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Fibras ópticas e Multiplexação por Divisão em Comprimento de Onda (WDM) Trabalho de Redes de computadores I Rafael José Gonçalves Pereira Professor: Otto.

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1 Fibras ópticas e Multiplexação por Divisão em Comprimento de Onda (WDM) Trabalho de Redes de computadores I Rafael José Gonçalves Pereira Professor: Otto Duarte

2 Estrutura Alguns Fundamentos de Óptica Alguns Fundamentos de Óptica - Refração e Reflexão total - Refração e Reflexão total Fibras Fibras - Composição e conceitos, tipos de fibras, atenuação, vantagens e desvantagens, algumas aplicações. (no trabalho ainda há uma seções sobre história e emissores e receptores, que não incluí aqui) - Composição e conceitos, tipos de fibras, atenuação, vantagens e desvantagens, algumas aplicações. (no trabalho ainda há uma seções sobre história e emissores e receptores, que não incluí aqui) WDM WDM - Definição, funcionamento e problemas, Tipos de WDM e Vantagens. - Definição, funcionamento e problemas, Tipos de WDM e Vantagens.

3 Princípios de óptica

4 Refração e reflexão total Mudança na direção e velocidade quando uma onda de luz passa de um meio para o outro. Mudança na direção e velocidade quando uma onda de luz passa de um meio para o 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 (n2) para menos refringente (n1), se o ângulo for superior a um ângulo crítico, ocorre reflexão total. Na transição de um meio mais refringente (n2) para menos refringente (n1), se o ângulo for superior a um ângulo crítico, ocorre reflexão total. Ângulo crítico = arc.sen(n1/n2) Ângulo crítico = arc.sen(n1/n2)

5 Reflexão total Lembrando que n2>n1

6 Sistemas de transmissão por Fibras ópticas

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

8 Composição 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.

9 Composição Reflexão total entre o núcleo e a casca!

10 Modos de propagação Soluções espaço-temporais das equações de Maxwell (campos elétricos e magnéticos). Soluções espaço-temporais das equações de Maxwell (campos elétricos e magnéticos). Representa as diferentes formas de propagação (trajetórias) da luz na fibra. Representa as diferentes formas de propagação (trajetórias) da luz na fibra.

11 Tipos de Fibras Monomodo Monomodo Multimodo Multimodo Índice degrau Índice degrau Índice gradual Índice gradual

12 Atenuação e dispersão Atenuação baixa principal motivo pelo qual as fibras conquistaram seu terreno. Atenuação baixa principal motivo pelo qual as fibras conquistaram seu terreno. Atenuação: Atenuação: Absorção Absorção Espalhamento Espalhamento Curvaturas Curvaturas Características do guia de onda Características do guia de onda

13 Absorção Absorção natural do material (intrínseca) Absorção natural do material (intrínseca) Por defeitos estruturais (densidade varia, etc) Por defeitos estruturais (densidade varia, etc) Impurezas (extrínseca) Impurezas (extrínseca) Íons metálicos Íons metálicos Por íons hidroxila devido a água no vidro define as janelas ópticas Por íons hidroxila devido a água no vidro define as janelas ópticas Janelas ópticas Regiões onde a absorção por OH- é menor (já superada) Janelas ópticas Regiões onde a absorção por OH- é menor (já superada)

14 Janelas ópticas

15 Novos tipos de fibras (segundo tutorial da Teleco) Monomodo comum (SM - G.652 ITU-T): Tem problemas com a dispersão cromática. Núcleo com área maior grande capacidade de comprimentos de onda. Monomodo comum (SM - G.652 ITU-T): Tem problemas com a dispersão cromática. Núcleo com área maior grande capacidade de comprimentos de onda. Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): Fibra onde a dispersão é zero. Pensava-se alta capacidade. Porém, mistura das 4 ondas. Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): Fibra onde a dispersão é zero. Pensava-se alta capacidade. Porém, mistura das 4 ondas. Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): criada para corrigir a limitação da fibra tipo DS. Dispersão baixa, mas não zero. Núcleo da fibra foi diminuído impede sua utilização em sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda. Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): criada para corrigir a limitação da fibra tipo DS. Dispersão baixa, mas não zero. Núcleo da fibra foi diminuído impede sua utilização em sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda. Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): Fibra onde processos de fabricação eliminam o efeito da absorção pelos íons OH- Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): Fibra onde processos de fabricação eliminam o efeito da absorção pelos íons OH-

16 Janelas ópticas

17 Dispersão Modal Variações de trajetórias (= modos distintos) tempo de chegadas distintos Espalhamento de um sinal no tempo Variações de trajetórias (= modos distintos) tempo de chegadas distintos Espalhamento de um sinal no tempo

18 Vantagens da fibra óptica Banda passante teoricamente enorme Banda passante teoricamente enorme Atenuação muito baixa Atenuação muito baixa Imunidade à interferência eletromagnética e ruído Imunidade à interferência eletromagnética e ruído Isolamento elétrico Isolamento elétrico Compacidade Compacidade Segurança Segurança Baixo custo potencial Baixo custo potencial Possibilidade de mudar a banda sem mudar a infra- estrutura (WDM) Possibilidade de mudar a banda sem mudar a infra- estrutura (WDM)

19 Comparação

20 Desvantagens Fragilidade das fibras não encapsuladas Fragilidade das fibras não encapsuladas Dificuldade para conexões Dificuldade para conexões Dificuldade para ramificações Dificuldade para ramificações Fibras ponto-a-ponto Fibras ponto-a-ponto Impossibilidade de alimentação remota Impossibilidade de alimentação remota

21 Algumas Aplicações Fiber Channel Fiber Channel Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet Rede telefônica Rede telefônica Rede Digital de Serviços Integrados Rede Digital de Serviços Integrados Cabos submarinos Cabos submarinos Televisão por cabo Televisão por cabo Sensores Sensores

22 WDM Combina comprimentos de onda diferentes, e, na outra ponta, separa e lê. Combina comprimentos de onda diferentes, e, na outra ponta, separa e lê.

23 Sistema de WDM Comparação com TDM e porque do nome Comparação com TDM e porque do nome Para multiplexação e demultiplexação atualmente: Para multiplexação e demultiplexação atualmente: Filtros ajustáveis baseados em difração e interferência Ex: Array Waveguide Grating Ex: Array Waveguide Grating

24 Problemas enfrentados pelo WDM Todos os problemas das fibras ópticas Todos os problemas das fibras ópticas Encaixar o Sinal no seu canal Encaixar o Sinal no seu canal Diafonia (Crosstalk) Parte da potência que deveria chegar num canal vai para um canal adjacente Diafonia (Crosstalk) Parte da potência que deveria chegar num canal vai para um canal adjacente Mistura de quatro ondas (Four wave mixing, FWM) Mistura de quatro ondas (Four wave mixing, FWM) Falta de padronização Falta de padronização

25 Tipos de WDM Classificação feita de acordo com o espaçamento entre comprimentos de onda adjacentes Classificação feita de acordo com o espaçamento entre comprimentos de onda adjacentes Coarse WDM (CWDM) Coarse WDM (CWDM) 20nm, 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/s Ultra Dense WDM (UDWDM) Ultra Dense WDM (UDWDM) Mais de 128 canais, menos espaçamento que o DWDM

26 Vantagens do WDM Flexibiliza sistemas Flexibiliza sistemas Possibilita o aumento da quantidade de banda que uma fibra pode transmitir, sem necessidade de obras estruturais. Possibilita o aumento da quantidade de banda que uma fibra pode transmitir, sem necessidade de obras estruturais. Além de todas as vantagens de utilizar as fibras ópticas em si. Além de todas as vantagens de utilizar as fibras ópticas em si.

27 Dúvidas?

28 Perguntas e Respostas

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

30 Pergunta 1 1 – Explique como a luz se propaga no interior de uma fibra óptica, citando as regiões da fibra envolvidas e explicando brevemente o fenômeno que permite tal feito. 1 – Explique como a luz se propaga no interior de uma fibra óptica, citando as regiões da fibra envolvidas e explicando brevemente o fenômeno que permite tal feito. R: A luz se propaga no interior da fibra através do fenômeno da reflexão total que ocorre nas fibras ao tentar atravessar do núcleo (mais refringente) para a casca (menos refringente). Quando um raio de luz tenta atravessar de um meio mais refringente para um menos refringente, se o ângulo que ele forma com a normal for maior que o ângulo crítico, ele sofre a reflexão total, o que é exatamente o que ocorre na fibra. R: A luz se propaga no interior da fibra através do fenômeno da reflexão total que ocorre nas fibras ao tentar atravessar do núcleo (mais refringente) para a casca (menos refringente). Quando um raio de luz tenta atravessar de um meio mais refringente para um menos refringente, se o ângulo que ele forma com a normal for maior que o ângulo crítico, ele sofre a reflexão total, o que é exatamente o que ocorre na fibra.

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

32 Pergunta 2 2 – O que são os modos de propagação e dispersão modal? Como estes conceitos estão relacionados entre si? 2 – O que são os modos de propagação e dispersão modal? Como estes conceitos estão relacionados entre si? R: Os modos de propagação são as soluções espaço- temporais das equações de Maxwell, representando as diferentes maneiras (trajetórias) como a luz pode propagar-se numa fibra. A dispersão modal, por sua vez, é o fenômeno do espalhamento da luz no tempo que acontece por conta das diferentes trajetórias e dos diferentes tempos de cada modo. Estes conceitos estão relacionados, pois os modos são as diferentes trajetórias que geram o espalhamento temporal. R: Os modos de propagação são as soluções espaço- temporais das equações de Maxwell, representando as diferentes maneiras (trajetórias) como a luz pode propagar-se numa fibra. A dispersão modal, por sua vez, é o fenômeno do espalhamento da luz no tempo que acontece por conta das diferentes trajetórias e dos diferentes tempos de cada modo. Estes conceitos estão relacionados, pois os modos são as diferentes trajetórias que geram o espalhamento temporal.

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

34 Pergunta 3 3 – O que são as janelas ópticas e diga se elas ainda tem funcionalidade atualmente? 3 – O que são as janelas ópticas e diga se elas ainda tem funcionalidade atualmente? R : As janelas ópticas são as regiões onde a atenuação por absorção devido ao íon Hidroxila (OH-) era menor. A utilização das janelas ópticas, apesar de já ter perdido seu sentido atualmente por já ser possível fabricar fibras sem atenuações devido a tal íon, ainda são mantidas por motivos históricos e por melhorarem a eficiência da utilização de determinados comprimentos de onda. R : As janelas ópticas são as regiões onde a atenuação por absorção devido ao íon Hidroxila (OH-) era menor. A utilização das janelas ópticas, apesar de já ter perdido seu sentido atualmente por já ser possível fabricar fibras sem atenuações devido a tal íon, ainda são mantidas por motivos históricos e por melhorarem a eficiência da utilização de determinados comprimentos de onda.

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

36 Pergunta 4 4 – No que se baseiam os métodos atuais para multiplexação e demultiplexação? 4 – No que se baseiam os métodos atuais para multiplexação e demultiplexação? R: Os métodos atuais baseiam-se nos fenômenos de difração e de interferência. O fenômeno da difração faz com que a luz seja tratada como onda, permitindo então a exploração do fenômeno da interferência. R: Os métodos atuais baseiam-se nos fenômenos de difração e de interferência. O fenômeno da difração faz com que a luz seja tratada como onda, permitindo então a exploração do fenômeno da interferência.

37 Pergunta 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:

38 Pergunta 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; atenuação muito baixa; imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos; isolamento elétrico; compacidade;segurança; baixo custo potencial; possibilidade de ampliação da banda sem modificação da infraestrutura. Desvantagens, citar 1: Desvantagens, citar 1: fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas; dificuldade para conexão; dificuldade para ramificações impossibilidade de alimentação remota

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