notas do livro “optical fiber communications”paginas.fe.up.pt/~ee98043/relatorio1.pdf · 1 -...

Índice

1 Introdução................................................................................................................................................. 2 2 Para quê medir a dispersão? .................................................................................................................. 3

2.1 Atraso de grupo (Group Delay) ..................................................................................................... 4 2.2 Dispersão cromática....................................................................................................................... 5

2.2.1 Dispersão material................................................................................................................ 5 2.2.2 Dispersão na guia de onda................................................................................................... 6

2.3 Optimização das características da fibra........................................................................................ 8 2.4 Birefringence.................................................................................................................................. 9 2.5 Polarization Mode Dispersion................................................................……............................... 10

3 Efeitos não lineares............................................................................................................................... 12 3.1 Four-wave Mixing........................................................................................…….......................... 12 3.2 Self-Phase Modulation.....................................................................................……..................... 14 3.3 Cross-Phase Modulation.......................................................................................……................ 15

4 Recomendações da ITU-T.....................................................................................................................16 4.1 G.652............................................................................................................................................ 16 4.2 G.653.............................................................................................................................................17 4.3 G.655.............................................................................................................................................18

5 Aplicação à fibra G.652..........................................................................................................................20 6 Teste e medição da dispersão................................................................................................................22

6.1 Phase-shift method…….............................................................................................................…23 6.2 Medida da Polarization-Mode Dispersion (PMD) …......................................................................24 6.3 ITU – T Recommendation G.650 ( Definition & Test Methods )…….............................................25

6.3.1 Phase-shift technique............................................................………….........................……25 6.3.2 Interferometric technique....................................................................………..............…….27 6.3.3 Pulse Delay technique....................................................................................….............….30 6.3.4 Conclusão..........................................................................................................…..............33

7 Simulação...............................................................................................................................................34 8 Conclusão...............................................................................................................................................36 9 Bibliografia...............................................................................................................................................37

Estudo teórico das características da fibra óptica G.652 com impacto na transmissão de altos débitos 1

1 - Introdução A exigência de cada vez maiores larguras de banda tem estimulado o desenvolvimento de infra-estruturas suportadas por fibra óptica. Esta necessidade de largura de banda deve-se sobretudo ao crescimento da quantidade de dados e ao aparecimento de novos serviços e novas aplicações, tais como os programas de transferência de ficheiros ponto-a-ponto como o Napster, a difusão de áudio e vídeo na Internet, e o potencial crescimento do video-on-demand que irá entregar em casa filmes de elevada qualidade via ligação à Internet de banda larga. Assim, tanto a indústria de telecomunicações como as empresas a ela associadas, apercebendo-se do enorme potencial de negócio, ficaram altamente motivados para construírem redes ópticas que permitam distribuir os dados mais longe e mais rápido do que alguma vez antes. Assim sendo, apesar das redes a 2.5Gbps terem sido largamente classificadas como de alta velocidade à alguns anos atrás, actualmente as empresas de telecomunicações estão a aumentar a capacidade de muitas ligações para 10Gbps, desenvolvendo-se já em laboratório ligações a 40Gbps. Um desafio técnico fundamental neste processo de transmissão a alta velocidade é a dispersão, ou o alargamento dos impulsos ópticos com a distância, sendo que o seu efeito começa a fazer sentir-se com maior intensidade para débitos superiores a 2.5Gbit/s.10 Contudo, para que a rede possa operar a taxas superiores a 10Gbit/s, estratégias de medição e posterior compensação da dispersão precisam de ser adoptadas. Neste primeiro relatório irão ser descritos os fundamentos acerca da dispersão, as várias formas que ela assume, as recomendações segundo a ITU-T para as fibras G.652 e G.653 que dizem respeito à dispersão, as limitações que a dispersão impõe na capacidade de transmissão de sistemas ópticos e as diversas técnicas existentes para a sua medição.


2 - Para quê medir a dispersão? Uma vez que as fontes ópticas não são ideais, ou seja, não emitem apenas um único comprimento de onda mas sim uma gama estreita de comprimentos de onda, os sinais emitidos são susceptíveis aos efeitos da dispersão cromática que resulta da variação do índice de refracção da fibra em função do comprimento de onda. A dispersão cromática é tipicamente uma perturbação muito mais significativa do que a polarization-mode dispersion, PMD, e pode ter um efeito significativo mesmo com débitos relativamente baixos em ligações de longa distância. Para a maioria das fibras, a PMD não é um problema significativo até os débitos excederem os 10Gbit/s.1 Os mecanismos de dispersão presentes intrinsecamente numa fibra, fazem com que os impulsos ópticos alarguem à medida que vão viajando ao longo da fibra. Se estes impulsos viajarem uma distancia suficientemente grande, irão eventualmente sobrepor-se aos impulsos adjacentes criando interferência intersimbólica e portanto provocando erros no sinal recebido. Assim sendo, os mecanismos de dispersão do sinal limitam a capacidade de transmissão de informação na fibra, a largura de banda disponível, sendo por isso muito importante a sua quantificação, de forma a executar medidas de redução ou compensação apropriadas. Desta forma, testando a dispersão cromática antes da rede ser posta em funcionamento permite implementar mecanismos de compensação da dispersão antes do desempenho da rede ser comprometido.


2.1 - Atraso de grupo (Group Delay) Um dos conceitos chave no que diz respeito à dispersão é o atraso de grupo, pois a ele se devem os fenómenos de dispersão cromática. Convém por isso começar por identificar este parâmetro cuidadosamente. Na situação de um sinal que modula uma fonte óptica, vamos assumir que o sinal óptico modulado excita todos os modos igualmente na entrada da fibra. Desta forma cada modo transporta uma quantidade de energia igual ao longo da fibra. Além disso, cada modo contém todos os componentes espectrais na banda de comprimentos de onda ao longo da qual a fonte emite. Podemos considerar que o sinal modula cada um destes componentes espectrais da mesma forma. À medida que o sinal se propaga na fibra, podemos assumir que cada componente espectral viaja independentemente dos outros, sofrendo um atraso no tempo ou atraso de grupo τg, por unidade de comprimento, na direcção de propagação dada por1

λβ

πλβτddcdk

dcVL g

g

211 2

−===

em que Vg é a velocidade de grupo, representa a velocidade à qual a energia de um impulso viaja ao longo da fibra. Uma vez que o atraso de grupo depende do comprimento de onda, cada componente espectral de um dado modo demora um tempo diferente a percorrer a mesma distância. Devido ao facto de existir em cada fibra um comprimento de onda λ0 ao qual a luz viaja com maior velocidade, nos restantes comprimentos de onda, superiores e inferiores a λ0, a luz viaja mais lentamente. Os comprimentos de onda superiores diz-se que têm dispersão cromática positiva e os inferiores têm dispersão cromática negativa, tal como a figura seguinte ilustra:

Fig. 1 – Dispersão e atraso relativo


Como resultado desta diferença de atrasos temporais, o impulso do sinal óptico alarga com o tempo à medida que é transmitido ao longo da fibra. Assim sendo, a grandeza importante a considerar é o alargamento do impulso que surge devido ás variações no atraso de grupo. 2.2 - Dispersão cromática A dispersão cromática consiste no alargamento do impulso que acontece dentro de um dado modo, sendo que o alargamento resulta da largura espectral finita de emissão da fonte óptica. Este fenómeno também é conhecido por Group Velocity Dispersion (GVD) dado que a dispersão é o resultado da velocidade de grupo ser função do comprimento de onda. A dispersão na velocidade de grupo (GVD) limita o débito binário ao alargar temporariamente o impulso óptico transmitido. Uma vez que a dispersão cromática depende do comprimento de onda, o seu efeito na distorção do sinal aumenta com a largura espectral da fonte óptica. Esta largura espectral é a banda de comprimentos de onda ao longo dos quais a fonte emite luz, que deve ser o mais estreita possível.

O factor

==

g

g

Vdd

dd

LD 11

λλτ

, é designado por dispersão e define o alargamento do

impulso em função do comprimento de onda. Infelizmente, os efeitos da dispersão não aumentam linearmente, sendo que cresce com uma taxa igual ao quadrado do aumento da velocidade de transmissão.11 Assim sendo, a 10Gbps a dispersão cromática é 16 vezes pior do que a 2.5Gbps. As duas causas principais de dispersão cromática são: 2.2.1 Dispersão material

A dispersão material surge devido à variação do índice de refracção do material do núcleo em função do comprimento de onda.1 Isto causa uma dependência do comprimento de onda da velocidade de grupo de cada modo, ou seja, o alargamento dos impulsos acontece mesmo quando diferentes comprimentos de onda seguem o mesmo trajecto. O alargamento do impulso provocado pela dispersão material é dado por1:

)(λσσλτ

σ λλ matmat

mat DLdd

=≈

em que Dmat(λ) é a dispersão material e σλ é a largura espectral da fonte. Esta forma de dispersão pode ser reduzida quer escolhendo fontes com uma largura espectral de saída mais estreita, quer operando com comprimentos de onda mais elevados.

Conforme já foi mencionado, todas as fontes de luz emitem luz não só num único comprimento de onda λ mas sim numa largura espectral ∆λ distribuída em torno do


comprimento de onda λ. Assim sendo, os elementos individuais de luz dentro da gama ∆λ propagam-se com diferentes velocidades e têm diferentes atrasos. Quanto maior a largura espectral da fonte, maior será a dispersão do impulso e consequentemente menor será a largura de banda disponível, tal como a figura 2 ilustra:

Fig. 2 – Exemplos da largura de banda em função do comprimento

de onda para diferentes larguras espectrais da fonte σλ

A dispersão material é uma quantidade dependente do material pelo que utilizando dopantes é possível fazê-la variar ligeiramente dentro de certos limites e assim influenciar o ponto de dispersão nula. 2.2.2 Dispersão na guia de onda

A dispersão na guia de onda acontece devido a variações na distribuição da luz entre o núcleo e a bainha, isto é, dado que uma fibra monomodo concentra apenas 80% da potência óptica no núcleo, então os 20% restantes da luz que viajam na bainha propagam-se mais rapidamente do que a luz que viaja no núcleo provocando desta forma dispersão. Um parâmetro fundamental das fibras monomodo com grande impacto nas suas características de dispersão é o Mode-Field Diameter. Para as fibras monomodo a distribuição geométrica da luz no modo de propagação (em vez do diâmetro do núcleo e da abertura numérica) é o factor importante quando se fazem estimativas das características de performance destas fibras. O mode-field diameter é semelhante ao diâmetro do núcleo nas fibras multi-modo, excepto o facto que nas fibras monomodo nem toda a luz que se propaga na fibra é transportada no núcleo. Assim sendo, a dispersão na guia de onda depende da arquitectura da fibra óptica e do parâmetro V da fibra. Este parâmetro determina o número de modos que se podem propagar na fibra.


O alargamento do impulso que ocorre numa distribuição de comprimentos de onda σλ é obtido a partir da derivada do atraso de grupo em relação ao comprimento de onda1:

λλ σλσλτ

σ )(wgwg

wg DLdd

=≈

em que Dwg(λ) é a dispersão na guia de onda. Quando um impulso de luz é lançado numa fibra, é distribuído por muitos modos guiados. Estes modos guiados chegam ao final da fibra em diferentes instantes dependendo do seu atraso de grupo, provocando desta forma o alargamento dos impulsos. Como resultado da distorção do sinal provocada pela dispersão, um impulso de luz irá alargar à medida que percorre a fibra. Este alargamento irá fazer com que um impulso se sobreponha a impulsos adjacentes, fazendo com que com o aumento desta sobreposição os impulsos individuais já não possam ser distinguidos no receptor, ocorrendo assim erros. A capacidade de transporte de informação de uma fibra pode ser determinada examinando a deformação de pequenos impulsos de luz que se propagam ao longo da fibra, tal como é visível na figura seguinte:

Fig. 3 – Alargamento e atenuação de dois impulsos à medida que se propagam

na fibra óptica


2.3 - Optimização das características da fibra monomodo Conforme foi dito acima, a dispersão na guia de onda depende da arquitectura da fibra óptica e por conseguinte é possível fazer variar o seu valor através de diferentes configurações do núcleo e da bainha. Assim sendo, durante o fabrico da fibra, pode-se desde logo fazer uma optimização das suas características, dependendo do tipo de utilização pretendido, de forma a minimizar os efeitos da dispersão. Idealmente, para atingir a máxima distância de transmissão de uma ligação de alta capacidade, o nulo da dispersão deve ficar no mesmo comprimento de onda do mínimo da atenuação. De forma a conseguir isto, pode-se ajustar os parâmetros básicos da fibra de forma a deslocar o mínimo da dispersão para comprimentos de onda mais elevados.1 Uma vez que a dispersão material é difícil de modificar significativamente, o factor controlável é a dispersão na guia de onda através de diferentes configurações do índice de refracção do núcleo e da bainha. Desta forma, é possível criar vários tipos de fibra, como por exemplo a fibra optimizada para operação na janela de 1300nm, dispersion-shifted fiber, dispersion-flattened fiber, entre outras. As curvas características destas fibras estão ilustradas na figura seguinte:

Fig. 4 – Dispersão total de três tipos diferentes de fibras monomodo No entanto, estas diferentes configurações do índice de refracção do núcleo e da bainha, de forma a permitir a operação próximo do comprimento de onda de dispersão nula, introduzem novos efeitos indesejáveis devido aos baixos valores da dispersão, aos maiores débitos binários permitidos e ás maiores distâncias que necessitam de potências elevadas. Estes efeitos não lineares podem ter um peso significativo na qualidade da transmissão e são discutidos mais à frente.


2.4 - Birefringence Tal como foi feito antes de descrever o fenómeno da dispersão cromática em que se começou por caracterizar uma das suas principais causas, o atraso de grupo, também agora antes de tratar da polarization-mode dispersion convém introduzir o conceito da birefringence. Em qualquer fibra monomodo, existem dois modos de propagação independentes. Estes dois modos são muito semelhantes, mas os seus planos de polarização são ortogonais. Estes podem ser chamados arbitrariamente como a polarização horizontal (H) e vertical (V). Em geral, o campo eléctrico da luz que se propaga ao longo da fibra é uma sobreposição linear destes dois modos de polarização e depende da polarização da luz no ponto de lançamento na fibra. Numa fibra ideal, com uma simetria circular perfeita, os dois modos são degenerados com iguais constantes de propagação e qualquer estado de polarização injectado na fibra propaga-se inalterado. Numa fibra real, é preciso levar em consideração as imperfeições tais como núcleos não circulares, variações no perfil do índice de refracção, entre outras, que interferem na simetria circular da fibra ideal e removem a degeneração entre os dois modos.

Fig. 5 - Possíveis irregularidades na fibra

Neste caso a fibra adquire a chamada birefringence. O grau de birefringence é dado por B = ny - nx, onde ny e nx são os índices de refracção dos dois modos ortogonais da fibra. A birefringence leva a uma troca de potência periódica entre os dois componentes de polarização. O período, chamado período de batimento, é dado por LB= λ/B. Tipicamente os valores de birefringence são B∼10-7 e LB=10m para λ∼1µm. Do ponto de vista físico, luz linearmente polarizada permanece polarizada linearmente desde que esteja polarizada ao longo de um dos eixos principais. Caso contrário o seu estado de polarização varia ao longo do comprimento da fibra, de linear para elíptica e depois novamente para linear de forma periódica ao longo do comprimento LB. A figura seguinte mostra essa variação periódica no estado de polarização para uma fibra com uma birefringence constante B:


Fig. 6 – Estado de polarização numa fibra com birefringence ao longo de um periodo 2.5 - Polarization-Mode Dispersion Os efeitos da birefringence da fibra nos estados de polarização de um sinal óptico são outra fonte de alargamento dos impulsos. Estes efeitos são particularmente críticos para ligações de alto débito, a longa distância, destinadas a operar perto do comprimento de onda de dispersão zero da fibra (ex: 10Gb/s ao longo de muitos kms), dado que limitam a taxa de transmissão. Uma vez que todos os mecanismos que provocam birefringence existem de alguma forma em qualquer fibra instalada, existirá uma birefringence variável ao longo do comprimento da fibra. A polarização refere-se à orientação do campo eléctrico de um sinal de luz, que pode variar significativamente ao longo do comprimento da fibra. A energia de um sinal a um dado comprimento de onda ocupa dois modos de polarização ortogonais. Uma birefringence variável ao longo da fibra irá fazer com que cada modo de polarização se propague a uma velocidade ligeiramente diferente e a orientação da polarização irá rodar com a distância. A diferença nos tempos de propagação resultante ∆τ entre os dois modos de polarização ortogonais irá resultar num alargamento do impulso.


Fig. 7 – Variação do estado de polarização dos impulsos ópticos à medida que atravessam uma fibra com birefringence variável

Uma analogia que podemos fazer para compreender melhor este fenómeno é a seguinte: imagine-se dois corredores que começam uma corrida no mesmo instante sendo que um tem a pista livre à sua frente e o outro tem que atravessar um lago, arbustos ou outro obstáculo qualquer. Assumindo que ambos correm a uma velocidade semelhante, facilmente se compreende que o corredor que tiver que atravessar os obstáculos será atrasado em relação ao outro. É exactamente isto que acontece na fibra, devido ás irregularidades presentes na fibra um componente do impulso vai chegar depois do outro. Dois componentes do impulso

resultam na forma se os seus tempos de chegada foram iguais. Se um

dos componentes fôr atrasado, o resultado é um impulso alargado . A este fenómeno chama-se Polarization-Mode Dispersion (PMD). Os níveis de PMD aumentam linearmente com a velocidade da rede11 (a PMD é quatro vezes mais grave a 40Gbps do que a 10Gbps) e ainda aumentam proporcionalmente à raiz quadrada da distância. Uma característica importante da PMD é que, em contraste com a dispersão cromática que é um fenómeno relativamente estável ao longo da fibra, a PMD varia aleatoriamente ao longo da fibra. Uma razão fundamental para tal facto deve-se a que as perturbações/irregularidades que causam os efeitos de birefringence variam com a temperatura. Na prática isto surge como flutuações aleatórias, variáveis no tempo do valor da PMD à saída da fibra.


3 - Efeitos não lineares Os efeitos discutidos até aqui, como a dispersão cromática ou a PMD são efeitos lineares, ou seja, a sua influência em geral não depende da intensidade luminosa na fibra óptica. Se, no entanto, a intensidade luminosa aumentar, a interacção da luz com a fibra ganha uma componente não linear o que provoca diversos efeitos não lineares tais como:

o Four-wave Mixing (FWM)

o Self-Phase Modulation (SPM) o Cross-Phase Modulation (XPM)

o Stimulated Brillouin Scattering (SBS)

o Stimulated Raman Scattering (SRS)

De uma maneira geral, estes efeitos provocam novas componentes espectrais, crosstalk, aumentam as perdas na fibra, transferem energia entre canais, etc. Desta forma, reduzem a capacidade de transmissão do sistema, particularmente quando se usa WDM ou DWDM. 3.1 - Four-Wave Mixing (FWM) As transmissões WDM, nas quais os canais de comprimento de onda individuais são modulados a taxas de 10Gb/s, oferecem capacidades de N × 10Gb/s, em que N é o número de comprimentos de onda. Para transmitir capacidades tão elevadas ao longo de grandes distâncias é necessária a operação na janela de 1550nm das fibras dispersion-shifted. Nestes sistemas WDM, os requisitos simultâneos de potências de entrada elevadas e operação numa região próxima do comprimento de onda de dispersão nula dão origem à geração de novas frequências devido ao four-wave mixing. Quando os diversos canais estão localizados perto do ponto de dispersão zero, três frequências ópticas irão misturar-se de forma a produzirem um quarto produto da intermodulação. Quando esta nova frequência cai dentro da janela de transmissão das frequências originais, pode provocar um elevado crosstalk , isto é, o transbordo do sinal de um canal para outro canal. Na figura 8, podemos vêr duas ondas de frequências ν1 e ν2 que à medida que se propagam na fibra vão-se misturando e criam bandas laterais às frequências 2ν1 - ν2 e 2ν2 - ν1.


Fig. 8 – Dois sinais ópticos ás frequências ν1 e ν2 misturam-se gerando duas bandas laterais de terceira ordem

As novas frequências geradas propagam-se com os sinais originais e crescem à custa da redução da potência do sinal. Em geral, para N comprimentos de onda lançados numa fibra, o número M de produtos da intermodulação gerados é dado por1

)1(2

2

−= NNM .

A eficiência da FWM depende da dispersão do canal e do espaçamento entre os canais. Quanto maior o desfasamento das velocidades de grupo e maiores os espaçamentos entre os canais, mais baixa será a FWM, uma vez que dessa forma a igualdade de fase entre as ondas em interacção é destruída, pelo que as transferências de energia entre os sinais são menos eficientes. De notar que o efeito de FWM tem uma importância muito maior nas fibras com dispersão deslocada (G.653) do que nas fibras monomodo normais (G.652) devido aos valores da dispersão serem muito superiores na fibra G.652 na janela de 1550nm. Nesta últimas, apenas frequências com separações inferiores a 20GHz poderão misturar-se. Pelo contrário, nas fibras G.653 a eficiência do efeito FWM é superior a 20% para separações de canais até aos 50GHz. A figura seguinte ilustra a eficiência do FWM numa fibra com dispersão deslocada, logo com um valor de dispersão muito baixo, comparada com a eficiência do FWM numa fibra monomodo normal standard.

Fig. 9 – Eficiência do FWM em função do espaçamento entre os canais


3.2 - Self-Phase Modulation (SPM) Este efeito resulta de variações do índice de refracção da fibra em função da intensidade luminosa, e ocorre em sistemas com apenas um comprimento de onda. Uma vez que o índice de refracção é função da intensidade de luz, ele varia como resposta a uma intensidade variável e provoca variações de fase no sinal transmitido. A variação do índice de refracção actua em diferentes partes do impulso de luz provocando diferentes variações não lineares na fase, conduzindo ao chamado frequency chirping.3 Tal como a figura seguinte mostra, uma intensidade do sinal variável no tempo irá provocar um índice de refracção n igualmente variável no tempo. O índice no pico do impulso será ligeiramente diferente do seu valor nos extremos do impulso, sendo que a parte crescente irá ver uma variação dn/dt positiva e a parte decrescente verá uma variação dn/dt negativa. Esta variação temporal do índice irá causar uma variação temporal da fase dada por dφ/dt, e o resultado é que o valor instantâneo da frequência óptica difere do seu valor inicial ν0 ao longo do impulso. Esta frequency chirping caracteriza-se pelo facto da parte crescente do impulso passar a frequências mais elevadas e a parte decrescente do impulso passar a frequências mais baixas.

Fig. 10 – Descrição do alargamento espectral do impulso

devido à Self-Phase modulation Desta forma, o sinal fica mais susceptível à quantidade de dispersão, e ainda, uma vez que o grau de chirping depende da potência transmitida, os efeitos da SPM são mais pronunciados em impulsos de maior intensidade. Conclui-se portanto que os efeitos da SFM serão tanto piores quanto maior fôr a potência, maior a dispersão na fibra e maiores as distâncias envolvidas. No entanto, é possível retirar algumas vantagens da SPM pois pode ser calibrada de forma a combater os efeitos da GVD. Tal acontece na medida em que se a fibra operar na região de comprimentos de onda em que a dispersão cromática é positiva o impulso


será comprimido, pois a parte crescente viaja mais lentamente deslocando-se para o centro do impulso e o inverso acontece com a parte decrescente que viaja mais rapidamente e desloca-se assim para o centro do impulso. Desta forma o resultado é um impulso mais estreito que compensa os efeitos da dispersão cromática. 3.3 – Cross-phase modulation (XPM) Um mecanismo importante de crosstalk é o efeito não linear da cross-phase modulation, que é uma extensão da degradação provocada pela SPM para sistemas WDM, logo com vários canais. Tal como acontece com a SPM, também a XPM se deve à dependência da intensidade luminosa do índice de refracção, que é responsável por uma variação de fase dependente da intensidade. O efeito de XPM é duas vezes mais eficaz que a SPM para a mesma potência e ocorre sempre acompanhado da SPM.3 Acontece que a variação de fase num dado canal depende não só da potência nesse canal mas também da potência dos outros canais adjacentes. Desta forma, a XPM converte as flutuações de potência de um dado canal em flutuações na fase dos canais adjacentes.1,3 Entre outras coisas, a XPM é responsável pelo alargamento espectral assimétrico dos impulsos ópticos que se propagam simultaneamente na fibra. Enquanto por um lado as maiores potências, maior número de canais, menor espaçamento entre os canais e maior dispersão aumentam a distorção do sinal, por outro lado a maior dispersão também provoca uma menor interacção entre os impulsos e portanto reduz o efeito da XPM. Devido a estes efeitos contrários, é difícil prevêr o grau de distorção do impulso devido à XPM, a não ser usando modelos de computador extremamente complexos. Com o objectivo de minimizar o efeito da XFM, a potência óptica em cada canal deve estar limitada a um determinado valor máximo de forma a não ultrapassar uma dada phase shift. Num sistema com apenas 10 canais a potência por canal está limitada a valores inferiores a 1mW.3 Também a XPM pode ser usada em determinadas situações com vantagem, na medida em que, uma vez que o seu efeito é duas vezes mais significativo que o da SPM, é possível corrigir o efeito nocivo da SPM e GVD introduzindo alguma XPM de sinal oposto ao da SPM de forma controlada. Assim sendo, o efeito da XPM pode ser significativamente reduzido em sistemas WDM que operam em fibra monomodo standard (G.652), mas pode ter um peso considerável em sistemas WDM que operam a 10Gbit/s e acima em fibra com dispersão deslocada (G.653).


4 - ITU – T Recommendations Agora que já foram explicados os fenómenos de dispersão presentes numa fibra óptica, e antes de se descreverem os diversos métodos existentes para a sua quantificação, é conveniente ter uma ideia dos valores entre os quais a dispersão pode variar, isto é, saber quais são os valores típicos para esta grandeza, de acordo com o tipo de fibra, e quais os limites estabelecidos para a sua variação. Para tal serão descritas em seguida as recomendações da ITU-T no que respeita a estes parâmetros. 4.1 - Fibra G.652 A fibra G.652 é o tipo de fibra mais frequentemente usado para ligações externas de longa distância. Esta fibra monomodo é o tipo de fibra produzido em maior quantidade e com um menor custo. Quando fôr requisitado o uso de outro tipo de fibra que não a G.652 então as razões para que tal aconteça têm que ser claras e muito bem fundamentadas. Quando se considerar construir uma nova ligação que pode necessitar, imediatamente ou mais tarde, do uso de DWDM para aumentar a capacidade, então para distâncias inferiores a 100km a fibra G.652 monomodo pode perfeitamente ser usada. Dessa forma, de acordo com as recomendações estipuladas pela União Internacional de Telecomunicações (ITU-T), a fibra monomodo G.652 caracteriza-se por ter o comprimento de onda de dispersão zero na janela de 1310nm. Esta fibra está optimizada para operar na região de comprimento de onda de 1310nm, podendo também ser usada na janela de 1550nm, onde não está optimizada. No que diz respeito à atenuação, o seu valor mínimo é atingido na janela de 1550nm onde deverá ser inferior a 0.5dB/km. Na janela de 1310nm, o valor da atenuação deverá ser inferior a 1.0dB/km. Quanto aos parâmetros de transmissão relevantes para o relatório, como o coeficiente máximo de dispersão cromática, este deve ser especificado por dois factores: 1º - o espaçamento dentro do qual o comprimento de onda de dispersão zero deve estar é entre λ0min = 1300nm and λ0max = 1324nm 2º - o valor máximo do declive da curva de dispersão no ponto de dispersão nula deverá ser S0max= 0.093ps/(nm2 · km) Os valores limite para o coeficiente de dispersão cromática, para qualquer comprimento de onda λ compreendido entre os 1260-1360nm, serão calculados através das seguintes expressões :

D S max min

1 0

4 0

4 ( ) λ λ

λ

λ = −

3


D S max max

2 0

4 0 3 4

( ) λ λ λ

λ = −

A tabela seguinte mostra os valores do coeficiente de dispersão cromática máximo, para quaisquer valores de λ0min, λ0max e S0max :

Comprimento de onda (nm)

Coeficiente de dispersão cromática máximo

[ps/(nm · km)]

1288 – 1339 23.5

1271 – 1360 25.3.

1550 20 (approx.)

Nota:

1. O coeficiente de dispersão cromática é uma medida da dispersão cromática por unidade espectral de largura da fonte e por unidade de comprimento da fibra. É expressa por ps/(nm.km).

2. O comprimento de onda de dispersão nula é o comprimento de onda ao qual a

dispersão cromática desaparece.

3. O declive da curva tangente no ponto de dispersão nula, S0, é também chamado parâmetro de dispersão diferencial e é responsável pelos efeitos de dispersão de ordem superior. Esses efeitos de dispersão existem mesmo no comprimento de onda de dispersão nula, fazendo com que haja algum alargamento dos impulsos. Tal deve-se ao facto da dispersão não poder ser eliminada em todos os comprimentos de onda contidos no impulso centrados no comprimento de onda de dispersão nula.

No que diz respeito á Polarization-Mode Dispersion (PMD), a ITU-T não faz qualquer recomendação para esse parâmetro nas fibras G.652. 4.2 – Fibra G.653 Na fibra G.653, o nulo da dispersão cromática foi deslocado para a região de comprimento de onda de 1550nm, de forma a ficar ao mesmo comprimento de onda da atenuação mínima e assim permitir aumentar a capacidade de transmissão da fibra. Esta fibra está optimizada para operar na região de comprimentos de onda entre os 1550nm e os 1600nm, mas pode também ser usada no comprimento de onda de 1310nm, não estando nesse caso optimizada. Quanto à atenuação, esta deverá ser inferior a 0.35dB/km na região de 1550nm e inferior a 0.55dB/km na região de 1300nm.


No que diz respeito à dispersão cromática, a recomendação do ITU-T indica que esta pode ser definida por D(λ)=(λ-λ0)S0 em ps/(nm.km), onde λ é o comprimento de onda de interesse, λ0 é o comprimento de onda de dispersão zero em nm e S0 é o declive da recta tangente ao comprimento de onda de dispersão nula em ps/(nm2.km). Segundo esta recomendação, devem ser respeitados os seguintes limites: S0max ≤ 0.085 ps/(nm2.km) Dmax = 3.5ps/(nm.km) entre os 1525 e 1575nm O coeficiente da PMD é normalmente inferior a 0.5ps/ km , estando ainda em fase de estudo. O valor indicado corresponde a uma distância de transmissão limitada pela PMD de cerca de 400km para sistemas a funcionarem a STM-64. 4.3 – Fibra G.655 Com a introdução dos sistemas WDM e principalmente DWDM verificou-se que a fibra G.653 apresenta um factor não linear limitativo da capacidade de transmissão que é o Four-Wave Mixing, FWM. Este factor surge devido à operação numa zona próxima do comprimento de onda de dispersão nula. Desta forma foi necessário desenvolver uma fibra que ultrapassa-se esse problema e a fibra G.655 foi a resposta. Nesta fibra a dispersão cromática apresenta sempre um valor pequeno diferente de zero ao longo da gama de comprimentos de onda dentro da qual a fibra irá operar, na janela de 1550nm. Este valor não nulo da dispersão cromática limita o efeito da FWM, permitindo desta forma a transmissão de débitos muito elevados com técnicas de DWDM. A fibra G.655 está optimizada para operar na região de comprimentos de onda entre os 1530nm e 1565nm e as recomendações da ITU-T no que respeita aos parâmetros de interesse para o relatório são descritos em seguida. O coeficiente de dispersão cromática, D, está especificado dentro de uma gama de comprimentos de onda pela estipulação de valores limite para o mesmo, sendo que o coeficiente de dispersão nunca pode ser zero dentro dessa gama especificada. Os valores limite do coeficiente de dispersão cromática são: 0.1 ps/nm.km ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 10.0 ps/nm.km 1530 nm ≤ λmin ≤ λmax ≤ 1565 nm Dmax ≤ Dmin + 5.0 ps/nm.km No caso da operação a 10Gb/s em ligações de pelo menos 400 km com espaçamento mínimo entre os canais de 100 GHz, os valores limite da dispersão são: 1.0 ps/nm.km ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 10.0 ps/nm.km


Quanto ao valor do coeficiente de atenuação máximo permitido na janela de 1550nm, este deve ser inferior a 0.32 dB/km. No que respeita ao valor da PMD, a especificação estatística para o limite superior desta grandeza é 0.5ps/ km , sendo que pode variar dependendo do fabricante e da instalação.


5 - Aplicação à fibra G.652 Neste capitulo irá ser discutida a aplicação dos fenómenos mencionados acima tal como a dispersão, FWM, SPM e XPM especificamente na fibra G.652, isto é, o comportamento da fibra relativamente a estes factores. Começando pela influência da dispersão D no débito binário B (Bit rate), sabemos que a largura do impulso à saída da fibra é dada por σ=(σ0

2+σD2)1/2, em que σ0 é a largura

RMS do impulso Gaussiano na entrada da fibra e σD=|D|Lσλ é uma medida do alargamento do impulso provocado pela dispersão. É possível relacionar σ com o débito binário B usando o critério segundo o qual o impulso alargado deve permanecer dentro do intervalo de tempo de bit, TB=1/B, de forma que σ ≤ TB/4 (para impulsos Gaussianos pelo menos 95% da energia do impulso permanece dentro do intervalo de bit). Assim sendo, o débito binário limite é dado por 4Bσ ≤ 1. No limite, σD>>σ0 pelo que σ≈σD=|D|Lσλ e a condição passa a

41

≤λσDBL

A partir desta expressão é possível fazer estimativas para o produto BL, dado

porλσD

BL4

1≤ , e também podemos achar a distância máxima sem repetidores para

um dado débito binário B usando a expressão λσDB

L4

1≤ . Em seguida serão dados

alguns exemplos concretos: 1º) Sabendo que a fibra G.652 na janela de 1310nm apresenta uma dispersão média de D≅1ps/(nm.km) e usando como fonte óptica um laser semicondutor com uma largura espectral σλ de 1nm, então para um débito binário B=2.5Gbit/s a distância máxima sem repetidores é de L≈100km. 2º) Aumentado agora o débito para os 10Gbit/s e considerando os mesmos valores da alínea anterior para D e σλ então neste caso L≈25km. Como comparação, se usarmos um laser semicondutor com um valor de σλ mais baixo, na ordem dos 0.2nm, então agora a distância aumenta para L≈125km com o mesmo débito de 10Gbit/s. Desta forma é possível verificar a forte influência das características da fonte no alargamento do impulso e por conseguinte na capacidade de transporte de dados da fibra. 3º) Consideremos agora a operação na janela de 1550nm. Neste caso o valor médio da dispersão é D≅16ps/(nm.km) e para tornar viável a operação nesta janela é necessário usarem-se lasers com uma largura espectral muito estreita de forma a aumentar o comprimento possível sem regeneradores. Considere-se por isso σλ= 0.15nm, para um débito B=2.5Gbit/s então L≈42 km e no caso de B=10Gbit/s então L≈10km. Verifica-se portanto que se operar na janela de 1550nm, uma ligação usando a fibra G.652


necessita de usar um mecanismo de compensação da dispersão de forma a tornar-se mais eficiente para distâncias elevadas.

Fig. 11 – Relação entre o bit rate e o comprimento da fibra Conforme se pode concluir dos exemplos acima, a fibra G.652 operando na janela de 1310nm apresenta as maiores distâncias de transmissão possíveis para débitos elevados devido à dispersão mínima nesse comprimento de onda. Passando a operar na janela de 1550nm as distâncias máximas permitidas sem regenerador diminuem bastante dada a elevada dispersão destas fibras nessa zona. Claro que estas distâncias podem ser aumentadas significativamente usando por exemplo lasers semicondutores operando num único modo longitudinal com uma largura espectral muito baixa. Quanto aos efeitos da FWM na fibra G.652, se considerarmos a operação na região de 1310 nm então, se for apenas usado um único comprimento de onda, não haverá preocupações quanto ao FWM pois este efeito só se manifesta em sistemas com vários comprimentos de onda. Acontece que, quando se opera com sistemas WDM, de vários comprimentos de onda, a região de funcionamento não é nos 1310nm mas sim nos 1550nm, dado que é nessa zona que a atenuação é menor e existem os amplificadores EDFA´s. Nesta janela a elevada dispersão da fibra G.652 faz com que os efeitos da FWM sejam muito reduzidos e portanto não sejam um factor limitativo da qualidade da transmissão. No que diz respeito à SPM, ela verifica-se apenas em sistemas que operam com um único comprimento de onda e o seu efeito é tanto pior quanto maior a dispersão e a potência. Ora se operarmos na janela de 1550nm da fibra G.652 com um único comprimento de onda então o valor da SPM pode ser significativo e limitar a performance do sistema devendo ser levado em consideração, mas como normalmente quando se opera nesta janela usam-se sistemas WDM, o efeito da SPM neste caso é desprezado. No que respeita à XPM, também não é um factor limitativo, uma vez que a fibra G.652 operando na zona de 1550nm apresenta uma elevada dispersão que reduz o efeito de XPM.


6 - Teste e medição da dispersão A concepção e instalação de um sistema de comunicações por fibra óptica requer técnicas de medida para verificar as características operacionais dos elementos que o constituem. De particular interesse são as medições correctas e rigorosas da fibra óptica uma vez que este componente não pode ser facilmente substituído depois de estar instalado. Durante a fase de concepção, os parâmetros de interessa para as fibras monomodo são o cutoff wavelenght, o mode-field diameter, a atenuação e a dispersão. Ao contrário das outras características, a atenuação e a dispersão da fibra podem sofrer variações durante a cablagem e instalação do cabo. Nas fibras monomodo, a dispersão cromática e polarization-mode dispersion são factores importantes que limitam o produto largura de banda – distância. Os efeitos da dispersão cromática assumem uma importância maior em ligações WDM de alta velocidade, e a polarization-mode dispersion pode em último caso limitar o máximo débito binário possível numa ligação monomodo. De forma a proceder à medição da dispersão cromática na fibra existem dois métodos mais frequentemente usados. O primeiro deles consiste em medir a variação nos tempos de chegada dos diferentes impulsos que foram enviados simultaneamente, com vários comprimentos de onda distintos através da fibra (pulse delay method). O segundo consiste em usar uma fonte de comprimentos de onda modulada e em medir as mudanças nas fases de modulação de acordo com o comprimento de onda (phase-shift method e differential phase-shift method). Na maioria dos métodos o instrumento começa por medir o atraso do impulso (em ps) em função do comprimento de onda. Uma vez que a dispersão cromática é a taxa de variação deste atraso, para obter o valor da dispersão cromática a curva do atraso tem que ser diferenciada. No entanto, dado que apenas podemos medir um limitado número de pontos e como não é possível diferenciar uma curva exacta apenas a partir de alguns pontos, uma curva aproximada é extrapolada a partir dos pontos e depois é diferenciada. Como é óbvio, quanto maior o número de pontos adquiridos melhor será esta aproximação e os resultados obtidos serão mais precisos.


Fig. 12 - Passos a seguir no cálculo da dispersão cromática Em seguida, será feita inicialmente uma descrição teórica do funcionamento de dois métodos de medição da dispersão, um para a dispersão cromática e outro para a polarization-mode dispersion. Depois serão analisadas detalhadamente as recomendações do ITU-U para proceder à medição da dispersão. 6.1 - Phase-shift method Um método para medir a dispersão cromática, que é o mecanismo de dispersão fundamental nas fibras monomodo, é o modulation phase-shift method. A técnica consiste no seguinte: um gerador de um sinal eléctrico modula a saída de uma fonte óptica ajustável de banda estreita recorrendo a um modulador externo. Após ser detectado o sinal transmitido com um fotodetector, um comparador de fases é usado para medir a fase da modulação do sinal recebido comparando-a com a fase da modulação da fonte eléctrica. Esta medida da fase é realizada em intervalos de comprimento de onda ∆λ ao longo da banda espectral de interesse. Através da medida em quaisquer dois comprimentos de onda adjacentes é possível calcular a variação no

atraso de grupo entre eles através da expressão: 62/2/ 10360

×−

= ∆−∆+

mfλλλλ

λ∆φφτ em que λ

é o comprimento de onda no centro do intervalo, fm é a frequência de modulação em MHz e φ é a fase da modulação medida em graus. A dispersão será depois medida com base na informação recolhida sobre o atraso do impulso.

Fig. 13 – Configuração dos equipamentos de medição da dispersão cromática


6.2 - Medida da Polarization-Mode Dispersion (PMD) A energia do sinal a uma dado comprimento de onda ocupa dois modos de polarização ortogonais. Uma vez que nenhuma fibra é perfeitamente circular e simétrica no que respeita ao material, tal provoca uma birefringence variável ao longo do seu comprimento. Desta forma, cada modo de polarização irá viajar a uma velocidade de grupo ligeiramente diferente e a orientação da polarização irá rodar com a distância. A diferença resultante nos tempos de propagação (∆ polτ ) entre os dois modos de polarização ortogonais a uma certo comprimento de onda irá resultar no alargamento do impulso. Uma vez que a PMD varia aleatoriamente ao longo da fibra, é necessário fazer estimativas estatísticas para levar em linha de conta o seu efeito. Devido ao carácter aleatório da PMD, as suas características são semelhantes tanto na fibra G.652 (fibra optimizada para os 1300nm) como na fibra G.653 (fibra com dispersão deslocada). A PMD não pode ser medida a um dado comprimento de onda, uma vez que não é dependente do comprimento de onda. A PMD é a média do differential group delay, e este sim, é função do comprimento de onda. Assim sendo, uma forma prática de caracterizar a PMD é em termos do valor médio do differential group delay (∆ polτ ) num certo intervalo de tempo.

Fig. 14 – O differential group delay (DGD) é dependente do comprimento de onda, mas a PMD, o valor médio do DGD, não é. Um dos métodos possíveis para medir a PMD é o fixed analyzer method. Nesta técnica o atraso médio diferencial é avaliado estatisticamente a partir do número de picos e vales que aparecem na potência óptica à medida que esta é transmitida através de um polarizador e analisada em função do comprimento de onda. As unidades da PMD são ps/ km

Fig. 15 - Configuração dos equipamentos para medir a PMD usando um analisador de espectro óptico.


6.3 - ITU – T Recommendation G.650 ( Definition & Test Methods ) De particular interesse para os sistemas de fibras ópticas estão os procedimentos de teste e recomendações da International Telecommunication Union (ITU – T). Segundo a recomendação G.650 da ITU–T os procedimentos de teste para a dispersão cromática na fibra monomodo G.652 são os descritos em seguida: 6.3.1 - Phase-shift technique O método de teste de referência é a phase-shift technique. Aqui o coeficiente de dispersão cromática da fibra é calculado a partir da medida do atraso de grupo relativo sofrido pelos diversos comprimentos de onda durante a propagação através de um comprimento de fibra pré-determinado. O atraso de grupo é medido no domínio das frequências através da detecção, memorização e processamento da diferença de fase de um sinal sinusoidal modulador. A dispersão cromática pode ser medida num dado comprimento de onda fixo ou numa gama de comprimentos de onda. Configuração dos equipamentos de teste:

Fig. 16 – Configuração dos equipamentos de teste Descrição dos componentes utilizados: - Fonte óptica – A fonte óptica utilizada deve ser estável na posição, intensidade e

comprimento de onda durante um período de tempo suficientemente longo para completar o procedimento de medição. Os vários tipos de fontes utilizadas poderão ser laser díodes, wavelength tuneable laser díodes, LED´s ou fontes de banda larga dependendo da gama de comprimentos de onda da medição.

- Selector de comprimentos de onda – Este dispositivo é usado para seleccionar e

monitorar o comprimento de onda ao qual o atraso de grupo será medido. Como selectores, poderão ser usados switch ópticos, dispositivos dispersivos, filtros


ópticos, acopladores ópticos, e conectores dependendo do tipo de fonte óptica e da configuração de medição. A selecção pode ser executada pela variação dos sinais eléctricos de controlo das fontes ópticas de diferentes comprimentos de onda.

- Detector - A luz que emerge da fibra em teste é acoplada a um fotodetector cuja

relação sinal-ruído e resolução temporal são adequadas para a medição. Se necessário, o detector poderá ser seguido por um amplificador de baixo ruído.

- Canal de referência – O canal de referência pode consistir numa linha de sinal

eléctrico ou numa linha de sinal óptico. Um gerador de atraso temporal adequado pode ser colocado neste canal.

- Detector de atraso – Este detector tem como função medir a diferença de fase entre o

sinal de referência e o sinal da fibra em teste. - Processador de sinal – O processador do sinal poderá ser adicionado para reduzir o

ruído e/ou a interferência na forma de onda medida. Se fôr necessário pode ser usado um computador para fins de controlo do equipamento, aquisição de informação e avaliação numérica da informação recolhida.

O procedimento de medição a respeitar será descrito em seguida. A fibra em teste é convenientemente acoplada à fonte óptica e ao detector através do selector de comprimentos de onda ou do divisor óptico. Se tal fôr necessário, o atraso cromático da fonte poderá ser calibrado. Deve ser escolhida uma solução de compromisso entre a resolução do comprimento de onda e o nível de sinal, sendo que a temperatura da fibra deve ser suficientemente estável durante o procedimento de medição. A diferença de fase entre o sinal de referência e o sinal da fibra em teste, no comprimento de onda de operação, deve ser medido pelo detector de atraso. De forma a obter o coeficiente de dispersão ao comprimento de onda de operação, deve ser feito um processamento da informação apropriado ao tipo de modulação usada. Quando necessário, deverá fazer-se uma análise espectral do atraso de grupo em função do comprimento de onda e, a partir dos valores obtidos, é possível extrapolar uma curva que represente a relação. O atraso de grupo temporal será determinado a partir da diferença de fase respectiva

ϕ pela relação fπ

t ϕ2

= , sendo f a frequência de modulação.

O atraso de grupo medido por unidade de comprimento de fibra, em função do comprimento de onda será depois extrapolado pela expressão de Sellmeier de três termos:

2200

0 )(8

)(λλλτλτ −+=

S

onde τ0 é o atraso mínimo relativo ao comprimento de onda de dispersão zero τ0. O coeficiente de dispersão cromática D(λ)=dτ/dλ pode ser obtido a partir da expressão de Sellmeier diferencial:


)(4

)( 3

400

λλλλ −=

SD

onde S0 é o declive da recta tangente no ponto de dispersão zero. Os dados a apresentar como resultado das medições são os seguintes:

a) Descrição da configuração dos equipamentos de teste

b) Tipo de modulação usada

c) Características da fonte

d) Identificação da fibra e comprimento

e) Características do selector de comprimentos de onda

f) Tipo de fotodetector

g) Características do detector de atraso

h) Valores do comprimento de onda de dispersão nula e do declive da recta tangente no ponto de dispersão nula

i) Procedimentos de ajuste da informação do atraso relativo com a

correspondente gama de comprimentos de onda de ajuste usados.

j) Temperatura da amostra e das condições ambientais (se necessário) Uma grande desvantagem deste método acontece quando o comprimento de onda escolhido é muito distante da referência, sendo que a diferença de fase pode ser elevada e criar ambiguidades na diferença de fase de 360*n graus (sendo n um inteiro). O sistema deve assim seguir as diferenças de fase de 360º escolhendo degraus de comprimento de onda que sejam suficientemente pequenos para obter alta dispersão quando necessário. 6.3.2 - Interferometric technique Este é um dos dois métodos de teste da dispersão alternativos descrito pela ITU-T. Neste método de teste, a dispersão cromática é medida usando um pequeno troço de fibra, de alguns metros, de forma a poder medir a homogeneidade longitudinal da dispersão cromática na fibra óptica. Além disso, é possível testar o efeito de influências gerais ou locais, tais como variações de temperatura ou perdas por macro-curvatura da fibra na dispersão cromática. De acordo com a interferometric technique, o atraso dependente do comprimento de onda, entre a amostra em teste e o caminho de referência é medido por um Mach-Zehnder interferometer. Este caminho de referência pode ser um caminho via ar ou uma fibra óptica monomodo com um atraso de grupo espectral conhecido. De notar


que a extrapolação dos valores da dispersão cromática a partir do interferometric test em fibras de alguns metros de comprimento para fibras de comprimentos mais longos assume uma homogeneidade longitudinal da fibra. Este pressuposto nem sempre pode ser aplicável. Configuração do equipamento de teste:

Fig. 17 – Diagrama esquemático do equipamento de medição usando uma fibra de referência

Fig. 18 – Diagrama esquemático do equipamento de medição usando um caminho de referência via ar


Descrição dos componentes utilizados: - Fonte óptica – A fonte deve ser estável na posição, intensidade e comprimento de

onda por um período de tempo suficiente para completar o procedimento de medição. A fonte deve ser apropriada, sendo que para a aplicação das técnicas de amplificação lock-in uma fonte de luz com modulação de baixa frequência (50 a 500 Hz) é suficiente.

- Selector de comprimentos de onda – É usado um selector de comprimentos de onda

para escolher o comprimento de onda ao qual o atraso de grupo é medido. Este aparelho pode ser um monochromator, optical interference filter ou outro dependendo do tipo de fontes ópticas e sistemas de medida. O selector de comprimentos de onda pode ser usado na entrada ou na saída da fibra em teste. A largura espectral das fontes ópticas é limitada pela exactidão da medição da dispersão e está normalmente entre 2 e 10 nm.

- Detector óptico – O detector óptico deve ter uma sensibilidade suficiente na gama de

comprimentos de onda na qual a dispersão cromática será medida. Se necessário o sinal recebido pode ser aumentado recorrendo a um circuito de trans-impedância.

- Equipamento de teste – Para gravar os padrões de interferência, um amplificador

lock-in poderá ser usado. O balanceamento dos comprimentos ópticos dos dois caminhos do interferometer é efectuado com um dispositivo de posicionamento linear no caminho de referência. No que diz respeito ao dispositivo de posicionamento, deve ser prestada atenção à exactidão, uniformização e estabilidade do movimento linear. A variação do comprimento deve cobrir a distância entre 20 a 100 mm com uma exactidão de cerca de 2 µm.

- Amostra – A amostra para o teste pode ser fibra monomodo cablada e não cablada.

O comprimento da amostra deve estar entre 1m e 10 m. A exactidão do comprimento deve ser de ± 1mm. A preparação das superfícies extremas da fibra deve ser realizada com cuidado.

- Processamento da informação – Para a análise dos padrões de interferência deve ser

usado um computador com software apropriado. O procedimento de medição a respeitar é o seguinte:

1. A fibra a testar é colocada segundo a configuração do equipamento de medição descrita nas figuras acima. O posicionamento das superfícies extremas é efectuado com recurso a três dispositivos de micro-posicionamento de 3 dimensões para optimizar a potência óptica recebida no detector. Não é possível existirem erros provocados pelos modos que se propagam na bainha.

2. A determinação do atraso de grupo é efectuada pelo balanceamento dos

comprimentos ópticos dos dois caminhos do interferometer com um dispositivo de posicionamento linear no caminho de referência para diferentes comprimentos de onda. A diferença entre a posição xi do máximo do padrão de interferência para o comprimento de onda λi e a posição x0 determina a


diferença no atraso de grupo ∆ tg(λi) entre o caminho de referência e o caminho de teste através da expressão:

∆ tg(λi) = 0

i0

c) x-(x

em que c0 é a velocidade da luz no vácuo. O atraso de grupo da amostra em teste é calculado pela adição de ∆ tg(λi) e o atraso de grupo espectral do caminho de referência. Ao dividir esta soma pelo comprimento da fibra em teste resulta no atraso de grupo medido por unidade de comprimento τ(λ) da fibra em teste.

A partir dos valores individuais do atraso de grupo da fibra em teste é possível traçar uma curva de interpolação. O atraso de grupo medido por unidade de comprimento da fibra em função do comprimento de onda será depois extrapolado pela expressão de

três termos de Sellmeier. O coeficiente de dispersão cromática D(λ)=λτdd , pode ser

determinado a partir da expressão de Sellmeier diferenciada. Os dados a apresentar como resultado das medições são os seguintes:

a) Configuração do equipamento de teste b) Características da fonte

c) Identificação e comprimento da fibra

d) Características do selector de comprimentos de onda

e) Tipo de fotodetector

f) Valor do comprimento de onda de dispersão nula e do declive a recta tangente

no ponto de dispersão nula

g) Procedimentos de ajuste da informação do atraso relativo com a respectiva gama de comprimentos e onda de ajuste.

6.3.3 - Pulse Delay Technique Neste segundo método de teste alternativo, o coeficiente de dispersão cromática da fibra é obtido a partir da medida do atraso de grupo relativo sofrido pelos diversos comprimentos de onda durante a propagação por um comprimento de fibra conhecido. O atraso de grupo é medido no domínio dos tempos, pela detecção, gravação e processamento do atraso sofrido pelos impulsos com vários comprimentos de onda. A dispersão cromática pode ser medida a um comprimento de onda fixo ou numa gama de comprimentos de onda.


Configuração do equipamento de teste:

Fig. 19 – Configuração dos equipamentos de teste Descrição dos componentes utilizados: - Fonte óptica – A fonte óptica deve ser estável na posição, intensidade e

comprimento de onda durante um período de tempo suficientemente longo para completar o procedimento de medida. Podem ser usados laser díodes, wavelength tunable laser díodes, broadband sources, dependendo da gama de comprimentos de onda da medição.

- Selector de comprimentos de onda – O selector de comprimentos de onda e

monitoração é usado para seleccionar e monitorar o comprimento de onda ao qual o atraso de grupo será medido. Como selector de comprimentos de onda poderá ser usado um optical switch, um monochromator, dispersive devices, optical filters, dependendo do tipo de fonte de luz e configuração dos aparelhos de medição.

- Detector – A luz que emerge da fibra em teste, a fibra de referência ou do divisor

óptico é acoplada a um foto detector cuja relação sinal-ruído e resolução temporal são adequados para a medição. O detector é seguido de um low noise amplifier caso tal seja necessário.

- Canal de referência – O canal de referência pode consistir numa linha de sinal

eléctrico ou linha de sinal óptico. Um gerador de atraso adequado poderá ser colocado neste canal. Em certos casos, a fibra em teste poderá ser usada como canal de referência.

- Detector de atraso – Este detector irá medir o tempo de atraso entre o sinal de

referência e o sinal do canal. - Processador de sinal – A função do processador de sinal é reduzir o ruído e/ou a

interferência na forma de onda medida.


O procedimento de medição a executar é o seguinte:

1. A fibra em teste é adequadamente acoplada à fonte e ao detector através do selector de comprimento de onda ou divisor óptico. Se tal fôr necessário, poderá calibrar-se o atraso cromático da fonte. É necessário chegar-se a uma solução de compromisso entre a resolução no comprimento de onda e o nível de sinal. A não ser que a fibra em teste seja também usada como a linha do canal de referência, a temperatura da fibra deve ser suficientemente estável durante a medição.

2. O atraso temporal entre o sinal de referência e o sinal do canal no comprimento

de onda de operação será medido pelo detector de atraso. De forma a obter o coeficiente de dispersão cromática no comprimento de onda de operação é necessário usar-se processamento da informação apropriado ao tipo de modulação. Quando necessário, uma análise espectral do atraso de grupo em função do comprimento de onda poderá ser efectuada, e a partir dos valores medidos, uma curva de extrapolação pode ser obtida.

O atraso de grupo medido por unidade de comprimento da fibra em função do comprimento de onda será depois extrapolado pela expressão de três termos de

Sellmeier. O coeficiente de dispersão cromática D(λ)=λτdd , pode ser determinado a

partir da expressão de Sellmeier diferenciada. Os dados a apresentar como resultado das medições são os seguintes:

a) Descrição da configuração dos equipamentos de teste

b) Tipo de modulação usada

c) Características da fonte

d) Identificação da fibra e comprimento

e) Características do selector de comprimentos de onda

f) Tipo de fotodetector

g) Características do detector de atraso

h) Valores do comprimento de onda de dispersão nula e do declive da recta tangente no ponto de dispersão nula

i) Procedimentos de ajuste da informação do atraso relativo com a gama de

comprimentos de onda de ajuste usados.

j) Temperatura da amostra e das condições ambientais (se necessário)


Nota: Um dos dispositivos usados para medir a dispersão cromática pelo método Pulse Delay é o OTDR. A sua vantagem óbvia é a possibilidade de efectuar o teste apenas num extremo da fibra, assim como a simplicidade e baixo custo do método. Por outro lado, existem vários motivos para não utilizar o OTDR. Uma das desvantagens principais deste tipo de teste é a introdução de erros no posicionamento do tempo de chegada dos impulsos no gráfico, em especial quando os impulsos alargam devido ao efeito da dispersão cromática. Outro problema é o facto do OTDR não apresentar grande precisão do comprimento de onda, ou seja, tanto a precisão do atraso como do comprimento de onda é afectada. Além disto, os OTDRs dão um máximo de quatro pontos no gráfico do atraso, e este número limitado de pontos também interfere na precisão. 6.3.4 - Conclusão De forma a compensar os efeitos da dispersão cromática, para maximizar as capacidades de largura de banda de uma sistema, é necessário efectuarem-se testes adequados, uma vez que o custo das técnicas de compensação é bastante elevado. É por isso fundamental garantir testes rigorosos de dispersão cromática de forma a evitar fazer decisões dispendiosas baseadas em resultados de testes que não são absolutamente precisos. Assim sendo é muito importante saber os limites de cada método para fazer uma escolha correcta do método de teste mais apropriado.


7 - Simulação De forma a poder visualizar na prática o efeito da dispersão na fibra óptica, será usado em seguida um software de simulação chamado Photonic Transmission Design Suite (PTDS) produzido pela Virtual Photonics. Com base nesta ferramenta, será obtida a Bit Error Rate (BER), ao comprimento de onda de operação de 1550nm, para dois tipos de fibra diferentes, com o mesmo comprimento: a fibra monomodo G.652 com uma dispersão de 17.5 ps/(nm.km) e a fibra dispersion-shifted G.653 com uma dispersão de 1.8 ps/(nm.km). O débito binário é de 10Gbps.

Fig. 20 – Taxa de erros (BER) em função do comprimento da fibra para dois tipos de fibra Conforme era previsto com base na teoria apresentada acima, uma vez que a dispersão da fibra G.652 é bem maior que a da fibra G.653 na janela de 1550nm, a BER da primeira é superior à da segunda para o mesmo comprimento da fibra. Tal acontece pois devido à dispersão o receptor já não discrimina se o bit recebido é um 1 ou um 0. No entanto, a partir de determinados valores do comprimento da fibra, a vantagem oferecida pela fibra G.653 vai-se esbatendo até desaparecer completamente pois converge para a BER da fibra G.652. Este facto é compreensível uma vez que a partir de certas distâncias, a dispersão introduzida é de tal forma elevada que o tipo de fibra usado é pouco relevante.


Aumentando agora o débito binário de 10Gbit/s para 20Gbit/s verifica-se, tal como era de esperar, um aumento significativo da BER para o mesmo comprimento de fibra. Desta forma é possível comprovar a relação existente entre o débito binário e a dispersão, ou seja, aumentando o débito o espaçamento entre os impulsos vai diminuir fazendo com que o alargamento dos impulsos ao longo da fibra seja mais prejudicial dada a sua proximidade. Devido a isso, a detecção dos diferentes impulsos 1 ou 0 é mais complicada e aumenta a BER. Nesta exemplo é mais uma vez visível a vantagem da fibra G.653 em relação à fibra G.652 na janela de operação de 1550nm.

Fig. 21 – Taxa de erros (BER) em função do comprimento da fibra para dois tipos de fibra


8 - Conclusão Terminado este primeiro relatório, podemos tirar várias conclusões tendo em vista o tema proposto, isto é, as características da fibra G.652 com impacto na transmissão de altos débitos:

Com o aumento da taxa de dados, ou débito binário, e simultaneamente o aumento das distâncias envolvidas, a degradação da qualidade do sinal é cada vez maior.

Um dos principais responsáveis por esta degradação é a dispersão, que provoca

principalmente o alargamento dos impulsos à medida que viajam na fibra, causando eventualmente sobreposições entre os impulsos adjacentes, desta forma aumentando o BER.

A dispersão pode ser provocada por dois factores diferentes: dispersão

cromática e polarization-mode dispersion. A dispersão cromática resulta da variação da velocidade de propagação dos componentes de comprimento de onda individuais de um sinal óptico. A polarization-mode dispersion surge devido à divisão de um sinal polarizado em dois modos de polarização ortogonais, sendo que cada um deles tem uma velocidade de propagação diferente. O primeiro factor de dispersão tem normalmente valores bem superiores ao segundo, ou seja, tem um impacto maior no desempenho do sistema.

De forma a minimizar os efeitos nefastos da dispersão, existem várias

alternativas no que respeita à configuração do núcleo e da bainha, dando origem a diferentes tipos de fibra cujo objectivo à deslocar o comprimento de onda de dispersão nula para a janela de atenuação mínima e operar nessa zona.

Contudo a operação perto da região de dispersão nula, as elevadas potências

envolvidas e o maior número de comprimentos de onda transmitidos provocam efeitos não lineares indesejáveis tais como o Four-Wave Mixing, a Self-Phase Modulation e a Cross-Phase Modulation que introduzem distorção nos sinais transmitidos degradando desta forma a sua qualidade;

De forma a poder escolher um esquema de compensação da dispersão que seja

o mais eficiente possível para a situação em análise é necessário fazerem-se medições rigorosas dos valores da dispersão. Essas medições podem ser feitas por várias técnicas diferentes tais como o phase-shift method ou o pulse-delay method;

Agora que estão caracterizados os fenómenos que afectam a qualidade da transmissão a altos débitos e as técnicas existentes para os quantificar, interessa saber de que forma é possível minimizar os seus efeitos. Tal será descrito no relatório seguinte, no qual o objectivo será identificar métodos e equipamentos existentes no mercado que permitam compensar a dispersão de forma a permitir transmissões a longa distância e a débitos elevados.



9 - Bibliografia

1. Keiser, Gerd, “Optical Fiber Communications”, Third Edition, McGraw-Hill

2. Agrawal, Goving P., “Nonlinear Fiber Optics”, Third Edition, Academic Press

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6. ITU-T Recommendation G.652 (1993): “Transmission Media Characteristics – Characteristics of a single-mode optical fiber”


Optical fiber cables – Characteristics of a dispersion-shifted single-mode optical fiber cable”


Optical fiber cables – Characteristics of a non-zero dispersion-shifted single-mode optical fiber cable”

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16. Site da NetTest : www.nettest.com

http://www.exfo.com/

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notas do livro “optical fiber communications”paginas.fe.up.pt/~ee98043/relatorio1.pdf · 1 -...

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