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UFSC EEL7400 6. Mai 2002 Bartolomeu F. Uchôa-Filho Sistemas de Transmissão com Fibras Ópticas.

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1 UFSC EEL Mai 2002 Bartolomeu F. Uchôa-Filho Sistemas de Transmissão com Fibras Ópticas

2 EEL7400 Sistema de Comunicação Óptica

3 EEL7400 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.

4 EEL7400 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);

5 EEL7400 A Faixa Espectral f 100cm1mm 10 m 300MHz 1 m 300GHz1THz1PHz microondasinfravermelho visível luz ondas de rádiofaixa óptica

6 EEL7400 A Fibra Núcleo Casca Capa opaca Índice de refração = n 1 n 2 < n 1 n = c/v =

7 EEL7400 Revisão de Óptica O índice de refração do meio é definido como: onde c = Km/s é a velocidade da luz no vácuo e v meio 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

8 EEL7400 Lei de Snell (meio 2) (meio 1)

9 EEL7400 Ângulo Crítico (meio 2) (meio 1) Quando, é chamado de ângulo crítico.

10 EEL7400 Reflexão Total (meio 2) (meio 1) Quando, há a reflexão total.

11 EEL7400 Sucessivas Reflexões na Fibra Óptica Dentro da fibra, acontecem sucessivas reflexões. (Ângulo de Aceitação)

12 EEL7400 A Abertura Numérica de uma Fibra Um parâmetro importante, relacionado com a capacidade de captação da fibra, é a abertura numérica.

13 EEL7400 A Freqüência Normalizada de uma Fibra Outro parâmetro importante, e mais utilizado, é a freqüência normalizada ou número V: onde a é o raio do núcleo.

14 EEL7400 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.

15 EEL7400 As Perdas Intrínsecas As perdas intrínsecas são perdas devidas a absorção e difusão de luz no meio. As 3 janelas ópticas

16 EEL7400 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 laser Frabry-Perot

17 EEL7400 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 a horas contra de a de horas para os LEDs).

18 EEL7400 Fontes Ópticas: LD versus LED

19 EEL7400 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.

20 EEL7400 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.

21 EEL7400 Condição Para Um Único Modo Para se ter um único modo (o modo HE 11 ), 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 EEL7400 Tipos de Fibra r n1n1 n2n2 -aa r n1n1 n2n2 a n(r) n1n1 n2n2 -aa Multimodo Índice Degrau Multimodo Índice Gradual Monomodo

23 EEL7400 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.

24 EEL7400 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)

25 EEL7400 Eficiência Quântica A energia de um fóton é: onde h = 6,626 x W.s 2 é a constante de Planck e v é a freqüência em Hz. A potência óptica em Watts é dada por: 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.

26 EEL7400 Responsividade ou Sensitividade A sensitividade de um fotodetector é dada por: (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.

27 EEL7400 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: Para uma taxa maior, é necessária uma maior energia por bit.

28 EEL7400 Responsividade ou Sensitividade

29 EEL7400 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.

30 EEL7400 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=10 12 ).


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