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COMUNICAÇÕES ´ OTICAS E APLICAÇÕES Paulo André / Mário Lima Ana Pratas / Liliana Costa Cláudia Mendonça / António Teixeira

Comunicações Óticas e Aplicações Paulo André Mário Lima Ana Pratas Liliana Costa Cláudia Mendonça António Teixeira

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Índice Geral Sobre os Autores.............................................................................................................................. VI Agradecimentos............................................................................................................................... VIII Nota Prévia...................................................................................................................................... IX Siglas e Abreviaturas........................................................................................................................ XI Capítulo 1 Introdução .................................................................................................................. 1 1.1 Enquadramento ........................................................................................................................................................... 1 1.2 Perspetiva histórica....................................................................................................................................................... 1 1.3 Fundamentos das fibras óticas..................................................................................................................................... 4 1.3.1 Atenuação......................................................................................................................................................... 11 1.3.2 Tipos de fibras................................................................................................................................................... 14 1.4 Conectores óticos.......................................................................................................................................................... 16 1.5 Juntas entre fibras óticas por fusão ............................................................................................................................. 18

Capítulo 2 Redes Óticas Passivas.................................................................................................. 21 2.1 Contexto........................................................................................................................................................................ 21 2.2 Redes óticas passivas (PON)......................................................................................................................................... 23 2.2.1 Principais atores nas redes de acesso fixas...................................................................................................... 25 2.2.2 Tecnologias PON............................................................................................................................................... 27 2.2.2.1 Tecnologia WDM-PON...................................................................................................................... 28 2.2.2.2 Tecnologia OFDM-PON...................................................................................................................... 31 2.3 Arquiteturas e topologias............................................................................................................................................. 32 2.3.1 Arquiteturas ativas............................................................................................................................................ 32 2.3.2 Active Ethernet.................................................................................................................................................. 33 2.3.3 Home Run Fiber................................................................................................................................................. 34 2.3.4 Arquiteturas passivas........................................................................................................................................ 35 2.3.5 PON................................................................................................................................................................... 35 2.3.6 Comparação entre redes ativas e redes passivas............................................................................................. 35 2.3.7 Topologias......................................................................................................................................................... 36 2.3.8 P2P.................................................................................................................................................................... 37 2.3.9 P2MP................................................................................................................................................................ 38 2.4 Regulação..................................................................................................................................................................... 40 2.4.1 Princípio da regulação...................................................................................................................................... 40 2.4.2 Tendências e riscos da regulação com as redes de próxima geração (NGN)................................................... 41

Capítulo 3 Transmissão em Redes Óticas de Acesso...................................................................... 43 3.1 Norma para o meio físico............................................................................................................................................. 43 3.2 Redes de acesso............................................................................................................................................................ 46 3.2.1 G-PON............................................................................................................................................................... 46 3.2.1.1 Arquitetura da rede ótica de acesso.................................................................................................. 46 3.2.1.2 Requisitos da rede ótica.................................................................................................................... 48

IV Comunicações Óticas e Aplicações 3.2.1.3 Transmissão G-PON........................................................................................................................... 49 3.2.2 G-EPON............................................................................................................................................................. 52 3.2.2.1 Arquiteturas da rede ótica de acesso................................................................................................ 52 3.2.3 10G-EPON......................................................................................................................................................... 54 3.2.3.1 Arquiteturas da rede ótica de acesso................................................................................................ 54 3.2.3.2 Comparação das características da G-EPON e da 10G-EPON........................................................... 54 3.3 Redes de acesso futuras............................................................................................................................................... 55 3.3.1 Tecnologias de NG-PON1................................................................................................................................. 56 3.3.2 Tecnologias de NG-PON2................................................................................................................................. 57 3.3.3 XG-PON............................................................................................................................................................. 57 3.3.3.1 Arquitetura da rede ótica de acesso.................................................................................................. 57 3.3.3.2 Comprimento de onda de operação de G-PON e XG-PON............................................................... 58 3.3.3.3 Cenários de migração........................................................................................................................ 59 3.3.3.4 Requisitos da camada física.............................................................................................................. 60 3.3.3.5 Requisitos de sistema........................................................................................................................ 61 3.3.3.6 Requisitos da rede ótica.................................................................................................................... 62 3.4 Conclusões.................................................................................................................................................................... 62

Capítulo 4 Monitorização em Redes Óticas................................................................................... 65 4.1 Introdução..................................................................................................................................................................... 65 4.2 Motivação..................................................................................................................................................................... 65 4.3 Conceitos básicos e classificação de técnicas de monitorização ótica......................................................................... 67 4.4 Caso particular da monitorização em redes óticas de acesso...................................................................................... 70 4.4.1 Canal ótico de supervisão (OSC)...................................................................................................................... 75 4.5 Estado de arte de técnicas de monitorização ótica...................................................................................................... 77 4.5.1 OCM.................................................................................................................................................................. 79 4.5.2 OIM................................................................................................................................................................... 82 4.5.3 Monitorização ótica de OSNR........................................................................................................................... 86 4.5.4 Monitorização ótica de GVD em PON.............................................................................................................. 90 4.5.5 Monitorização ótica de PMD em PON.............................................................................................................. 91 4.5.6 Monitorização ótica de múltiplos efeitos de degradação de sinal.................................................................. 93 4.5.7 Monitorização ótica de falhas na estrutura de fibra........................................................................................ 96 5.1 Introdução..................................................................................................................................................................... 99 5.2 Moduladores................................................................................................................................................................. 100 5.2.1 MZM................................................................................................................................................................. 100 5.2.2 Modulador em fase e quadratura.................................................................................................................... 101 5.3 Modulação em intensidade.......................................................................................................................................... 102 5.4 Modulação coerente..................................................................................................................................................... 104 5.4.1 Formato FSK...................................................................................................................................................... 104 5.4.2 Formato PSK..................................................................................................................................................... 105 5.4.3 Deteção direta (DD) versus coerente................................................................................................................ 106 5.4.3.1 Deteção coerente homódina............................................................................................................. 108 5.4.3.2 Deteção coerente heteródina............................................................................................................ 109 5.4.3.3 Conclusões......................................................................................................................................... 109

Capítulo 5 Transmissão em Redes Óticas Metropolitanas e de Suporte........................................ 99

Índice Geral V 5.5 Formatos de modulação avançados............................................................................................................................. 110 5.5.1 DPSK................................................................................................................................................................. 110 5.5.2 QAM.................................................................................................................................................................. 112

Capítulo 6 Dispersão e Efeitos Não Lineares................................................................................. 115 6.1 CD.................................................................................................................................................................................. 115 6.2 Efeitos não lineares....................................................................................................................................................... 119 6.2.1 SPM................................................................................................................................................................... 119 6.2.2 XPM.................................................................................................................................................................. 120 6.2.3 FWM................................................................................................................................................................. 121 6.2.4 Difusão não elástica estimulada...................................................................................................................... 122 6.3 Compensação ótica da dispersão................................................................................................................................. 123 6.3.1 CFBG.................................................................................................................................................................. 124 6.3.2 DCF.................................................................................................................................................................... 125 6.4 Compensação elétrica da CD........................................................................................................................................ 127

Capítulo 7 Componentes Básicos de um Sistema de Comunicações Óticas................................... 129 7.1 Transmissores óticos..................................................................................................................................................... 129 7.1.1 Conceitos básicos.............................................................................................................................................. 129 7.1.2 LED.................................................................................................................................................................... 130 7.1.3 Lasers semicondutores..................................................................................................................................... 130 7.1.3.1 Princípio de funcionamento.............................................................................................................. 130 7.1.3.2 Característica potência versus corrente............................................................................................. 132 7.1.3.3 Lasers de modo único....................................................................................................................... 133 7.1.3.4 Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL)............................................................................... 134 7.1.3.5 Fenómenos limitativos associados................................................................................................... 134 7.1.4 Acoplamento fonte/fibra.................................................................................................................................. 137 7.2 Recetores óticos............................................................................................................................................................ 138 7.2.1 Conceitos básicos.............................................................................................................................................. 138 7.2.2 PIN..................................................................................................................................................................... 139 7.2.3 APD................................................................................................................................................................... 140 7.2.4 Ruído................................................................................................................................................................. 141 7.2.4.1 Ruído quântico.................................................................................................................................. 141 7.2.4.2 Ruído térmico.................................................................................................................................... 141 7.2.4.3 Ruído de corrente escura................................................................................................................... 142 7.2.5 Desempenho PIN e APD................................................................................................................................... 142 7.3 Amplificadores óticos................................................................................................................................................... 142

Capítulo 8 Equipamento de Teste................................................................................................. 147 8.1 Medidor de potência ótica........................................................................................................................................... 147 8.2 Microscópio ótico.......................................................................................................................................................... 147 8.3 OTDR............................................................................................................................................................................. 148 8.4 Analisador de espectros óticos..................................................................................................................................... 150

Bibliografia...................................................................................................................................... 153 Índice Remissivo.............................................................................................................................. 157

Sobre os Autores Paulo André Licenciatura em Engenharia Física e Doutoramento em Física, pela Universidade de Aveiro, respetivamente, em 1996 e 2002, tendo, em 2011, defendido a Agregação em Física. Atualmente, é Professor Associado com Agregação do Instituto Superior Técnico/Instituto de Telecomunicações da Universidade de Lisboa, onde leciona disciplinas na área científica de Telecomunicações, sendo responsável pelas Unidades Curriculares de Optoeletrónica e Sistemas de Telecomunicações por Fibra Ótica. Desde 1996, é investigador integrado do Instituto de Telecomunicações, cujos interesses de trabalho incluem componentes fotónicos e optoeletrónicos para aplicações em sensores, sistemas de comunicação e energia. É membro sénior do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) desde 2011.

Mário Lima Licenciatura em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações, em 1994, Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações, área de Sistemas de Telecomunicações, em 1998, e Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica, em 2003, pela Universidade de Aveiro. Atualmente, é Professor Auxiliar do Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática/Instituto de Telecomunicações da Universidade de Aveiro, onde leciona cadeiras em diversas áreas científicas. É também Senior Researcher do Instituto de Telecomunicações – Polo de Aveiro, na área científica de Comunicações Óticas, desde novembro de 2014, tendo começado por ser investigador em julho de 2003. Neste âmbito, desempenha atualmente o cargo de responsável pela subárea de Sistemas do grupo de Comunicações Óticas. Os seus interesses atuais de investigação incluem tecnologias associadas a redes óticas passivas de acesso de próxima geração, propagação de sinais de rádio-frequência sobre fibra e circuitos óticos integrados.

Ana Pratas Licenciatura em Engenharia Física e, em 2008, Mestrado, ambos pela Universidade de Coimbra. Em 2009, ingressou na Universidade de Aveiro no âmbito de uma bolsa de Doutoramento em Física, que concluiu no final de 2013.

Sobre os Autores VII Liliana Costa Licenciatura em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações, pela Universidade de Aveiro, em 2007. Entre 2007 e 2011, desenvolveu trabalho de investigação na área de Comunicações Óticas, no Instituto de Telecomunicações – Polo de Aveiro. Atualmente, é consultora de Recursos Humanos.

Cláudia Mendonça Licenciatura em Engenharia Eletrónica e Telecomunicações, pela Universidade de Aveiro, em 2010, ano que ingressou no Instituto de Telecomunicações como bolseira de investigação na área de Redes Óticas. Trabalha desde de 2012 na área de Televisão Digital, tendo passado pela Portugal Telecom. Atualmente, desempenha funções na área de Engenharia de TV & Service na Vodafone.

António Teixeira Doutoramento, pela Universidade de Aveiro, em 1999, com um trabalho parcialmente desenvolvido na Universidade de Rochester (EUA), e Pós-Graduação em Gestão e Liderança, pela MIT Sloan School of Management. Em 1999, iniciou a atividade docente na Universidade de Aveiro, sendo, atualmente, Professor Associado com Agregação do Departamento de Eletrónica, Telecomunicações e Informática/Instituto de Telecomunicações. Trabalhou na Nokia Siemens Networks, de 2009 a 2013, e na Coriant, entre 2013 e 2014, como agente de padronização nas redes de acesso (FSAN, ITU-T, IEEE 802.3). Em 2014, assumiu a coordenação da Escola Doutoral da Universidade de Aveiro, responsável pela coordenação de 48 programas doutorais e mais de 1300 estudantes.

Publicou mais de 400 artigos, mais de 120 dos quais em revistas reconhecidas, foi coeditor de um livro e contribuiu para muitos outros. Tem oito patentes, (co)orientou mais de 60 estudantes de Mestrado e 14 Doutoramentos e participou em mais de 35 projetos de diversas fontes de financiamento (nacionais, europeus e internacionais). Em 2014, foi cofundador da startup PICadvanced SA, focada em módulos de rede e Biotecnologia. Serviu vários comités científicos de conferências relevantes na área. É membro sénior da OSA (Optical Society of America), do IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) e da IEEE-SA (IEEE Standards Association).

Agradecimentos Esta obra só foi possível com a colaboração de diversas pessoas e instituições. Agradecemos às instituições de acolhimento, designadamente, ao Instituto de Telecomunicações, ao Instituto Superior Técnico e à Universidade de Aveiro. Agradecemos ainda à Fundação para a Ciência e Tecnologia, pelo financiamento das bolsas de formação avançada. A génese deste livro encontra-se no projeto NGPON2, um projeto de investigação QREN em copromoção com a PT Inovação e cofinanciado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional através do COMPETE – Programa Operacional Fatores de Competitividade. As atividades desenvolvidas, os resultados obtidos e as francas discussões que ocorreram entre os intervenientes do projeto permitiram aplicar e desenvolver os nossos conhecimentos, gerando o conteúdo apresentado neste livro. Agradecemos ao José António Mendes e ao Miguel Lacerda, pelo apoio na obtenção e tratamento das imagens apresentadas nesta obra. Os nossos agradecimentos especiais a inúmeras pessoas – família, amigos, colegas e colaboradores – que, direta ou indiretamente, participaram na realização deste projeto.

Nota Prévia Os sistemas de comunicações óticas têm sofrido um desenvolvimento significativo desde a sua introdução em 1960, desencadeado com a descoberta do laser. Essa descoberta levou à realização de experiências preliminares de transmissão de informação através de feixes óticos propagados na atmosfera, mas rapidamente se percebeu que a variabilidade do meio atmosférico era um fator limitativo, sendo necessário encontrar outro meio que guiasse esses sinais de luz – a fibra ótica. Atualmente, com o crescimento das redes de fibra ótica, existe uma elevada procura, por parte dos profissionais do setor das comunicações, de informação redigida em português sobre o assunto, sendo tal inexistente no mercado livreiro atual. Esta obra visa providenciar uma perspetiva abrangente sobre a tecnologia associada às comunicações óticas, sendo destinada a engenheiros e técnicos que lidem com o tema. No entanto, os temas são abordados com a profundidade teórica suficiente para servir de suporte à formação avançada, nomeadamente em cursos universitários. Este livro está organizado em oito capítulos, com um conceito de organização que permite ao leitor a consulta autónoma e independente de cada capítulo. No capítulo inicial, é feita uma descrição da relevância e enquadramento atual das comunicações óticas, bem como é apresentada uma perspetiva histórica da sua evolução. Neste capítulo será também feita uma breve descrição do princípio de funcionamento das fibras óticas e dos conectores óticos mais comuns nas utilizações comerciais. O segundo capítulo debruça-se sobre as redes óticas passivas (PON, do inglês passive optical networks), introduzindo, na sua primeira secção, os componentes mais comuns, as técnicas de transmissão e modelos económicos. Neste capítulo, é também dado destaque às diferentes arquiteturas, bem como às diferentes topologias e técnicas de multiplexagem. A terceira secção deste capítulo relaciona-se com a regulamentação existente em Portugal e na Europa, abordando, ainda, as redes G-EPON (gigabit Ethernet PON) e G-PON (gigabit PON) em termos de princípios de funcionamento, características técnicas e padrões de comunicação. O Capítulo 3 centra-se na descrição dos protocolos-padrão de transmissão e redes de acesso, apresentando as normas de transmissão em redes, providenciando ainda uma breve comparação entre redes óticas passivas de banda larga (BPON, do inglês broadband PON), G-PON e EPON (Ethernet PON). Na segunda secção, é dada ênfase às redes de acesso, desde os meios de transmissão a tecnologias de comunicação, passando pelos conceitos de fibra até casa do utilizador (Fiber-to-the-Neighborhood e Fiber-To-The-Home). São, ainda,

X Comunicações Óticas e Aplicações apresentadas soluções rádio sobre fibra (RoF, do inglês radio over fiber), bem como as suas vantagens e limitações. O quarto capítulo aborda técnicas de monitorização ótica, implementadas na camada física das redes, com especial ênfase na sua aplicação em redes óticas de acesso. É, também, abordada a relação entre a monitorização ótica e a reconfiguração ativa, a nível da escalabilidade, proteção e segurança em redes multiplexadas dinâmicas. São abordadas noções de restauro dedicado e restauro dinâmico, tempos de restauro, deteção e localização de falhas de segurança e respetivo restauro e prevenção. O subcapítulo de monitorização aborda tecnologias de refletometria ótica no domínio temporal, bem como outras técnicas de monitoria de redes óticas. No quinto capítulo, é analisada a transmissão em redes metro/core, nomeadamente as questões associadas com a modulação de um sinal ótico e respetiva desmodulação. São apresentados os moduladores óticos utilizados na obtenção dos formatos de modulação atuais, sendo, depois, descritos os formatos de modulação em intensidade, os coerentes e, finalmente, alguns formatos de modulação avançados. O Capítulo 6 tem como objetivo descrever a dispersão cromática (CD, do inglês chromatic dispersion) e os efeitos não lineares, bem como a sua compensação ótica/elétrica. Numa primeira fase, são apresentadas a CD e as limitações impostas na distância e no ritmo de transmissão. Em seguida, indicam-se sumariamente os efeitos não lineares que mais contribuem para as distorções do sinal ótico que se propaga numa fibra. Finalmente, é abordada a compensação ótica da dispersão, sendo também apresentados os fundamentos da compensação elétrica.

O Capítulo 8 é dedicado à apresentação dos equipamentos mais usuais de teste e medida em redes óticas, sendo fornecidas informações detalhadas sobre os seus princípios de funcionamento e características principais. Os equipamentos abordados são o medidor de potência ótica, o microscópio ótico, o analisador de espectros óticos e o refletómetro ótico no domínio do tempo (OTDR, do inglês optical time domain reflectometer).

O Capítulo 7 aborda o tema dos emissores e recetores óticos, sendo apresentados os fundamentos e conceitos básicos da emissão e da receção. Como emissores são apresentados os díodos de emissores de luz (LED, do inglês light emitting diode) e os lasers semicondutores, com ênfase para estes últimos, por serem de uso mais abrangente, sendo descritos o seu princípio de funcionamento, as estruturas para obtenção de um único modo longitudinal, bem como as características e os fenómenos limitativos associados. É também referido o acoplamento entre fonte e fibra. Na secção dedicada aos recetores óticos, são apresentados os fotodetetores mais comuns, os conceitos básicos associados, bem como as suas características de ruído e sensibilidade. Termina com uma breve abordagem dos amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFA, do inglês erbium doped fiber amplifier) e amplificadores óticos de Raman.

Capítulo 1

Introdução

1.1 Enquadramento Os sistemas de comunicações óticas sofreram um desenvolvimento significativo a partir de 1960, desencadeado com a descoberta do laser. Desde então, surgiram experiências preliminares de transmissão de informação através de feixes luminosos propagados na atmosfera, mas rapidamente se percebeu que a variabilidade do meio atmosférico era um fator limitativo, sendo necessário encontrar outro meio que guiasse os sinais de luz. Esse meio é, hoje, a fibra ótica, constituída por uma fina estrutura cilíndrica de vidro, o núcleo, rodeada por outra camada concêntrica, também de vidro, a bainha, mas com um índice de refração ligeiramente inferior. As fibras óticas são o elemento central nos sistemas de comunicações óticas, embora, atualmente, as aplicações das fibras não se limitem ao canal de transporte, sendo também utilizadas em dispositivos óticos integrados, tais como amplificadores óticos, filtros, polarizadores, acopladores e comutadores. O rápido crescimento das comunicações óticas deveu-se às vantagens associadas à utilização de fibras óticas, quando comparadas com outros meios de transporte de informação. De entre as vantagens da fibra ótica salientam-se: a sua elevada largura de banda, a atenuação reduzida, o baixo peso e volume e a imunidade à interferência eletromagnética. Outra grande vantagem reside na possibilidade do fabrico de fibras finas a partir de sílica, sendo este um dos elementos mais abundantes da crosta terrestre, possibilitando assim a produção de uma solução de baixo custo. Apesar da aparente fragilidade resultante da utilização de sílica para a produção de fibras óticas, por possuírem tipicamente 125 µm de diâmetro, estas apresentam uma elevada resistência mecânica, suportando tensões da ordem de 200 N. Esta obra visa providenciar uma perspetiva sobre a tecnologia das fibras óticas, sendo destinada a engenheiros e técnicos que lidem com comunicações óticas. No entanto, os tópicos são abordados com a profundidade teórica suficiente para ministrar formação avançada em cursos de graduação e pós-graduação académica.

1.2 Perspetiva histórica Numa perspetiva lata, o sistema de torres de fogo, utilizado pelos Gregos antigos em 2500 a.C. pode ser considerado o primeiro sistema de comunicações óticas ponto a ponto (P2P, do inglês point to point). Por sua vez, os semáforos de Chappes (1791) são encarados como a primeira rede de comunicações óticas, a qual cobriu uma vasta extensão geográfica do Império Napoleónico. Numa perspetiva mais restrita, o início dos sistemas de comu-

2 Comunicações Óticas e Aplicações nicações óticas pode ser colocado no ano de 1841, quando Daniel Colladon demonstrou a guiagem de luz através de jatos de água, fazendo esta demonstração para entreter audiências em Genebra e Londres. Quase simultaneamente, Babinet estendeu o princípio de guiagem de luz a tubos de vidro, antecessor direto das fibras óticas. Em 1951, Brian O’Brien e Abraham Van Heel introduziram o conceito de bainha de proteção externa. Isto permitiu aumentar a flexibilidade das fibras e reduzir a perda de sinal resultante das curvaturas e imperfeições da superfície dos guias. De facto, esta foi a primeira referência às fibras tais como elas são, hoje, conhecidas. O princípio de reflexão interna total, responsável pela propagação guiada da luz nas fibras óticas, é conhecido desde o século XIX. Embora tenham sido fabricadas fibras óticas sem bainha a partir de 1920, o seu desenvolvimento só se verificou quando, em 1966, foi proposta a sua produção com várias camadas de sílica concêntricas.

As previsões de Charles Kao começaram a ser concretizadas, em 1970, com o início da produção de fibras óticas com um baixo valor de atenuação. Esse passo essencial seria dado, em 1971, pela Corning Glass Works que, através da inovação no processo de purificação e fabrico, consegui obter uma atenuação de 17 dB/km, para um comprimento de onda de 632 nm. Rapidamente, este processo foi refinado e permitiu o fabrico de fibras com uma atenuação de 0.2 dB/km, para um comprimento de onda de 1550 nm, antes do final da década de 1970. Em 1977, foi demonstrado o primeiro sistema de comunicações baseado em fibras óticas, em Long Beach, Califórnia. Rapidamente, esta tecnologia foi disseminada, sendo utilizada, pela primeira vez, em ligações transatlânticas em 1988. A evolução não terminou e, hoje,

Um dos elementos-chave no fabrico de fibras é a produção de sílica pura com reduzido valor de atenuação para o sinal propagado. Um grande percurso tecnológico foi percorrido, desde os vidros produzidos pelos egípcios com uma atenuação de 107 dB/km em 3000 a.C., passando pelos vidros produzidos pelos venezianos com uma atenuação de 105 dB/km em 1000 d.C., até às primeiras fibras produzidas em 1920 com uma atenuação de 1000 dB/km. Na década de 1960, as comunicações fixas estavam suportadas por ligações em fios de cobre. Nesse período, já existiam fibras óticas com uma estrutura muito semelhante às atuais, no entanto, eram unicamente utilizadas em aplicações de curta distância e como suporte para sistemas de visão, nomeadamente endoscópios. A grande limitação dessas fibras residia no elevado valor da atenuação, ou seja, na impossibilidade de propagar sinais óticos por longas distâncias. A questão fundamental que se colocava nessa altura era se essa limitação resultava de erros na conceção das fibras ou de outras limitações fundamentais. Charles Kao demonstrou, em 1966, que a atenuação das fibras existentes nessa época era resultado da existência de impurezas na matéria-prima que as constituiam. Kao também sugeriu que a resolução desse problema poderia reduzir significativamente o valor da atenuação e que, quando isso acontecesse, seria possível utilizar as fibras como um meio fiável para o transporte de informação a longa distância.

Introdução 3 cerca de 50 anos após o estudo de Charles Kao, encontramo-nos num cenário em que as fibras são instaladas até à casa dos utilizadores, alterando o paradigma da nossa forma de comunicar com a sociedade que nos rodeia. Sem dúvida que a nossa sociedade foi moldada pelos conceitos desenvolvidos por Charles Kao na década de 1960. Como reconhecimento pelo seu trabalho pioneiro, Charles Kao foi galardoado, juntamente com Willard S. Boyle e George E. Smith, com o Prémio Nobel da Física em 2009. Uma nova geração de fibras surgiu em 1980. O aumento do ritmo de transmissão dos sistemas criou a necessidade de reduzir a dispersão total das fibras, dominada pela dispersão modal. Emergiram, então, as fibras com uma variação gradual do índice de refração entre o núcleo e a bainha, reduzindo, desta forma, a dispersão modal. O passo definitivo para a eliminação da dispersão modal foi a introdução das fibras monomodo, com uma variação do índice de refração em degrau, mas com uma dimensão do núcleo da ordem de grandeza do comprimento de onda do sinal propagado. Estas fibras óticas monomodo consistem num cilindro de sílica com um diâmetro de 125 µm e um diâmetro do núcleo típico de 8 µm a 10 µm, e que apresenta um índice de refração ligeiramente superior ao índice da bainha e onde se propaga predominantemente o sinal ótico. Nas fibras óticas, toda a sílica, para além de uma zona central com 30 µm de diâmetro, não tem qualquer função ótica ativa, servindo unicamente o propósito de conferir à fibra um tamanho manejável por operadores humanos e uma maior resistência mecânica.

Outro advento na tecnologia de fabrico de fibras que revolucionou os sistemas de comunicações óticas surgiu, em 1989, com a possibilidade de dopar a fibra durante o fabrico com iões de érbio. Deste modo, é possível transferir energia entre um sinal de um laser, designado como de bombeamento, e o sinal de informação, o qual é amplificado num processo completamente ótico. Este tipo de amplificador, atualmente bastante utilizado, é designado como amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA, do inglês erbium doped fiber amplifier) e permite a extensão das redes de comunicações por distâncias transoceânicas. Durante a década de 1990, realizou-se um novo esforço de investigação e desenvolvimento (I&D, do inglês investigation & development) em fibras óticas com características especiais, tais como as fibras para a compensação de dispersão (DCF, do inglês dispersion compensating fiber) e as fibras com dispersão deslocada (DSF, do inglês dispersion-shifted fiber). Estes tipos de fibras são fabricados através da alteração do perfil do índice de refração ao longo da secção da fibra, com zonas alternadas de índice elevado e reduzido. O aparecimento destas fibras surge porque, atualmente, existem mais de 100 milhões de quilómetros de fibra instalada a operarem na região espectral em torno de 1310 nm. Com o advento dos EDFA, que funcionam na janela de 1550 nm, houve a necessidade de os operadores migrarem para essa janela espectral, onde a atenuação é menor e onde existem meios óticos de amplificação. Porém, nessa região espectral, a dispersão da fibra padrão é elevada, sendo necessária a utilização de DCF para a compensar, ou em alternativa, fibras DSF para o transporte de informação. Na última década, assistiu-se à utilização de um novo

4 Comunicações Óticas e Aplicações tipo de fibra, a fibra de dispersão deslocada não nula (NZDSF, do inglês non-zero dispersion-shifted fiber) que veio colmatar as desvantagens associadas à DSF. O limite inferior teórico para a perda de energia do sinal ótico, devido à atenuação das fibras, tem sido intensamente estudado desde 1970, indicando que a atenuação está limitada pela dispersão de Rayleigh para os comprimentos de onda reduzidos (região espectral visível) e pela absorção devida a transições vibracionais para os comprimentos de onda elevados. O valor da atenuação das fibras atuais encontra-se muito próximo do limite teórico mínimo, que é ligeiramente inferior a 0.18 dB/km para um comprimento de onda de 1550 nm.

1.3 Fundamentos das fibras óticas Uma fibra ótica é um guia de onda cilíndrico para sinais com frequências óticas, guiando a radiação numa direção paralela ao eixo longitudinal. As propriedades de transmissão desse guia de onda são determinadas pelas suas características estruturais.

Figura 1.1 Estrutura básica de uma fibra ótica.

A estrutura de uma fibra ótica padrão é de um cilindro com raio a e índice de refração n1. Essa região é designada de núcleo, sendo responsável pela propagação do sinal ótico no seu interior. O núcleo é envolto por uma região designada como bainha, com um índice de refração, n2. O valor do índice de refração no núcleo é ligeiramente superior (< 1%) ao valor índice de refração na bainha. A função da bainha é reduzir as perdas de espalhamento associadas a descontinuidades na superfície do núcleo, aumentar a rigidez mecânica, proteger o núcleo de contaminações exteriores e proporcionar uma dimensão mínima que permita um fácil manuseamento por parte de um operador humano. O exterior da bainha é envolvido por um revestimento polimérico com um diâmetro de 250 µm, tal como representado na Figura 1.1.

Introdução 5 A evolução do perfil do índice de refração ao longo da região do núcleo determina as características de propagação dos impulsos óticos no seu interior. Numa primeira variante das fibras óticas, o índice de refração é uniforme em toda a região do núcleo e regista-se uma mudança abrupta na interface com a região da bainha. Este tipo de fibra é designado como fibra de índice em degrau. Numa outra variante, o índice varia gradualmente do centro do núcleo até à bainha, sendo designado como fibra de índice gradual. As fibras de índice em degrau podem ser divididas em duas classes: monomodo ou multimodo. Esta classificação distingue uma característica fundamental das fibras, que é o número de modos propagados, ou seja, o número de percursos possíveís para os sinais óticos dentro da fibra. Apesar desta classificação, a característica modal de propagação depende também do comprimento de onda do sinal a propagar, podendo uma fibra ter um comportamento distinto em função do sinal ótico a propagar. Tal como o próprio nome indica, numa fibra monomodo só se propaga um único modo, enquanto uma fibra multimodo admite vários modos de propagação. Estes tipos de fibras são ilustrados na Figura 1.2.

r (a)

r (b)

r (c)

Figura 1.2 Perfil do índice de refração numa fibra ótica: (a) multimodo índice em degrau; (b) multimodo índice gradual; e (c) monomodo. Historicamente, as primeiras fibras instaladas foram do tipo de índice em degrau, mas com um diâmetro do núcleo de 62.5 µm, sendo classificadas como multimodo. Este tipo de fibra, devido à elevada dimensão do núcleo, quando comparada com o comprimento de onda propagado, permite a existência de vários percursos (modos) para um sinal que nela se propague. Como cada modo excitado se propaga por uma distância distinta, os diversos modos vão emergir na saída da fibra em instantes temporais distintos. Este comportamento dos modos resulta num alargamento temporal dos impulsos propagados, como ilustrado na Figura 1.3. Esta característica de alargamento temporal de impulsos é designada como dispersão intermodal, devido à existência de vários modos de propagação.

6 Comunicações Óticas e Aplicações

(a)

(b)

n2 Impulso entrada

n1(r)

Impulso saída

(c)

Figura 1.3 Dispersão do sinal numa fibra ótica: (a) fibra multimodo índice em degrau; (b) fibra multimodo índice gradual; e (c) fibra monomodo. A primeira tentativa para colmatar este efeito foi a introdução das fibras de índice gradual, onde os modos que se propagam em regiões afastadas do centro do núcleo percorrem um percurso maior, mas estão sujeitos a um índice de refração menor, logo apresentam uma velocidade de propagação superior. Desta forma, o efeito da dispersão intermodal é reduzido. No entanto, a sua completa supressão só foi conseguida com a introdução das fibras monomodo, pois a dimensão do seu núcleo é comparável ao comprimento de onda do sinal propagado e considera-se que só um modo é excitado. A descrição da propagação da luz numa fibra multimodo pode ser feita, desde que a dimensão do núcleo seja muito superior ao comprimento de onda do sinal propagado, recorrendo a uma aproximação de ótica geométrica. Tome-se o exemplo de uma fibra de índice em degrau, com núcleo de raio a e índice de refração n1. O núcleo é rodeado por uma bainha com um valor para o índice de refração de n2, dado pela expressão (1.1):

(1.1)

O parâmetro Δ é, usualmente, designado como contraste do índice de refração, tendo valores típicos de 0.010. O valor usual para n1 é de 1.485.

A direção de propagação (ou raio meridional) do sinal que entra na fibra procedente do ar (n = 1), segundo um ângulo, α, em relação ao eixo longitudinal da fibra, vai ser refratado dentro do núcleo com um ângulo, θ, tal como ilustrado na Figura 1.4.

Introdução 7

θ2

θ1 α

n1 n2

Figura 1.4 Descrição geométrica da propagação de um sinal dentro de uma fibra ótica. A relação entre os ângulos dos sinais incidentes e emergentes das interfaces é dada pela lei de Snell, expressão (1.2):

(1.2)

Quando o sinal injetado interseta a interface bainha/núcleo, segundo um ângulo θ1, irá ser refratado para a região da bainha segundo o ângulo θ2, que pode ser calculado novamente recorrendo à equação de Snell. Como o valor do índice de refração da bainha, n2, é superior ao valor do índice do núcleo, pode ocorrer uma situação de reflexão interna total (θ2 = 90°), que acontece quando o ângulo do sinal incidente, θ1, é superior a um ângulo de incidência crítico, θc, obtido pela expressão (1.3):

(1.3)

Os feixes que atingem a interface núcleo/bainha segundo um ângulo inferior a θc serão refratados para a região da bainha. Esta condição poder ser relacionada com o ângulo máximo de entrada na fibra, αm. Assim, só os feixes que entram na fibra segundo ângulos inferiores a αm se conseguem propagar. Tendo em conta a geometria cilíndrica da fibra, pode-se definir um cone com abertura αm, designado cone de aceitação, que define os limites para o ângulo máximo de entrada do sinal na fibra, por forma a obter-se propagação guiada.

As fibras são usualmente caracterizadas pela sua abertura numérica (NA, do inglês numerical aperture), que está relacionada com a abertura do cone de aceitação, descrita pela expressão (1.4):

(1.4)

Os valores típicos valores de NA variam entre 0.15 e 0.50. Para as fibras multimodo, é possível quantificar o valor da dispersão intermodal, considerando os dois modos extremos em termos de distância percorrida: o modo fundamental, que

8 Comunicações Óticas e Aplicações pode ser representado como uma propagação em linha reta sem reflexão nas interfaces, e o modo de ordem mais elevada, que se propaga com reflexões na interface bainha/núcleo segundo o ângulo crítico. Neste caso, a diferença entre os tempos de propagação desses modos, ao longo de uma fibra com comprimento L, é dada pela expressão (1.5):

(1.5)

sendo c a velocidade de propagação da luz no vazio. Num caso típico de contraste dos índices de refração de 0.01, obtem-se um valor para a dispersão intermodal de 33 ns/km. Ou seja, para cada quilómetro de fibra, o impulso ótico vai sofrer um alargamento temporalmente de 33 ns. Como qualquer guia de onda, uma fibra ótica admite um número infinito de modos de propagação. No entanto, só alguns desses modos são guiados. Como foi referido anteriormente, uma fibra ótica é um guia de onda dielétrico que pode ser estudado de uma forma aproximada recorrendo à teoria de raios da ótica geométrica. No entanto, esta aproximação só é válida para fibras multimodo com índice em degrau. No estudo de fibras monomodo (que só permitem um modo de propagação), é necessário utilizar a teoria da ótica ondulatória, considerando-se que o campo eletromagnético se propaga primordialmente no núcleo da fibra e que é evanescente na zona da bainha deste, onde tende rapidamente para zero.

A análise dos modos de propagação mostra que o campo eletromagnético não está confinado à região do núcleo, estendendo-se para a região circundante da bainha. O valor da amplitude do campo elétrico varia harmonicamente ao longo do núcleo e decresce exponencialmente fora dessa região, sendo que os modos de baixa ordem estão fortemente confinados na região do núcleo. Esta aproximação para um guia de onda planar pode ser expandida para a geometria cilíndrica de uma fibra ótica. O parâmetro normalizado do guia de onda, V, definido na expressão (1.6), permite quantificar os modos de propagação que uma fibra pode suportar. A frequência do sinal ótico (ou comprimento de onda) para a qual um modo deixa de se propagar é designada como frequência, ou comprimento de onda, de corte desse modo.

É conveniente analisar qualitativamente o campo modal nas fibras. Por forma a introduzir esta interpretação, insere-se o conceito de guia planar, que representa a configuração do guia de onda mais simples. Este guia é composto por uma camada de material com um determinado índice de refração, n1, envolvido por duas camadas com índice de refração inferior, n2. Cada modo é identificado por um número de ordem igual ao número de nulos do campo eletromagnético ao longo da secção transversal do guia e está relacionado com o ângulo que o agregado de raios que lhe está associado faz com o plano do guia ou com o eixo de propagação no caso das fibras. Na Figura 1.5, mostra-se o padrão do campo elétrico para alguns modos de ordem mais baixa.

Introdução 9 De uma forma generalizada, a designação de frequência, ou comprimento de onda, de corte é aplicada para designar a situação onde só um modo se propaga, passando-se de uma situação multimodal para monomodal.

(1.6)

TE0

TE1

TE2

Campo evanescente

Distribuição sinusoidal

Campo evanescente

Figura 1.5 Modos de baixa ordem num guia de onda planar. O número de modos de propagação suportados por uma fibra para um determinado comprimento de onda depende, fundamentalmente, do diâmetro do núcleo e da diferença entre o índice de refração do núcleo e o índice de refração da bainha. O modo fundamental não tem frequência de corte e só deixa de existir se o diâmetro do núcleo se anular. Uma fibra só suportará um único modo de propagação se V < Vc, com Vc ≅ 2.4048. Na prática, este modo é degenerado em dois modos de polarização perpendiculares. Este valor de V impõe a transição de um regime multimodal para um monomodal. A existência de um sinal incidente com um ângulo de entrada superior ao ângulo de aceitação irá resultar num conjunto de modos que se propagam na região da bainha, sendo designados como modos de bainha. O número de modos suportados por uma fibra multimodal com índice em degrau, M, é estimado, aproximadamente, para valores de V elevados pela expressão (1.7):

(1.7)

Para um número elevado de modos suportados, isto é, longe da frequência de corte, a fração da potência total, P, transportada na bainha, Pbainha, pode ser estimada pela expressão (1.8):

(1.8)

Os sistemas de comunicações óticas têm beneficiado de um desenvolvimento significativo a partir de 1960, desencadeado com a invenção do laser. Nessa altura, surgiram experiências preliminares de transmissão de informação com feixes luminosos propagados na atmosfera, mas rapidamente se percebeu que a variabilidade do meio atmosférico era um fator limitativo, sendo necessário encontrar outro meio que guiasse esses sinais de luz – a fibra ótica. Muito rapidamente, o crescimento da cobertura geográfica e do desempenho dos sistemas de comunicações óticos foi fulgurante. Ao longo das últimas décadas, assistiu-se a um aumento da capacidade de transporte de informação, sendo possível encontrar sistemas com uma capacidade superior a 100 Petabit/s/km. Os desafios atuais prendem-se com a redução do consumo energético e do custo do equipamento, bem como com o aumento da abrangência geográfica das redes, fornecendo ligação ótica até casa do utilizador.

ISBN 978-989-752-137-9

9 789897 521379

www.lidel.pt

Esta obra visa providenciar uma perspetiva abrangente sobre a tecnologia associada às comunicações óticas, sendo destinada a engenheiros e profissionais que trabalham na área. Com o crescimento da cobertura geográfica e da dimensão das redes de fibra ótica, existe uma elevada procura, por parte dos profissionais do setor das telecomunicações, de informação redigida em português. Comunicações Óticas e Aplicações vem não só colmatar esta lacuna, como também servir de suporte à formação avançada, nomeadamente em cursos universitários, pela profundidade teórica com que os temas são abordados.