitos relacionados com a propagação da luz,

15

designadamente dispersão e não-linearidades, os quais limitam o desempenho dos sistemas de

comunicação ótica.

As características [1,2] relacionadas com o meio (ideal ou fibra ótica de sílica) e que afetam a relação

entre E e P, são apresentadas na Tab. 2. 1.

A relação entre P e E, vetores polarização e campo elétricos, no espaço e no tempo, ou na frequência

é dada pela expressão [2],

P(r,t) = 0 , ,

(2. 11)

, , , (2. 12)

Em que representa a suscetibilidade linear do meio.

A análise de (2.12), permite inferir que num sistema linear de resposta impulsiva , a

polarização dielétrica é o resultado da aplicação a esse meio de um campo elétrico , .

Conclusão idêntica se chegaria caso a análise fosse realizada no domínio do tempo, via (2.11).

Contudo a análise no domínio do tempo permite-nos ainda concluir que P não só depende de E no

instante t mas também no instante anterior, ou seja, a resposta do meio a um campo elétrico não é

instantânea, ou em outras palavras a suscetibilidade , não é independente da frequência. Este

atraso na resposta é a causa da existência de um efeito denominado – Dispersão cromática.

Se a suscetibilidade depende da frequência então o índice de refração do material também o será,

podendo-se então expressar este na forma n2()= 1 + [2].

Com base no anteriormente exposto, recurso às equações de Maxwell e após manipulação

matemática, obteremos as equações de onda para o campo eletromagnético { e } [2]

0

(2. 13)

0 (2. 14)

onde representa o operador Laplaciano, o qual em coordenadas cilíndricas depende de , e z.

Tendo em atenção que e exemplificando , a equação toma a forma

0

(2. 15)

16

Tab. 2. 1 - Características relacionadas com o meio (ideal ou fibra ótica de sílica) que afetam a

relação entre E e P.

Meio ideal [1] Fibra ótica de sílica [1,2]

- Resposta localizada: o valor de P num dado

ponto somente depende do valor de E nesse

ponto;

A resposta localizada verifica-se, com um bom

grau de aproximação, na gama entre 0,5m e 2

m, a qual contempla a gama de transmissão

utilizada em comunicações óticas;

- Isotropia: as propriedades eletromagnéticas do

meio, tais como o índice de refração, são as

mesmas em todas as direções, o que se verifica

com fibras de sílica desde que estas sejam

estruturas perfeitamente cilíndricas;

A isotropia não se verifica, dado que estruturas

perfeitamente cilíndricas são situações ideais,

pelo que o índice de refração varia segundo a

direção, designando-se, no caso de se

considerarem somente dois eixos, como bi-

refringente;

- Linearidade: significa que a relação entre a

causa e a consequência que a originou, se

mantém constante e inalterável em toda a gama.

A relação entre P(r,t) e E (r,t) é linear sendo

dada pela expressão apresentada em (2.11).

A linearidade, não se verifica, pois a

suscetibilidade linear do meio () ao ser

dependente da frequência, origina a que P(r,)

tenha uma dupla dependência, ou seja de e

deE, resultando num efeito dispersivo

denominado dispersão cromática;

- Homogeneidade: as propriedades

eletromagnéticas são as mesmas em todos os

pontos do meio;

A homogeneidade não existe na fibra como um

todo, pois apesar de o núcleo e a bainha serem

constituídos pelo mesmo material, são lhe

obrigatoriamente definidos índices de refração

diferentes, para que a propagação se efetue;

- Sem perdas A ausência de perdas, é uma aproximação

teórica, não existente na prática, contudo, as

fibras óticas atuais apresentam valores de

atenuação por comprimento de onda muito

reduzidos;

Tomando-se como exemplo a aplicação das coordenadas cilíndricas (, , z), à componente axial do

vetor campo elétrico, a fórmula (2.15) é expressa como [1]

17

1

1∅

0 (2. 16)

Para a fibra monomodo de raio a, o índice de refração n [1] tem a forma de,

; ;

As soluções das equações (2.13 e 2.14) definem os modos que se propagam na fibra ótica,

correspondendo a cada solução específica um modo. Estas soluções ou modos, satisfazem

adequadamente as condições de fronteira e possuem a propriedade de que a sua distribuição

espacial não se altera com a propagação. Os modos podem ser classificados quanto ao tipo como

guiados, perdidos ou radiados. No caso da transmissão de sinal por fibra ótica é óbvio que o modo

pretendido é o modo guiado.

Cada modo de propagação é caracterizado por uma configuração de campo elétrico e magnético que

se repete ao longo da fibra, sendo designados como modos híbridos e identificados como HEmn ou

EHmn, consoante a componente predominante seja a magnética ou a elétrica. No caso específico de

m=0 teremos HE0n ou EH0n, sendo neste caso designados respetivamente por TE0n ou TM0n,

correspondendo-lhes então os modos de propagação transversal elétrico (Ez=0) ou transversal

magnético (Hz=0).

Um modo de propagação é determinado de forma unívoca pela sua constante de propagação

Neste contexto é útil a introdução da quantidade ñ designada por índice de modo ou índice efetivo

sendo dado pela expressão [1, 2]

ñ = / k0 (2. 17)

significando que cada modo se propaga na fibra com um índice de refração efetivo cujo valor se

encontra na gama n1 > ñ > n2. Um modo deixa de ser guiado quando ñ < n2. A situação em que

ñ = n2 define-se como aquela em que o modo atingiu o ponto de corte (cutoff).

Dada a existência de um número finito de modos de propagação, foi definido um parâmetro

denominado de frequência de corte normalizada, cujo valor determinará a quantidade de modos que

se propagam na fibra, sendo dado por [1]

V= k0 a (n

1

2- n

2

2)1/2 (2. 18)

Onde, a é o raio do núcleo, k0 é a constante de propagação no vácuo, e n

1 e n2,são respetivamente,

os índices de refração do núcleo e da bainha.

Tendo cada modo condições de propagação diferentes, determinados pela constante de propagação

() específica, e sendo a energia da onda repartida por vários modos os quais chegam em tempos

18

diferentes, o impulso à saída da fibra é objeto de distorção, por alargamento, que irá limitar o débito

de transmissão disponível na mesma. A este tipo de fenómeno chama-se dispersão modal.

As fibras que só conduzam um modo são designadas fibras monomodo, enquanto as fibras que

conduzam mais do que um modo são designadas de fibras multimodo. Na fibra monomodo não existe

dispersão modal.

Neste trabalho unicamente são utilizadas fibras monomodo, pelo que a apresentação e discussão

subsequente será limitada a esta condição.

A condição de transmissão em monomodo é determinada pelo valor da frequência normalizada, V,

para o qual só seja possível o modo HE11, designado como modo fundamental. Esse valor é

V = 2,405 [1,2,3].

Conforme referido, a transmissão de impulsos na fibra ótica monomodo, considerando unicamente o

regime linear, é influenciada por dois tipos de fenómenos, designadamente atenuação e dispersão da

fibra, os quais dependem do comprimento de onda, e que seguidamente se abordarão.

2.2.2 Atenuação

Em condições normais e considerando somente os efeitos lineares, a potência de um impulso ótico

em propagação numa fibra é regido pela equação de Beer [1].

(2. 19)

Em que é o coeficiente de atenuação. No caso vertente, inclui não só as perdas de absorção no

material mas também outras fontes de perda. A relação entre a potência de saída (Psaída) de uma fibra

com comprimento L (km), face a uma potência de entrada (Pentrada) é dada por

í (2. 20)

O coeficiente de atenuação quando expresso em dB/km é

/110 í

(2. 21)

A atenuação na fibra ótica depende do comprimento de onda do sinal aplicado, sendo resultado das

seguintes contribuições:

Espalhamento (dispersão) de Rayleigh, o qual decresce com o comprimento de onda;

Absorção ultravioleta, a qual decresce com o comprimento de onda;

19

Imperfeições no guia de onda, independentes do comprimento de onda;

Ressonância vibratória do ião OH a 2,73 m, resultante da existência de vapor de água na

fibra, que pela ação da interação das suas harmónicas com a sílica, produz picos de

atenuação a 0,95 m, 1,24 m e 1,38 m.

Absorção de infravermelhos, notando-se a partir de 1,5 m e crescente com o comprimento

de onda.

O perfil de atenuação de uma fibra ótica ITU-T G652A é apresentado na Fig. 2. 6.

Fig. 2. 6- Perfil de atenuação de uma fibra ótica genérica (CCITT G652A).

O espalhamento de Rayleigh é provocado por flutuações microscópicas da densidade da sílica,

ocorridas durante o processo de fabricação (fusão) da fibra, produzindo-se flutuações aleatórias do

índice de refração, numa escala inferior ao comprimento de onda ótico. As perdas por espalhamento

de Rayleigh são dadas por [1] / , em que a constante C está compreendida na gama 0,7 a

0,9.

As imperfeições na forma cilíndrica do guia de onda (fibra ótica), originadas em consequência do

processo de fabrico ou por curvatura, são outra das causas da atenuação nas fibras óticas. As perdas

por curvatura [1], proporcionais a exp(-R/Rc), em que R é o raio de curvatura e Rc= a/(n12

– n22 ) e a o

raio do núcleo, assumem-se a como a principal contribuição. Nestas destacam-se as perdas por

micro curvatura, resultantes de distorções aleatórias na estrutura axial da fibra, quando esta é sujeita

a esforços no processo de cablagem.

Os efeitos das perdas resultante da contaminação dos iões OH, são atualmente fortemente reduzidos

e praticamente eliminados, em resultado de melhorias substanciais no processo de fabrico as quais

reduzem a concentração de iões de OH para valores inferiores a 10-8 [1]. Estas fibras têm a

designação técnica de “Dry fibers, Low or Zero Water peak Fiber – L/ZWF, OFS AllWave fiber”.

Com o advento dos sistemas de multiplexagem no comprimento de onda (WDM – wavelength-division

multiplexing), identificou-se a necessidade de organizar e normalizar o espetro ótico de comunicações

em bandas de comprimento de onda [3], as quais se apresentam na Tab.2.2.

20

Tab. 2. 2- Bandas óticas para fibras monomodo.

Designação da Banda

Gama espetral (nm)

Original O 1260-1360

Alargada (Extended) E 1360-1460

Curta (Short) S 1460-1530

Convencional (Conventional) C 1530-1565

Long L 1565-1625

Ultra Longa U 1625-1675

2.2.3 Dispersão

Dispersão Cromática (CD)

A velocidade de grupo associada ao modo fundamental depende do comprimento de

onda do sinal, designando-se esta dependência como já referido, de dispersão cromática (CD ou

também dispersão da velocidade de grupo, dispersão intramodal ou simplesmente dispersão na fibra)

a qual se reparte por duas contribuições, a dispersão no material (DM) e a dispersão no guia (DW) de

onda (D= DM + DW).

A dispersão D é dada [1] por

1 2

(2. 22)

em que vg é a velocidade de grupo e 2 (

)corresponde à segunda derivada parcial de em

relação a

A variação da T da largura do impulso depende diretamente da dispersão cromática, da distância e

da largura espetral da fonte ótica de transmissão (T = D L , variação essa que vai influenciar o

débito de transmissão máximo na ligação. A influência da dispersão (D) no débito de transmissão (BD)

de uma ligação com comprimento L, pode ser estimado por recurso ao critério [1,2]

21

| | ∆ 1 (2. 23)

No sentido de expressar a dependência de D com a frequência [1] teremos,

2 1 22

(2. 24)

em que é o índice de modo, dado por e b é índice de propagação

normalizado, dado por / .

A dispersão no material (DM) é originada pelo fato do índice de refração da sílica variar com o

comprimento de onda, estando definida empiricamente pela relação DM ≈ 122 (1-ZD /), em que ZD é

o comprimento de onda em que DM = 0, correspondendo-lhe o valor de 1276 nm para a sílica pura [1].

A dispersão no material é negativa para valores inferiores a ZD e positiva nos restantes casos.

A dispersão no guia de onda (DW) é sempre negativa e depende do índice de refração da bainha (n2g)

e do parâmetro frequência normalizada (V) da fibra ou do raio do núcleo a e da diferença de índices

de refração Δ 1 2 / , em suma depende dos parâmetros da fibra.

Recorrendo ao fato do modo de dependência de DW estar relacionado com a fibra ótica, conforme

expresso, e conjugando-o com DM, poder-se-á fazer deslocar o parâmetro ZD, para valores

superiores (gama 1550 nm) e, neste caso as fibras resultantes terão a designação de fibras com

dispersão deslocada ou até limitar a dispersão a um determinado valor dentro de uma determinada

banda e, neste caso, as fibras resultantes terão a designação de dispersão aplanada.

O efeito de alargamento dos impulsos persiste para efeitos de dispersão de ordem superior, pelo que

a sua caracterização é pertinente. Assim estes efeitos são regidos pela inclinação da curva de

dispersão (S) [1], parâmetro expresso por

2 4

(2. 25)

onde 3 = d2/d ≡ d3/ d3 é o parâmetro de dispersão de terceira ordem. No comprimento de onda

= ZD, 2 é nulo pelo que S é somente proporcional a 3.

Estimando-se o impacto no débito de transmissão (BD) em relação ao parâmetro S, teremos, pelo

facto de D= S e recorrendo-se à Eq. (2. 23).

| | ∆ 1 (2. 26)

Os impulsos utilizados em utilizados em comunicações óticas não são monocromáticos, têm uma

largura espetral (), a qual, apesar de muito pequena quando comparada com o comprimento de

onda central (0), não deixa de ter impacto na transmissão do sinal e dever ser considerada. Para se

analisar a propagação do sinal nestas condições recorre-se à avaliação da amplitude da componente

22

real do vetor campo elétrico |E(r,t)|, o qual, para a situação de um impulso monocromático, é

expresso por [2]

|E(r,t)|= J (x,y) cos [t – ()z] (2. 27)

em que J (x,y)= [Jl(x,y)2 + Jt(x+y)2]1/2 é a distribuição do campo elétrico ao longo da secção

transversal da fibra, sendo determinado pela resolução da equação de onda, com recurso à função

de Bessel. Apesar de no caso geral J( ) depender da frequência do impulso, essa dependência é

diminuta e pode ser desprezada, dado que a largura espetral da fonte é muito pequena quando

comparada com o comprimento de onda central. Jl e Jt são igualmente expressos em termos da

função de Bessel e contribuem para a definição da componente longitudinal (Ez) e transversal (Ex ou

Ey) do modo fundamental. Para se considerar o efeito da largura espetral da fonte, a constante de

propagação deverá ser expressa como ±, o que substituindo-se em (2.27) resulta

|E(r,t)|= J (x,y) [cos (()t – ()z) + cos (()t – ()z)] (2. 28)

Na situação em que << 0, a constante de propagação , para = 0+, pode ser

determinada recorrendo-se à série de Taylor em torno da frequência central 0

~!∆

(2. 29)

Considerando-se o termo de primeira ordem, ∆ ∆ e substituindo em (2.28)

teremos

|E(r,t)|≈ 2 J(x,y) cos(tz) cos(t z) (2. 30)

donde se pode concluir que os impulsos utilizados na transmissão de sinais óticos, podem ser

representados como o produto entre uma envolvente de variação lenta relacionada com a largura

espetral da fonte, geralmente de forma não sinusoidal, cos(tz) e velocidade de propagação

1, e uma componente sinusoidal, da forma cos(t z) e velocidade de propagação 0. Então (2.29)

por ser expressa como

|E(r,t)|= J(x,y) e [A(z,t) exp –i(t z)] (2. 31)

em que A(z,t) representa a envolvente de variação lenta acima referida. A expansão de (2.29) até aos

termos de terceira ordem, permite uma melhor aproximação a , para além de que clarifica de

modo mais preciso o fenómeno da dispersão e o seu impacto na transmissão de impulsos. Assim

Δ2

Δ6

Δ (2. 32)

em que

23

= -0 em= (dm/dm) em = 0

= 1/ vg ( vg representa a velocidade de grupo [1,2] );

representa o coeficiente da velocidade de grupo diferencial (GDV) e é o parâmetro

chave na definição do modo como a forma do impulso muda com a frequência;

representa a inclinação da curva de dispersão (S).

A amplitude de A (z,t), envolvente de variação lenta referida, é dada por [1]

, 12

0, ∆ exp ∆2

∆6

∆ ∆ ∆ (2. 33)

Calculando / na expressão anterior, e tendo-se em atenção que é substituído, no domínio do

tempo, por i( / ), a Eq. 2.33 pode ser escrita como [1,2],

, ou

= 0

(2. 34)

Sendo esta a equação básica de propagação de impulsos em regime linear em fibras monomodo, a

qual nos dá o modo como o do impulso evolui ao longo do tempo.

Dispersão de modos de polarização (PMD)

Na propagação de sinais na fibra ótica os fenómenos dispersivos e os seus efeitos no alargamento

dos impulsos, não se limitam ao impacto da dispersão cromática já referida. Há também a considerar

outros efeitos, dentre eles, a dispersão de modos de polarização (PMD).

Tal como já apresentado, um modo tem uma solução nas equações de onda que satisfaça as

condições de fronteira do interface núcleo-bainha. Existem duas soluções linearmente independentes,

correspondentes ao modo fundamental, para todo o , as quais têm a mesma constante de

propagação; as restantes soluções existem somente para < cutoff. Um campo é dito linearmente

polarizado se a sua direção é constante, independentemente do tempo.

Considerando-se o vetor campo elétrico , expresso na forma , ̂ ̂ ̂ ,

em que ̂ , ̂ ̂ são os vetores unitários segundo as direções x, y e z, e z é a direção de

propagação, a evoluir numa fibra monomodo, onde só exista modo fundamental, pode-se assumir,

nestas condições, que esse campo só terá componentes nas direções x e y, dado que a componente

na direção de propagação z não é representativa face às restantes.

A um campo que só tenha componentes perpendiculares à direção de propagação, atribui-se a

designação de campo transversal e as suas componentes são definidas como polarizadas

24

ortogonalmente. O estado de polarização (state of polarization – SOP) representa a distribuição da

energia onda de luz nas suas componentes ortogonais. Apesar de existires dois modos, a fibra

mantém a sua designação de monomodo, porque estes dois modos de polarização são degenerados,

ou seja, eles têm a mesma constante de propagação (), assim a fibra mantenha a sua simetria

perfeitamente circular.

Alterações à simetria cilíndrica da estrutura da fibra resultam, conforme já discutido, em

birrefringência, ou seja à diferença dos índices de refração em cada eixo (e em consequência das

constantes de propagação), associados às componentes polarizadas ortogonalmente do modo

fundamental da fibra. Dado que o impulso excita ambas as componentes polarizadas do modo, ele é

objeto de um alargamento, pois estas têm velocidades de propagação diferentes. A este efeito atribui-

se a denominação de Dispersão de modos de polarização (Polarization-mode dispersion – PMD).

Há uma série de efeitos intrínsecos e externos que quebram a simetria de modo único na fibra óptica

e dão origem a birrefringência linear [15], designadamente:

• geometria assimétrica da estrutura de orientação, por exemplo, um núcleo elíptico;

• esforço assimétrico interno associado a um núcleo elíptico;

• esforço externo assimétrico, resultante do processo de manuseio ou instalação (e.g. torção,

dobragem, ou aperto);

• campo Elétrico.

Assumindo-se como constante a diferença nas constantes de propagação dos modos, à qual

denominamos de então a diferença de tempos, denominada como atraso de grupo diferencial

(differential group delay – DGD) devido ao efeito do PMD após propagação na fibra, é dada por [1],

Δ LΔ

Considerando um valor típico de DGD= 0,5 ps/ km, o atraso acumulado ao longo de uma distância de

100 km de fibra, será de 50 ps, valor que é comparável com o período de um sinal com débito de

transmissão BD= 10 Gb/s (100 ps), ficando assim exemplificado a problemática da transmissão de

sinais de alto débito devido ao PMD.

O assumir-se que as constantes de propagação de modo de polarização são constantes é irrealista,

dado o comprimento das fibras utilizadas; só para comprimentos muito curtos é que este

comportamento se poderia assumir, o que não corresponde aos casos práticos de utilização. Assim a

birrefringência varia ao longo do comprimento da fibra, além de também variar com a temperatura e

outras condições ambientais, como já referido. Assim o efeito acumulativo não é tão penalizador, pois

os intervalos de atraso elementares variam aleatoriamente ao longo da fibra e alguns podem-se

anular entre si. Isto resulta na dependência inversa do DGD, não no comprimento da ligação, mas

sim na raiz quadrada dessa distância, pelo que o PMD (ou também coeficiente de PMD) será

expresso em ps/√ km.

25

Capítulo 3

Métodos de ensaio e especificações de fibra ótica

Os métodos de ensaio de fibra ótica estão normalizados internacionalmente e são descritos no

conjunto de normas IEC 60793-1 com a designação geral de “Optical Fibres”, das quais se destacam

as normas:

IEC 60793-1-40 Optical fibres - Measuring methods and Test procedures: Attenuation;

IEC 60793-1-42 Optical fibres - Measuring methods and Test procedures: Chromatic

dispersion;

IEC 60793-1-42 Optical fibres - Measuring methods and Test procedures: Polarization mode

dispersion.

As recomendações internacionais utilizadas na especificação das fibras óticas estão englobadas no

conjunto “ITU-T Series G: Transmission systems and media, digital systems and networks

Transmission media characteristics – Optical fibre cables”, e são as seguintes:

ITU-T G652 - Characteristics of a single-mode optical fibre and cable;

ITU-T G653 – Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fibre and cable;

ITU-T G655 - Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fibre and

cable.

As especificações de cliente, eventualmente existentes, para além de remeterem para as Normas e

Recomendações internacionais aplicáveis e acima referidas, podem também incluir referências aos

seguintes parâmetros:

Atenuação máxima e perdas de retorno nas juntas de fusão e conectores óticos;

26

Coeficiente de atenuação máximo ponto-a-ponto, incluindo as juntas de fusão e conectores

da ligação.

As fibras óticas atuais apresentam, em termos de atenuação, um desempenho significativamente

superior ao definido normativamente. Apesar desta realidade, os donos de redes de

telecomunicações não têm redefinido novos parâmetros de atenuação para a fibra quando efetuam

os balanços de potência da ligação, optando antes por contrabalançar esta melhoria com as perdas

ocorridas nas juntas óticas de ligação, assumindo-se assim que a atenuação da fibra definida na

Recomendação ITU-T (a qual só se refere a ela própria) seja a aplicada à fibra instalada

(consideradas todas as juntas óticas e conectores necessários).

Na preparação das condições de ensaio, destaca-se a limpeza prévia dos conectores e ligadores

óticos, a inspeção dos cordões de ensaio e a observação de um período de estabilização dos

equipamentos de ensaio, período que deve seguir as orientações do fabricante e os resultados de

calibrações anteriores dos dispositivos de ensaio.

3.1 Atenuação

A atenuação de um sinal é por definição a relação entre a potência de saída e de entrada de um

sistema e as unidades de medida são o decibel (grandeza logarítmica de base 10). Para o valor da

atenuação toma-se o módulo dessa relação. No caso duma ligação por fibra ótica, a atenuação é

medida em comprimentos de onda específicos, sendo dada por

A () = 10 x log10 (Psaíd/ Pent ) (3. 1)

em que A () é expressa em dB ou

A () = (Psaíd - Pent (3. 2)

em que A () é expressa em dB,e Pent e Psaíd são expressos em dBm.

O ensaio de atenuação é realizado em respeito à Norma Internacional IEC 60793-1-40 Optical fibres -

Measuring methods and Test procedures: Attenuation, a qual abrange os seguintes métodos:

Método A: “Cut-back”;

Método B: Perdas de inserção;

Método C: Reflectometria ótica (“backscattering”);

Método D: Atenuação espetral por modelação.

27

Os Métodos “A” a “C” aplicam-se a fibra ótica multimodo (classe A) e monomodo (classe B). O

Método A: Cut-back, é o método de referência para a medição de atenuação e como tal de aplicação

obrigatória no caso de disputas sobre resultados. Contudo, é um procedimento de ensaio destrutivo

aplicando-se assim unicamente a fibra ótica não instalada.

O Método C: Reflectometria ótica, para além da informação sobre o coeficiente de atenuação

(dB/km), também fornece outros dados, como a localização, perdas e características de eventos e

pontos de descontinuidade na fibra (juntas óticas, interrupções de continuidade, reflexões anómalas,

pontos de esforço por curvatura excessiva). Para além desta informação quantitativa este método

permite também concluir sobre a qualidade da instalação do cabo de fibra ótica.

O Método D: Atenuação espetral por modelação, é unicamente aplicado a fibras monomodo e tal

como o nome indica, pretende traçar a evolução da atenuação em função do comprimento de onda,

tendo por base um conjunto de medições (3 a 5 no máximo) e a sua extrapolação, por manipulação

matemática, para a zona espetral pretendida. Tendo-se em atenção o gráfico tipo da atenuação

espetral duma fibra, apresentado na Fig.2.6, facilmente se concluirá das limitações deste método.

Com base no exposto conclui-se que os métodos disponíveis para os ensaios de atenuação de cabo

de fibra ótica instalado são os Métodos B (Perdas de inserção) e C (“Backscatering”).

3.1.1 Perdas de inserção

As perdas de inserção são então medidas de acordo com o Método B: Perdas de inserção, cujo

diagrama de implementação se apresenta na Fig. 3.1.

Fig. 3. 1- Diagrama esquemático do ensaio de atenuação

De acordo com o Método B, a atenuação é dada pela diferença em dB, entre Pent () e Psaíd() em

dBm. A ligação do Sistema Ótico a Ensaiar (SOE), quer à Fonte Sinal Ótico (FSO) quer ao Medidor

de Potência Ótica (MPO) é feita por dois cordões de ensaio conectorizados, os quais introduzem

atenuação.

Fonte Óptica

Sistema Óptico a Ensaiar

Medidor Pot. Óptica

Pent Psaíd

PFO PMPO

28

O SOE pode ser constituído por uma ligação em fibra ótica com alguns quilómetros de comprimento,

situação típica, donde a FSO e o MPO estão em locais físicos diferentes.

O SOE, a FSO e o MPO são acedidos via conectores óticos. Todos os conectores óticos têm ligação

macho, pelo será necessário existirem interligadores fêmea para possibilitarem a ligação. No total

existirão 8 conectores machos (4 nos cordões) e 4 interligadores fêmea (2 no SOE, 1 no FSO e 1 no

MPO).

A execução do ensaio desenrola-se em três fases, designadamente a preparação das condições de

ensaio, a calibração do sistema de geração (FSO) com o de medição (MPO) e o ensaio do SOE

propriamente dito.

A fase de calibração do sistema de ensaio deverá ser realizada de acordo com o estipulado na

Norma aplicável e tem como objetivo a identificação e ou eliminação de erros de medição inerentes

ao próprio sistema. No caso vertente, pretende-se identificar e deduzir ao valor medido, as perdas

nos conectores e cabos óticos de ligação e estabelecer um valor de potência de sinal ótico de

referência que possa ser considerado como Pent.

Para a realização da calibração do sistema de medição, e tendo como referência o diagrama da Fig.

3.2, o SOE é substituído por um cordão de ensaio, o mais curto possível (1 m) e em bom estado.

Realizada esta operação, não se deverão desfazer as ligações dos cordões óticos aos dispositivos

dos sistema de ensaio (FSO e MPO), sob consequência da calibração se considerar inválida. As

pontas dos cordões de ensaio que ligam ao SOE e os conectores do SOE deverão ser protegidas

contra poeiras e danos físicos, quando não estão em uso.

Para a realização do ensaio do SOE realiza-se a ligação conforme a Fig. 3.1. e toma-se nota do valor

de potência Psaid () lido no MPO. A atenuação é calculada de acordo com a expressão (3.2.). As

medições são repetidas para cada comprimento de onda de ensaio. Apesar de tecnicamente

desnecessário, os donos de redes de fibra ótica têm exigido que a medição de perdas de inserção

seja feita nos dois sentidos e tomado como valor a média aritmética dos dois valores.

3.1.2 Atenuação Espetral

A atenuação espetral é medida de acordo com o Método B: Perdas de inserção, cujo diagrama de

implementação já foi apresentado na Fig. 3.1.

A metodologia de ensaio é uma extensão, em termos de gama de comprimentos de onda de ensaio,

ao já referido para o ensaio de perdas de inserção. Enquanto o ensaio de perdas de inserção é

realizado em comprimentos de onda específicos de acordo com a aplicação da rede ótica,

designadamente 1310 nm, 1383 nm, 1490 nm, 1550 nm e 1625 nm, no ensaio de atenuação espetral

29

a gama abrangida encontra-se entre os 1260 nm e 1640 nm, com intervalos espetrais variáveis na

ordem dos 5 nm.

Os sistemas de medição atuais implementam este método de dois modos distintos:

Fonte ótica de comprimento de onda variável e medidor de banda larga;

Fonte ótica de banda larga e medidor de potência seletivo.

O valor da atenuação espetral é geralmente apresentado na forma de coeficiente de atenuação

espetral, pelo que é sempre necessária a medição do comprimento da ligação, recorrendo-se para

isso ao ensaio de refletometria já referido.

Na Fig. 3.2. apresenta-se curva de atenuação de uma ligação ótica, implementada com fibra G652 B

e com o comprimento de 114 km. É notório na figura o efeito de atenuação por “pico de água”

(comprimento de onda de 1383 nm).

De acordo com o Método B (Perdas de inserção), a atenuação é dada pela diferença em dB, entre

Pent () e Psaíd() em dB. Tendo-se em atenção que a atenuação especificada para a fibra ótica nos

documentos normativos, está em termos de coeficiente de atenuação, o valor da atenuação medido é

dividido pela distância da ligação, a qual tinha sido anteriormente medida, de modo a que o valor seja

apresentado na forma de dB/km.

Fig. 3. 2 - Curva de atenuação espetral de uma ligação ótica com 114 km.

3.1.3 Coeficiente de Atenuação

O coeficiente de atenuação é medido de acordo com o Método C: Refletometria ótica, recorrendo

para o efeito a um equipamento denominado OTDR, cujo esquema bloco é apresentado na Fig. 3.3..

O diagrama de implementação do ensaio apresenta-se na Fig. 3. 4.

30

Fig. 3. 3- Diagrama esquemático do OTDR

Fig. 3. 4 - Diagrama esquemático do ensaio de coeficiente de atenuação

O método de refletometria ótica tem por base o efeito de Rayleigth método e foi inventado por M.

Barnoskim e M. Jensen em 1976 [3,4], no tempo em que a tecnologia da fibra ótica dava os primeiros

passos. A ideia básica do método consiste na aplicação, na fibra ótica a testar, de um impulso ótico

de muito curta duração e de potência relevante e a consequente deteção do sinal retornado, como

resposta da fibra ao sinal aplicado. Em qualquer ponto da fibra a amplitude do sinal resultante da

dispersão é proporcional à potência do sinal transmitido. A medição da potência do sinal retornado

em função ou tempo ou da posição na fibra (distância), dá informação sobre a distribuição local do

coeficiente de atenuação da fibra. Deste modo é possível avaliar a distribuição espacial e magnitude

de vários eventos na fibra tais como, conectores óticos, juntas óticas, zonas de perda devido a micro

ou macro curvaturas e outras perturbações.

A potência de um sinal que se propaga na fibra, em função da distância é dada por

. 1 (3. 3)

em que P(x) representa a potência total à distância x do ponto de injeção do impulso de potência P0

(x=0), é o valor médio do coeficiente de atenuação total (Np/km), o qual contempla as perdas por

efeito de Rayleight e as de absorção ((x) = abs(x) + rs(x)), e 1(x) é a função escalão de Heaviside.

IN/O

TransmissorÓtico

Processador de Sinal

ReceptorÓtico

Ecran do OTDR

Divisor Ótico

Reflectómetro Óptico(OTDR)

Sistema Óptico a Ensaiar

Fibra Buffer

31

O coeficiente de atenuação que se apresenta no sentido da propagação () é diferente do que se

verifica no percurso de retorno (ret), sendo por isso útil definir um coeficiente de atenuação médio A,

resultante da média aritmética dos coeficientes em cada direção.

A potência do sinal originada pelo efeito de Rayleigth [3, 4] é dada por

2

(3. 4)

Assumindo-se que AvgT0 << 1, o que se verifica para fibras de alta qualidade, resulta

2. 1

(3. 5)

ou

2. 1

(3. 6)

onde Po é a potência de pico do impulso, rs é o coeficiente de atenuação devido ao efeito de

Rayleigth, é o coeficiente de atenuação médio total da fibra (no caso das fibras de boa qualidade

), S é o fator de espalhamento, T0 é a largura do impulso e vg é a velocidade de grupo, 1(t) e

1(x), são respetivamente impulsos unitários no domínio do tempo e do espaço.

O coeficiente de espalhamento rs é proporcional a 1/ 4, pelo que a potência do sinal retornado é

fortemente influenciada pelo comprimento de onda do impulso ótico transmitido. O fator de

espalhamento S depende do tipo de fibra e para o caso da fibra monomodo é dado por [3]

/

,

(3. 7)

O sinal que retorna, processado em função da distância, permite reconstruir o perfil da ligação, dando

informação qualitativa e quantitativa sobre as características da ligação ótica, como se de uma

assinatura se tratasse.

Os únicos parâmetros exteriores à fibra são a potência P0 e a duração do impulso aplicado T0, os

quais serão definidos na configuração das condições de ensaio.

Esta técnica permite a análise completa da ligação ótica, designadamente das suas secções de fibra,

das ligações que as constituem (ex. ligação por fusão) e distância entre elas, para além de outros

eventos eventualmente existentes. Sendo uma medição com base num único ponto de acesso, será

necessário repetir a operação no outro extremo do sistema e realizar a média das duas medições, de

modo a compensar eventuais efeitos introduzidos pelo processo (e.g. junta ótica com ganho).

Num OTDR as principais características são a zona morta (dead zone), as quais se repartem em

zona morta de atenuação (attenuation dead zone ) e zona morta de evento (event dead zone),

resolução e gama dinâmica.

32

Quando o sinal ótico propagado se depara com uma zona de descontinuidade, criada por uma

alteração brusca do índice de refração (e.g.: interface sílica-ar provocada na ligação mecânica entre o

conector de saída do OTDR e o de acesso à FOE, má fusão ou interrupção na fibra ), dá origem a um

impulso refletido denominado reflexão de Fresnel, cuja duração depende da largura e potência do

impulso aplicado. O período de tempo em que este impulso perdura, no qual o OTDR está

impossibilitado de efetuar uma medição, acrescido do intervalo de tempo que recetor do OTDR

necessita para recuperar, denomina-se genericamente de “zona morta”.

Após uma reflexão de Fresnel, a distância mínima que o OTDR necessita para detetar um novo

impulso denomina-se zona morta de eventos, enquanto que para medir com precisão a atenuação de

dois eventos consecutivos, essa distância se denomina como zona morta de atenuação. Poder-se-á

assim concluir que quanto menores forem estas zonas mortas, melhor será a performance do OTDR

com impacto no resultado dos ensaios.

Tomando como exemplo o caso de dois impulsos, um com 10 ns e outro com 10 s de duração a

percorrerem uma fibra com um índice de refração (n) de 1,467 [3], teremos uma distância equivalente

dada por, L 0 g 0 / , para cada caso, aproximadamente, de 2m e 2 km. Assim que o

impulso de luz sai do OTDR, a reflexão provocada pelo conector do OTDR é elevada e

significativamente superior a uma eventual proveniente da fibra, resultando na saturação do recetor

por excesso de sinal. Esta reflexão “cega” efetivamente o OTDR, pelo menos pela duração do

impulso emitido. No exemplo dado, teremos para um impulso de 10 ns, uma distância de 2 m e para

um impulso de 10 s uma distância de 2 km. Durante pelo menos, este tempo ou distância, o OTDR

não consegue medir a amplitude do sinal recebido e subsequentemente não consegue efetuar

medições na fibra.

Para obviar a esta limitação introduzida pela zona morta de atenuação, é que se utiliza a fibra “buffer”

referenciada na Fig. 3. 4. O seu comprimento deve ser superior à distância de zona morta esperada.

Antes de se efetuar uma medição é necessário parametrizar o OTDR, para o que se deverão definir

os seguintes parâmetros:

Comprimento de onda de medição;

Gama de distância (escala horizontal);

Largura do impulso;

Atenuação (escala vertical);

Índice de refração de grupo;

Número de leituras (amostras) ou tempo de aquisição;

Limiar de deteção de eventos;

Processo de aproximação matemático (seleção colinear).

Os equipamentos mais recentes já têm incorporada uma função automática que parametriza o OTDR

em função da dimensão da ligação a ensaiar, sendo unicamente necessária a definição do

comprimento de onda de ensaio e o índice de refração de grupo. Sendo uma parametrização

33

automática tem a desvantagem de poder omitir determinados eventos, pelo que será necessário

posteriormente ajustar a parametrização a uma melhor recolha de resultados.

A gama dinâmica do OTDR é definida como a diferença entre o nível de retro espalhamento no início

da fibra em teste e o nível médio de ruído, no qual a relação sinal ruído ( ) é 1 dB [3]. Tendo-se em

atenção o coeficiente de atenuação na ligação, assim se atingirá um maior ou menor alcance do

OTDR.

A gama dinâmica pode contudo, ser melhorada através do aumento do número de amostras (N), num

determinado período de tempo, tal como se apresenta [5]

∆ 10 √ (3. 8)

em que representa o número de amostras em cada período de aquisição.

O tempo de aquisição ou número de amostras, dependendo das opções que o equipamento de

medição específico disponibilizar é relevante, não só para o aumento da gama dinâmica de medição

mas também para o processamento do sinal ótico retro recebido, clarificando a imagem no écran.

Os tempos de aquisição mais utilizados variam entre 30s e 3 min e a sua seleção depende da

situação concreta a ensaiar. Em termos do impacto na gama dinâmica do OTDR teremos para uma

variação de 6 vezes no tempo o correspondente aumento de 6 vezes no número de amostras, donde

a relação melhorará aproximadamente 4 dB. Se considerarmos a utilização de fibra G652 a

trabalhar na janela de 1310 nm (coeficiente de atenuação 0,4 dB/km), ir-se-á ter um aumento do

alcance de medição na ordem de 10 km, melhoria que poderá ser decisiva quanto á conclusão com

sucesso de um ensaio ótico.

A execução do procedimento de medição deverá seguir o definido na Norma para este método. A

apresentação dos resultados é efetuada na forma de relatório, para onde foram transcritos todos os

resultados e sua eventual análise face às especificações definidas. Para além desta informação, são

geralmente entregues os ficheiros de leitura gerados pelo equipamento de medição, num formato

manipulável por programas de análise e processamento específicos.

Este ensaio é atualmente realizado nos comprimentos de onda de 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e

1625 nm. Os comprimentos de onda de 1310 nm e 1550 nm correspondem às 2ª e 3ª janelas de

operação; o comprimento de onda de 1383 nm abrange a zona espetral eventualmente abrangida

pelo “pico de água”; o comprimento de onda de 1625 nm corresponde àquele que é utilizado pelos

sistemas de supervisão de redes de fibra ótica.

Na Fig. 3. 5, ilustra-se o resultado de uma medição com OTDR de uma ligação ótica de

aproximadamente 19,9 km, a qual é composta por 8 secções e um painel ótico de interligação

intermédio. Na figura estão referenciadas as secções, indicando-se para cada o seu comprimento, o

coeficiente de atenuação da fibra, as perdas nas juntas óticas, a atenuação e perdas de retorno no

conector do painel intermédio e o comprimento total da ligação.

34

Resultante da medição e recorrendo a programas de processamento de dados adequado que cada

fabricante disponibiliza, poder-se-á aceder aos resultados em forma de tabela, tal como ilustrado na

Fig. 3. 6.

O traço da ligação ótica ilustrado na Fig. 3. 5.e a tabela de eventos ilustrada na Fig. 3. 6., evidenciam

um conjunto de particularidades que ocorrem com alguma frequência, e que quem efetua o ensaio

tem de estar preparado para tal interpretar.

Assim, de acordo com a descrição anteriormente apresentada para a ligação (8 secções com uma

conectorização intermédia), só 5 secções foram identificadas pelo OTDR. A razão para tal é que as

perdas em algumas juntas são inferiores ao limiar de deteção de eventos estabelecido (manual ou

automaticamente) no OTDR. Caso a informação da medição do OTDR seja utilizada para cadastrar a

rede em termos de localização de juntas e distâncias, ou os resultados venham a ser posteriormente

processados por programas específicos de emissão de relatórios, seria necessário ajustar o limiar de

deteção, até que todos os eventos esperados sejam identificados. Isto contudo, poderá transformar-

se noutro problema, pois poderá aumentar significativamente o número de eventos detetados o que

obriga à sua eliminação manual posteriormente.

Fig. 3. 5.-Traço de uma ligação ótica medido pelo OTDR. Comprimento de onda () de 1310 nm e

largura de impulso de 30 ns.

Existe uma ligação por fusão que apresenta um ganho (aparente), designadamente a relativa ao

evento 2. Isto acontece porque o diâmetro do campo modal da fibra que constitui a secção 3 é

superior ao que se verifica para a secção 2. Por esta razão é necessário que as medidas de OTDR

sejam feitas nos dois sentidos e efetuada a média aritmética dos eventos quantitativos medidos, tal

como referido anteriormente.

35

Fig. 3. 6 -Tabela de eventos tipo gerada pelo OTDR, correspondente à ligação ótica cujo traço se

apresentou na Fig.3.5.

3.2 Perdas de retorno

Na caracterização das perdas de retorno (Return Loss RL), poderemos considerar duas vertentes:

A contribuição de cada um dos potenciais eventos refletivos, medindo a sua refletância;

As perdas de retorno totais da ligação.

O RL é expresso em unidades logarítmicas (dB), sendo dado por

10 (3. 9)

onde, representa o RL, Pr e Pi correspondem respetivamente à potência do sinal refletido e

incidente.

O ensaio de RL é realizado de acordo com as metodologias referidas na Norma IEC 61300-3-6 Fiber

optic interconnecting devices and passive components- Basic test and measurement procedures –

Part 3-6 Examinations and measurements – return loss.

A Norma prevê quatro métodos de medição, designadamente:

Método 1: Medição com OCWR (optical continuos wave reflectometry);

Método 2: Medição com OTDR (optical time domain reflectometry);

Método 3: Medição com OLCR (optical low coherent reflectometry);

Método 4: Medição com OFDR (optical frequency domain reflectometry).

O Método 2 (medição com OTDR) é o normalmente aplicado em ensaios de campo e contempla duas

técnicas:

36

Técnica A – Terminação da ligação ótica com uma carga de Perdas de retorno conhecida;

Técnica B- Avaliação com base no retro-espalhamento de Rayleight e duração do impulso;

das quais a Técnica B é a mais utilizada.

A medição da refletância é realizada atualmente de forma automática pelo OTDR. As medições RL

totais, também são automaticamente medidas pelos OTDR mais recentes. Recorrendo novamente

aos resultados apresentados na Fig 3.5 e Fig. 3.6, podemos constatar o resultado da medição das

perdas de retorno totais (Fig. 3.5 – Global Orl) e da refletância no conector intermédio (pico

intermédio visível na Fig. 3.5 e evento número 4 da Fig. 3.6), e no conector final (evento número 6 da

Fig. 3.6), obtendo-se respetivamente 31,45 dB, -49,18 dB e -22,49 dB.

Na Fig. 3.7 estão ilustrados estes resultados. Note-se que o equipamento de ensaio para cada evento

atribui uma sinalética que o caracteriza. Assim os eventos 1, 2 e 3 estão classificados como perdas

em juntas de fibra ótica, nas quais não existem efeitos refletivos; o evento 4 está assinalado como

existindo uma ligação ótica refletiva (existência de atenuação e refletância); o evento 5 está

assinalado unicamente como evento refletivo e ausência de continuidade da ligação ótica, deduzindo-

se assim, após consulta do cadastro da ligação e de resultados de outras medições, que se está no

ponto chamado “fim de fibra”. A sinalética utilizada está acordada entre os diversos fabricantes de

equipamento OTDR.

Fig. 3. 7- Extrato da tabela de eventos da Fig 3.6, realçando-se os resultados da medição das perdas

de retorno e refletâncias.

3.3 Dispersão

A norma IEC 60793-1-42 descreve as medidas de CD em fibras, enquanto a IEC 60793-1-48

descreve os métodos de medição do PMD.

A medição da dispersão, com especial ênfase em PMD, é uma condição preponderante para a

identificação se a rede em estudo pode ou não suportar o débito binário de tráfego pretendido.

37

3.3.1 Dispersão Cromática (CD)

A CD resulta do facto do índice de refração da fibra ser dependente do comprimento de onda do sinal

aplicado. Como a largura espetral da fonte de sinal ótica tem alguns nanometros, o impulso emitido

terá tempos de propagação diferentes, resultando assim no seu alargamento.

Dos métodos indicados na Norma, alguns medem o atraso de grupo em função do comprimento de

onda, donde a CD e a inclinação no ponto de dispersão nula (S) são deduzidos matematicamente a

partir destes dados. Outros métodos medem diretamente a CD em função do comprimento de onda.

A Norma prevê então quatro métodos de medição, designadamente:

Método A: Desvio de fase (Phase shift);

Método B: Atraso de grupo espetral no domínio do tempo (spectral group delay in the

time domain);

Método C: Desvio de fase diferencial (Differential phase shift);

Método D: Interferométrico (interferometry).

No Método A - Desvio de fase, realiza-se para cada comprimento de onda, a medição da fase do

sinal ótico que percorre um sistema, comparativamente a um sinal de referência de comprimento de

onda fixo. A diferença entre as fases dos dois sinais é o desvio de fase. Os desvios de fase relativos

são convertidos em intervalos de tempo relativos e a informação de atraso de grupo em função do

comprimento de onda é então aproximada por aplicação de uma equação a selecionar de acordo com

o tipo de fibra em ensaio.

No Método B - Atraso de grupo espetral no domínio do tempo (spectral group delay in the time

domain), mede-se, para cada comprimento de onda, o atraso de tempo do impulso ótico, ao percorrer

a fibra a ensaiar, cujo comprimento se conhece. Repete-se a metodologia, agora sobre uma fibra de

referência e subtraem-se os valores respetivos. A informação de atraso de grupo em função do

comprimento de onda é então aproximada, pela aplicação de uma equação a selecionar de acordo

com o tipo de fibra em ensaio.

No Método C - Desvio de fase diferencial (Differential phase shift), o sinal ótico a injetar na fibra é

modulado, sendo enviado um par de comprimentos de onda. As fases correspondentes são medidas.

A CD no intervalo é calculada tendo em atenção a diferença de fases dos sinais, a diferença entre

comprimentos de onda e comprimento da fibra. Os dados da CD em cada intervalo são

posteriormente aproximados matematicamente, pela aplicação de uma equação a selecionar de

acordo com o tipo de fibra em ensaio.

38

No Método D - Interferométrico (interferometry), as diferenças de tempo de propagação para cada

comprimento de onda, ocorridas na fibra a testar e na fibra de referência, são medidas por intermédio

do interferómetro de Mach-Zender.

Com exceção do Método B, os restantes métodos obrigam à existência de acesso aos dois extremos

da ligação a ensaiar.

Todos esses métodos medem primeiro o tempo de atraso, em ps, em função do comprimento de

onda. Posteriormente, deduzem o coeficiente de CD, em ps/nm/km, a partir da inclinação da curva

atraso e do comprimento da ligação ótica. A curva de atraso é obtida com base nos atrasos

adquiridos nos pontos de comprimento de onda discretos. Portanto, a precisão do cálculo do

coeficiente de CD depende da quantidade de dados medidos e do espaçamento entre comprimentos

de onda que formam o par.

Os ensaios apresentados neste trabalho foram realizados com recurso ao Método A: Desvio de fase.

O atraso de grupo relativo é [4]

∅ ∅10

360 ∙ ∙

(3. 10)

em que

– é o atraso de grupo relativo (ps/ km);

∅ ∅ – são os valores de fase medidos no sistema a ensaiar e na referência (graus);

– é a frequência do sinal modulador (MHz);

– é a diferença de comprimento (km) entre a fibra a ensaiar e a fibra de referência.

Na Fig.3.8 , apresentam-se os gráficos do atraso de grupo relativo (a) e da CD (b), em função do

comprimento de onda, para uma ligação com fibra do tipo G.652 de 13 km de comprimento. Na

Fig.3.9, apresentam-se os gráficos do atraso de grupo relativo (a) e da CD (b), em função do

comprimento de onda, para uma ligação com fibra do tipo G.653 de 22 km de comprimento.

Conforme referido, o resultado das medições de CD obtidas em função do comprimento de onda, é

diretamente obtido ou calculado após a medição do atraso de grupo. O valor da CD e da inclinação

no ponto de dispersão nula (S), são obtidos por manipulação matemática (derivação) destes valores.

Esta manipulação matemática é realizada após um ajustamento a um modelo matemático polinomial

de aproximação, sendo mais frequente a aproximação dada pela diferenciação do quinto termo da

equação de Sellmeier [8]

2 2 4 4 (3. 11)

Aquando da parametrização do equipamento de medição, será necessário estabelecer-se (selecionar

entre as opções existentes) o modelo matemático de aproximação.

39


relativo (a) e da CD (b), em função do comprimento de onda


relativo (a) e da CD (b), em função do comprimento de onda

40

3.3.2 Dispersão de modos de polarização (PMD)

O PMD causa o alargamento dos impulsos no domínio do tempo, podendo ser a principal causa para

o mau funcionamento de um sistema de telecomunicações. Este alargamento é motivado pela

chegada desfasada no tempo, das diferentes componentes de polarização ortogonal do sinal. No

caso da fonte ótica ter uma largura espetral suficientemente estreita, poder-se-á relacionar o efeito

com o atraso de grupo diferencial (DGD), ∆ , entre pares de estados ortogonais principais de

polarização a um determinado comprimento de onda.

Em grandes comprimentos de ligações óticas, dado que a birrefringência ao longo da fibra varia

aleatoriamente, a DGD varia aleatoriamente no tempo e no comprimento de onda. Por essa razão,

um modo útil de caracterizar o PMD nestas situações, é em termos de valor esperado, ∆ , ou

valor médio de DGD no comprimento de onda. A utilização do valor esperado, ∆ , dado não

sofrer grandes alterações diárias e de também não ser sensível à alteração da fonte de sinal, é um

estimador útil nos sistemas de comunicação óticos.

Em sistemas de grande comprimento as fibras monomodo apresentam um efeito de acoplamento de

modo (“mode-coupling”), ou seja a energia que se propaga nos modos de polarização lentos e

rápidos num segmento de fibra, ligam-se nos dois sentidos (frente e para trás) devido à

birrefringência da fibra. O efeito cumulativo deste fenómeno é tal que ∆ depende do comprimento de

onda e do meio envolvente da fibra. O grau ou tipo de acoplamento, determina o modo como ∆

varia com o comprimento da fibra, sendo necessário identificar-se inicialmente esta situação,

designadamente se o acoplamento é aleatório, semialeatório ou sem significado.

Se o teste de aleatoriedade se confirma, então ∆ relaciona-se com a raiz quadrada do

comprimento, sendo válido expressar-se o PMD para longas distâncias (PMDLD ) [8]

∆

√

(3. 12)

Se o teste para um acoplamento não significativo for válido, então ∆ relaciona-se diretamente

com o comprimento, sendo válido expressar-se o PMD para distâncias curtas (PMDDC ) [8].

Considera-se estar-se perante uma situação de acoplamento não significativo, quando o desvio

padrão de ∆ é menor que 1/10 do seu valor médio.

∆

(3. 13)

Nos restantes casos, não se deverá utilizar o coeficiente de PMD.

Com a realização do ensaio de PMD obtêm-se os seguintes dados:

41

PMD (ou valor médio de DGD), em ps, o qual representa o atraso médio estimado entre os

dois modos;

Coeficiente de PMD, em ps/km½; o qual representa a dependência do atraso em função da

distância (o divisor depende do tipo de acoplamento entre modos);

PMD de segunda Ordem (ou DGD2), em ps/nm, o qual representa a dependência do atraso

em função do comprimento de onda; o coeficiente de PMD de segunda ordem deverá ser

adicionado ao valor de CD para a contabilização do seu impacto na rede.

Coeficiente de PMD de segunda Ordem, em ps/nm/km, o qual representa a dependência do

atraso em função do comprimento de onda e da distância.

A natureza estatística do PMD é tida em atenção aquando da definição do atraso máximo tolerável, o

qual se assume como 10% da largura temporal de um bit (tb) que se pretende transmitir num sistema

[1,2,19], sem que a performance da rede se degrade mais do que 1 dB, utilizando-se o comprimento

de onda de 1550 nm e o código de linha NRZ.

Considerando-se, por exemplo, um sistema com velocidade de transmissão de 10 Gb/s no qual o

comprimento do bit (tb) resultante é de 100 ps, o PMD máximo será 10 ps. Alargando-se esta

exemplificação a outros débitos de transmissão (2,5 Gb/s, 40 Gb/s e 100 Gb/s) numa rede com 100

km de comprimento, obteremos os resultados que se apresentam na Tab.3.1.

Tab. 3. 1.- Valor máximo de PMD em função do débito de transmissão na rede

Débito Duração bit (tb) PMD máximo Coef. PMD (100 km)

2,5 Gb/s 400 ps 40 ps 4 ps/km1/2

10 Gb/s 100 ps 10 ps 1 ps/km1/2

40 Gb/s 25 ps 2,5 ps 0,25 ps/km1/2

Tendo-se presente as condições anteriormente definidas, em que o PMD pode ser representado por

uma função estatística Maxweliana, que se utiliza o código de linha NRZ, um sinal ótico de 1550 nm,

uma penalidade de potência de 1 dB e uma taxa de erros (BER) entre 10-9 a 10-12, pode-se aplicar a

fórmula [19],

10

onde

- L é o comprimento máximo da ligação em km;

- BD é o débito de transmissão em Gb/s;

- PMD é o coeficiente de PMD em ps/km1/2.

42

A Norma referida descreve três métodos para a medição do PMD, designadamente:

Método A – Analisador fixo (Fixed analyser);

o Opção 1 – Por contagem dos valores extremos (máximos e mínimos)

o Opção 2 – Por Transformada de Fourier

Método B – Avaliação dos parâmetros de Stokes;

o Opção 1 – Matriz de Jones – valores característicos (JME)

o Opção 2 – Análise da Esfera de Poincarré (PSA)

o Opção 3 – Estados de Polarização (SOP)

Método C – Interferometria.

o Opção 1 – Acoplamento de modo negligenciável

o Opção 2 - Acoplamento de modo aleatório

Qualquer dos métodos utiliza uma fonte de luz que é controlada em um ou mais estados principais de

polarização. A fonte de luz deverá estar centrada nos comprimentos de onda de 1310 nm e 1550 nm

e ter uma largura de banda entre 50 nm e 200 nm [9]. Os métodos diferem nas características da

fonte, naquilo que cada um mede e no método de análise específico.

No Método A, analisador fixo, o PMD é obtido medindo-se a resposta do sistema a um sinal ótico de

banda estreita, em função do comprimento de onda. O sinal ótico aplicado é polarizado linearmente

em um ou mais estados de polarização. Para cada estado são comparadas, em função do

comprimento de onda, as potências, do sinal emitido, após filtragem por um analisador de polarização

fixo, e do sinal recebido. O resultado obtido poderá ser analisado de duas maneiras:

Por contagem do número de extremos (valores máximos e mínimos) da curva e aplicação da

fórmula [9]

∆2

(3. 14)

em que k é o fator de acoplamento de modo que é 1,0 no caso de acoplamento aleatório e 0,82 no

caso de acoplamento fraco; E é o número de máximos e mínimos medidos; c é a velocidade da luz no

vácuo; 1 e 2 são os comprimentos de onda de início e fim de varrimento.

Pela aplicação da transformada de Fourier à função de medição.

No Método B, avaliação dos parâmetros de Stokes, o PMD é igualmente obtido medindo-se a

resposta do sistema a um sinal ótico de banda estreita em função do comprimento de onda. O sinal

ótico aplicado é igualmente polarizado linearmente em um ou mais estados de polarização. O sinal

recebido é medido por uma analisador de polarização, obtendo-se os parâmetros de Stokes em

função do comprimento de onda. Estes resultados serão posteriormente processados de acordo com

a opção do método escolhida (JME, PSA ou SOP).

O Método C, Interferometria, baseia-se numa fonte de sinal ótico de banda larga que é polarizado

linearmente. O sinal recebido é medido por um interferómetro. Neste método existem dois tipos de

43

implementação a referir, o “Traditional Interferometic Method – TINTY” e o “General Interferometic

Method – GINTY”.

Na abordagem TINTY [19], o sinal ótico de banda larga aplicado na fibra a testar é captado pelo

interferómetro antes de este atingir o detetor. O resultado é um interferograma com fase aleatória, a

partir do qual o valor médio do DGD é determinado pelo desvio padrão do sinal após remoção do pico

de auto correlação. O pico de auto correlação, o qual interferiria no resultado caso não fosse

removido, é suprimido por aplicação de um algoritmo matemático.

Na metodologia GINTY [19], é possibilitada a deteção simultânea, por via da utilização de

“scramblers” de polarização em ambos os extremos da rede a ensaiar, em conjugação com um

separador de polarização (Polarization beam splitter) na receção. Com esta implementação o

interferograma obtido não tem o pico de auto correlação. A função dos “scramblers” de polarização é

melhorar a incerteza de medição dos resultados. O PMD é obtido pela leitura contínua dos valores de

cada varrimento, e o valor médio é obtido a partir da totalidade dessas leituras e não a partir de uma

única leitura.

Em quaisquer destas implementações o PMD de segunda ordem não é medido diretamente, mas sim

calculado com base nas medições efetuadas.

Apesar de cada um dos métodos estar normalizado a natureza complexa do PMD obriga à assunção

de vários compromissos na sua medição, dependendo do método em questão, o que se traduz em

resultados com alguma diferença quantitativa. Com base em ensaios interlaboratoriais a nível

internacional, foi possível identificar que entre os diferentes métodos e suas implementações

alternativas, existe uma divergência de resultados que se situa entre os 10% a 20% [9]. Esta

divergência foi assumida, em 2003, como o “state-of-the-art” [9] e até à atualidade não foi alterada.

Na Tab. 3. 2 apresenta-se o grau de concordância ou aproximação de resultados de medição entre

cada um dos métodos (fonte: IEC 60793-1-48, Anexo D). Considera-se que existe convergência de

resultados entre métodos ilustrados na mesma horizontal. A divergência aumenta entre métodos

ilustrados na vertical [9].

Neste contexto era por de mais necessário ser definido qual o método de referência. Assim o Método

B, análise dos parâmetros de Stokes, somente nas opções JME e PSA, foi definido como o método

de referência, o qual deverá ser utilizado na resolução de eventuais disputas.

Neste trabalho foram efetuadas medições recorrendo-se ao Método A na vertente de Transformada

de Fourier e Método C na metodologia GINTY. Sobre um mesmo espécime foram efetuados estudos

comparativos dos resultados.

Existindo equipamentos que implementam a medição por métodos diferentes, designadamente

analisador fixo- transformada de Fourier e Interferometria-método GINTY, importa averiguar o seu

grau de concordância na medição do mesmo estímulo, foram então realizados estudos em que cada

um dos equipamentos fazia dois conjuntos de medições: um sobre o padrão de referência; outro

sobre fibra ótica ITUT-G652 de comprimentos de 5,5 km e 75,4 km.

44

Tab. 3. 2 - Apresentação dos métodos de ensaio por grau de concordância dos resultados

Método de analisador fixo – opção contagem de

extremos ou de ciclos

Matriz de Jones

Método de analisador fixo – opção

Transformada de Fourier

Interferometria

O equipamento que implementa o método de analisador fixo, faz unicamente medições de PMD no

comprimento de onda de 1550 nm; o outro equipamento realiza as medições nos comprimentos de

onda de 1310 nm e 1550 nm. Dado o objetivo de comparar os resultados, as medições foram

somente realizadas no comprimento de onda comum (1550 nm).

Os resultados da experiência na medição de PMD em vários comprimentos de fibra ótica ITU-T

G.652, são apresentados na Tab. 3.3.

Tab. 3. 3- Tabela de resultados da medição de fibras óticas (5,5 km e 75,6 km) pelo método Analisador Fixo (AF) e GINTY

Atraso (ps) - Fibra 5,5 km Atraso (ps) - Fibra 75,6 km

GINTY AF

GINTY-AF

GINTY AF GINTY-

AF

Valor médio

0,212 0,239 -0,027 0,755 0,709 0,046

Desvio Padrão

0,41 E-3 14,7E-3

14,2E-3 8,0E-3

Analisando-se estes resultados, constata-se uma elevada concordância nos valores medidos pelos

dois métodos.

45

Capítulo 4

Caracterização de redes óticas

Uma rede de fibra ótica é uma infraestrutura de telecomunicações com um tempo de vida mínimo de

25 anos, período aliás, geralmente exigido como garantia a quem a fornece (fabricante do cabo de

fibra ótica) e instala essa infraestrutura.

Importa assim ter a certeza que todo o processo, desde o fabrico do cabo ótico até à sua instalação

seja executado de acordo com as melhores práticas internacionais e em cumprimento das

especificações e requisitos do cliente.

Pode-se então organizar toda a atividade de controlo de qualidade da rede, nas seguintes tarefas:

Processo de fabrico do cabo de fibra ótica;

Processo de instalação do cabo em fibra ótica;

Ensaios de aceitação e entrada em serviço.

No que concerne ao processo de fabrico do cabo de fibra ótica refere-se o acompanhamento de

ensaios em fábrica e consulta de resultados, os quais visam assegurar o cumprimento das

especificações requeridas. Estes ensaios deverão abranger todos os requisitos relevantes, sejam os

relativos à fibra ótica ou os relativos à sua robustez e processo de construção do cabo. Podendo não

se justificar a execução dos ensaios na sua globalidade, dever-se-á definir um plano de ensaios, onde

constem os itens a ensaiar, o índice de amostragem e os critérios de rejeição.

O cabo ótico pode ser instalado simplesmente depositando-o em vala no solo, em conduta ou em

postes (cabo aéreo). Nesta fase é determinante que o cabo não seja sujeito a esforços físicos que

não possa suportar, designadamente a força de tração ou raio de curvatura. A título de exemplo

apresenta-se na Tab. 4. 1. estas características mecânicas [18].

46

No caso da instalação do cabo ser em rede aérea, para além do cabo ter de ter as características

necessárias, a distância entre postes tem um valor máximo no sentido de assegurar uma distribuição

o mais uniforme possível da tensão a que o cabo irá ser sujeito e dos esforços e graus de curvatura

nos pontos de suporte.

Tab. 4. 1.- Características mecânicas de cabo ótico.

Característica Especificação

Esforço Máximo de Tração (kgf) 1,5x Peso do Cabo (kg/km)

Raio de Curvatura Máximo Temporário 12x Diâmetro Exterior do Cabo

Raio de Curvatura Máximo Permanente 15x Diâmetro Exterior do Cabo

O comprimento máximo de cada secção de cabo é de 2 km ou 6 km aproximadamente. Assim para

se atingirem grandes distâncias, as várias secções são acopladas recorrendo a um processo de junta

por fusão de cada uma das fibras que compõem o cabo, assegurando-se assim a continuidade da

ligação. Cada junta é protegida por uma manga específica, a qual para além de a proteger dá-lhe

robustez mecânica. Para se assegurar a rigidez mecânica do cabo e a preservação das juntas óticas,

são utilizadas caixas estanques onde as fibras são arrumadas e organizadas. A arrumação das fibras

nestes organizadores deverá ser tal que permita a identificação inequívoca da fibra, que assegure

que a junta ótica está bem protegida e que não existem raios de curvatura da fibra acima do

especificado.

A realização da junta por fusão, apesar de ser realizada de modo automático por equipamento

específico (máquina de fusão de fibra ótica) pode apresentar anomalias, as quais têm impacto no

desempenho daquela ligação. As causas de anomalias ou eventos não desejados na fusões de fibra

ótica, podem ter origem em problemas de mau funcionamento da máquina de fusão, seja por

inadequada parametrização, desajuste ou desgaste, por causas provenientes de máquina de corte da

fibra, seja igualmente por desgaste ou desajuste, ou por causas humanas relacionadas com

inadequada preparação do técnico que está a realizar a operação de fusão das fibras.

Relativamente ao raio de curvatura mínimo admissível na fibra, este é de 1,5 cm no comprimento de

onda de 1310 nm e de 2,5 cm no comprimento de onda de 1550 nm [3]. Assim quanto maior é o

comprimento de onda de trabalho maior é a exigência quanto ao raio mínimo admissível. A este tipo

de perdas designa-se por “perdas por macro-curvatura”.

No caso de o cabo ter sido sujeito a esforços na sua instalação, os quais tenham alterado a

homogeneidade da fibra ou esteja a ser sujeito a esforços após instalado, podem-se originar outras

situações de atenuação extraordinária. Neste caso as perdas designam-se como “perdas por micro-

curvatura”.

A caracterização de redes óticas tem então como objetivo identificar eventuais anomalias, efetuar o

levantamento do estado operacional de uma rede, qualificar ou certificar uma rede, tendo em atenção

especificações definidas.

47

Este processo poderá aplicar-se em redes já existentes ou em redes novas, durante ou após, a fase

de construção. A abordagem a implementar dependerá dos requisitos e objetivos contratuais do

cliente, geralmente estipulados num Caderno de Encargos de Ensaio.

A caracterização de uma rede de fibra ótica deverá englobar os seguintes ensaios:

Caracterização das juntas de ligação (atenuação, refletância e localização);

Perdas de retorno entre troços e refletâncias nos conectores de ligação;

Coeficiente de atenuação da fibra;

Perdas de inserção entre pontos de interligação (repartidores óticos);

Atenuação espetral;

Dispersão Cromática;

Dispersão de Modo de Polarização.

Deste conjunto de ensaios cabe ao proprietário da rede definir quais os que pretende e a quem os

contrata. Em alguns casos, os ensaios de caracterização das juntas óticas, coeficiente de atenuação

da fibra e perdas ponto-a-ponto, são contratualizados com o instalador da rede, enquanto os

restantes, atenuação espetral, CD e PMD, são contratualizados a entidades com capacidades

acreditadas para o efeito.

Nas secções deste Capítulo iremos assim apresentar e discutir as atividades de ensaio de diversas

redes, novas ou em operação.

Na Secção 1 discute-se o caso da certificação de uma rede de fibra ótica nova, suportada unicamente

em fibra G653 – Dispersão Deslocada, com extensão de várias centenas de quilómetros de cabo até

48 fibras, ao longo do País. Esta rede tem uma característica específica de ter sido a primeira a

recorrer a este tipo de fibra e com esta dimensão. A sua construção decorreu entre 1996 e 1998.

Na Secção 2 aborda-se o caso de diagnóstico e ou certificação de vários troços de rede suportada

em fibra G652, redes novas ou em funcionamento. Os ensaios foram realizados no período 1998 a

2009.

Na Secção 3 analisa-se a certificação de uma rede de fibra ótica nova com cerca de 500 quilómetros

de cabo com 48 fibras, suportada em fibra G652 (36 fibras) e G655 (12 fibras). Os ensaios foram

realizados no período 2008 a 2009.

4.1 Rede suportada em fibra G653

A atividade relatada tem como base os resultados de ensaios de algumas dos troços da rede

construída, os quais são contudo representativos da metodologia de qualificação da rede utilizada

neste projeto e do estado de adequação da própria rede. Foram realizados no global 80 ensaios, os

48

quais decorreram entre os anos 1996 a 1998. As especificações para esta rede são as apresentadas

na Tab.4.2.

A rede tem no seu conjunto aproximadamente 830 km de cabo de fibra ótica de Dispersão Deslocada

G653 (Recomendação ITU-T G653), com 32 (rede núcleo) ou 24 fibras (rede de ramal),

correspondendo no total a perto de 24000 km de fibra ótica. A rede está instalada em condutas

subterrâneas.

A atividade de ensaio acompanhou a fase de instalação e os resultados que iam sendo obtidos

tiveram contributo direto para a melhoria das fases subsequentes.

A atividade a desenvolver foi estabelecida do seguinte modo:

Ensaios de Refletometria e Perdas: Validação dos ensaios e resultados sob responsabilidade

do instalador, nos comprimentos de onda de 1310 nm e 1550 nm, designadamente perdas

nas juntas óticas, coeficiente de atenuação da fibra, perdas de retorno e perdas ponto-a-

ponto; apesar da responsabilidade estar atribuída ao instalador, a confirmação da situação

obrigava a que na prática fossem realizados os mesmos ensaios e comparados os

resultados, não existindo contudo emissão de relatório;

Realização dos ensaios de perdas totais (1310 nm e 1550 nm) e atenuação espetral e CD

(entre 1200 nm e 1650 nm);

Identificação de eventuais casos de anomalia e reporte dos mesmos;

Acompanhamento pontual de ensaios em fábrica (fornecedor do cabo ótico).

Posteriormente, 1998, foram incluídos no processo de qualificação os ensaios de PMD.

Tab. 4. 2. - Especificações para Rede Fibra Ótica G653.

Fibra G 653 A

Especificações

CD max (ps/nm*km) 1525 nm < < 1575 nm 3,5

0 (nm) 1500 ≤ 0 ≤ 1600

Cd Slope 0 (ps/ nm2*km) ≤ 0,085

Coeficiente PMD (ps/ √ km) ≤ 0,5

Coef. Atn max p-a-p (dB/km) @ 1550 nm 0,3

Atn max Juntas Óticas (dB) 0,1

Atn max Conectores Óticos (dB) 0,5

Em aditamento a esta especificação o cliente definiu o valor do coeficiente de atenuação a 1310 nm,

atribuindo-lhe o máximo de 0,5 db/km.

49

4.1.1 Ligação A -1996

Este troço tem a extensão de 28,4 km, utiliza um cabo de 32 fibras. Compõem a ligação três sub-

troços, os quais estão interligados por cordões óticos em painéis de acesso em estações intermédias

com conectores FC/PC. Entre os extremos existem no total 6 juntas óticas por fusão a interligarem as

secções do cabo. Foi ensaiado em 1996.

a) Ensaios de perdas totais e atenuação espetral

A atenuação máxima ponto-a-ponto ( ) admissível é calculada para cada comprimento de onda

(1310 nm e 1550 nm) de acordo com a fórmula

0,1 (4. 1)

onde, é o comprimento da ligação (km), medido pelo método refletométrico e , o Coeficiente de

Atenuação (dB/km), é o valor especificado para a fibra para cada comprimento de onda.

O valor máximo calculado de acordo com a fórmula acima apresentada é comparado com os valores

de atenuação medidos para cada troço de fibra ótica.

Os resultados globais das perdas totais a 1310 nm e 1550 nm estão ilustrados no gráfico da Fig. 4. 1.

No troço as perdas totais medidas a 1310 nm, variam entre 12,30 dB (L1 Fb 17/18) e 10,16 dB (L1 Fb

13/14). O Coeficiente de Atenuação correspondente a estas atenuações, o qual já contempla o

impacto das perdas nas juntas óticas, varia entre 0,43 dB/km e 0,36 dB/km.

O valor máximo admissível é de 16,8 dB, pelo que todas as fibras óticas apresentam atenuações

dentro dos limites definidos para o percurso. Quer as perdas totais quer os coeficientes de atenuação

estão abaixo do especificado, pelo que se pode concluir que todas as fibras que compõem a ligação

cumprem a especificação.

O valor médio e desvio padrão das perdas totais a 1310 nm, para todas as fibras ensaiadas, é

respetivamente 11,13 dB e 0,47 dB. Conclui-se então que as fibras Fb 5/6 com 11,75 dB e Fb 17/18

com 12,30 dB, comparativamente aos restantes casos, apresentam atenuações que excedem o

esperado. Esta situação deverá ser reportada no relatório de ensaio a elaborar.

Relativamente ao medido no comprimento de onda de 1550 nm, constatamos que o valor mais

elevado de perda é de 6,51 dB (Fb 17/18). O valor máximo admissível é de 11,1 dB, pelo que todas

as fibras óticas apresentam atenuações dentro dos limites definidos para o percurso. A diferença

entre o valor medido mais elevado e o mínimo (Fb 13/14 – 5,74 dB) é de 0,77 dB. O valor médio e

desvio padrão das perdas são respetivamente 6,2 dB e 0,33 dB.

Da análise conjunta dos resultados, concluímos da existência de duas situações a investigar,

designadamente as fibras Fb 5/6 e Fb17/18 a 1310 nm, pelo que se aconselha o recurso a atividades

de inspeção, da instalação e dos resultados das medições do instalador e a realização de ensaios de

50

refletometria. Quer os problemas quer as suas causas e eventuais medidas de resolução, são

comunicadas, logo que identificadas, ao proprietário da rede.

Fig. 4. 1 - Gráfico com as Perdas Totais (dB) por fibra a 1310 nm e 1550 nm

Os resultados dos ensaios de atenuação espetral, na forma de valor médio e desvio padrão,

encontram-se ilustrados no gráfico da Fig. 4.2.

Fig. 4. 2 - Gráfico da representação do valor médio e desvio padrão da atenuação espetral nos

comprimentos de onda entre 1200 nm e 1600 nm.

Do gráfico podemos constatar não existir qualquer comportamento anómalo no desenvolvimento dos

valores das várias fibras. O pico de atenuação no comprimento de onda de 1383 nm é o normal neste

tipo de fibras. Os resultados da medição do Coeficiente de atenuação a 1310 nm, 1383 nm e 1550

nm, estão ilustrados na Fig. 4.3.

51

Fig. 4. 3 - Gráfico da representação dos coeficientes de atenuação a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm.

b) Ensaios de dispersão cromática (CD)

Na realização do ensaio de CD obtêm-se três tipos de informação: a curva do coeficiente de

dispersão cromática (CD) em função do comprimento de onda (CD=f()), já referida como 2(), o

comprimento de onda em que a dispersão cromática é nula (0), e a inclinação da tangente à curva

de CD no ponto 0, identificada na Norma como S (slope), e também já referida como 3().

Os resultados obtidos para o coeficiente de CD estão ilustrados, na forma de valor médio e desvio

padrão, na Fig.4.4, donde se constata um comportamento muito idêntico de todas as fibras.

Fig. 4. 4- Gráfico da representação Coeficiente de CD médio das fibras do troço.

Na gama de comprimentos de onda entre 1525 nm e 1575 nm, o valor máximo de CD medido foi

inferior ao máximo especificado, conforme se ilustra no gráfico da Fig. 4.5, na qual se representa o

valor médio de CD medido e correspondente desvio padrão.

52

Fig. 4. 5- Gráfico da representação do Coeficiente de CD (1525 nm < < 1550 nm) médio das fibras do troço e respetivo desvio padrão

Analisando os resultados relativamente ao parâmetro comprimento de onda no ponto de dispersão

nula, verificamos pelos dados da Fig. 4.6 que este se encontra relativamente concentrado em torno

de 1550 nm. O valor médio é 1550,2 nm; o valor máximo é 1552,95 nm; o valor mínimo é 1548,33

nm. Os valores obtidos encontram-se dentro da especificação.

Relativamente ao declive da curva de dispersão no ponto de dispersão nula, cujos valores se

encontram representados na fig.4.7, constata-se também o cumprimento do valor especificado como

limite máximo (0,085 ps/nm2/km). Os valores obtidos têm um valor médio de 0,074 ps/nm

2/km, e

máximo e mínimo respetivamente de 0,077 ps/nm2/km e 0,0708 ps/nm

2/km.

Fig. 4. 6 - Gráfico da representação do Comprimento de Onda com CD nulo para todas as fibras do

troço.

Podemos assim concluir que com base nos resultados dos ensaios acima ilustrados, as fibras óticas

que compõe esta ligação cumprem as especificações que lhe foram definidas.

53

Fig. 4. 7 - Gráfico da representação do Declive da CD no ponto 0 para todas as fibras do troço.

4.1.2 Ligação B - 1998

Este troço tem as dimensões de 13,4 km, utiliza um cabo de 24 fibras, existindo 3 juntas óticas por

fusão a interligar as várias secções que o compõem. Foi ensaiado em 1998.


No troço as perdas totais medidas a 1310 nm, variam entre 7,6 dB (Fb 19/20) e 6,2 dB (Fb 9/10). O

Coeficiente de Atenuação correspondente a estas atenuações, o qual já contempla o impacto das

perdas nas juntas óticas, varia entre 0,58 dB/km e 0,47 dB/km.

Quer as perdas totais quer os coeficientes de atenuação estão em algumas ligações acima do

especificado, designadamente nas fibras Fb13/14 (7,2 dB), Fb 19/20 (7,6 dB) e Fb 21/22 (7,2 dB).

A diferença entre o valor máximo e mínimo das perdas totais é de 1,4 dB. O valor médio e desvio

padrão das perdas totais a 1310 nm, para todas as fibras ensaiadas, é respetivamente 6,9 dB e 0,4

dB.

Os resultados das medições para o comprimento de onda de 1550 nm, apresentam o seu valor mais

elevado de perda de 4,1 dB na fibra Fb19/20. O valor máximo admissível é de 4,4 dB, pelo que todas

as fibras óticas apresentam atenuações dentro dos limites definidos para o percurso. A diferença

entre o valor medido mais elevado e o mínimo (3,3 dB) é de 0,8 dB. O Coeficiente de Atenuação

correspondente a estas atenuações, o qual já contempla o impacto das perdas nas juntas óticas,

varia entre 0,31 dB/km e 0,25 dB/km.

O valor médio e desvio padrão das perdas é respetivamente de 3,8 dB e 0,2 dB.

54

Os resultados dos ensaios de atenuação espetral não evidenciam qualquer situação anómala,

apresentando um perfil de variação de acordo com o esperado.

As situações de resultados fora da especificação, fibras Fb13/14, Fb 19/20 e Fb 21/22, deverão, á

semelhança do referido para os casos idênticos no troço anterior, ser objeto de estudo detalhado,

seguindo-se a mesma metodologia.

Dado que para a Ligação A já foi apresentada a informação gráfica relacionada com estes tipos de

ensaios e não existindo qualquer situação que se revele anómala, não se considera necessária a sua

apresentação nesta ligação.

b) Ensaios de dispersão cromática (CD) e modos de polarização (PMD).

Os resultados obtidos para o coeficiente de CD estão dentro das especificações e apresentam um

comportamento muito idêntico entre todas as fibras. O valor máximo medido na gama entre 1525 nm

e 1575 nm é de 2,031 ps/nm/km

Os resultados, para as diversas fibras, relativamente ao parâmetro comprimento de onda no ponto de

dispersão nula indicam que estes se encontram relativamente concentrados em torno de 1550 nm. O

valor médio é 1550,4 nm; o valor máximo é 1555,02 nm; o valor mínimo é 1547,91 nm. Os valores

obtidos das medições encontram-se dentro da especificação.

Relativamente ao declive da curva de dispersão no ponto de dispersão nula, constata-se também o

cumprimento do valor especificado como limite máximo (0,085 ps/nm2/km). Os valores obtidos têm

um valor médio de 0,0676 ps/nm2/km, e máximo e mínimo respetivamente de 0,0707 ps/nm

2/km e

0,0659 ps/nm2/km.

Dado que em termos à Ligação A, nada de relevante se identificou, não se apresentam os respetivos

gráficos de resultados.

Neste troço foram realizados ensaios de Dispersão dos Modos de Polarização. Os resultados desses

ensaios convertidos para Atraso Diferencial de Grupo (DGD), apresentam-se na Fig. 4.8. Nas

especificações globais para a rede não foram indicadas especificações quanto ao PMD, pelo que

seguiremos as Recomendações ITU-T G653, as quais indicam para o cabo com fibra G653, o valor

de 0.5 ps/√km.

Para o troço em apreço com um comprimento médio de 13,4 km, teremos um valor de atraso (DGD)

de 1,83 ps (0,5 x √ 13,4 = 1,83 ps).

Da análise dos resultados do DGD para 1550 nm constata-se que todos os valores estão dentro do

valor máximo especificado, identificando-se, contudo, um atraso muito superior nas fibras Fb 1/2 e

Fb 17/18 comparativamente aos verificados nos restantes casos.

55

Com base nos resultados dos ensaios os quais se encontram acima ilustrados, conclui-se assim que

as fibras óticas que compõem este troço cumprem as especificações que lhe foram definidas.

Fig. 4. 8 - Gráfico da representação do PMD/DGD das fibras do troço no comprimento de onda de 1550 nm.

4.1.3 Discussão do caso

Conforme já referido, esta rede pelo tipo de fibra, dimensão a instalar no prazo de 2 anos, número de

fibras por cabo, dimensão dos cabos (6 km) e instalação pelo método de “Blowing”, foi um projeto

relevante e característico.

Existiam várias frentes de trabalho e várias equipas envolvidas na instalação da rede.

Nos aspetos técnicos o principal problema que deparámos, foi o da elevada atenuação da juntas de

fusão ótica. A especificação era exigente (0,1 dB/ Junta) e no início foi com muita dificuldade e com

recurso à repetição das operações de fusão por diversas vezes (mais do que 2 vezes) que foi

possível uma aproximação a este valor, em todas as fusões realizadas.

Esta situação criava problemas operacionais no ritmo de instalação da rede e aumento dos recursos

e custos envolvidos, o que não era aceitável.

Efetuou-se então uma avaliação das condições operacionais de trabalho (treino do pessoal e

equipamento utilizado), tendo-se concluído ser necessário introduzir melhorias em ambas.

56

Relativamente ao treino do pessoal foram realizadas sessões curtas de formação e sensibilização

para o trabalho em fibra ótica, terminando-se com uma qualificação das pessoas que poderiam

realizar este trabalho.

Quanto aos meios, máquinas de corte e de fusão e outros materiais e utensílios, foi feita a sua

revisão, substituindo-se aqueles que não se encontravam no devido estado de funcionamento, por

apresentarem problemas ou por existirem melhores alternativas. Foi dada ênfase à parametrização

das máquinas de fusão e atualização do seu SW.

Para efeitos de gestão da instalação em curso e cadastro da mesma, considerou-se ser importante

na instalação da rede seguir-se a sequência de fabrico dos cabos, contribuindo-se também melhorar

a lógica subjacente à sua instalação e manutenção.

Passada esta fase e após implementação das medidas corretivas, foi possível acelerar-se o processo

de instalação e obter melhores e adequados resultados nos ensaios da rede na sua globalidade.

As situações não-conformes identificadas em resultado dos ensaios, foram resolvidas no seu devido

tempo, sem terem existido problemas acrescidos no decurso dos trabalhos.

4.2 Rede suportada em fibra G652

As situações aqui reportadas referem-se a troços de rede aérea ou em conduta, com diversos anos

de instalação e, eventualmente, alvo de diversas alterações desde o seu início, para além da

utilização cabos fabricados em épocas diferentes, cujas especificações se indicam na Tab. 4.2.

O objetivo dos ensaios era a qualificação do troço para suportar débito binário superior a 2 Gb/s e

identificar limitações à utilização de WDM.

Tab. 4. 2 – Especificações para fibra e parâmetros de instalação para Rede G652

Identif.

Estado Rede em Serviço

Fibra G 652

Especific. 1310 nm 1550 nm

CD max (ps/nm*km)

0 (nm) 1300 ≤ 0 ≤ 1324


Coeficiente PMD (ps/ √ km) ≤ 0,5

Coef. Atn max p-a-p (dB/km) 0,5 0,4

Atn max Juntas Ópticas (dB) 0,1

Atn max Conectores Ópticos (dB) 0,5

57

4.2.1 Ligação C - 2000

Esta ligação tem o comprimento total de 71 km, sendo composta por cinco troços sequenciais com

comprimentos que variam entre 4,9 km e 22,8 km (L1 4,86 km; L2 15,23 km; L3 15,67 km; L4

12,47km; L5 22,76 km), implementados em fibra ITU-T G652.

De acordo com o solicitado, foram ensaiados 5 pares de fibras em cada troço, realizando-se os

ensaios de Perdas ponto-a-ponto, Atenuação espetral, CD e PMD.


No troço as perdas totais medidas a 1310 nm, totalizam 29,9 dB (L1 2,2 dB; L2 6,6 dB; L3 6,8 dB; L4

5,3 dB; L5 9,0 dB). O Coeficiente de Atenuação correspondente a estas atenuações, o qual já

contempla o impacto das perdas nas juntas e repartidores óticos, varia entre 0,39 dB/km e 0,46

dB/km.

Para o comprimento de onda de 1383 nm, as perdas totais medidas totalizam 64,2 dB (L1 3,9 dB; L2

13,6 dB; L3 13,5 dB; L4 11,4 dB; L5 21,9 dB). O Coeficiente de Atenuação correspondente a estas

atenuações, o qual já contempla o impacto das perdas nas juntas e repartidores óticos, varia entre

0,81 dB/km e 0,96 dB/km.

Para o comprimento de onda de 1550 nm, as perdas totais medidas totalizam 21,3 dB (L1 1,6 dB; L2

4,6 dB; L3 4,8 dB; L4 4,0 dB; L5 6,3 dB). O Coeficiente de Atenuação correspondente a estas


0,28 dB/km e 0,32 dB/km.

Os resultados globais das perdas totais a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm estão ilustrados no gráfico da

Fig. 4.9. Os resultados dos ensaios de atenuação espetral, de cada um dos troços, encontram-se

ilustrados no gráfico da Fig.4.10.

Do gráfico podemos constatar existirem dois picos de atenuação (~1240 nm e 1383 nm), ambos

resultado da presença do ião OH na fibra, efeito que era vulgar existir em fibras fabricadas e cabos

construídos na década de 1980.

Na Fig. 4.11 apresentam-se os resultados do coeficiente de atenuação das fibras que compõem a

ligação, nos comprimentos de onda de 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm.

58

Fig. 4. 9.-Gráfico com as Perdas Totais (dB) por fibra a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm.


nm e 1650 nm.

Fig. 4. 11- Gráfico da representação dos coeficientes de atenuação a 1310 nm, 1383 nm e 1550 nm.

59

b) Ensaios de dispersão cromática (CD) e modos de polarização (PMD)

Quanto aos dados fornecidos pelo ensaio de CD, analisando-se os mesmos relativamente ao

parâmetro comprimento de onda no ponto de dispersão nula apresentados na Fig. 4.12, constata-se

que estes se encontram na gama entre os 1310 nm e os 1317 nm. Os valores obtidos encontram-se

dentro da especificação, cujo intervalo se situa entre os 1300 nm e 1324 nm.

Relativamente aos resultados do declive da curva de dispersão no ponto de dispersão nula,

verificamos que estes se encontram na gama entre 0,078 ps/nm2/km e 0,087 ps/nm

2/km,

representados na Fig. 4.13, dando-se assim cumprimento ao valor especificado como limite máximo

(0,092 ps/nm2/km).

Os resultados obtidos para o coeficiente de CD estão ilustrados na Fig. 4.14. Desta figura constata-se

um comportamento muito idêntico de todas as fibras. O detalhe dos valores de dispersão cromáticos

obtidos nos comprimentos de onda de 1310 nm e 1550 nm estão apresentados nos gráficos das Fig.

4.15 e Fig. 4.16.

Quanto aos ensaios de Dispersão dos modos de polarização, os resultados, convertidos para Atraso

diferencial de grupo (DGD), apresentam-se na Fig. 4. 17. Nas especificações globais para a rede não

foram indicadas especificações quanto ao PMD, pelo que seguiremos as Recomendações ITU-T

G652-A, as quais indicam para o cabo com fibra deste tipo, o valor de 0.5 ps/√km.

Fig. 4. 12 - Gráfico da representação do

Comprimento de Onda com CD.

Fig. 4. 13 - Gráfico da representação do Declive

da CD no ponto 0.

60

Fig. 4. 14 - Gráfico da representação Coeficiente de CD para todas as fibras do troço em função do

comprimento de onda. Valor médio e desvio padrão.

Para os diversos troços e para o comprimento de onda de 1310 nm, os valores de coeficiente de

PMD variam entre 0,25 ps/√km (L1) e 0,08 ps/√km (L2); os valores de DGD variam entre 0,82 ps (L5)

e 0,31 ps (L2). No caso do comprimento de onda de 1550 nm, os valores de coeficiente de PMD

variam entre 0,16 ps/√km (L1) e 0,06 ps/√km (L2); os valores de DGD variam entre 0,7 ps (L5) e 0,24

ps (L2). Constata-se que todos os valores estão dentro do valor máximo especificado.


Coeficiente de CD em1310 nm.


Coeficiente de CD em 1550 nm.

61


1310 nm e 1550 nm.

Em termos da ligação na sua globalidade os resultados totais da atenuação e DGD, encontram-se

apresentados na Tab. 4.3.

Tab. 4. 3 – Resultados totais da atenuação e DGD relativos à Ligação C – 2000

Parâmetro Comprimento de onda (nm)

1310 1383 1550

Atenuação (dB) 29,9 64,2 21,34

DGD (ps) 2,5 2,08

4.2.2 Ligação D - 2000

Esta ligação tem o comprimento total de 119,9 km, sendo composta por quatro troços sequenciais

com comprimentos de 18,4 km (L1), 17,9 km (L2), 24,7 km (L3) e 58,8 km (L4).

Foi ensaiado um par de fibras em cada troço, o que ocorreu em 2000. Os ensaios realizados

constaram de Perdas ponto-a-ponto, Atenuação espetral, CD e PMD.

62


No troço as perdas totais medidas a 1310 nm, totalizam 54,92 dB (L1 10,09 dB; L2 7,62 dB; L3 10,98

dB; L4 26,22 dB). O Coeficiente de Atenuação correspondente a estas atenuações, o qual já

contempla o impacto das perdas nas juntas e repartidores óticos, varia entre 0,55 dB/km e 0,43

dB/km.

Para o comprimento de onda de 1383 nm, as perdas totais medidas totalizam 105,95 dB (L1 18,93

dB; L2 17,40 dB; L3 24,34 dB; L4 45,28 dB). O Coeficiente de Atenuação correspondente a estas


1,03 dB/km e 0,77 dB/km.

Para o comprimento de onda de 1550 nm, as perdas totais medidas totalizam 42,49 dB (L1 9,74 dB;

L2 4,98 dB; L3 8,95 dB; L4 18,82 dB). O Coeficiente de Atenuação correspondente a estas

atenuações, o qual inclui as perdas nas juntas e repartidores óticos, varia entre 0,53 dB/km e 0,28

dB/km.

Dado existirem aspetos notáveis, comparativamente à situação das Ligações anteriores, apresentam-

se os resultados dos ensaios de atenuação espetral de cada um dos troços, no gráfico da Fig. 4.18.

Focando-nos nestes resultados é possível concluir-se que se está perante um traçado que foi

construído ao longo dos anos e com cabos também de diferentes épocas. Isto porque os valores da

atenuação espetral diferem bastante entre troços, e existe mesmo um troço em que a fibra só

apresenta o pico de atenuação aos 1383 nm, enquanto as restantes apresentam dois.


nm e 1600 nm

63


Nos resultados de CD e parâmetros relacionados, constata-se que o comprimento de onda no ponto

de dispersão nula se encontra na gama entre os 1313 nm (L2) e os 1325 nm (L4), valores que se

encontram dentro da especificação, apesar de os valores do troço L4 se encontrarem no limite. Os

resultados do declive da curva de dispersão no ponto de dispersão nula, apesar cumprirem a

especificação, confirmam o caso notável já referido para a fibra L4. Enquanto três das ligações

apresentam um valor de 0,085 ps/nm2/km, L4 apresenta 0,068 ps/nm

2/km. Os gráficos com os

resultados obtidos são apresentados nas Fig. 4.19 e ,Fig. 4.20 Os resultados obtidos para o

coeficiente de CD não apresentam alterações significativas entre si ou comparativamente a exemplos

anteriores.

Fig. 4. 19- Gráfico da representação do

Comprimento de Onda com CD nulo.

Fig. 4. 20- Gráfico da representação do Declive da

CD no ponto 0 para todas as fibras do troço.

Os resultados dos ensaios de PMD apresentam, para os diversos troços e para o comprimento de

onda de 1310 nm, valores de coeficiente de PMD entre 0,02 ps/√km (L2) e 0,87 ps/√km (L4),

enquanto que os valores de DGD variam entre 0,10 ps (L2) e 6,64 ps (L4). No caso do comprimento

de onda de 1550 nm, os valores de coeficiente de PMD variam entre 0,06 ps/√km (L1) e 0,7 ps/√km

(L4); os valores de DGD variam entre 0,24 ps (L2) e 5,7 ps (L4). As Recomendações ITU-T G652-A

indicam para o cabo com esta fibra o valor máximo de PMD de 0.5 ps/√km. Na Fig.4.21 apresentam-

se os resultados destes ensaios.

Da análise dos resultados constata-se que com exceção do traço L4, todos os restantes apresentam

valores estão dentro do valor máximo especificado.

64

Fig. 4. 21 - Gráfico da representação do PMD/ DGD das fibras do troço no comprimento de onda de

1310 nm e 1550 nm.

4.2.3 Discussão dos casos

Os resultados destes ensaios espelham o facto desta ligação ter sido construída ao longo do tempo e

por certo recorrendo a fibra ótica e cabos de várias proveniências. A secção L4 do caso Ligação D –

2000, apresenta características diferentes das restantes, quer em termos da atenuação espetral,

apresentando melhor desempenho, ou em termos de CD, apresentando valores não característicos

do esperado para fibra ITU-T G652, e ainda o valor de PMD excede o recomendado.

Sendo o objetivo dos ensaios a identificação das zonas espetrais para utilização de WDM e a

qualificação destas ligações para débitos (BD) superiores a 2 Gb/s, conclui-se que em termos

espetrais se encontram disponíveis as bandas O (Original - 1260-1360 nm), S (Short - 1460-1530

nm) e C (Conventional - 1530-1565 nm), quer para a Ligação C-2000 ou Ligação D-2000. A Ligação

D – 2000, pela atenuação global que apresenta deverá ser objeto de atenção especial,

designadamente revendo-se todas as interligações intermédias em bastidor e realização de ensaios

de OTDR para identificar eventuais pontos de perdas adicionais, tarefas que se costumam designar

como de otimização e manutenção.

No que relativamente a BD diz respeito considera-se, aplicando a regra já definida em que o atraso

máximo (DGD) não deverá ser superior a 1/10 da largura de bit de transmissão, que para a Ligação

C-2000 não existem objeções relativos a débitos (BD) até 40 Gb/s (largura de bit de 25 ps; atraso

máximo 2,5 ps), valor significativamente superior àquele que as tecnologias de transmissão, na

época, disponibilizam; para a Ligação D-2000 o débito (BD) não deverá exceder os 10 Gb/s (largura

de bit de 100 ps; atraso máximo 10 ps).

65

4.3 Rede suportada em fibra G652 e G655

Esta rede com configuração em anel tem uma extensão de aproximadamente 600 km e foi

dimensionada para suportar tráfego com 10 Gb/s no seu núcleo. A ligação dos vários pontos do anel

a redes locais, foi dimensionada para suportar tráfego com débito binário de 1 Gb/s, existindo 11

pontos de aceso. Os pontos de acesso são acedidos via cabo ótico de 24 fibras, com comprimento

máximo de 10 km e também via rede sem fios local.

O cabo da rede de núcleo contém fibras do tipo G652-C (36 fibras) e G655-C (12 fibras), o qual foi

instalado na sua grande maioria em poste (rede aérea).

A atividade desenvolvida visava a certificação da rede face às especificações do Cliente e

Internacionais, tendo englobado as seguintes fases:

-Auditoria ao processo de instalação;

-Ensaio da infraestrutura ótica, verificando a sua conformidade com os requisitos;

-Ensaios de transmissão com injeção de débitos binário de 10 Gb/s e 1Gb/s;

-Ensaio da rede local sem fios.

No âmbito deste Relatório será abordada a vertente do ensaio da infraestrutura ótica, escolhendo-se

para o efeito os ensaios de dois troços da rede principal. Os ensaios realizados constaram de Perdas

de inserção, Atenuação Espetral, CD e PMD.

As especificações a comprovar têm por base as Recomendações ITU-T G652-C e ITU-T G655-C, às

quais acresce a limitação para o valor máximo de atenuação nas juntas por fusão e conectores

óticos, encontram-se referidas na Tab.4.4.

Tab. 4. 4 – Especificações da rede 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm

Rede Nova - Cabo Aéreo

Fibra G 652 D G 655 C

Especificações 1310 nm 1383 nm 1550 nm 1625 nm 1550 nm 1625 nm

0 (nm) 1300 ≤ 0 ≤ 1324


Coeficiente PMD (ps/ √ km) ≤ 0,5 ≤ 0,5

Coef. Atn max p-a-p (dB/km) 0,4 0,4 0,3 0,4 0,35 0,4

Atn max Juntas Ópticas (dB) 0,1 0,1


66

4.3.1 Ligação E-2009

Esta ligação tem o comprimento total de 122 km, sendo formada por dois troços de igual comprimento

(61 km cada), interligados por conectores, tendo cada um dos troços 28 secções interligadas por

junta de fusão.

O resultado global dos ensaios ponto-a-ponto, considerando-se todas as fibras ensaiadas da ligação

encontra-se ilustrado na Tab. 4.5, podendo-se concluir que as especificações são cumpridas. O

detalhe dos resultados e análise subsequente é apresentado nas subsecções seguintes.

Tab. 4. 5– Resultados globais das medições de atenuação, CD e PMD e sua comparação com

especificação

G 652 C G 655 C

1310 nm 1383 nm 1550 nm 1625 nm 1550 nm 1625 nm

a (dB/km)

Espec. 0,4 0,4 0,3 0,4 0,35 0,4

Medido 0,34 0,28 0,19 0,21 0,21 0,23

0 (nm)

Espec. 1300 ≤ 0 ≤ 1324

Medido 1313,66 ≤ 0 ≤ 1317,82 1499,17 - 1501,45

S0 (ps/ nm2*km)

Espec. ≤ 0,092

Medido 0,092 0,082

Coef. PMD (ps/ km½)

Espec. 0,5 0,5

Medido 0,069 0,036


Os ensaios de perdas totais (perdas de inserção) foram realizados nos comprimentos de onda de

1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm. Na tabela Tab. 4.6 apresentam-se os resultados e

especificações a cumprir, os quais nos permitem concluir que estas são cumpridas com uma margem

significativa. Analisando o desvio padrão das medições podemos concluir da homogeneidade dos

resultados o que nos indica estarmos perante um exemplo de uma boa instalação da rede nesta

ligação.

Os resultados dos ensaios de atenuação espetral, de cada um dos troços, encontram-se ilustrados no

gráfico da Fig.4.22. Do mesmo podemos constatar não existir qualquer comportamento anómalo nos

valores apresentados pelas diversas fibras.

67

Tab. 4. 6 – Tabela de resultados de Perdas de inserção a 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm

Rede Nova - Cabo Aéreo

Fibra G 652 D G 655 C

Especific. 1310 nm 1383 nm 1550 nm 1625 nm 1550 nm 1625 nm

Coef. Atn max p-a-p (dB/km) 0,4 0,4 0,3 0,4 0,35 0,4



Nº Fibras 36 12

Nº Juntas 56

Nº Conectores 2

Comp. Médio (km) 122,0

Med

içõe

s Coef. Aten. Medio (dB/km) 0,34 0,28 0,19 0,21 0,21 0,23

Desv. Padrão (dB/km) 0,003 0,003 0,003 0,005 0,007 0,008

Coef. Aten. Max. (dB/km) 0,35 0,29 0,20 0,22 0,23 0,24

Atenuação Total Máx. Calculada (dB) 55,5 55,5 43,3 55,5 48,4 55,5

Med

içõe

s Aten. Média (dB) 41,43 34,34 23,53 25,50 26,05 27,94

Desv. Padrão (dB) 0,38 0,38 0,34 0,55 0,89 0,98

Aten. Max. (dB) 42,09 35,08 24,16 26,47 27,57 29,77

Margem (dB)= Aten.Max (Calc-Medida) 13,41 20,43 19,14 29,03 20,83 25,73


nm e 1600 nm.


Os resultados globais de CD, obtidos para esta ligação, encontram-se indicados na tab. 4.7,

concluindo-se da sua análise que as especificações são cumpridas.

68

Tab. 4. 7– Tabela de resultados globais das medições de CD

G.652-C G.655-C

0

(nm) S0

(ps/nm2* km) 0

(nm) S0

(ps/nm2* km)

Val. Médio 1315,92 0,087 1499,17 0,079

Val. min. 1313,66 0,082 1501,45 0,082

Val. Max. 1317,83 0,092 0,86 0,001

Desv. Padrão 1,30 0,003 0,00 0,000

No gráfico da Fig. 4.23, apresenta-se o valor médio da CD e respetivo desvio padrão, em função do

comprimento de onda para as fibras do cabo (G652 e G655). Da sua análise em termos de valor e

variabilidade (baixo desvio padrão) conclui-se não existir qualquer desempenho anómalo.

Fig. 4. 23- Gráfico da representação da CD média das fibras do troço em função do comprimento de

onda

Os resultados globais dos ensaios de dispersão dos modos de polarização apresentados Tab. 4.8,

permitem concluir sobre o cumprimento das especificações.

Para as fibras com valores de DGD máximo e mínimo medidos são apresentados nas Fig. 4.24 e Fig.

4.25, os respetivos gráficos do PMD/DGD (ps).

69

Tab. 4. 8– Tabela de resultados de PMD/DGD nas fibras do cabo

PMD-Atraso

(ps) Coef. PMD(ps/km½)

PMD2 (ps/nm)

Coef. PMD2 (ps/nm/km)

G.6

52-C

Val. Médio 0,417 0,038 0,088 0,001

Val. Min. 0,244 0,022 0,027 0,000

Val. Max. 0,756 0,069 0,259 0,002

Desv. Padrão 0,138 0,013 0,063 0,001

G.6

55-C

Val. Médio 0,290 0,026 0,044 0,000

Val. Min. 0,113 0,010 0,006 0,000

Val. Max. 0,398 0,036 0,072 0,001

Desv. Padrão 0,113 0,010 0,026 0,000


PMD/DGD (ps) da fibra do G652-Fb 5 no

comprimento de onda de 1550 nm


PMD/DGD (ps) da fibra do G655-Fb 45 no

comprimento de onda de 1550 nm.

Na Tab. 4.9, são apresentados os resultados das medições, disponibilizados pelo equipamento,

relativamente à fibra G.652 Fb 5 e G.655 Fb 45, cujos gráficos foram acima apresentados.

Tab. 4. 9– Tabela de resultados da medição PMD/DGD (ps) da fibra G652-Fb 5 e G655-Fb 45

G 652 Fb 5 G 655 Fb 45

PMD-Atraso

(ps)

Coef. PMD

(ps/km½)

PMD2-Atraso (ps/nm)

Coef. PMD2(ps/nm*km)

PMD-Atraso

(ps)

Coef. PMD

(ps/km½)

PMD2-Atraso (ps/nm)

Coef. PMD2(ps/nm/km)

Valor Assumido

0,756 0,069 0,259 0,002 0,113 0,01 0,006 0,000

Val. Médio 0,71 0,064 0,228 0,002 0,122 0,011 0,007 0,000

Val. Min. 0,661 0,06 0,198 0,002 0,113 0,01 0,006 0,000

Val. Max. 0,756 0,069 0,259 0,002 0,132 0,012 0,008 0,000

Desv. Padrão

0,038 0,003 0,001 0,000 0,007 0,001 0,000 0,000

70

4.3.2 Ligação F - 2009

Esta ligação tem o comprimento total de 114 km, sendo composta por dois troços de igual

comprimento, interligados por conectores, tendo cada um dos troços 26 secções interligadas por junta

de fusão. Os ensaios realizados constaram de Perdas de inserção, Atenuação Espetral, CD e PMD.

O resultado global dos ensaios ponto-a-ponto, considerando-se todas as fibras ensaiadas da ligação

encontra-se ilustrado na Tab. 4.10, permitindo concluir-se que as especificações estão globalmente

cumpridas.

Tab. 4. 10– Resultados globais das medições e sua comparação com especificação

G 652 C G 655 C

1310 nm 1383 nm 1550 nm 1625 nm 1550 nm 1625 nm

a (dB/km)

Espec. 0,4 0,4 0,3 0,4 0,35 0,4

Medido 0,36 0,29 0,20 0,22 0,21 0,23

0 (nm)

Espec. 1300 ≤ 0 ≤ 1324

Medido 1314,07 1500,81

S0 (ps/ nm2*km)

Espec. ≤ 0,092

Medido 0,090 0,084

Coef. PMD (ps/ km½)

Espec. 0,5 0,5

Medido 0,049 0,019


O perfil da atenuação espetral é apresentado na Fig. 4.26 e conclui-se que não existem quaisquer

casos anómalos.

Os resultados globais (valor médio) das perdas totais e coeficiente de atenuação estão ilustrados na

tabela Tab. 4.11, concluindo-se que as especificações são cumpridas com uma margem significativa.

Analisando o desvio padrão das medições podemos concluir da homogeneidade dos resultados o que

nos indica estarmos perante uma boa instalação da rede neste troço.

71

Fig. 4. 26- Gráfico da representação da atenuação espetral nos comprimentos de onda entre 1240 nm

e 1600 nm.

Tab. 4. 11– Tabela de resultados de Perdas de inserção a 1310 nm, 1383 nm, 1550 nm e 1625 nm

Rede Nova ‐ Cabo Aéreo

Fibra G 652 C G 655 C

Especific. 1310 nm 1383 nm 1550 nm 1625 nm 1550 nm 1625 nm

Coef. Atn max p‐a‐p (dB/km) 0,4 0,4 0,3 0,4 0,35 0,4



Nº Fibras 36 12

Nº Juntas 52

Nº Conectores 2

Comp. Médio (km) 114,0

Medições Coef. Aten. Medio (dB/km) 0,36 0,29 0,20 0,22 0,21 0,23

Desv. Padrão (dB/km) 0,004 0,002 0,003 0,003 0,005 0,008

Coef. Aten. Max. (dB/km) 0,37 0,30 0,21 0,22 0,22 0,25

Atenuação Total Máx. Calculada (dB) 51,8 51,8 40,4 51,8 45,1 51,8

Medições Aten. Média (dB) 40,81 33,32 23,21 24,78 23,66 26,32

Desv. Padrão (dB) 0,44 0,25 0,29 0,33 0,53 0,96

Aten. Max. (dB) 41,72 33,74 23,83 25,42 24,62 28,27

Margem (dB)= Aten.Max (Calc‐Medida) 10,08 18,06 16,57 26,38 20,48 23,53

72

b) Ensaios de Dispersão Cromática e dispersão de modos de polarização

Os resultados globais obtidos para este troço encontram-se indicados na Tab.4.12, concluindo-se que

globalmente são cumpridas as especificações.

Tab. 4. 12– Tabela de resultados globais das medições de CD

G.652-C G.655-C

0

(nm) S0

(ps/nm2* km) 0

(nm) S0

(ps/nm2* km)

Val. Médio 1311,99 0,085 1499,26 0,082

Val. min. 1308,70 0,079 1497,87 0,081

Val. Max. 1314,07 0,090 1500,81 0,084

Desv. Padrão 1,55 0,004 1,06 0,001

Os valores globais para o cabo dos ensaios de dispersão dos modos de polarização encontram-se

indicados na Tab. 4.13, com base nos quais se pode concluir do cumprimento das especificações.

Tab. 4. 13– Tabela de resultados de PMD/DGD nas fibras do cabo

PMD-Atraso


PMD2 (ps/nm)


G.6

52-C

Val. Médio 0,332 0,031 0,054 0,000

Val. Min. 0,213 0,020 0,021 0,000

Val. Max. 0,521 0,049 0,123 0,001

Desv. Padrão 0,090 0,008 0,029 0,000

G.6

55-C

Val. Médio 0,165 0,015 0,013 0,000

Val. Min. 0,113 0,011 0,006 0,000

Val. Max. 0,204 0,019 0,019 0,000

Desv. Padrão 0,033 0,003 0,005 0,000

Os resultados dos ensaios para a fibra Fb 47 são apresentados na Fig 4.27 e ilustrados na Tab 4.14.

Com vista a avaliar a variação dos resultados de PMD num período de 24h, foram realizadas

medições sobre esta mesma, cujos resultados se apresentam na Fig.4.28. Na Tab. 4.15 são

apresentados os resultados das medições, disponibilizados pelo equipamento, concluindo-se dos

mesmos não existirem diferenças significativas entre os dois resultados, apesar do PMD aumentar

ligeiramente na medição a 24h.

73


onda de 1550 nm.

Tab. 4. 14– Tabela de resultados de PMD/DGD na fibra Fb 47.

G 655

PMD-Atraso

(ps)

Coef. PMD(ps/km½)

PMD2-Atraso (ps/nm)


Valor Assumido 0,113 0,011 0,006 0,000

Val. Médio 0,134 0,013 0,008 0,000

Val. Min. 0,113 0,011 0,006 0,000

Val. Max. 0,156 0,015 0,011 0,000 Desv. Padrão 0,022 0,002 0,000 0,000


onda de 1550 nm durante o período de 24 h.

74

Tab. 4. 15– Tabela de resultados da medição PMD/DGD (ps) da fibra G655-Fb 47 durante o período

de 24 h

PMD-Atraso


PMD2-Atraso (ps/nm)


Valor Assumido 0,128 0,012 0,007 0,000

Val. Médio 0,152 0,014 0,010 0,000

Val. Min. 0,110 0,010 0,005 0,000 Val. Max. 0,231 0,022 0,024 0,000

Desv. Padrão 0,035 0,003 0,001 0,000

c) Ensaios de OTDR

Apresentam-se para este troço na Fig. 4.29 (direção Este-Oeste) e Fig. 4.30 (direção Oeste-Este), os

resultados, na forma de tabela, das medições de OTDR, tal como são disponibilizados pelo

equipamento de medição.

Fig. 4. 29 – Tabela de resultados da medição com OTDR a 1550 nm na direção Este-Oeste (E-O)

75

Na Fig. 4.30 apresenta-se o traço correspondente à tabela de resultados acima apresentada.

Fig. 4. 30– Tabela de resultados da medição com OTDR a 1550 nm na direção (E_O)

Da análise destes resultados face ao definido na especificação da ligação e requisitos, conclui-se o seguinte:

Dos 52 eventos esperados, só são identificados pelo OTDR, 16 na direção E-O e 25

na direção inversa (O-E) . Tendo-se em atenção que o limiar de deteção dos eventos

foi definida no OTDR para 0,01 dB, conclui-se então que os eventos não identificados

têm atenuação inferior a este limiar.

Em qualquer das direções identificam-se eventos com atenuação negativa (ganho

aparente), o que significa neste casos a existência de fibras interligadas, as quais têm

diferenças de diâmetro do campo modal, suficientes para produzir estes efeitos. Esta

é a razão para a necessidade do ensaio de OTDR ser realizado nas duas direções. A

atenuação na junta é a que resulta da soma dos valores medidos para o mesmo

evento, em cada direção.

A localização dos eventos não coincide com o comprimento do cabo instalado, o que

é interpretado como a atenuação na junta ser inferior ao limiar de deteção. Esta não

coincidência entre a localização esperada do eventos e a identificada, obriga a que os

resultados dos ensaios sejam apoiados pela consulta do cadastro da ligação.

O valor máximo especificado para a atenuação das juntas (0,1 dB) não é atingido; o

evento localizado a 56,7 km, com atenuação média de 0,24 dB, corresponde ao

conector de interligação, cuja atenuação máxima aceitável é de 0,5 dB.

O coeficiente de atenuação da fibra neste comprimento de onda, é inferior ao

especificado e é muito uniforme.

76

Os traços do OTDR correspondentes aos resultados acima indicados, são apresentados na Fig. 4.31

(direção E-O) e Fig. 4.32 (direção O-E).

Fig. 4. 31– Tabela de resultados da medição com OTDR a 1550 nm na direção Oeste Este (O-E)

77

Fig. 4. 32– Tabela de resultados da medição com OTDR a 1550 nm na direção (O-E)

Com base na informação apresentada pode-se concluir não existirem situações anómalas nesta

ligação. Fica também evidente a importância das medições com o OTDR, sendo indispensável a

realização destas medições para a caracterização de uma instalação em termos de perdas e efeitos

reflexivos.

Os ensaios de OTDR sendo importantes na caracterização de uma rede, são também aqueles que

maior dificuldade criam no seu pós-processamento, devido ao elevado volume de dados a organizar.

Tomando como exemplo esta ligação e as tabelas de resultados apresentadas, poder-se-á assumir

que em média, cada traço de fibra terá 20 eventos por direção de medição. Assim para um cabo de

48 fibras, o número de linhas de registo de dados para disponibilizar a informação que o OTDR

apresenta, será, por comprimento de onda, de 2 x 20 x 48 = 1920 linhas. Assumindo, por defeito, o

mesmo principio para os restantes 3 comprimentos de onda, resulta que o número de linhas será de 4

x 1920 = 7680.

Atualmente diversos fabricantes de OTDR disponibilizam programas para tratar estes dados, contudo

o seu desempenho fica severamente limitado, caso a distância entre eventos não seja a mesma para

todas as fibras e comprimentos de onda de ensaio, situação que raramente acontece.

4.3.3 Discussão dos casos

Nos ensaios de rede efetuados para este projeto e do qual se apresenta aqui um caso, não se

identificaram problemas técnicos imputáveis à instalação.

78

Com base na experiência acumulada e problemas de outras instalações, procedeu-se

antecipadamente à avaliação dos meios técnicos a utilizar na instalação (máquinas de fusão e corte,

e instrumentos de medição), bem como das metodologias correspondentes. Este trabalho prévio

cumulativamente com a experiência, conhecimento e consciencialização da equipa de instalação,

permitiu que fossem raros os casos em que foi rejeitada uma junta por apresentar efeitos não

esperados (atenuação em excesso ou reflexões de Fresnell).

A principal problemática aqui residiu na dificuldade de alocar os recursos necessários e no tempo

previsto para a realização das diversas tarefas de instalação, de conciliar interesses do dono da rede

e entidades oficiais envolvidas e no assegurar que os vãos (flechas) dos cabos aéreos cumpriam os

requisitos, bem como os ângulos de curvatura do cabo nos pontos de fixação aérea.

A rede na sua globalidade cumpre a especificação com uma margem confortável.

79

Capítulo 5

Conclusões

O ensaio de uma rede de comunicações de fibra ótica é uma atividade de grande importância, pois

permite:

identificação de eventuais problemas;

influência, supervisão e controlo do processo de instalação;

a disponibilização de dados para cadastro;

comprovar do estado da instalação da rede e atestar a fiabilidade da mesma.

Os recursos envolvidos nos ensaios, quer os humanos, exigindo pessoal com conhecimento e

experiência adequada em redes de fibra ótica e problemática de instalação, ou os materiais, nos

quais se incluem os equipamentos, são muito relevantes.

Uma estimativa rápida dos custos dos equipamentos de medição, aponta para uma verba na ordem

dos 100.000,00 €, só para a realização dos ensaios referidos neste trabalho. Caso se pretenda por

exemplo efetuar a medição de PMD localizado, serão necessários perto de 200.000,00€ e caso se

pretendam realizar ensaios de transmissão por injeção de tráfego a 10 Gb/s ou superior, teremos de

considerar verba idêntica.

Este contexto origina a que o custo dos ensaios seja relevante, pelo que no global das redes

instaladas, não se tem decidido pela realização destes serviços, optando-se por deter unicamente os

dados de medições e instalação fornecidos por quem instalou a rede (perdas totais e OTDR) e do

fabricante do cabo ótico.

A experiência e informação que recolhemos ao longo destes anos de trabalho, indiciam que sem o

controlo de 3ª parte realizado de modo permanente e consistente, a probabilidade de existirem erros

80

e problemas de instalação não é desprezível, o que em si aconselharia sempre à realização de

ensaios. A pressão que é colocada sobre o instalador de uma rede, agravada por um contexto em

que as margens económicas para a realização da mesma são ainda mais reduzidas, influencia a

qualidade da instalação.

Na discussão técnica dos diversos casos de estudo aqui apresentados, identificámos a problemática

da instalação de redes de telecomunicações em fibra ótica e as vantagens introduzidas pela

realização dos ensaios e auditoria de instalação.

No que concerne a trabalhos futuros a desenvolver, refere-se o estudo do envelhecimento de redes

telecomunicações de fibra ótica, o qual poderia incidir sobre a rede G 653 instalada em 1994.

Decorreram já aproximadamente 20 anos desde a construção desta rede, não está esgotado o tempo

de garantia da mesma, está suportada numa rede de condutas estável e não tem sido alvo de

alterações no seu traçado e configuração. A realização deste estudo envolveria a necessidade de se

realizarem novos ensaios, por amostragem, e de se assumirem os custos envolvidos, contexto que

em tudo depende do seu proprietário.

Relativamente a redes de operador já com diversos anos de funcionamento, consideramos que a

atividade de ensaios deva ser retomada e desenvolvida, aquando da evolução das atuais redes de 10

Gb/s para 100 Gb/s. Nestas redes, o ensaio de PMD deverá ser realizado em troços o mais curtos

possíveis, isto porque cada troço poderá ter fibras de diferentes épocas e fabricantes, sendo

importante a identificação o mais exata possível da localização de eventuais problemas. Também

nestas redes, e especialmente nos troços aéreos, se deverá fazer a medição de PMD durante 24

horas e em períodos diferentes do ano, contemplando épocas quentes, frias e de vento forte.

81

Apêndice A

Situações problemáticas

Na atividade de ensaios surgem diversas situações anómalas, algumas das quais aqui se retratam.

A.1 Quando os métodos e equipamentos de fusão não estão aptos

É a ligação permanente (geralmente por fusão) das secções de cabo ótico com 2 km ou 6 km que

permite a construção das redes em fibra ótica, com distâncias de centenas ou milhares de

quilómetros.

A fusão é realizada por equipamento específico, máquina de fusão. Antes da fusão é necessário

preparar-se a ponta de fibra, removendo-lhe o revestimento primário, eliminando as impurezas e

preparando a secção para a fusão, realizando um corte.

A remoção do revestimento primário deve ser efetuada por uma ferramenta de desnudar com a

secção adequada ao diâmetro da fibra a intervir. Se a secção da ferramenta de desnudar for inferior à

da fibra, provoca-se a rutura desta; se for superior, não se remove adequadamente o revestimento,

causando problemas ou mesmo impedindo a operação de fusão.

A limpeza da fibra ótica após remoção do revestimento primário deve ser efetuada com cuidado e

utilizando material adequado (e.g.. álcool isopropílico). Se a limpeza não for efetuada em condições

poderão resultar problemas ou mesmo impedir a operação de fusão.

A preparação da secção transversal de fibra a fundir é efetuado por recurso a máquina de corte,

utilizando-se para tal uma lâmina de diamante. O processo de corte é criado na máquina, por via da

82

realização de um sulco na secção de fibra e aplicação nesta de uma força longitudinal que vai

provocar a propagação do corte ao longo da zona transversal da fibra. Sendo a fusão das fibra

realizada topo a topo é importante que o corte seja regular e perpendicular ao eixo transversal da

fibra.

A máquina de fusão para realizar a operação de fundir duas secções de fibra, faz primeiro o

alinhamento das mesmas, alinhamento esse que pode ser pelo núcleo ou pela bainha, avalia a

existência de imperfeições na zona longitudinal da fibra na zona da fusão e mede o ângulo de cada

uma das secções. Caso seja identificada qualquer situação anómala o processo de fusão não é

consumado pela máquina. A fusão é provocada por um arco elétrico produzido entre dois elétrodos,

cuja distância e potência é parametrizada.

Após a realização da operação de fusão propriamente dita, a máquina de fusão faz um teste de

resistência física, aplicando uma força em sentidos opostos, nos extremos da fibra; efetua uma

estimação das perdas na junta, com base no ângulo de cada uma das secções, ou mede as perdas

na junta aplicando luz na zona anterior à fusão e medindo após.

Concretizada a fusão, esta zona da fibra é protegida com uma manga termo retrátil específica e

submetida a calor numa câmara térmica adequada existente na máquina de fusão.

A não compreensão de todo este processo e a não utilização de meios em adequado estado de

funcionamento e devidamente parametrizados, origina juntas com perdas acima do valor especificado

ou com reflexões, para além de aumentar substancialmente o tempo de instalação da rede.

Estas ocorrências não são tão raras quanto possa parecer. Para as tentar resolver já foi necessário

dar formação específica às pessoas que efetuam estas operações; já foi necessário substituir todo o

equipamento de fusão (máquina de corte e de fusão) ou identificar avarias em qualquer deles; ou

auditar o processo em si, acompanhando a sua realização.

As perdas numa junta ótica estão definidas com o máximo de 0,1 dB e sem reflexões (medição por

meio de OTDR). Contudo é aceite que essa condição não seja atingida, após repetição por três vezes

a operação de fusão, desde que o valor unidirecional não seja superior a três vezes o limite (0,3 dB) e

o valor médio bidirecional não exceda 0,2 dB.

O valor de 0,2 dB é nas fibra atuais, idêntico à atenuação de 1 km de fibra no comprimento de onda

de 1550 nm. Num cabo de 2 km a atenuação na fibra será de 0,4 dB. Uma junta de 0,2 dB de perda

aumenta em 50% a atenuação no troço de cabo, razão porque só excecionalmente é aceite.

83

A.2 Os ensaios de aceitação não se destinam a

identificar erros

Os ensaios de aceitação não têm como primeiro objetivo identificar erros de instalação mas sim

confirmar que as especificações definidas estão cumpridas.

Assim qualquer rede antes de ser submetida a ensaios de aceitação dever ser objeto de ensaios

preliminares e específicos por parte de quem a construiu, designadamente ensaios de refletometria

(OTDR) e perdas ponto a ponto.

Estes ensaios para terem validade, para além da necessidade de serem realizados adequadamente,

só deverão acontecer quando todo o processo de construção esteja concluído, ou seja, com todas as

operações inerentes a construção e entrega ao cliente final concluídas.

Ora isto não é o que se verifica integralmente, caso contrário não seriam identificadas situações em

que o conector da fibra não se encontra adequadamente limpo ou bem apertado, fibras partidas no

organizador e troços de rede com ângulos de curvatura inferiores ao limiar especificado para o cabo.

Estas situações acontecem quer em redes novas ou já existentes.

Qualquer intervenção construtiva ou corretiva após a realização dos ensaios de aceitação, tem como

consequência a perda de validade do respetivo ensaio, sendo assim necessária a sua repetição com

aumento dos custos correspondentes.

A3 Quando as especificações são subentendidas

Para explicitar as consequências de uma má clarificação das especificações, apresenta-se um caso

ocorrido numa rede com comprimento de 30 km, dividida em duas secções de 12 km e 18 km,

utilizando um cabo de 60 fibras de especificação ITU-T G.652-D. Pertence a uma rede em

construção, estando-se assim perante ensaios de aceitação, para o que foram requeridos ensaios de

atenuação espetral (AP), CD (CD) e dispersão de polarização (PMD).

Os resultados das medições de AP, CD e PMD são apresentados respetivamente nas figuras A. 1

(AP), A. 2 (AP), A.3 (CD), A.4 (CD), A.5 (PMD) e A.6 (PMD), para fibras escolhidas aleatoriamente.

84

Coef. Aten (dB/km): 0,36 @ 1310nm; 0,37 @

1383nm; 0,20 @ 1550 nm

Coef. Aten (dB/km): 0,35 @ 1310nm; 0,33 @

1383nm; 0,20 @ 1550 nm

Fig. A. 1- Gráfico atenuação espetral de secção com 12 km

Fig. A. 2 - Gráfico atenuação espetral de secção com 18 km

Relativamente ao coeficiente de atenuação a Recomendação ITU-T G.652-D indica os seguintes

valores:

Coeficiente de Atenuação máximo entre 1310 nm e 1625 nm de 0,4 dB/km;

Coeficiente de Atenuação máximo a 1383 nm de 0,4 dB/km;

Coeficiente de Atenuação máximo a 1550 nm de 0,3 dB/km.

Constata-se dos resultados apresentados que o cabo cumpre a Recomendação ITU-T G.652-D.

Acontece porém que o Cliente tinha assumido a especificação como ZWP (zero water peak), pelo

que o pico de atenuação a 1383 nm não deveria existir. Esta situação originou um processo de

disputa entre o dono da instalação e o fabricante da fibra ótica.

Tradicionalmente as fibras óticas monomodo têm elevadas perdas na banda 1360 nm – 1460 nm

devido à absorção de iões OH durante o processo de fabrico (também designada por absorção de

água). Estas perdas continuam a aumentar durante o tempo de vida do cabo. Esta banda de

comprimento de onda fica assim interdita para ser utilizada na transmissão de sinais óticos, ou seja

numa banda global de 315 nm (entre 1310 nm e 1625 nm), praticamente 1/3 (100 nm, entre 1360 e

1460 nm) fica inutilizável.

0 = 1315,60 nm; S0 = 0,088 ps/km*nm2

0 = 1314,29 nm; S0 = 0,085 ps/km*nm2

Fig. A. 3 - Gráfico resultados medição CD secção 12 km

Fig. A. 4 - Gráfico resultados medição CD

secção 18 km

85

PMD (ps): 0,062; Coef. PMD (ps/km1/2):

0,018 PMD2 (ps/nm): 0,002

PMD (ps): 0,070; Coef. PMD (ps/km1/2):

0,020 PMD2 (ps/nm): 0,002

Fig. A. 5 - Gráfico resultados medição PMD

secção 12 km

Fig. A. 6 - Gráfico resultados medição PMD secção 18 km

Esta situação motivou a que desde há vários anos os fabricantes de fibra ótica procurassem novas

soluções, o que conseguiram com a criação das fibras monomodo de largo espetro “Fibras banda

total”, cuja especificação se encontra na Recomendação ITU-T G.652-D.

Atualmente todos os principais fabricantes têm este tipo de fibras as quais também assumem

designação de “Reduced Water Peak” (RWP).

Apesar das fibras RWP terem reduzidas perdas na banda 1360 nm a 1460 nm (Banda E), nem todas

têm o mesmo desempenho. De fato existem dois tipos destas fibras: “Low water peak” (LWP), as

quais têm baixa atenuação na Banda E; e “Zero water peak” (ZWP), nas quais as perdas na Banda E

são eliminadas e a atenuação segue a sua tendência decrescente ao longo do espetro.

Esta eliminação da atenuação é garantida ao longo do tempo de vida da fibra, contrariamente a todos

os outros tipo.

Comparativamente com as fibras LWP, as fibras ZWP têm uma redução da atenuação até 22% [21]

em 1383 nm e um desempenho acrescido em toda a Banda E, o que motiva a que as novas redes

sejam instaladas com este tipo de fibras.

Esta era a intenção do Cliente, mas o requisito não tinha sido explicitado.

Deixando este ponto para trás e analisando-se o aspeto da curva de atenuação espetral, constata-se

contudo que existem irregularidades na sua evolução (gráficos das Fig.A.1 e Fig.A.2) existindo gamas

de comprimento de onda onde a atenuação interrompe inesperadamente a sua trajetória decrescente

e evolução com variações muito rápidas da atenuação (semelhante a uma trajetória com “ruído

adicional”), o que pode indiciar problemas de “micro-bending” eventualmente provocadas por

problemas de fabrico ou da instalação.

Esta situação foi igualmente alvo de disputa entre o Cliente e o fabricante/ fornecedor do cabo.

86

A.4 Quando não existe diálogo entre cliente e

fornecedor

Apresenta-se como exemplo deste tipo de problema um facto ocorrido em 2012, numa ligação, já

existente, implementada em fibra G652, na qual se pretendia instalar um sistema a operar nos 10

Gb/s entre dois pontos, com via de securização, no comprimento de onda de 1550 nm, com utilização

de WDM. A ligação entre os dois pontos é pertença de duas entidades, sendo uma delas a que

pretende a criação do circuito. A solução de telecomunicações foi adjudicada a uma terceira entidade

à qual cabia o delineamento e instalação da mesma.

Uma das vias (Via 1.0) tem o comprimento de 40 km e é implementada sem interligações; a outra via

tem duas secções com comprimentos respetivamente de 25 km (Via 2 Secção 1) e 15 km (Via 2

Secção 2).

Antes de qualquer ensaio, a entidade responsável pela solução tinha decidido instalar o sistema e

avaliar o seu desempenho. Nos ensaios de aceitação constatou-se que o sistema apresentava

problemas de funcionamento, os quais pela sua gravidade, impediam a ligação de entrar em serviço.

Os ensaios de perdas ponto a ponto realizados, pela entidade responsável pela solução, no

comprimento de onda de trabalho, não identificaram qualquer anormalidade. Foram então solicitados

ensaios mais detalhados, tendo sido focalizado o PMD.

Os ensaios foram realizados, tendo-se obtido os resultados que constam na Tab.A.1

Tab. A. 1 - Resultados da medição de PMD

De acordo com o referido na Tab.3.1 uma ligação para suportar tráfego de 10 Gb/s o valor do

PMD/DGD não deverá exceder 10 ps. Para uma distância de 40 km o coeficiente de PMD deverá ser

limitado a 1,6 ps/km1/2 (10 ps/ √40 km).

Os resultados das medições indicam que nem a Via 1.0 (40 km) nem a Secção 2 da Via 2 cumprem

estes limites. A Via 2 Secção 1 tem um comportamento normal.

ParPMD/DGD

(ps)

Coef PMD

[ps/√ km)

PMD 2

(ps/nm)

Coef. PMD 2

(ps/nm*km)

1 23,830 3,768 257,201 6,430

2 38,680 6,116 677,682 16,942

1 0,128 0,026 0,007 0,000

2 0,117 0,023 0,006 0,000

1 23,669 6,111 253,780 16,919

2 40,578 10,477 745,898 49,727

Via 1.0

Via 2

Secção

1

Via 2

Secção

2

87

É intrigante observarem-se estes resultados, pois são extremamente anómalos.

Os gráficos relativos ás medições de PMD que apresentam pior valor, são ilustrados nas Fig.A.8 e

Fig. A.9.

Fig. A. 7 – Gráfico medição PMD da Via 1.0

Fig. A. 8 - Gráfico medição PMD da Via 2.1

Fig. A. 9 - Gráfico medição PMD da Via 2.2

Foram então efetuados ensaios de atenuação espetral sobre a Via 2 pois o seu comportamento era

díspar nas duas secções. Nas Fig. A.10 e Fig. A.11 apresentam-se os gráficos com os resultados das

medições.

Fig. A. 10 - Gráfico atenuação espetral Via 2.1

Fig. A. 11 - Gráfico atenuação espetral Via 2.2

Da análise destas medições logo se constata que a Via 2 Secção 1 está instalada sobre fibra ótica,

sem qualquer equipamento ativo de permeio e com toda a gama espetral disponível, usualmente

designada por “fibra escura”, já a Secção 2 desta via esta implementada sobre circuito ativo com

88

WDM. Igualmente se pode inferir que a Via 1.0 está integralmente implementada sobre WDM, dado

ter desempenho idêntico à Via 2 Secção 2.

Assim o valor do atraso (PMD/DGD) era introduzido pelo sistema WDM; não existia qualquer

anomalia; só que a situação era do desconhecimento da entidade que pretendia a criação do circuito.

Acresce ainda o fato de que o desconhecimento desta situação aquando do ensaio, pode ter criado

perturbações em eventuais canais com tráfego WDM naquela banda.

89

Apêndice B

Instalação de redes fibra ótica – cabos, fibras, juntas e conectores

B.1 Cabos de fibra ótica

Contrariamente aos cabos metálicos para telecomunicações, os cabos de fibra ótica requerem

particular atenção relativamente aos seguintes elementos:

As perdas nas fibras aumentam com a existência de curvaturas muito pequenas (micro

curvaturas), pelo que a fibra deverá sofrer quaisquer tensões no seu fabrico ou instalação;

O alongamento da fibra é em média na ordem dos 5% [17] (mínimo 1%); a rutura acontece

para uma fibra de 125 nm de diâmetro, com 5 kg de força, pelo que a construção mecânica

do cabo deverá ter em atenção estes valores.

A proteção individual das fibras é feita com plástico, cujas características e espessura a aplicar, são

determinadas tendo-se em atenção a resistência ao stresse mecânico. Na determinação da

espessura do plástico, são tidos em atenção aspetos tais como, tensão de carga aplicada, curvatura

e torção.

Os cabos de fibra ótica são genericamente classificados em quatro tipos de acordo com o modo de

arrumação das suas fibras:

90

“Stranding” (revestimento duplo fino): adequados para cabos de poucas fibras e para

colocação em calhas;

“Loose tube” (alta densidade): adequados para uso geral, com atenuação sensível a micro

curvaturas;

“Ribbon”: adequado para um elevado número de fibras;

“V-groove”:adequado para uso geral, com atenuação pouco sensível a micro curvaturas.

Os conceitos básicos no desenvolvimento e construção do cabo são os seguintes:

O cabo ótico deve ser instalado e manipulado no mesmo modo que os cabos metálicos;

Deve ser possível a ligação das várias secções do cabo, nos locais onde vai ser instalado;

Tem as propriedades de acordo com as condições para a sua utilização e instalação;

Tem um longo tempo de vida e de condições de aptidão e segurança;

É económico.

Na manipulação e instalação do cabo de fibra ótica deveram ser tidos em conta os seguintes aspetos:

Deslocação e posicionamento da bobina em que o cabo está enrolado: a bobina de cabo

deverá ser rodada segundo a direção indicada;

Retirada da bobina do veículo de transporte: a bobina deverá ser colocada no chão evitando-

se choques fortes;

Tensão de puxo: o valor máximo de tensão que o cabo pode suportar quando é puxado,

consta da sua especificação, pelo que este valor não deverá ser ultrapassado;

Velocidade puxo: o cabo deverá ser puxado a uma velocidade constante, e com variação

progressiva, evitando-se variações bruscas da mesma;

Raio de curvatura do cabo: na instalação o raio de curvatura mínimo deverá ser superior a 20

vezes o diâmetro do cabo [17];

Assistência técnica intermédia: em grandes distâncias poderá ser necessário recorrer-se a

apoio técnico intermédio, cuja função, para além de auxiliar na tarefa de instalação deverá

pugnar pela observância dos requisitos de salvaguarda do cabo e da segurança.

B.2 Tipos de fibras monomodo

As fibras monomodo são classificadas de acordo com suas perdas e dispersão cromática. Para

discriminar o comportamento da fibra face à atenuação em função do comprimento de onda, criou-se

a nomenclatura A, B, C e D de acordo com a atenuação máxima admissível. Para as fibras tipo A e B

o perfil da curva espetral da atenuação praticamente se mantém, verificando-se unicamente uma

redução no valor da atenuação máxima admissível a 1310 nm. As fibras do tipo C e D têm um perfil

de atenuação distinto das anteriores na gama do comprimento de onda (1383 nm) relacionado com

os efeitos do “pico de água”. Para a fibra do tipo C o valor de atenuação no comprimento de onda do

91

pico de água não poderá ser superior à atenuação a 1550 nm, designando-se estas fibras na

terminologia anglo-saxónica como “Low water peak – LWP”; para a fibra do tipo D não deverá existir

atenuação adicional no comprimento de onda do pico de água, designando-se estas fibras na

terminologia anglo-saxónica como “Zero water peak – ZWP”.

Relacionado com a dispersão cromática, utilizam-se em redes de telecomunicações de grande

distância as fibras ITU-T G652, designada como fibra monomodo padrão (dispersão nula na gama de

1310 nm), ITU-T G653; designada como fibra de dispersão deslocada (dispersão nula próxima de

1550 nm), e fibra de dispersão plana próxima de zero (no intervalo de 1310 nm a 1550 nm).

As fibras monomodo padrão (ITU-T G652) apresentam um valor de dispersão cromática a 1550 nm

muito significativo, dificultando as comunicações óticas nesta gama espetral, o que motivou então o

desenvolvimento e construção de fibras de dispersão deslocada (ITU-T G653), as quais na

nomenclatura anglo-saxónica são conhecidas como DSF (Dispersion shifted fibers). Contudo, com o

desenvolvimento das tecnologias aplicadas às telecomunicações e designadamente, pela introdução

dos sistemas de multiplexagem no comprimento de onda (WDM), o que no antecedente era

considerado uma vantagem, deixou de o ser, devido aos problemas de não-linearidades já

identificados e especificamente a - Mistura de 4 Ondas. Este fato levou ao desenvolvimento das fibras

de dispersão plana próxima a zero, que na nomenclatura anglo-saxónica são conhecidas como DFF

(Dispersion flatteded fibers).

As fibras DFF têm dispersão reduzida no intervalo de 1310 nm a 1550 nm, dividindo-se em várias

categorias, dependendo se a curva de dispersão tem inclinação positiva ou negativa:

Fibra DFF com Dispersão Zero (NZDF, Non-Zero Dispersion Fiber): esta fibra tem dispersão

zero próximo a 1450 nm, sendo regulada pela recomendação ITU-T G655;

Fibra DFF com Dispersão Negativa (NDF, Negative Dispersion Fiber): esta fibra tem curva de

dispersão com inclinação negativa na região 1500 nm a 1600 nm, cuja utilização se destina a

sistemas de comunicação em cabos submarinos;

Fibra DFF com Dispersão Positiva (PDF, Positive Dispersion Fiber): esta fibra tem curva de

dispersão com inclinação negativa na região 1500 nm a 1600 nm, cuja utilização se destina a

sistemas de comunicação terrestres.

Em acréscimo à vantagem de existir um baixo valor de dispersão cromática é também importante que

a sua taxa de variação com o comprimento de onda seja pequena. Com uma taxa de variação

pequena, a gama de dispersão cromática acumulada ao longo dos diversos canais WDM também o

será. Se a gama de variação é pequena poder-se-á então considerar a dispersão cromática como

uniforme na banda do WDM, sendo por isso passível de compensação por um único compensador,

em vez de ser necessária recorrer à sua utilização por canal.

92

B.3 Juntas de fibra ótica

Na ligação entre duas fibras existem dois conjuntos de fatores que determinam perdas na sua

ligação, fatores intrínsecos relacionados com a própria fibra e extrínsecos, relacionados

genericamente com o processo de preparação das extremidades da fibra a fundir e a realização da

junta. por fusão, em si.

Como fatores intrínsecos, referem-se as diferenças nas duas fibras relativamente ao diâmetro do

campo modal, diâmetro do núcleo, erro de concentricidade núcleo-baínha e abertura numérica (NA).

Nos fatores extrínsecos, as principais razões para a existência de perdas no acoplamento são:

Má preparação das extremidades a ligar – a terminação da fibra deverá ser plana,

sem variações bruscas no seu perfil, e perpendicular ao eixo, resultando o não

cumprimento destas características em reflexão ou refração do raio de luz (designam-

se reflexões de Fresnell);

Mau alinhamento – quando o alinhamento não é perfeito, originam-se perdas de

acoplamento.

A uma ligação permanente entre duas fibras óticas é costume atribuir-se a designação (anglo-

saxónica) de “splice”, identificando-se dois tipos destas ligações:

“Splice” mecânico, no qual um sistema de fixação mecânico e outros materiais (gel de

adaptação) realizam o alinhamento de ligação das fibras;

“Splice” por fusão, no qual os extremos das fibras são ligados por recurso a altas

temperaturas aplicadas nos seus extremos, fundindo-os.

O “splice” por fusão é realizado por um processo automático, que requer equipamento específico

designado Máquina de fusão. O processo de fusão deverá assegurar o melhor alinhamento possível

do núcleo de cada uma das fibras a ligar e a inexistência de espaço ou ângulos entre estes, ou seja

minimizar os desalinhamentos longitudinais ou verticais. A qualidade em termos de características

óticas de uma fusão depende destes fatores, tendo cada um o seu impacto específico.

A existência de desalinhamento angular, causado pela não perpendicularidade das superfícies das

fibras com o seu eixo, tem como razão problemas no corte da fibra, operação realizada por um

equipamento denominado de máquina de corte. A máquina que executa esta operação dispõe de

uma lâmina circular de diamante e a fibra é tensionada entre dois pontos, no meio do qual se

produzirá o corte. Por aplicação de impulso mecânico do operador/ técnico na máquina de corte, é

feito um sulco na fibra, o qual por efeito do tensionamento, é propagado diametralmente, produzindo-

se o corte.

Para o estudo do impacto destes fatores nas perdas, Marcuse [23] utilizou um modelo em que o

campo injetado tem a forma “Quase-Gaussiana”, o que se coaduna quer com a forma dos campos

nas fibras monomodo quer com o tipo de excitação resultante das fontes óticas a laser, e limitou-o à

93

situação que -1 << 1 (weakly guiding), em que n1 e n2, são respetivamente, os índices de

refração do núcleo e da bainha. [23]. Para os casos apresentados as fibras são representadas pela

largura ótima da distribuição do campo Gaussiano (w) e do raio do núcleo da fibra (a).

O campo elétrico incidente no extremo da fibra, pode ser expresso como [23]

( B. 1)

Em que v corresponde ao modo e corresponde ao vetor campo elétrico do modo v. No caso de

fibras monomodo identifica-se o modo guiado com v=0.

Atendendo à ortogonalidade dos modos, o valor de c0 será [23]

∅ (B. 2)

Onde H0 é o vetor campo magnético do modo guiado, ez é o vetor unitário na direção do eixo da fibra,

r e são as coordenadas cilíndricas e P é a potência do sinal correspondente ao campo propagado.

Introduzindo-se um coeficiente de transmissão de potência entre a fibra 1 e a fibra 2, o qual nos

indica qual a relação entre a potência à saída da junção com a potência à entrada, teremos [23]

| | (B. 3)

No desalinhamento longitudinal existe um espaço (micrométrico) entre as fibras, apesar dos eixos dos

núcleos se manterem alinhados. Neste caso a atenuação na junta é [23]

4 4

4 4

(B. 4)

Em que Z é a distância normalizada entre fibras, dada por [23]

(B. 5)

D representa a distância longitudinal (separação) entre as fibras n2 representa o índice de refração do

núcleo e k a constante de propagação no plano da onda (k= 2).

Tomando como exemplo um caso em que as fibras são exatamente iguais, efetuaram-se os cálculos

para os casos em que a distância D era aproximadamente de 0,5%, 1% e 2% do diâmetro do núcleo

(2a), os quais são apresentados na Tab B.1. Considerou-se o comprimento de onda de 1550 nm, um

diâmetro de campo modal de 9,05 m (média da gama de valores referido para a fibra G652) e índice

de refração (n1) de 1,4575 e de 3% ( ∆ 1 )

94

Tab. B. 1 - Atenuação na junta devido a separação longitudinal

D (m)

Z T T (dB)

0,05 0,11 0,989 0,05

0,1 0,21 0,957 0,19

0,2 0,43 0,846 0,73

Utilizando a expressão (B.1) para o caso de D=0 (ausência de separação), poderemos efetuar o

cálculo do coeficiente de transmissão (T0) e da atenuação na junta, em função do diâmetro do campo

modal.

Teremos assim

2

(B. 6)

Recorrendo-se à especificação do diâmetro do campo modal para a fibra ITU-T G652, efetuaram-se

os cálculos de T0 considerando que as fibras apresentavam os valores extremos admissíveis, sem a

tolerância especificada e com esta no pior caso (diferença máxima), cujos resultados se apresentam

na Tab. B.2.

Tab. B. 2 - Atenuação na junta devido a diferenças do diâmetro do campo modal

w1=w2 Valor

Nominal médio

Valor w extremos s/ tolerância

Valor w extremos c/ tolerância

Valor w médio e 1/2 tolerância

w1 9,05E-06 9,50E-06 1,01E-05 9,35E-06

w2 9,05E-06 8,60E-06 8,00E-06 8,75E-06

T0 1 0,9902 0,9476 0,9956

T0 (dB) 0 0,043 0,234 0,019

No caso da separação entre as fibras ser do tipo angular (a denominação anglo-saxónica é “tilt”), o

coeficiente de transmissão de potência (T) é dado por [23]

2exp

2

(B. 7)

Para estudar este efeito iremos aplicar as condições estabelecidas para o caso da separação

longitudinal, fazendo-se a análise para diversos valores de , cujos valores foram escolhidos tendo

como base o ângulo máximo aceite para realizar a fusão de 0,5 º (valor parametrizado) e o ângulo de

corte máximo da máquina de corte de 0,5º (especificação Fujikura CT 30). Os resultados são

apresentados na Tab. B.3.

95

Tab. B. 3 - Atenuação na junta devido à separação angular (Tilt)

(o) T T (dB)

0,3 0,9999 0,0003

0,5 0,9998 0,0007

1 0,9993 0,0029

No caso de separação vertical, em que os eixos dos núcleos das fibras estão deslocados

(desalinhados) de d (offset), o valor de T é dado por [23]

2exp

2

(B. 8)

Aplicando as condições acima referidas termos o conjunto de resultados apresentados na Tab. B.4.

Tab. B. 4 - Atenuação na junta devido a “Offset”

d (m)

T T (dB)

0,05 1,0000 0,0001

0,5 0,9970 0,013

1,00 0,9879 0,053

1,50 0,9729 0,119

2,00 0,9523 0,212

Verificámos assim as várias contribuições isoladas para a atenuação numa junta por fusão. Nesta

avaliação procurou-se utilizar valores de especificação com expressão prática (e.g. diâmetro do

campo modal e ângulo de corte), contudo não existem especificações das máquinas de fusão (para

além da atenuação típica na junta) quanto a erro de desalinhamento vertical (tilt) ou longitudinal,

assumindo estas o valor de 0,02 dB para fibras SM-G652/G657 e 0,04 dB para fibras DSF/NZDS.

C.4 Conectores para fibra ótica

A interligação da fibra ótica com os equipamentos da rede, passivos ou ativos, é feita por intermédio

de conectores óticos, cuja escolha deverá ter em atenção os seguintes princípios:

Baixas perdas de inserção;

Elevado “Return Loss” (baixos valores de refletância na interface);

96

Facilidade de instalação;

Custo;

Fiabilidade e durabilidade;

Baixa sensibilidade às condições ambientais;

Facilidade de utilização.

Os mais utilizados nos repartidores de rede são os do tipo FC e E2000.

O conector FC (Fiber Connector) foi desenvolvido no Japão e utiliza ponta saliente (ferrule) de

cerâmica, a qual necessita de uma cápsula de proteção quando não está em uso, e o encaixe é feito

por aparafusamento; o conector E2000 também utiliza a terminação cerâmica idêntica à do FC, mas

esta tem uma proteção mecânica automática e o encaixe é feito por mola.

Na ligação entre os dois conectores não se pretende que exista ar, situação que a ocorrer provoca

reflexões, pelo que se utilizam os seguintes tipos de contacto entre ambos:

Contacto físico simples (PC- Pysical Contact);

Contacto físico angular (APC – Angled Pysical Contact).

Deste conjunto de opções aquele que apresenta melhor desempenho é o E2000 APC.

Com vista a identificar o tipo de conectores, adotou-se internacionalmente o seguinte código de

cores:

Corpo castanho claro – fibras multimodo;

Corpo azul – para fibras monomodo e contacto físico simples (PC);

Corpo verde – para fibras monomodo e contacto físico angular (APC);

Conforme referido no Cap.3 a inspeção e limpeza dos conectores e ligadores óticos é uma ação que

tem especial relevância no que diz respeito à qualidade e veracidade dos resultados. O feixe ótico na

fibra monomodo propaga-se no núcleo da fibra, o qual tem um diâmetro típico de 10m. Assim

qualquer obstáculo microscópio que se interponha no feixe de sinal ótico causa perda adicional de

sinal. Esse obstáculo pode resultar de pó ou riscos na superfície do conector de ligação.

Na Fig. B.1 são apresentadas fotografias da secção terminal do conector, onde está evidente a

deterioração do mesmo.

Fig. B. 1- Imagens de conectores óticos com problemas de conservação

97

A inspeção dos conectores óticos deverá ser realizada com microscópio ou sistema de inspeção

adequado, identificando-se eventual existência de riscos na zona do núcleo e efetuar a limpeza com

material e metodologia adequados. No caso da limpeza efetuada ao conector não resultar, dever-se-á

referir essa anomalia, sugerindo-se a sua eventual substituição por outro com o estado adequado.

A imagem da secção transversal de um conector em boas condições (sem sujidade e riscos) é

apresentada na Fig. B.2., sendo notórias as diferenças para os casos ilustrados na Fig. B.1.

Fig. B. 2- Imagens de conectores em bom estado de conservação e funcionamento

Os problemas de sujidade dos conectores verificam-se, em maior ou menor grau, em instalações

novas ou existentes, enquanto os problemas de riscos se verificam mais em redes existentes. A

causa da existência de riscos está associada à multiplicidade de conexões efetuadas e ao facto dos

conectores utilizados não estarem devidamente limpos.

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