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

Estrutura Alguns Fundamentos de Óptica - Refração e Reflexão total 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) WDM - Definição, funcionamento e problemas, Tipos de WDM e Vantagens.

Princípios de óptica

Refração e reflexão total Mudança na direção e velocidade quando uma onda de luz passa de um meio para o outro. Lei de Snell-Descartes: 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. Ângulo crítico = arc.sen(n1/n2)

Reflexão total Lembrando que n2>n1

Sistemas de transmissão por Fibras ópticas

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.

Composição 3 camadas básicas: Núcleo (>= 10 micrômetro), o mais refringente; Casca, menos refringente que o núcleo; Capa, proteção.

Composição Reflexão total entre o núcleo e a casca!

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

Tipos de Fibras Monomodo Multimodo Índice degrau Índice gradual

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

Absorção Absorção natural do material (intrínseca) Por defeitos estruturais (densidade varia, etc) Impurezas (extrínseca) Íons metálicos 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

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

Janelas ópticas

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

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

Comparação

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

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

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

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

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

Tipos de WDM Classificação feita de acordo com o espaçamento entre comprimentos de onda adjacentes Coarse WDM (CWDM) 20nm, 4 a 16 canais, 34Mbit/s a 2,5Gbit/s Dense WDM (DWDM)  1nm, 16 a 128 canais, 155Mbit/s a 10Gbit/s Ultra Dense WDM (UDWDM) Mais de 128 canais, menos espaçamento que o DWDM

Vantagens do WDM Flexibiliza sistemas 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.

Dúvidas?

Perguntas e Respostas

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.

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. 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.

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

Pergunta 2 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.

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

Pergunta 3 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.

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

Pergunta 4 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.

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

Pergunta 5 5 – Cite ao menos 3 vantagens da fibra óptica e 1 desvantagem: 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: fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas; dificuldade para conexão; dificuldade para ramificações impossibilidade de alimentação remota

Obrigado!