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REDES DE TELECOMUNICAÇÕES:
Fibras Ópticas
Aula 04
Professor: Jaime
16 de setembro de 2019
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
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Sumário:
1 - Componentes de Fibra Óptica: Fibras Ópticas;
2 - Fontes para Transmissões Ópticas;
3 - Amplificador Óptico;
4 - Detectores para Receptores Ópticos;
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1. Componentes de Fibra Óptica: Fibras Ópticas
Figure 1: Sistema de Comunicação em Fibra Óptica
• Fibra óptica é um guia feito de material de baixa perda, vidro de
sílica fundido de alta pureza química.
Figure 2: Uma fibra óptica é um guia de onda dielétrico cilíndrico com um núcleo interno e um revestimentoexterno
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1.1. Fibras Multimodo (MMF - multimode fibers)
• Fibra óptica de índice degrau: o núcleo tem um índice de refração
levemente maior do que o revestimento, figura 5 (a);
A luz é guiada ao longo do eixo com reflexão interna total;
A luz viaja pela fibra na forma de modos;
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• Fibra com índice degrau é caracterizada pelo seu raio do núcleo
a, pelos índices de refração do núcleo e do revestimento, n1 e n2, e
pela mudança do índice de refração fracionário:
∆ =n1 − n2
n1(1)
que é muito pequeno (∆ = 0, 001 a 0, 02).
• O raio de luz faz ângulo com o eixo da fibra menor do que com-
plemento do ângulo crítico,
θc = sin−1(n2
n1
)(ângulo crítico) (2)
São guiados dentro do núcleo por múltiplas reflecções no limite
entre núcleo e o revestimento.
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• Os raios meridionais são guiados se o ângulo θ feito com o eixo da
fibra for menor do que o complemento do ângulo crítico, ou seja,
θ < θ̄c = π/2 − θc = cos−1(n2
n1
)(3)
Figure 3: A trajetória de um raio meridional na posição de um plano que passa pelo eixo da fibra. O raio éguiado se θ < θ̄c = cos−1
(n2n1
).
• O ângulo de aceitação é dado por:
θa = sin−1 NA (4)
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• Onde o ângulo de abertura NA da fibra é dado por:
NA =√
n21 − n2
2 ≈ n1
√
2∆ (5)
Figure 4: (a) Ângulo de aceitação θade uma fibra. Raios dentro do cone de aceitação são guiados pela reflexãointerna total. O ângulo de abertura NA = sin(θa). Os ângulos θa e θ̄c são tipicamente muito pequenos; elessão exagerados aqui para melhor visialização. (b) A capacidade de coleta de luz de uma fibra de NA grande émaior do que o de uma fibra de NA pequeno.
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• O número de modos guiados M é governado pelo parâmetro V,
V = 2π( aλ0
)NA (6)
onde a/λ0 é a relação do raio do núcleo a pelo comprimento de
onda λ0. Em uma fibra com V >> 1, existe um grande número de
modos , M ≈ V2/2.
• Os modos viajam com diferentes velocidade de grupo, isto resulta
em espalhamento de pulso que cresce linearmente com o compri-
mento da fibra, este efeito é chamado de dispersão modal.
• Os pulsos combinados tem uma largura RMS (MMF de índice
degrau) de tempo de atraso de:
σ f ibra ≈∆
2c1L (7)
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• onde c1 = c0/n1. Por exemplo, se n1 = 1, 46 e ∆ = 0, 01, o tempo de
resposta por km ≈ ∆/2c1 ≈ 24ns/km. Para uma fibra de 100 km o
pulso é espalhado com uma largura de 2, 4µs.
• Fibra com índice gradual: a dispersão modal pode ser reduzida
pelo uso da fibra com índice gradual (GRIN - graded-index ).
O índice de refração do núcleo varia gradualmente de um máxi-
mo valor n1 no eixo da fibra para um valor mínimo n2 no limite
entre o núcleo e o revestimento.
O raio segue uma trajetória curva, figura 5.
O raio axial viaja distância menor na velocidade de fase menor
(índice de refração maiores).
O raio oblíquo viaja distância maiores para velocidade de fases
maiores ( índice de refração menores).
Com isso, o tempo de atraso é equalizado.
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Figure 5: (a) Fibras multimodos com índice degrau (MMF - multimodo fiber): diâmetro do núcleo relativa-mente grande; índice de refração uniforme no núcleo e no revestimento; grande espalhamento de pulso devidoa dispersão modal.(b) Índice gradual (GRIN) MMF: índice de refração do núcleo é gradual; existem poucos modos; pulso alargadodevido a dispersão modal é reduzido.(c) Fibras monomodos (SMF - single-modo fiber): diâmetro do núcleo pequeno; sem dispersão modal; alarga-mento do pulso é devido somente ao material e dispersão do guia de onda.
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1.2. Fibras Monomodo (SMF - single-mode fibers)
• Quando o raio do núcleo a e a abertura numérica NA de uma fibra
de índice degrau são pequenos, ou seja, V < 2, 405, somente um
modo é possível e a fibra é chamada de fibra monomodo.
• SMF elimina o espalhamento de pulso causado pela dispersão
modal.
• O espalhamento de pulso ocorre no efeito de dispersão cromática.
• Existem duas origens da dispersão cromática:
Dispersão do material: resulta da dependência do índice de
refração no comprimento de onda;
Dispersão do guia de onda: consequência da dependência da
velocidade de grupo do modo na razão entre o raio do núcleo e o
comprimento de onda.
A dispersão do material é maior do que a do guia de onda.
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• Um pulso óptico curto de largura espectral de espalhamento σλpara um largura temporal (tempo de resposta do SMF):
σfibra =| D | σλL (8)
• Proporcional a distância de propagação L (km) e para o compri-
mento da linha fonte σλ (nm), onde D é o coeficiente de dispersão
(ps/km-nm).
• Para fibras guiadas fracamente (∆ << 1), D pode ser separado em
uma soma Dλ + Dw da contribuição do material e guia de onda.
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1.3. Dispersão e Atenuação
• O comprimento de onda depende do coeficiente de atenuação da
fibra de vidro de sílica fundido.
Atenuação decai para o mínimo ≈ 0, 3 dB/km em λ0 = 1300 nm;
Cresce suavemente em 1, 4µm devido a absorção do íon OH;
Decai para o mínimo absoluto ≈ 0, 16 dB/km em λ0 = 1550 nm;
Acima disto a curva sob rapidamente, figura 6.
• Fibras absorção de OH suprimida: desenvolvido recentemente.
• Na figura 6 também é mostrado a dependência do comprimento
de onda do coeficiente de dispersão Dλ:
Os valores mudam de negativo para baixos comprimentos de
onda e para positivo para longos e é zero para λ0 ≈ 1312 nm.
O sinal do coeficiente de dispersão não afeta a taxa de largura
de pulso.
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1.4. Fibras com Dispersão Modificada
• Fibras monomodo usa núcleo de índice gradual com índice de
refração especial selecionados de tal forma que o coeficiente de
dispersão cromático D tenha valores desejados em certos compri-
mentos de onda, conforme exemplos:
- Fibra com dispersão deslocada (DSF - dispersion-shifted fibers),
D desaparece em λ0 = 1550 nm, onde a atenuação é mínima.
- Fibra com dispersão deslocada não zero (NZ-DSF - non-zero
dispersion-shifted fibers), D é reduzido na janela entre 1500 e 1600
nm, mas não é zero, figura 7. Um pequeno valor de dispersão é
útil para aliviar a distorsão não linear encontradas nos pulsos de
intensidade estreito.
- Fibras com dispersão aplainada (DFF - dispersion-flattened fiber),
D some em dois comprimentos de onda e é reduzido em compri-
mento de ondas intermediários, figura 8(b).
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Figure 6: Comprimento de onda em relação a atenuação mínima α e do coeficiente de dispersão do material Dλ
da fibra de vidro de sílica. A linha tracejada representa a atenuação da fibra com a absorção do OH suprimida.Três bandas espectrais são observadas: a banda central de 870 nm, que era usado em sistema mais antigos temα = 1, 5 dB/km e Dλ = −80 ps/km-nm; a banda centrada O (original) em 1310 nm, para que α = 0, 3 dB/km comdispersão mínima; e a banda centrada em C (convencional) em 1550 nm, com atenuação mínima (α = 0, 16dB/km) e Dλ = +80 ps/km-nm. Três bandas adicionais são usadas em sistemas de multiplexação de divisãode comprimento de onda (WDM - Wavelength Division Multiplexing Systems): E = extendido, S = Curto, L =longo e U = ultralongo.
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Figure 7: Relação entre o comprimento de onda e o coeficiente de dispersão cromática D de uma fibraconvencional e exemplo de uma fibra com dispersão deslocada DSF e NZ-DSF. As designações G.653 e G.655são especificações do ITU
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• Fibra de dispersão compensada (DCF - dispersion compesating fibers),
D é proporcional a fibra de índice degrau convencional sobre uma
banda de comprimento de onda estendido, mas com um sinal
oposto.
- Um pedaço de fibra com um coeficiente de dispersão com
grande reversão é usado para compensar o espalhamento do pulso
provocado pela longa fibra óptica convencional, figura 8(c).
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Figure 8: Perfil do índice de refração em relação ao comprimento de onda do coeficiente de dispersão domateriall (linhas tracejadas) e a combinação do coeficiente de dispersão do guia de onda e do material (linhascontínuas) para (a) fibra com dispersão deslocada (DSF), (b) fibra com dispersão aplainada (DFF) e (c) fibra dedispersão compensada (DCF)
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1.5. Dispersão do Modo de Polarização
• A dispersão do modo de polarização (PMD - polarization-mode
dispersion) é causado pela variação na geometria da fibra de forma
aleatória ao longo de seu comprimento.
- A variação aleatória na magnitude e orientação da birefringên-
cia introduz diferentes atrasos nos dois modos de polarização.
- O valor médio RMS da largura de pulso associada com o PMD
é proporcional a raiz quadrada do comprimento da fibra:
σPMD = DPMD√
L (9)
onde DPMD é o parâmetro de dispersão que varia entre 0, 1 a 1
ps/√
km.
- PMD torna-se importante em altas taxas de dados quando
outros formas de dispersão são compensadas.
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1.6. Efeitos Ópticos Não Linear
• Quando pulsos de alta potência são transmitidos através de fi-
bras monomodo, se a intensidade óptica for suficientemente alta
podem ocorrer iterações não lineares, causando um efeito que
danifica a integridade do sinal em sistemas de comunicação:
- Modulação da própria fase (SPM - self-phase modulation) cau-
sada pelo efeito óptico Kerr (uma pequena dependência do índice
de refração e velocidade da fase na intensidade óptica).
Pode resultar em conversa cruzada em sistemas de comunicação
com propagação de ondas nos dois sentidos.
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• Modulação com cruzamento de fase (XPM - cross-phase modula-
tion) resulta da mistura de ondas não lineares no qual a velocidade
de fase de uma onda em um comprimento de onda depende da
intensidade de outro comprimento de onda viajando simultanea-
mente na mesma fibra.
- Em sistemas WDM, o XPM pode causar sérios cruzamentos
entre diferentes canais.
• Mistura de quatro ondas (FWM - four-wave mixing) está associado
também ao efeito não linear de terceira ordem.
- Este efeito causa cruzamento entre as quatro ondas de difer-
entes comprimento de onda viajando simultaneamente na mesma
fibra onde as ondas trocam energia.
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• Espalhamento estimulado Raman (SRS - stimulated Raman scatter-
ing) e espalhamento estimulado Brillourin (SBS - stimulated Bril-
louin scattering) são processos de espalhamento não elástico en-
volvendo iterações entre luz e molécula ou vibrações acústicas no
meio.
- Duas ondas ópticas de diferentes comprimentos de onda se
interagem via um modo de vibração molecular (SRS) ou uma onda
acústica (SBS).
- Essas iterações também levam a um indesejável cruzamento
entre canais de um sistema WDM.
• A dispersão não linear via SPM pode ser ajustada para compen-
sar a dispersão cromática resultando num espalhamento de pulso
conhecido como sóliton ópticos.
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2. Fontes para Transmissões Ópticas
• A fonte de luz usada em sistemas de comunicação óptica depende
da natureza da aplicação (comunicação longa distância, LAN, etc.).
• Os principais fatores são:
- Potência: a potência da fonte deve ser suficiente para que,
depois de transmitido pela fibra, o sinal recebido seja detectável
com a precisão desejada.
- Velocidade: deve ser possível modular a potência da fonte na
taxa desejada para comunicar a informação.
- Largura do pulso: a fonte deve ter uma largura de pulso
expectral estreita para minimizar a dispersão cromática na fibra.
- Ruído: flutuações aleatórias na potência da fonte deve ser
evitada para sistemas de comunicação coerente.
- Outros fatores: robustez, longo tempo de vida, confiança.
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• As fontes usadas em sistemas de transmissão em fibras fibras são:
diodos emissores de luz (LEDs - light-emitting diodes) e diodos a
laser (LDs - laser diodes).
• Os diodos emissores de luz são fabricados em duas estruturas
básicas: emissores de borda e emissores de superfície.
• Os diodos emissores de superfície tem as vantagens de robustez,
confiabilidade, baixo custo e simplicidade de projeto.
• A limitação básica que acompanha seu uso é sua larga largura de
linha, que pode exceder a 100 nm na banda de 1300 a 1600 nm.
• Quando operado em frequência máxima, frequência de modu-
lação superior a 100 Mbps são possíveis.
• Mas para alta velocidade (acima de 500Mbps) pode ser obtido com
a redução da potência .
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• O diodo emissor de bordas tem uma estrutura similar ao de um
diodo a laser sem o mecanismo de feedback.
- Produz mais potência na saída com largura de linha expectral
mais estreita e um aumento de complexidade.
• Diodo laser tem a vantagem de alta potência (dezenas de Watts),
alta velocidade (muitos Gbps), comprimento de linha de expectro
estreito. São sensíveis a variação de temperaturas.
- Diodo de laser multimodo sofre de ruído de partição, que é
uma distribuição aleatória da portência do laser entre os modos.
- Quando sujeita a dispersão cromática na fibra, leva a uma flu-
tuação aleatória da intensidade deformando o pulso transmitido.
- Sofre também alteração de frequência, que é a mudança da
frequência do laser quando a potência óptica é modulada. Resulta
da modificação do índice de refração.
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3. Amplificador Óptico
• São componentes indispensáveis em modernos sistemas de comu-
nicações de longa distância.
• Podem ser usadas como: pos-amplificador (amplificador de potên-
cia), amplificador de linha e pré-amplificador, figura 9.
Figure 9: Amplificadores de fibra óptica são usados em três configurações em um sistema de comunicaçãocom fibra óptica: (a) pos-amplificador; (b) amplificador de linha; e (c) pré-amplificador.
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• Amplificador de potência: aumenta a potência óptica antes do
sinal ser lançado na fibra óptica.
• Amplificador de linha: aumenta o sinal no trajeto da transmissão.
• Pré-amplificador: fornece ganho antes da fotodetecção.
• Existem três tipos de amplificadores ópticos:
- Amplificador de fibra óptica (OFAs - Optical Fiber Amplifiers)
- inclui o amplificador a fibra dopada com Érbio (EDFAs - Erbium
-Doped fiber amplifiers), amplificador de fibra dopado com terra
rara (REFAs - Rare-Earth-doped Fiber Amplifiers) e amplificador
de fibra Raman (RFAs - Raman Fiber Amplifiers).
- Amplificador óptico a semicondutor (SOAs - Semicondutor
Optical Amplifiers).
- Amplificadores parametricos ópticos (OPAs - Optical Para-
metric Amplifiers).
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• EDFAs e RFAs são os amplificadores mais apropriados para co-
municação em fibra óptica.
• Amplificador de Fibra Óptica:
• EDFAs: é o primeiro OFAs a ser desenvolvido. São largamente
usados em sistems de comunicação em fibras ópticas.
- Eles oferecem alto ganho independente da polarização, alta
potência de saída, baixa perda por inserção, baixo ruído e uma
larga transição perto de λ = 1, 55 µm (comprimento de onda com
mínima perda).
- O bombeamento é realizado pelo acoplamento longitudinal da
luz na amplificação média, usualmente de um diodo laser InGaAs
operando a λ0 = 980 nm.
- A luz pode ser injetada tanto na direção direta como na inversa,
ou bidirecionalmente.
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• Ganho extra de 50 dB pode ser obtido em EDFAs com dezenas de
mW de potência bombeada;
- Potência extra do sinal de saída 100 W são facilmente gerada.
- A largura de banda praticável é ∆λ ≈ 40 nm, corresponde a
∆ν ≈ 5, 3 THz que acomoda a banda C.
- A banda L é facilmente coberta embora os parâmetros de
otimização do EDFAs não é o mesmo nas duas bandas.
- O alto ganho e a largura de banda oferecida faz deste amplifi-
cador altamente apropriado para usar em sistemas com multiplex-
ação por divisão de largura de onda (WDM - Wavelength-Division
Multiplexing).
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• REFAs: muitos ions exceto Er3+ (em geral Pr3+, Tm3+ e Nd3+) são
usuais para fazer os REFAs que cobre as bandas O/E/S/U.
- Pode ser usado para extender a largura de banda amplificada
superior a 60 nm (7, 5 THz) executável pelo uso EDFAs individ-
ualmente otimizado nas bandas C e L.
• Pela mistura e união de REFAs de Er3+ e Tm3+,
- a largura de banda obtida ∆λ aumenta de 60 nm para ≈ 150
nm,
- corresponde a ∆ν ≈ 18, 8THz em 1550nm.
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• RFAs: opera na base de espalhamento de Raman estimulado.
- Existem dois padrões de configuração RFA:
(1) RFAs Distribuido onde, o sinal e o bombeio, são enviados
através da fibra de transmissão, que serve como o ganho médio.
(2) RFAs Concentrado em que um pequeno comprimento de
fibra altamente não linear serve como um amplificador e fornece
ganho. Não passa pela fibra de transmissão.
• RFAs oferece maior largura de banda do que os EDFAs.
• Múltiplos pombeios de frequências diferentes podem ser combi-
nadas para suprir maior largura de banda.
• O ganho de uma RFA de ≈ 20 dB é substancialmente menor do
que uma EDFA.
- Este valor pode ser aumentado pelo uso de fibras com disper-
são compensada e bombeio com polarização diferentes.
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• SOAs: a região de operação do espectro óptico depende da escolha
do material semicondutor. Pode ser bombeado eletricamente.
- São compactos e compatíveis com circuitos optoeletrônicos
integrados como pos-amplificador ou pré-amplificador.
- Na banda de comunicação entre 1, 3 e 1, 6 µm temos:
- a largura de banda usando SOAs quantum-well são ∆λ ≈ 50
nm corresponde a ∆ν ≈ 6, 5 THz em λ0 = 1550 nm;
- e usando SOAs quantum-dot são ∆λ ≈ 200 nm.
- Devido a seu baixo ganho (≈ 15 dB) sua aplicação em trans-
missão óptica é limitada a rede óptica metropolitana,
- onde ganhos baixos são suficientes para superar as perdas
associados a múltiplos nós ópticos add-drop.
- Desvantagens: incompatível com a geometria da fibra, alto
ruído, sensível a temperatura, interferência entre canais.
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• OPAs: oferece substancial ganho e banda larga sobre uma extensa
região espectral.
Uso limitado em aplicações WDM:
- O sinal WDM deve ser casado em fase ao bombeio, que requer
um nivelamento de dispersão.
- Emplementação de WDM em larga escala com canal de igual
espaçamento é impedido pela presença da mistura da quarta onda.
- Este amplificador é sensível a polarização do sinal, portanto é
desejável o bombeio multiplexação por polarização.
• Concluimos que SOAs e OPAs são menos usuais do que OFAs em
sistemas de comunicação em fibras ópticas.
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4. Detectores para Receptores Ópticos
• Dois tipos de detectores são comumente usados em sistemas de
comunicação ópticas:
- O fotodiodo p-i-n e o fotodiodo avalanche (APD - avalanche
photodiode)
• O APD tem a vantagem de fornecer ganho antes do primeiro
estágio de amplificação eletrônica no receptor.
- reduzindo o efeito de ruído do circuito.
O próprio mecanismo de ganho gera ruído e tem um tempo de
resposta finito que reduz a largura de banda do receptor.
APD requer grande tensão e uma circuitaria complexa para
compensar sua sensibilidade a flutuação de temperatura.
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• Detectores no comprimento de onda de 870 nm.
- Fotodiodos p-i-n e APDs de silicone são usados neste compri-
mento de onda.
- Na pré-amplificação, APDs silicone possui uma vantagem de
sensibilidade de 10 a 15 dB sobre os p-i-n silicone, porque o seu
ganho interno faz o ruído do pré-amplificador menos importante.
• Detectores para comprimento de onda entre 1300 e 1600 nm.
- Silicone não pode ser usado nesta região de comprimento de
onda por causa da sua transparência.
- Isto porque a largura de facha do comprimento de onda fica
abaixo do comprimento de onda da luz (λg < λ0).
- Entre os fotodiodos p-i-n de InGaAs e Ge, o InGaAs é preferido,
porque possui pequeno ruído de escuro e estabilidade térmica.
APDs de InGaAs são largamente usados.