6. Mai 2002

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Bartolomeu F. Uchôa-Filho

Sistemas de Transmissãocom Fibras Ópticas

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Sistema de Comunicação Óptica

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História e Evolução da Fibra Óptica

• A fibra óptica foi inventada por Kao e Hockham, em 1966, quando a atenuação na fibra era de 1000 dB/Km.

• Em 1970, Kapron, Keck e Maurer, da Corning Glass Works, conseguiram 20dB/Km de perdas na fibra.

• Hoje, a atenuação é de apenas 0,1dB/Km, para =1550 nm.

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Algumas Vantagens da Fibra Óptica

• Algumas vantagens são:

1. Largura de faixa praticamente infinita (~20 THz);

2. Baixíssima atenuação ( Menor número de repetidores regenerativos);

3. Imunidade eletromagnética;

4. Pequeno peso e pequena espessura;

5. Segurança;

6. Não necessita de um “terra”;

7. Não precisa de licença do governo (inclusive com relação à utilização do espectro);

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A Faixa Espectral

f

100cm

1mm 10m

300MHz

1m

300GHz

1THz 1PHz

microondas infravermelho visívelluz

ondas de rádio faixa óptica

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A Fibra

Núcleo

Casca Capa opaca

Índice de refração = n1

n2 < n1 n = c/v =

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Revisão de Óptica

• O índice de refração do meio é definido como:

meiov

cn

onde c = 300.000 Km/s é a velocidade da luz no vácuo e vmeio é a velocidade da luz no meio.

IMPORTANTE: A velocidade da luz no vácuo é sempre c, para qualquer comprimento de onda (); a velocidade da luz em um meio qualquer (diferente do vácuo) depende de .

n depende de

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Lei de Snell

1

212 nn

1n(meio 2)

(meio 1)

2

1

2

1

1

2

sen

sen

v

v

n

n

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Ângulo Crítico

c

02 90

12 nn

1n(meio 2)

(meio 1)

1

21senn

nc

• Quando , é chamado de ângulo crítico.02 90 1

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Reflexão Total

1

02 90180

12 nn

1n(meio 2)

(meio 1)

1

• Quando , há a reflexão total.02 90

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Sucessivas Reflexões na Fibra Óptica

a

0

22

211senn

nna

• Dentro da fibra, acontecem sucessivas reflexões.

(Ângulo de Aceitação)

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A Abertura Numérica de uma Fibra

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210 )sen( nnnAN a

• Um parâmetro importante, relacionado com a capacidade de captação da fibra, é a abertura numérica.

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A Freqüência Normalizada de uma Fibra

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21

2nn

aV

• Outro parâmetro importante, e mais utilizado, é a freqüência normalizada ou número V:

onde a é o raio do núcleo.

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As Deficiências da Fibra

• As três deficiências básicas da fibra óptica, que limitam o comprimento máximo de um enlace óptico, são:

1. Perda ou atenuação intrínseca;

2. Dispersão cromática;

3. Dispersão modal.

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As Perdas Intrínsecas

• As perdas intrínsecas são perdas devidas a absorção e difusão de luz no meio.

As 3 janelas ópticas

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A Dispersão Cromática

• A dispersão cromática ocorre quando a faixa espectral da luz emitida pela fonte é larga (luz não coerente), logo contém vários comprimentos de onda. Raios de luz com comprimentos de onda diferentes viajam a velocidades diferentes e, portanto, chegam ao receptor em instantes diferentes, causando interferência intersimbólica. (equivalente à distorção de fase).

Diodo laserFrabry-Perot

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Fontes Ópticas

• As fontes de fótons (luz) têm a função de converter energia elétrica (corrente) em energia óptica, de modo que esta possa ser introduzida eficientemente no núcleo da fibra.

• Os tipos de fonte mais usados são:

1. Diodo emissor de luz ou eletroluminescente (LED);

2. Diodo de semicondutor ou diodo laser (LD);

• Os LDs são mais eficientes e mais caros do que os LEDs, mas têm uma vida últil mais curta (de 20.000 a 150.000 horas contra de 100.000 a 1.000.000 de horas para os LEDs).

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Fontes Ópticas: LD versus LED

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Capacidade Sistêmica

• É uma medida para a dispersão, ou para a capacidade máxima de transmissão que foi limitada por um certo tipo de dispersão (cromática ou modal).• Exemplo: Considere uma dispersão cromática de 15 ps/(nm . Km). Isso significa que, se a fonte óptica tiver uma largura espectral de =0,2 nm, então haverá um alargamento do sinal (pulso) da ordem de 15 x 0,2 = 3 ps/Km, ou seja,

• 333 GHz em 1 Km (capacidade sistêmica)

• 33 GHz em 10Km

• 5GHz em 66 Km

• etc.

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Dispersão Modal

• Ocorre quando diferentes modos de propagação (soluções das Equações de Maxwell) ou raios são lançados na fibra, pois alguns sofrerão mais reflexões que outros (e.g., compare um raio que segue em zig-zag com outro que segue em linha reta pelo eixo central da fibra), percorrendo assim caminhos mais longos ou menos longos, e por conseguinte chegando ao receptor em instantes diferentes causando, mais uma vez, interferência intersimbólica.• Exemplo: Considere uma dispersão modal de 50 ns/Km. Isso significa que a capacidade sistêmica devida à dispersão modal será:

• 20 MHz em 1 Km (capacidade sistêmica)

• 2 MHz em 10Km

• etc.

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Condição Para Um Único Modo

• Para se ter um único modo (o modo HE11), o número V deve ter um valor V 2,405, o que pode ser conseguido reduzindo-se o raio do núcleo e/ou fazendo os índices de refração do núcleo e da casca muito parecidos.

22

21

2nn

aV

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Tipos de Fibra

r

n1

n2

-a ar

n1

n2

-a a

n(r)

n1 n2

-a a

Multimodo Índice Degrau

Multimodo Índice Gradual

Monomodo

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Emendas e Conectores

• Os cabos de fibras ópticas (normalmente de comprimento de 1 a 10 Km) são interconectados através de dois processos: emendas (splices) ou conectores, onde o objetivo é transferir a maior fração possível de luz de uma fibra para a outra. As emendas podem ser mecânicas ou por fusão.

• Os conectores são usados para conectar fibras a componentes, como amplificadores, fontes e detectores, pois são facilmente removíveis, o que facilita a substituição do dispositivo em caso de falha. As perdas são grandes, de 0,4 a 1 dB por conector.• As emendas são usados para conectar as fibras entre si. Uma vez feita a emenda, esta não pode ser desfeita, a não ser por ruptura física intencional. As perdas são pequenas, 0,05-0,2 dB para emendas mecânicas e 0,01-0,1 dB para emendas por fusão. Para transmissão intercontinental submarina, por exemplo, apenas perdas de 0,01 dB por emenda são toleráveis.

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Detectores Ópticos

• Os fotodetectores (ou fotodiodos) são essencialmente contadores de fótons.

•Os dois tipos de fotodetectores são:

• fotodiodo PIN (junção PN com material Intrínseco)

• fotodiodo APD (avalanche)

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Eficiência Quântica• A energia de um fóton é:

hE onde h = 6,626 x 10-34 W.s2 é a constante de Planck e v é a freqüência em Hz.

A potência óptica em Watts é dada por:

Esegundo

fótonsNP

o

• A eficiência quântica, , mede a eficiência da conversão de potência óptica-para-elétrica:

= Número médio de elétrons liberados pelo fotodiodo, k cada fóton incidente no fotodiodo

onde < 1.

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Responsividade ou Sensitividade

• A sensitividade de um fotodetector é dada por:

1234nanoS

(A/W)

onde nano é o comprimento de onda medido em nanômetro.

Exemplo: Para nano = 800 a 900, podemos ter S = 300 a 600 A/mW.

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Responsividade ou Sensitividade

• Pelo livro do Bellamy, a mudança da sensitividade de um fotodetector, em função da mudança de taxa de dados, é dada por:

0100 log10)()(R

RRSRS

Para uma taxa maior, é necessária uma maior energia por bit.

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Responsividade ou Sensitividade

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Amplificadores Ópticos

• Usam o mesmo princípio da emissão estimulada adotada nos lasers.

•O tipo mais comum é o EDFA (Amplificador a Fibra Dopada com Érbio), com ganhos de 30 a 40 dB.

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WDM – Wavelength Division Multiplexing

• Em WDM, vários sinais ópticos, cada um operando em um comprimento de onda diferente, são lançados em uma mesma fibra.

• A versão incrementada do WDM, o chamado DWDM (Dense WDM), acomoda tranqüilamente de 16 a até um limite prático de 43 canais, com separação de = 0,8 nm. Teoricamente, pode ser reduzido ainda mais, e mais canais podem ser lançados numa mesma fibra, para se ter taxas na ordem de Tbps (Tera=1012).