Redes de alta velocidade Rede ópticas Sistemas de transmissão

Redes ópticas Estrutura As redes óticas são formadas por alguns componentes básicos, dentre eles, podemos citar: o transmissor ótico o receptor ótico a fibra ótica Amplificadores de linha. Multiplexador óptico Conexão cruzada Unidade transponder Unidade compensadora de dispersão. acoplamentos e conexões.

Redes ópticas Estrutura

Redes ópticas Estrutura Equipamento terminal: Transmissor e receptor: É o equipamento que possibilita a inserção ou retirada de todos os comprimentos de onda do sistema, através das unidades Multiplexadoras/Demultiplexadoras ópticas, constituindo-se assim na porta de entrada e de saída da rede. Nesse equipamento, todos os sinais ópticos são convertidos para sinais elétricos, a fim de permitir sua regeneração.

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico O transmissor óptico é composto por um dispositivo emissor de luz e o circuito driver associado. O dispositivo emissor de luz, elemento ativo básico do sistema, é o responsável pela tarefa de conversão eletro- óptica dos sinais. Dois tipos de dispositivos são comumente utilizados como fontes luminosas em sistemas de transmissão por fibras ópticas: os diodos laser (DL’s) e os diodos eletrominescentes (LED’s).

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico O circuito driver tem funções de polarização elétrica e de comando da emissão de potência luminosa pelo dispositivo emissor de luz. A capacidade de transmissão (assim como a potência emitida por um transmissor óptico) é função do tipo de dispositivo emissor de luz utilizado, sendo os com diodo laser geralmente superiores aos com LED’s, a custo de uma maior complexidade do transmissor.

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico Problemas de transmissão: Atenuação: perdas do meio. Dispersão: diferença de velocidade de propagação dos sinais.

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico Tipos de dispersão: Intermodal Cromática Por modo de polarização

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico Tipos de dispersão: Intermodal: Em fibras multimodo, cada modo percorre um distância diferente devido ao ângulo de propagação. limitação : 155 Mbps em 2Km

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico Tipos de dispersão: Cromática : Cada cor (lambda) se propaga em uma velocidade diferente no meio. A solução seria o uso de fontes de espectro estreito (laser).

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico Tipos de dispersão: Cromática : Tipos de laser. MLM - multiple longitudinal mode - espectro amplo. SLM – Single longitudinal mode – espectro estreito

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico Tipos de dispersão: Cromática : Tipos de laser.

Redes ópticas Estrutura Transmissor Ótico Tipos de dispersão: Por modo de polarização: caudas por irregularidades na geometria da fibra.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica A Fibra Óptica é um filamento cilíndrico muito longo, de diâmetro extremamente pequeno, de espessura aproximada de um fio de cabelo, o qual é predominantemente feito de vidro de sílica com alto grau de pureza.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Sendo o diâmetro da Fibra Óptica extremamente pequeno, uma luz que adentre nesta fibra experimentará o efeito espelho, será confinada, como mostrado na Figura e se propagará.  

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Este tipo de propagação deu origem a Fibra Multimodo, na qual, como o nome indica, vários Modos ou simplificadamente, vários Raios de Luz podem se propagar simultaneamente ao longo Fibra Óptica.  

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Vamos agora supor que, o diâmetro desta Fibra Óptica que já é pequeno, fosse ainda mais reduzido, de forma a permitir a passagem de somente um Modo ou Raio de Luz,   Neste caso temos a denominada Fibra Óptica Monomodo.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Corresponde ao meio onde a potência luminosa injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida até o fotodetector. Existem dois tipos de fibra ótica: multimodo; monomodo.       

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica multimodo A Figura acima nos mostra a constituição de uma Fibra Óptica Multimodo. Onde podemos observar o revestimento, a casca e o núcleo.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica multimodo Como podemos ver a camada externa é denominada de Revestimento (R), em inglês Coating; geralmente com diâmetro de 250 µm. Logo abaixo a Casca (C), em inglês Cladding; com diâmetros de 125 ou 140 µm. E, no centro o Núcleo (N), em inglês Core ; que pode ser construído com diâmetros de 50; 62,5; 82,5 ou 100 µm

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica multimodo Já se começou a fabricar Fibras Ópticas do tipo Multimodo, confeccionadas com plásticos especiais, usadas principalmente em LAN’s. A principal vantagem destas Fibras seria o baixo custo, quando comparado a outros tipo de Fibras usadas na referida aplicação. No caso das Fibras Ópticas do tipo Multimodo confeccionadas em Plástico especial, dotado de um de alto índice refração, o diâmetro (N) do Núcleo é geralmente da ordem de 1 000 µm.       

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica A fibra multimodo Pode ser subdividida em dois outros grupos, a de índice degrau, e a de índice gradual (grade index e step index) A de índice degrau, possui índice e dimensões grandes, o que facilita a fabricação e manipulação, porém tem a capacidade de transmissão limitada. A variação do indice de refração entre core e cladding é acentuada. A de índice gradual, possui dimensões moderadas, o que permite uma conectividade relativamente simples. A variação do indice de refração entre core e cladding é feita de forma gradual.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica fibras monomodo Tem dimensões bastante pequenas, o que dificulta sua manipulação e conectividade. Porém possui uma vantagem em relação as fibras multimodo; a alta taxa de transmissão.  

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica monomodo A Fibra Óptica Monomodo Comum (Standard Single-mode Fiber), foi desenvolvida inicialmente para a transmissão de sinais ópticos em 1310 nm (nanômetros). Obedece as normas G.652 da ITU–T. Note que apesar das dimensões do Revestimento (R) e da Casca (C) serem aproximadamente iguais para as Fibras Ópticas Mono e Multimodos o diâmetro do Núcleo (N) da Fibra Óptica Monomodo é muito menor, da ordem de 3 a 8 µm.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica monomodo Como as dimensões tanto das Fibras Ópticas Multimodo e quanto das Fibra Óptica Monomodo são muito pequenas, é praticamente impossível distingui-las a olho nu. Na prática usa-se um microscópio portátil, entretanto deve se tomar cuidado com Fibras que estejam ativadas, pois a Radiação Luminosa que estas transportam, como já vimos, é invisível e como é altamente concentrada e intensa pode trazer danos permanentes ao olho humano.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica monomodo   Fibra Óptica Monomodo de Índice Degrau Respeitadas as dimensões, a configuração geométrica do Núcleo da Fibra Óptica Monomodo de Índice Degrau é igual ao do Núcleo da Fibra Óptica Multimodo de Índice Degrau. Historicamente este tipo de Fibra Óptica Monomodo foi a primeira a ser comercialmente produzida.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica monomodo    Vantagens da Fibra Óptica Monomodo   Distâncias maiores e ilimitadas, quando comparadas as Fibras Ópticas Multimodo. Taxas de Transmissão muito mais altas (superiores a 160 Gbps) quando comparadas as Fibras Ópticas Multimodo.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica monomodo    Desvantagens da Fibra Óptica Monomodo Devido as dimensões do Núcleo da Fibra Óptica Monomodo serem extremamente reduzidas, isto torna difícil o alinhamento, que é o caso de emendas, conectores, etc. Alto custo, quando comparado á outros tipos de Fibra, não só da Fibra em si, mas também dos materiais agregados, como conectores, componentes eletrônicos e, outros.  

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Existem alguns fatores que influenciam negativamente a propagação de luz em uma Fibra Óptica. Um destes fatores é a chamada Perda por Absorção, que a seguir detalhamos. Perdas por absorção total   Define-se como Perdas por Absorção Total (Pat) a somatória das Perdas por Absorção Intrínseca(Pai), Extrínseca (Pae) e, por Alteração Atômica (Paa). Pat = Pai + Pae + Paa

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Perdas por Absorção Intrínseca   Devido à natureza do material utilizado para a construção da Fibra Óptica, comummente Sílica, as Perdas por Absorção Intrínseca são inferiores á 0,003 dB por Km, para Comprimentos de Onda situados entre 1300 á 1600 nm.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Perdas por Absorção Extrínseca   O material utilizado para a construção da Fibra Óptica pode conter impurezas. Um dos exemplos deste tipo de perda é a presença de íons do tipo Oxidrila (OH-), erroneamente chamado de atenuação pelo pico de água (Water Peak Attenuation).

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Perdas por Absorção por Alteração Atômica Em condições normais, as Perdas por Absorção por Alteração Atômica, são desprezíveis. Entretanto, quando uma Fibra Óptica Convencional é exposta uma radiação de alta intensidade, geralmente se verifica uma alteração na Estrutura Atômica do material utilizado para a construção desta Fibra Óptica e, desta forma, as Perdas por Absorção por Alteração Atômica podem ser muito significativas.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Atualmente existem vários tipos de fibras ópticas, com características diversas e que foram desenvolvidas conforme as necessidades de sua aplicação. Para todas elas, as duas características mais importantes a serem analisadas são: Atenuação: é a perda da intensidade luminosa ao longo da fibra, causada pelo próprio material da fibra e / ou por eventuais emendas, físicas ou mecânicas, existentes (medida em dB/Km); Dispersão: é o espalhamento da luz ao longo da fibra, causado pela existência de diferentes comprimentos de onda no feixe de luz (medido em ps/nm.Km).

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica As fibras ópticas que vem sendo utilizadas nas redes de alta capacidade são: Single Mode (SM - G.652 ITU-T): Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T) Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T)

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Single Mode (SM - G.652 ITU-T): é o tipo de fibra mais comum encontrada no mercado. Possui algumas limitações quando usada em sistemas de alta capacidade com maior concentração de comprimentos de ondas, pois possui elevado fator dispersão cromática. Entretanto, como essa fibra possui um núcleo com área maior do que os outros tipos de fibra óptica, seu uso se adapta bem a sistemas WDM com grande capacidade de comprimentos de onda.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): é o tipo de fibra cuja dispersão é zero. Acreditava-se, em seu lançamento, que seria a fibra ideal para ser usada com sistemas WDM e SDH de alta capacidade. Porém, com a evolução desses sistemas e o conseqüente aumento da quantidade de comprimentos de onda (Lambdas), verificou-se que esta fibra possui limitações no tocante à dispersão cromática, o que diminuiu o seu uso.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): é tipo de fibra que foi concebida para corrigir a limitação da fibra tipo DS, e cuja dispersão para a janela de 1550 nm é muito baixa em relação à fibra SM (18 ps.nm/km), porém não é zero (8 ps.nm/km). Para obter esta redução do fator de dispersão cromática, o núcleo da fibra foi alterado para ter menor diâmetro. Sempre se acreditou que estas fibras seriam ideais para sistemas WDM com grande número de comprimentos de onda, porém com o passar do tempo e utilização em sistemas reais, verificou-se que o fato de ter a área de seu núcleo reduzida, impede sua utilização em sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda (Lambdas).

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): é tipo de fibra onde os processos industriais de produção permitem a diminuição ou eliminação do efeito "pico d'água", permitindo que a faixa de 1400 nm seja utilizada para tráfego de sistemas ópticos. Isso otimiza o uso de equipamentos que atuam em toda a faixa, desde 1310nm até 1625nm.

Redes ópticas Estrutura Fibra Ótica

Redes ópticas Estrutura Amplificador de Linha (ILA - "In Line Amplifier") Sua única função é a amplificação óptica do sinal proveniente de um equipamento terminal, tendo como principal característica a amplificação do sinal juntamente com o ruído, justamente por não converter o sinal óptico de entrada para o nível elétrico, impedindo assim a sua regeneração. O uso dos amplificadores de linha é justificado pela necessidade de amplificar o sinal óptico com todos os comprimentos de onda, a um custo menor, porém deve-se sempre levar em consideração a relação sinal / ruído existente. Quando este parâmetro atinge valores que impedem a correta detecção do sinal óptico original, prejudicando assim a qualidade de serviço, torna-se necessário usar outro tipo de equipamento que permita que esse sinal original possa ser regenerado.

Redes ópticas Estrutura Multiplexador Óptico (OADM - "Optical Add-Drop Multiplex") Este tipo de equipamento tem função dupla na rede. A primeira é a de permitir a inserção ou retirada de um determinado número de comprimentos de onda, os quais serão regenerados, permitindo assim a comercialização de serviços de telecomunicações nesse ponto da rede. A outra é a de amplificar o sinal total, ou seja, os comprimentos de onda (Lambdas) regenerados, que terão sua relação sinal / ruído corrigida, e os Lambdas passantes, que sofrerão a amplificação tanto do sinal quanto do ruído.

Redes ópticas Estrutura Equipamento Óptico de Conexão Cruzada (OXC - "Optical Cross-Connect") Este tipo de equipamento tem a função de realizar o roteamento de Lambdas em nível óptico, permitindo minimizar o número de equipamentos nas redes, diminuir os pontos de possíveis defeitos, além de otimizar o espaço ocupado nas estações. Apesar de ter sido concebido a partir de objetivos importantes para a otimização de redes devido ao seu alto custo atual este tipo de equipamento ainda não tem aplicação comercial.

Redes ópticas Estrutura Unidade Transponder Transponders regenerativos: têm a finalidade de regenerar o sinal óptico da rede. A regeneração é feita convertendo o sinal de entrada para um sinal elétrico regenerado e sem ruído, e convertendo esse sinal elétrico novamente para um sinal óptico de saída (com comprimento de onda compatível com o plano de freqüência do ITU-T) que tem uma relação sinal / ruído significativamente melhor. Este tipo de equipamento tem também a função de realizar a adequação da freqüência do sinal de entrada para um sinal de saída compatível com o plano de freqüências

Redes ópticas Unidade Compensadora de Dispersão Estrutura Unidade Compensadora de Dispersão (DCU - "Dispersion Compensation Unit")   Este tipo de equipamento é composto por fibras ópticas com dispersão negativa e tem como objetivo a compensação da dispersão cromática de um trecho da rede de fibra óptica. O DCU pode ser utilizado em qualquer ponto da rede.

Redes ópticas Estrutura Tipos de equipamentos

Redes ópticas Estrutura Receptor Ótico É composto de um dispositivo fotodetector (ex.: fotodiodo), responsável pela detecção e conversão de sinal luminoso em elétrico e de um estágio eletrônico de amplificação e filtragem.      Em geral, o processo de recepção, baseia-se na detecção da portadora luminosa pela contagem de fótons. Esta tecnologia é conhecida como detecção direta. Neste tipo de recepção, não é considerado características quanto a fase e polarização da portadora.      Existe também, a técnica de detecção coerente, que considera as características do sinal recebido, antes não analisadas pelo sistema de detecção direta.

Redes ópticas Estrutura Receptor Ótico O critério de seleção de um fotodetector inclui as seguintes análises: alta confiabilidade; operação em larga faixa de temperaturas; baixo ruído; faixa dinâmica larga; baixo custo.

Redes ópticas Estrutura Receptor Ótico Para que o sistema tenha o maior alcance possível, é necessário, portanto, que o fotodetector escolhido seja capaz de operar nos menores níveis possíveis de potência ótica, convertendo-a em corrente com o mínimo de distorção e ruído.

Redes ópticas Estrutura Acoplamento e Conexões O acoplamento da fibra ótica com os dispositivos emissores de luz e fotodetectores é feito de forma a limitar as perdas por acoplamento.  A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibras óticas pode ser realizado por emendas, o que o torna permanente ou, temporariamente, por meio de conectores mecânicos de precisão. Já as junções multiponto utilizam-se de acopladores.

Redes ópticas Estrutura Acoplamento e Conexões O acoplamento da fibra ótica com os dispositivos emissores de luz e fotodetectores é feito de forma a limitar as perdas por acoplamento.  A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibras óticas pode ser realizado por emendas, o que o torna permanente ou, temporariamente, por meio de conectores mecânicos de precisão. Já as junções multiponto utilizam-se de acopladores.

Redes ópticas Estrutura Acoplamento e Conexões     

Redes ópticas Estrutura Acoplamento e Conexões     

Redes ópticas Estrutura Acoplamento e Conexões Acopladores Direcionais Os acopladores direcionais tipo T são utilizados em configurações multiponto em barramentos.      As perdas devido ao acoplador são da ordem de 0.5 dB, e está relacionado ao número de nós ao longo da rede.   

Redes ópticas Acoplador Estrela Estrutura Acoplamento e Conexões   Acoplador Estrela      Este tipo de acoplador permite a distribuição da potência ótica simultaneamente para vários nós de uma rede configurada em estrela passiva. É importante observar que o acoplador deve manter uniformidade na distribuição de potência.

Redes ópticas Comutador Ótico Estrutura Acoplamento e Conexões   Comutador Ótico      Os comutadores óticos são dispositivos utilizados nas redes a fim de possibilitar rotas alternativas para o sinal transmitido. É bastante utilizado em topologias em anel, uma vez que possibilita isolar nós em caso de falha ou manutenção.

Redes ópticas Comutador Ótico Estrutura Acoplamento e Conexões   Comutador Ótico      Os comutadores óticos são dispositivos utilizados nas redes a fim de possibilitar rotas alternativas para o sinal transmitido. É bastante utilizado em topologias em anel, uma vez que possibilita isolar nós em caso de falha ou manutenção.

Redes ópticas Conectores Estrutura Acoplamento e Conexões    Conectores      Conectores óticos são dispositivos passivos que possibilitam realizar junções temporárias ponto-a-ponto entre duas fibras ou, nas extremidades dos sistemas. Para redes onde é necessária a minimização de espaço e facilidade de conexão/desconexão, a escolha de conectores ponto-a-ponto é a mais adequada. Em geral, a instalação do conector ligado ao dispositivo ótico e a fibra é feita em placas de circuito impresso, em conjunto a componentes eletrônicos da interface de comunicação ao modem.