Fibras ópticas e Fibras ópticas e Multiplexação por Multiplexação por

Divisão em Divisão em Comprimento de Comprimento de

Onda (WDM)Onda (WDM)Trabalho de Redes de Trabalho de Redes de computadores Icomputadores I

Rafael José Gonçalves PereiraRafael José Gonçalves Pereira

Professor: Otto DuarteProfessor: Otto Duarte

EstruturaEstrutura Alguns Fundamentos de ÓpticaAlguns Fundamentos de Óptica - Refração e Reflexão total- Refração e Reflexão total FibrasFibras - Composição e conceitos, tipos de fibras, - Composição e conceitos, tipos de fibras,

atenuação, vantagens e desvantagens, atenuação, vantagens e desvantagens, algumas aplicações. (no trabalho ainda há algumas aplicações. (no trabalho ainda há uma seções sobre história e emissores e uma seções sobre história e emissores e receptores, que não incluí aqui)receptores, que não incluí aqui)

WDMWDM - Definição, funcionamento e problemas, - Definição, funcionamento e problemas,

Tipos de WDM e Vantagens.Tipos de WDM e Vantagens.

Princípios de Princípios de ópticaóptica

Refração e reflexão totalRefração e reflexão total

Mudança na direção e velocidade quando Mudança na direção e velocidade quando uma onda de luz passa de um meio para o uma onda de luz passa de um meio para o outro.outro.

Lei de Snell-Descartes:Lei de Snell-Descartes:

n1*sen(fi1) = n2*sen(fi2)n1*sen(fi1) = n2*sen(fi2) Na transição de um meio mais refringente Na transição de um meio mais refringente

(n2) para menos refringente (n1), se o (n2) para menos refringente (n1), se o ângulo for superior a um ângulo crítico, ângulo for superior a um ângulo crítico, ocorre reflexão total.ocorre reflexão total.

Ângulo crítico = arc.sen(n1/n2)Ângulo crítico = arc.sen(n1/n2)

Reflexão totalReflexão total

Lembrando que n2>n1

Sistemas de Sistemas de transmissão portransmissão porFibras ópticasFibras ópticas

Definição de fibra ópticaDefinição de fibra óptica

Fibra óptica é basicamente um fio que Fibra óptica é basicamente um fio que conduz a potência luminosa de um conduz a potência luminosa de um emissor até um receptor óptico. São emissor até um receptor óptico. São estruturas transparentes, flexíveis, estruturas transparentes, flexíveis, compostas por dois materiais compostas por dois materiais dielétricos, tendo dimensões próximas dielétricos, tendo dimensões próximas a um fio de cabelo humano.a um fio de cabelo humano.

ComposiçãoComposição 3 camadas básicas:3 camadas básicas:

• Núcleo (>= 10 micrômetro), o mais refringente;Núcleo (>= 10 micrômetro), o mais refringente;• Casca, menos refringente que o núcleo;Casca, menos refringente que o núcleo;• Capa, proteção.Capa, proteção.

ComposiçãoComposição

Reflexão total entre o núcleo e a casca!Reflexão total entre o núcleo e a casca!

Modos de propagaçãoModos de propagação Soluções espaço-temporais das equações de Soluções espaço-temporais das equações de

Maxwell (campos elétricos e magnéticos). Maxwell (campos elétricos e magnéticos). Representa as diferentes formas de Representa as diferentes formas de

propagação (trajetórias) da luz na fibra.propagação (trajetórias) da luz na fibra.

Tipos de FibrasTipos de Fibras

MonomodoMonomodo MultimodoMultimodo

• Índice degrauÍndice degrau• Índice gradualÍndice gradual

Atenuação e dispersãoAtenuação e dispersão

Atenuação baixa Atenuação baixa principal motivo principal motivo pelo qual as fibras conquistaram seu pelo qual as fibras conquistaram seu terreno.terreno.

Atenuação:Atenuação:• AbsorçãoAbsorção• EspalhamentoEspalhamento• CurvaturasCurvaturas• Características do guia de ondaCaracterísticas do guia de onda

AbsorçãoAbsorção

Absorção natural do material (intrínseca)Absorção natural do material (intrínseca) Por defeitos estruturais (densidade varia, Por defeitos estruturais (densidade varia,

etc)etc) Impurezas (extrínseca)Impurezas (extrínseca) Íons metálicosÍons metálicos Por íons hidroxila Por íons hidroxila devido a água no vidro devido a água no vidro

define as janelas ópticas define as janelas ópticas

Janelas ópticas Janelas ópticas Regiões onde a absorção Regiões onde a absorção por OH- é menor (já superada)por OH- é menor (já superada)

Janelas ópticasJanelas ópticas

Novos tipos de fibrasNovos tipos de fibras(segundo tutorial da (segundo tutorial da

Teleco)Teleco) ““Monomodo comum (SM - G.652 ITU-T): Tem problemas Monomodo comum (SM - G.652 ITU-T): Tem problemas

com a dispersão cromática. Núcleo com área maior com a dispersão cromática. Núcleo com área maior grande capacidade de comprimentos de onda. grande capacidade de comprimentos de onda.

Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): Fibra onde a Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): Fibra onde a dispersão é zero. Pensava-se dispersão é zero. Pensava-se alta capacidade. Porém, alta capacidade. Porém, mistura das 4 ondas. mistura das 4 ondas.

Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): criada para Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): criada para corrigir a limitação da fibra tipo DS. Dispersão baixa, corrigir a limitação da fibra tipo DS. Dispersão baixa, mas não zero. Núcleo da fibra foi diminuídomas não zero. Núcleo da fibra foi diminuído impede impede sua utilização em sistemas de grande quantidade de sua utilização em sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda. comprimentos de onda.

Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): Fibra onde Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): Fibra onde processos de fabricação eliminam o efeito da absorção processos de fabricação eliminam o efeito da absorção pelos íons OH-”pelos íons OH-”

Janelas ópticasJanelas ópticas

Dispersão ModalDispersão Modal Variações de trajetórias (= modos Variações de trajetórias (= modos

distintos) distintos) tempo de chegadas tempo de chegadas distintos distintos “Espalhamento” de um “Espalhamento” de um sinal no temposinal no tempo

Vantagens da fibra ópticaVantagens da fibra óptica

Banda passante teoricamente enormeBanda passante teoricamente enorme Atenuação muito baixaAtenuação muito baixa Imunidade à interferência eletromagnética e Imunidade à interferência eletromagnética e

ruídoruído Isolamento elétricoIsolamento elétrico CompacidadeCompacidade SegurançaSegurança Baixo custo potencialBaixo custo potencial Possibilidade de mudar a banda sem mudar a Possibilidade de mudar a banda sem mudar a

infra-estrutura (WDM)infra-estrutura (WDM)

ComparaçãoComparação

DesvantagensDesvantagens

Fragilidade das fibras não Fragilidade das fibras não encapsuladasencapsuladas

Dificuldade para conexõesDificuldade para conexões Dificuldade para ramificaçõesDificuldade para ramificações

• Fibras Fibras ponto-a-ponto ponto-a-ponto Impossibilidade de alimentação Impossibilidade de alimentação

remotaremota

Algumas AplicaçõesAlgumas Aplicações

Fiber ChannelFiber Channel Gigabit EthernetGigabit Ethernet Rede telefônicaRede telefônica Rede Digital de Serviços IntegradosRede Digital de Serviços Integrados Cabos submarinosCabos submarinos Televisão por caboTelevisão por cabo SensoresSensores

WDMWDM Combina comprimentos de onda diferentes, e, na Combina comprimentos de onda diferentes, e, na

outra ponta, separa e lê.outra ponta, separa e lê.

Sistema de WDMSistema de WDM

Comparação com TDM e porque do Comparação com TDM e porque do nomenome

Para multiplexação e Para multiplexação e demultiplexação atualmente:demultiplexação atualmente:

Filtros ajustáveis baseados em Filtros ajustáveis baseados em difração e interferênciadifração e interferência• Ex: Array Waveguide GratingEx: Array Waveguide Grating

Problemas enfrentados pelo Problemas enfrentados pelo WDMWDM

Todos os problemas das fibras ópticasTodos os problemas das fibras ópticas Encaixar o Sinal no seu canalEncaixar o Sinal no seu canal Diafonia (Diafonia (CrosstalkCrosstalk) ) Parte da Parte da

potência que deveria chegar num potência que deveria chegar num canal vai para um canal adjacentecanal vai para um canal adjacente

Mistura de quatro ondas (Mistura de quatro ondas (Four wave Four wave mixingmixing, FWM), FWM)

Falta de padronizaçãoFalta de padronização

Tipos de WDMTipos de WDM Classificação feita de acordo com o Classificação feita de acordo com o

espaçamento entre comprimentos de onda espaçamento entre comprimentos de onda adjacentesadjacentes

Coarse WDM (CWDM)Coarse WDM (CWDM)20nm, 4 a 16 canais, 34Mbit/s a 2,5Gbit/s20nm, 4 a 16 canais, 34Mbit/s a 2,5Gbit/s Dense WDM (DWDM) Dense WDM (DWDM) 1nm, 16 a 128 canais, 155Mbit/s a 10Gbit/s1nm, 16 a 128 canais, 155Mbit/s a 10Gbit/s Ultra Dense WDM (UDWDM)Ultra Dense WDM (UDWDM) Mais de 128 canais, menos espaçamento que o Mais de 128 canais, menos espaçamento que o

DWDMDWDM

Vantagens do WDMVantagens do WDM

Flexibiliza sistemasFlexibiliza sistemas Possibilita o aumento da quantidade Possibilita o aumento da quantidade

de banda que uma fibra pode de banda que uma fibra pode transmitir, sem necessidade de transmitir, sem necessidade de obras estruturais.obras estruturais.

Além de todas as vantagens de Além de todas as vantagens de utilizar as fibras ópticas em si.utilizar as fibras ópticas em si.

Dúvidas?Dúvidas?

Perguntas e Perguntas e RespostasRespostas

Pergunta 1Pergunta 1

1 – Explique como a luz se mantém 1 – Explique como a luz se mantém no interior de uma fibra óptica, no interior de uma fibra óptica, citando as regiões da fibra citando as regiões da fibra envolvidas e explicando brevemente envolvidas e explicando brevemente o fenômeno que permite tal feito.o fenômeno que permite tal feito.

Pergunta 1Pergunta 1 1 – Explique como a luz se propaga no interior 1 – Explique como a luz se propaga no interior

de uma fibra óptica, citando as regiões da de uma fibra óptica, citando as regiões da fibra envolvidas e explicando brevemente o fibra envolvidas e explicando brevemente o fenômeno que permite tal feito.fenômeno que permite tal feito.

R: A luz se propaga no interior da fibra R: A luz se propaga no interior da fibra através do fenômeno da reflexão total que através do fenômeno da reflexão total que ocorre nas fibras ao tentar atravessar do ocorre nas fibras ao tentar atravessar do núcleo (mais refringente) para a casca (menos núcleo (mais refringente) para a casca (menos refringente). Quando um raio de luz tenta refringente). Quando um raio de luz tenta atravessar de um meio mais refringente para atravessar de um meio mais refringente para um menos refringente, se o ângulo que ele um menos refringente, se o ângulo que ele forma com a normal for maior que o ângulo forma com a normal for maior que o ângulo crítico, ele sofre a reflexão total, o que é crítico, ele sofre a reflexão total, o que é exatamente o que ocorre na fibra. exatamente o que ocorre na fibra.

Pergunta 2Pergunta 2

2 – O que são os modos de 2 – O que são os modos de propagação e dispersão modal? propagação e dispersão modal? Como estes conceitos estão Como estes conceitos estão relacionados entre si?relacionados entre si?

Pergunta 2Pergunta 2 2 – O que são os modos de propagação e 2 – O que são os modos de propagação e

dispersão modal? Como estes conceitos estão dispersão modal? Como estes conceitos estão relacionados entre si?relacionados entre si?

R: Os modos de propagação são as soluções R: Os modos de propagação são as soluções espaço-temporais das equações de Maxwell, espaço-temporais das equações de Maxwell, representando as diferentes maneiras representando as diferentes maneiras (trajetórias) como a luz pode propagar-se (trajetórias) como a luz pode propagar-se numa fibra. A dispersão modal, por sua vez, é numa fibra. A dispersão modal, por sua vez, é o fenômeno do “espalhamento” da luz no o fenômeno do “espalhamento” da luz no tempo que acontece por conta das diferentes tempo que acontece por conta das diferentes trajetórias e dos diferentes tempos de cada trajetórias e dos diferentes tempos de cada modo. Estes conceitos estão relacionados, pois modo. Estes conceitos estão relacionados, pois os modos são as diferentes trajetórias que os modos são as diferentes trajetórias que geram o espalhamento temporal.geram o espalhamento temporal.

Pergunta 3Pergunta 3

3 – O que são as janelas ópticas e 3 – O que são as janelas ópticas e diga se elas ainda tem diga se elas ainda tem funcionalidade atualmente?funcionalidade atualmente?

Pergunta 3Pergunta 3

3 – O que são as janelas ópticas e diga se elas 3 – O que são as janelas ópticas e diga se elas ainda tem funcionalidade atualmente?ainda tem funcionalidade atualmente?

R : As janelas ópticas são as regiões onde a R : As janelas ópticas são as regiões onde a atenuação por absorção devido ao íon atenuação por absorção devido ao íon Hidroxila (OH-) era menor. A utilização das Hidroxila (OH-) era menor. A utilização das janelas ópticas, apesar de já ter perdido seu janelas ópticas, apesar de já ter perdido seu sentido atualmente por já ser possível sentido atualmente por já ser possível fabricar fibras sem atenuações devido a tal fabricar fibras sem atenuações devido a tal íon, ainda são mantidas por motivos históricos íon, ainda são mantidas por motivos históricos e por melhorarem a eficiência da utilização de e por melhorarem a eficiência da utilização de determinados comprimentos de onda.determinados comprimentos de onda.

Pergunta 4Pergunta 4

4 – No que se baseiam os métodos 4 – No que se baseiam os métodos atuais para multiplexação e atuais para multiplexação e demultiplexação?demultiplexação?

Pergunta 4Pergunta 4

4 – No que se baseiam os métodos 4 – No que se baseiam os métodos atuais para multiplexação e atuais para multiplexação e demultiplexação?demultiplexação?

R: Os métodos atuais baseiam-se nos R: Os métodos atuais baseiam-se nos fenômenos de difração e de fenômenos de difração e de interferência. O fenômeno da difração interferência. O fenômeno da difração faz com que a luz seja tratada como faz com que a luz seja tratada como onda, permitindo então a exploração onda, permitindo então a exploração do fenômeno da interferência. do fenômeno da interferência.

Pergunta 5Pergunta 5

5 – Cite ao menos 3 vantagens da 5 – Cite ao menos 3 vantagens da fibra óptica e 1 desvantagem:fibra óptica e 1 desvantagem:

Pergunta 5Pergunta 5 5 – Cite ao menos 3 vantagens da fibra óptica e 1 desvantagem:5 – Cite ao menos 3 vantagens da fibra óptica e 1 desvantagem: R: Vantagens (citar 3 destas):R: Vantagens (citar 3 destas):banda passante potencialmente enorme;banda passante potencialmente enorme;atenuação muito baixa;atenuação muito baixa;imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos;imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos;isolamento elétrico;isolamento elétrico;compacidade;compacidade;segurança;segurança;baixo custo potencial;baixo custo potencial;possibilidade de ampliação da banda sem modificação da possibilidade de ampliação da banda sem modificação da

infraestrutura.infraestrutura. Desvantagens, citar 1:Desvantagens, citar 1:fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas;fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas;dificuldade para conexão;dificuldade para conexão;dificuldade para ramificações dificuldade para ramificações impossibilidade de alimentação remotaimpossibilidade de alimentação remota

Obrigado!Obrigado!