000898475

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

BRUNO CANAL

SISTEMA PARA CLCULO DE ENLACES PTICOS DWDM

Porto Alegre

2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

BRUNO CANAL


Projeto de diplomao apresentado ao Departa-mento de Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para Gradu-ao em Engenharia Eltrica.

ORIENTADOR: Prof. Dr. lvaro Augusto Almeida de Salles

Porto Alegre

2013

BRUNO CANAL


Este projeto foi julgado adequado para fazer jus aos crditos da Disciplina de Projeto de Diplomao, do Departamento de Engenharia Eltrica e aprovado em sua forma final pelo Orientador e pela Banca Examinadora.

Orientador: ____________________________________ Prof. Dr. lvaro Augusto Almeida de Salles, UFRGS

Doutor pela University of London Londres, Inglaterra

Aprovado em:____/____/____

Banca Examinadora:

_______________________________________________

Prof. Dr. lvaro Augusto Almeida de Salles, UFRGS Doutor pela University of London Londres, Inglaterra

_______________________________________________

Engenheiro Bernardo Schaeffer, Digitel S.A Engenheiro pela UFRGS Porto Alegre, Brasil.

_______________________________________________

Dr. Ivan Mller , UFRGS. Doutor pela UFRGS Porto Alegre, Brasil.

DEDICATRIA

Dedico este trabalho a minha famlia por sempre apoiarem minhas escolhas e incentiva-rem a conquistar meus objetivos, especialmente no que se trata ao meu curso de graduao em Engenharia Eltrica.

AGRADECIMENTOS

Agradeo ao Prof. Dr. lvaro Augusto Almeida de Salles, orientador deste projeto, pela vontade e empenho em me orientar durante este perodo.

Agradeo a todos os demais professores da UFRGS, em especial aos professores do De-partamento de Engenharia Eltrica, pelos ensinamentos a mim transmitidos.

Agradeo a UFRGS de um modo geral pelas oportunidades oferecidas durante o curso de graduao.

Agradeo a universidade Politecnico di Torino pela experincia proporcionada no inter-cmbio por mim realizado.

Agradeo a Digitel S.A. por ter me acolhido durante o perodo de estgio e pela oportu-nidade de desenvolver este projeto. Em especial agradeo aos colegas de trabalho pelos momen-tos de discusso sobre diversos assuntos abordados neste projeto. Agradeo aos membros da banca avaliadora por aceitarem o convite.

RESUMO

A crescente demanda por capacidade de transmisso de dados por fibra ptica atendida pela implantao de sistemas Dense Wavelenght Division Multiplexing (DWDM). Estes sistemas por sua vez devem se adaptar as especificaes impostas pelo enlace a ser atendido, assim torna-se necessrio o conhecimento das caractersticas de um sistema DWDM para a posterior simulao do mesmo, a fim de estimar as degradaes sofridas pelo sinal transmitido. Com este objetivo, aps o estudo do sistema e identificao de parmetros que caracterizam a qualidade do sinal transmitido, desenvolveu-se um simulador de enlaces pticos DWDM, que baseado no softwa-re Simulink. Sendo composto de uma biblioteca que modela os diversos componentes do siste-

ma, o simulador calcula os parmetros de potncia ptica, relao sinal rudo ptico (OSNR) e disperso cromtica do sinal transmitido. Alm do clculo de parmetros, o simulador identifica

as especificaes dos componentes utilizados e gera alarme no caso do no atendimento das mesmas. A validao do simulador se deu atravs da comparao entre dados simulados e medi-das feitas a partir de ensaios utilizando componentes da plataforma Prisma da empresa Digitel S.A. Analisando os dados obtidos na validao concluiu-se que o simulador apresentou resulta-dos satisfatrios e pode ser utilizados no projeto de enlaces pticos DWDM, visto que os resulta-dos das simulaes, por utilizarem as especificaes de pior caso dos componentes, apresentaram valores piores do que os testes, mas dentro de uma faixa esperada.

Palavras chave: Transmisso ptica. DWDM. Potncia ptica. OSNR. Disperso cromtica.

ABSTRACT

The growing demand for optical fiber transmission data capacity is satisfied by the em-ployment of Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) systems. These systems must fit the specifications imposed by the link that should be build. With this goal its important know the characteristics of DWDM system for simulation and estimation of signal's parameters degra-dation on the link. So after studying the system and identify the quality parameters of transmitted signal a Simulink software based was developed through modeling the systems components. This simulator calculate the optical power, optical signal-noise ratio, chromatic dispersion of signals and more the simulator gets component's specifications and generates alarms if any pa-

rameter is incorrect. The validation was made comparing data from simulator with measurements of tests using products of Digitel S.A. The simulator proved to be able on DWDM network de-

sign since the parameters results were worst if compared with the tests measurements as ex-pected because of the parameter's worst case of simulator.

Keywords: Optical Transmission. DWDM. Optical power. OSNR. Chromatic Dispersion.

SUMRIO 1 INTRODUO ..................................................................................................................... 14

2 FIBRA PTICA ..................................................................................................................... 15

2.1 ATENUAO ....................................................................................................................................... 16

2.2 DISPERSO CROMTICA ........................................................................................................................ 18

2.3 DISPERSO POR MODO DE POLARIZAO (PMD) ...................................................................................... 21

2.4 NO-LINEARIDADES ............................................................................................................................. 22

2.4.1 Espalhamento Raman Estimulado (SRS) ......................................................................................... 22

2.4.2 Espalhamento de Brillouin .............................................................................................................. 23

2.4.3 Mistura de Quatro Ondas ............................................................................................................... 24

2.5 TIPOS DE FIBRAS PTICAS MONOMODO ................................................................................................... 25

2.5.1 Nondispersion-Shifted Fiber ............................................................................................................ 25

2.5.2 Dispersion-Shifted Fiber (DSF) ......................................................................................................... 26

2.5.3 Nonzero Dispersion-Shifted Fiber (NZDSF) ...................................................................................... 27

3 TRANSCEIVERS .................................................................................................................... 30

3.1 EMISSORES DE LUZ ............................................................................................................................... 30

3.2 FOTODETECTOR ................................................................................................................................... 32

3.2.1 Fotodetectores PIN .......................................................................................................................... 32

3.2.2 Fotodetectores APD ........................................................................................................................ 33

4 AMPLIFICADORES PTICOS.................................................................................................. 35

4.1 AMPLIFICADOR EDFA ........................................................................................................................... 35

4.2 AMPLIFICADOR PTICO RAMAN .............................................................................................................. 38

5 COMPONENTES PASSIVOS DO SISTEMA DWDM ................................................................... 40

5.1 MUX E DEMUX ................................................................................................................................. 40

5.1.1 TFF ................................................................................................................................................... 40

5.1.2 AWG ................................................................................................................................................ 42

5.2 DCM ................................................................................................................................................ 43

6 CLCULO DE ENLACES ......................................................................................................... 45

6.1 DISPERSO CROMTICA ........................................................................................................................ 45

6.2 POWER BUDGET .................................................................................................................................. 46

6.3 OSNR ............................................................................................................................................... 48

6.3.1 Medio .......................................................................................................................................... 49

6.3.2 Clculo ............................................................................................................................................. 53

7 SIMULADOR DE ENLACE PTICO .......................................................................................... 55

7.1 MODELAGEM DOS DISPOSITIVOS PTICOS ................................................................................................. 55

7.1.1 Transmissor ..................................................................................................................................... 56

7.1.2 Multiplexadores .............................................................................................................................. 57

7.1.3 Atenuadores .................................................................................................................................... 60

7.1.4 Amplificador .................................................................................................................................... 61

7.1.5 Fibra ................................................................................................................................................ 62

7.1.6 DCM ................................................................................................................................................ 63

7.1.7 OADM .............................................................................................................................................. 64

7.1.8 APS .................................................................................................................................................. 67

7.1.9 Receptor .......................................................................................................................................... 67

7.1.10 Analisador ....................................................................................................................................... 68

7.2 VALIDAO DO SOFTWARE ..................................................................................................................... 69

7.2.1 Ensaio 1 ........................................................................................................................................... 70

7.2.2 Ensaio 2 ........................................................................................................................................... 76

8 CONCLUSES ...................................................................................................................... 79

REFERNCIAS ................................................................................................................................... 81

APNDICE A ..................................................................................................................................... 83

APNDICE B ..................................................................................................................................... 92

ANEXO 1 ........................................................................................................................................ 100

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1. SECO TRANSVERSAL DA FIBRA PTICA .................................................................................................. 15

FIGURA 2. SECO TRANSVERSAL DA FIBRA MULTIMODO ( ESQUERDA) E MONOMODO ( DIREITA). .................. 16

FIGURA 3. ATENUAO DA FIBRA PTICA EM FUNO DO COMPRIMENTO DE ONDA ............................................ 17

FIGURA 4. DIVISES DAS JANELAS E BANDAS DE UTILIZAO DA FIBRA PTICA PARA TELECOMUNICAO ........... 18

FIGURA 5. EFEITO DA DISPERSO CROMTICA EM UM PULSO PTICO. .................................................................... 19

FIGURA 6. INTERFERNCIA INTERSIMBLICA CAUSADA PELA DISPERSO CROMTICA. ........................................... 20

FIGURA 7. DISPERSO POR MODO DE POLARIZAO. ................................................................................................ 22

FIGURA 8. INTERAO FTON-FNON DO EFEITO SRS .............................................................................................. 23

FIGURA 9. EFEITO SBS .................................................................................................................................................. 24

FIGURA 10. EFEITO DO FWM NO DOMNIO TEMPO E FREQUNCIA. .......................................................................... 25

FIGURA 11. LIMITES DO COEFICIENTE DE DISPERSO CROMTICA DA FIBRA CARACTERIZADA NA TABELA 3. ......... 29

FIGURA 12. DISPERSO CROMTICA DAS PRINCIPAIS FIBRAS UTILIZADAS EM SISTEMAS DWDM ............................. 29

FIGURA 13. ESTRUTURA DOS LASERS DFB E DBR. ....................................................................................................... 31

FIGURA 14. ESTRUTURA DE UM FOTODETECTOR PIN ................................................................................................. 33

FIGURA 15. ESTRUTURA DE UM FOTODETECTOR APD. ............................................................................................... 33

FIGURA 16. ESTRUTURA DE UM AMPLIFICADOR PTICO EDFA .................................................................................. 36

FIGURA 17. EFEITO DE AMPLIFICAO EM EDFAS ...................................................................................................... 37

FIGURA 18. EFEITO SRS UTILIZADO EM AMPLIFICADORES RAMAN ............................................................................ 38

FIGURA 19. ESTRUTURA DE UM FILTRO FILME FINO (TFF). ......................................................................................... 41

FIGURA 20. REPRESENTAO DE MUX E DEMUX. ....................................................................................................... 42

FIGURA 21. ESTRUTURA DE UM DEMULTIPLEXADOR PTICO AWG. .......................................................................... 43

FIGURA 22. COMPENSADOR DE DISPERSO CROMTICA BASEADO EM REDES DE DIFRAO DE BRAGG ................ 44

FIGURA 23. DIAGRAMA DO ORAMENTO DE ENERGIA DE UM ENLACE PTICO ........................................................ 48

FIGURA 24. MEDIDA DA OSNR BASEADA NA INTERPOLAO LINEAR DO RUDO. ..................................................... 49

FIGURA 25. ATENUAO DO RUDO INTERCANAL POR DISPOSITIVOS DWDM .......................................................... 50

FIGURA 26. MEDIDA DA OSNR PELO MTODO DO OMBRO ........................................................................................ 51

FIGURA 27. MTODO DA DETECO DA POLARIZAO DIVERSA ............................................................................... 51

FIGURA 28. DIAGRAMA DO MTODO DA SEPARAO DA POLARIZAO PTICA ..................................................... 52

FIGURA 29. BIBLIOTECA CRIADA PARA O SIMULADOR DE ENLACES PTICOS ............................................................ 56

FIGURA 30. INTERFACE GRFICA PARA ESPECIFICAR MODELO E CANAL UTILIZADO NO TRANSCEIVER..................... 57

FIGURA 31. INTERFACE GRFICA DO MULTIPLEXADOR PARA A ESCOLHA DOS CANAIS A SEREM UTILIZADOS ......... 59

FIGURA 32. ALARME DE CONEXO ERRNEA NO MULTIPLEXADOR. ......................................................................... 60

FIGURA 33. INTERFACE GRFICA PARA ESPECIFICAR A ATENUAO DO BLOCO ATENUADOR. ................................. 60

FIGURA 34. INTERFACE PARA A ESCOLHA DO MODELO DO AMPLIFICADOR PTICO. ................................................ 61

FIGURA 35. JANELAS DE ALARME GERADAS PELO AMPLIFICADOR, DIREITA BAIXA POTNCIA E ESQUERDA ALTA

POTNCIA. .......................................................................................................................................................... 62

FIGURA 36. INTERFACE PARA DETERMINAR O TIPO, COMPRIMENTO E ATENUAO DA FIBRA. ............................... 63

FIGURA 37. INTERFACE PARA A SELEO DO DCM UTILIZADO NA SIMULAO. ....................................................... 64

FIGURA 38. INTERFACE PARA SELEO DE CANAIS ADICIONADOS, RETIRADOS E OS QUE SERO FEITO JUMPERS. . 66

FIGURA 39. MENSAGEM DE ERRO NA INSERO DE CANAIS NO OADM. ................................................................... 66

FIGURA 40. TABELA COM VALORES DOS PARMETROS DOS CANAIS RETIRADOS PELO OADM. ................................ 66

FIGURA 41. INTERFACE DE CONFIGURAO DO APS. ................................................................................................. 67

FIGURA 42. MENSAGENS DE ERRO EXIBIDAS NO RECEPTOR. ..................................................................................... 68

FIGURA 43. TABELA DE PARMETROS GERADA PELO WDM ANALYZER. .................................................................... 68

FIGURA 44. ANALISE DO ESPECTRO DO SINAL NO ENSAIO 1 APS O DCM DE 80 KM. ............................................... 69

FIGURA 45. REPRESENTAO DO ENLACE DO ENSAIO 1. ............................................................................................ 70

FIGURA 46. FOTO DO SETUP MONTADO PARA O ENSAIO 1. ....................................................................................... 71

FIGURA 47. IMAGEM DO DIAGRAMA CRIADO NO SIMULADOR. ................................................................................. 72

FIGURA 48. DIAGRAMA DO SIMULADOR PARA O ENSAIO 2. ...................................................................................... 78

LISTA DE TABELAS

TABELA 1. VALORES TPICOS ENCONTRADOS EM UM LINK DE FIBRA PADRO. ......................................................... 26

TABELA 2. VALORES TPICOS ENCONTRADOS EM UM LINK DE FIBRA G.653 .............................................................. 27

TABELA 3. EXEMPLOS DE ATRIBUTOS DA FIBRA G.655 ............................................................................................... 28

TABELA 4. EQUAES PARA O CLCULO DA DISPERSO CROMTICA EM UMA FIBRA PTICA. ................................ 45

TABELA 5. ATENUAO MNIMA ENCONTRADA NO ENSAIO DE MUX E DEMUX. ...................................................... 58

TABELA 6. RESULTADOS OBTIDOS DA TABELA 5. ........................................................................................................ 58

TABELA 7. VALORES DAS ATENUAES POR CANAL DO MULTIPLEXADOR. ............................................................... 59

TABELA 8. VALORES DE ATENUAES MNIMAS MEDIDAS NOS OADMS. .................................................................. 65

TABELA 9. RESULTADOS OBTIDOS ATRAVS DA TABELA 8 .......................................................................................... 65

TABELA 10. VALORES DE ATENUAO POR CANAL UTILIZADOS NO OADM. .............................................................. 65

TABELA 11. MDIA DO ERRO DOS CANAIS, PARA OS VALORES DOS PARMETROS DE CADA COMPONENTE. .......... 74

TABELA 12. PARMETROS DO SINAL, MEDIDOS E CALCULADOS, AO FIM DO ENLACE DO ENSAIO 1. ........................ 75

TABELA 13. PARMETROS DO SINAL, MEDIDOS E CALCULADOS, AO FIM DO ENLACE DO ENSAIO 2. ........................ 76

TABELA 14. MDIA DO ERRO DOS CANAIS PARA OS VALORES DOS PARMETROS DO ENSAIO 2. ............................. 77

LISTA DE ABREVIATURAS

APC Angle Polish Connector APD Avalanche Photodiode APS Automatic Protection Switch ASE Amplified Spontaneous Emission AWG Array Waveguide Gratings BER Bit Error Rate

DWDM Dense Wavelenght Division Multiplexing CWDM Coarse Wavelenght Division Multiplexing

DBR Distributed Bragg Reflector DCM Dispersion Compensation Module DEMUX Demultiplexador DFB Distributed Feedback DGD Differential Group Delay DRS Double Rayleigh Scattering DSF Dispersion-Shifted Fiber EDFA Erbium-doped Fiber Amplifier FBG Fiber Bragg Gratings FWM Four Wave Mixing

IEC International Eletrotechnical Commission ISI Interferncia Intersimblica ITU International Telecommunication Union LED Light-emitting Diodes MUX Multiplexador

NZDSF Nonzero Dispersion-Shifted Fiber OADM Optical Add Drop Multiplexers OSA Optical Spectrum Analyzer OSNR Optical Signal to Noise Ratio PMD Disperso por Modo de Polarizao RMS Root Mean Square

SBS Stimulated Brillouin Scattering SRS Stimulated Raman Scattering TFF Thin Film Filter WDM Wavelenght Division Multiplexing

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1 Introduo

A ascenso do uso da internet, e outros meios de comunicao, tornou fundamental o aumento da capacidade das redes de transmisso de dados. A fibra ptica tem se mostrado uma

grande aliada nesta misso com o desenvolvimento de redes DWDM (Dense Wavelenght Divisi-on Multiplexing), estes sistemas so capazes de criar redes muito densas, pois multiplexam di-versos canais em uma nica fibra ptica.

Na atualidade, j existem estudos para a implantao de 160 canais em uma nica fibra, isto se torna possvel atravs da modulao dos sinais em comprimentos de onda especficos. Es-ta caracterstica faz com que o sistema DWDM seja um grande aliado expanso da capacidade das fibras, pois a qualquer momento novos canais podem ser adicionados rede, sem interferir nos canais j existentes, alm do mais, o sistema DWDM transparente a protocolos e a taxa de transferncia por se tratar de um sistema a nvel fsico.

Contudo, a maior densidade de dados e as longas distncias atendidas pelas redes de

transmisso, aumentam a sensibilidade do sistema degradao do sinal. Sendo a fibra um meio no ideal, o sinal sofre atenuao e distores lineares e no lineares. A atenuao do sinal pode

ser compensada atravs de amplificadores pticos, j as distores dependem de suas naturezas, sendo algumas facilmente compensadas e outras pouco conhecidas. Nota-se assim a necessidade de mtodos de clculos da degradao e qualidade do sinal transmitido, para que seja possvel conhecer a viabilidade tcnica e econmica do desenvolvimento de uma rede de transmisso p-tica.

Este trabalho composto de oito partes sendo a primeira dedicada introduo do que foi abordado no projeto. No captulo seguinte apresentada a fibra, meio por onde so transportados os dados, apontando efeitos que causam a degradao do sinal na mesma. Os captulos trs e

quatro detalham os componentes ativos utilizados em sistemas DWDM, transceivers e amplifi-cadores respectivamente. Na quinta etapa so apresentados os componentes passivos, os quais

lidam com sinais pticos inserindo atenuaes na potncia dos mesmos. No captulo seis estu-dada a forma de clculo dos parmetros a serem determinados pelo simulador, que apresentado no captulo sete com os testes para a sua validao. Por fim, as concluses e trabalhos futuros esto apresentados no captulo oito.

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2 Fibra ptica

A fibra revolucionou a comunicao ptica atravs dos avanos tecnolgicos implemen-tados na sua fabricao. Isto ocorreu entre as dcadas de 70 e 80 com o controle do material do-pante da fibra e o estudo do comportamento de comprimentos de onda especficos propagados neste guia.

Alm da baixa atenuao do sinal, entorno de 0,2dB/km, a fibra ptica apresenta proprie-dades que no so encontradas em cabos de cobre. Por exemplo, a fibra imune a interferncias

eletromagnticas o que proporciona transmisses de dados bastante densas e a longas distancias. A fibra constituda basicamente por cinco camadas; a parte central composta por um

ncleo de slica envolta por outra camada de slica com diferente concentrao de dopantes. Es-tas duas camadas so responsveis pelas caractersticas de propagao da luz. Mais externamente aparecem as camadas estruturais; primeiramente uma camada para absorver estresses mecnicos devido manipulao da fibra seguida por uma camada compostas por Kevlar, material muito resistente a traes e ao calor. Tudo isso ento envolto por uma camada plstica como pode ser visto na Figura 1 (KARTALOPOULOS, 2000).

Figura 1. Seco transversal da fibra ptica

FONTE: (KARTALOPOULOS, 2000)

Alm da concentrao de dopantes existe outro fator que altera as caractersticas da pro-pagao da luz na fibra: o dimetro do ncleo e da slica que o envolve. Tipicamente o dimetro total de slica de uma fibra tem a dimenso de 125m, mas o ncleo pode variar seu dimetro,

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sendo este de 50m para fibras multimodo e 9m para fibras monomodo (ITU-T G.652) como observa-se na Figura 2.

Figura 2. Seco transversal da fibra multimodo ( esquerda) e monomodo ( direita).


Conforme o sinal se propaga na fibra ele sofre degradaes, as quais limitam o alcance de um enlace ptico. Para atender distncias superiores, o sinal deve ser amplificado e algumas ve-

zes at regenerado. Obviamente isto indesejado, pois aumenta muito o custo do link de dados. A degradao do sinal pode ser dividida em dois principais gneros; degradaes lineares

e no lineares. Degradaes lineares so as que se acumulam conforme a propagao do sinal ao longo da fibra, como a atenuao e a disperso cromtica. J as no lineares so devidas aos altos nveis de potncia injetados na fibra e at mesmo por falhas estruturais da mesma.

Neste trabalho foram estudados somente efeitos na fibra monomodo, a qual utilizada em sistemas DWDM, pois apresenta menor atenuao e maior largura de banda tornando poss-veis links de longas distncias e mais densos.

2.1 Atenuao

A atenuao na fibra dada em dB/km e tipicamente apresentada em funo do com-primento de onda utilizado para a transmisso do sinal como observa-se na Figura 3.

Existem dois processos que determinam as perdas na fibra, a absoro e o espalhamento de Rayleigh, sendo que a absoro est subdividida em absoro extrnseca e intrnseca.

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A absoro extrnseca est ligada composio da fibra. Devido ao mtodo de fabrica-o, aparecem impurezas na fibra como metais (cobre e ferro) e gua, sendo a ltima mais per-ceptvel. A presena de vapor dgua, no momento da fabricao da fibra, faz com que ons de

hidroxila ( se dissolvam no vidro, apesar do processo fundamental de absoro ocorrer em 2700nm, aparecem harmnicos absoro em 1400, 950 e 750nm. Atualmente, podem-se encon-trar fibras comerciais em que o pico de hidroxila bem reduzido, o caso da fibra AllWave da Lucent Technologies, que com sua tecnologia de fabricao capaz de trabalhar com uma janela que vai de 1335nm a 1625nm, o que corresponde a 500 canais distanciados 100 GHz entre si.

Figura 3. Atenuao da fibra ptica em funo do comprimento de onda

FONTE: (EMCORE Corporation, 2013)

A absoro intrnseca est ligada a interao da luz com a fibra. Na regio ultravioleta ocorre a absoro UV, que consiste na interao entre o campo eletromagntico e a estrutura ele-

trnica da fibra. A absoro ocorre quando um fton interage com um eltron na banda de valn-cia, excitando-o para um nvel de energia superior. A absoro IR, regio infravermelha, devi-do interao do campo com a estrutura atmica da fibra, ou seja, transferncias de energia do campo para as ligaes qumicas da estrutura.

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O espalhamento de Rayleigh (Rayleigh Scattering) o processo que define a cor azulada do cu. Conforme a luz se propaga encontra variaes dos ndices de refrao, resultantes de im-perfeies na fibra e flutuaes na sua composio, com isso a luz se espalha fazendo com que parte de sua potncia seja lanada para fora da fibra ou at mesmo retorne por ela. Este efeito apresenta uma dependncia de quarta ordem com o comprimento da onda (), o que pode ser notado na Figura 3.

Devido aos efeitos citados acima a utilizao da fibra est dividida em trs janelas de uti-lizao. A primeira est localizada entre os comprimentos de onda de 800 a 900nm e utilizada em fibras multimodo, a segunda est entre os picos de hidroxila, utilizada na tecnologia CWDM, a qual ocupa tambm a terceira janela. O sistema DWDM, discutido neste trabalho, ocupa a ter-ceira janela, mais precisamente a banda C (1520 a 1560nm). Entretanto no Japo utiliza-se tam-bm a banda L (1560 a 1620nm) para esta tecnologia aumentando assim a capacidade da fibra. Esta diviso pode ser observada na Figura 4.

Figura 4. Divises das janelas e bandas de utilizao da fibra ptica para telecomunicao

FONTE: (PANDA CAM DIREKT, 2013)

2.2 Disperso Cromtica

19

Para percorrer uma determinada distncia L de uma fibra, uma componente de frequncia

especfica toma o tempo de /, na qual a velocidade de grupo da onda em questo (AGRAWAL, 2002).

No entanto, como a luz no apresenta um espectro de frequncia infinitamente estreito, o sinal composto por diferentes frequncias pticas. Como o ndice de refrao depende do com-primento de onda em questo, as componentes do sinal viajam a velocidades diferentes. Assim inicialmente o pulso de luz apresentar uma durao bem definida, sua energia estar concentra-

da em um curto espao de tempo. Ao decorrer da propagao esta energia ocupar um maior es-pao de tempo, efeito este conhecido como disperso cromtica, que pode ser observada na Figu-

ra 5.

Figura 5. Efeito da disperso cromtica em um pulso ptico.


Substituindo a frequncia pelo comprimento da onda , comumente utilizado em transmisses pticas, pode-se representar a diferena no tempo de transmisso das componentes de determinado sinal atravs da equao (1) (AGRAWAL, 2002):

(1)

Na qual:

parmetro de disperso, ; comprimento da fibra, km; largura de banda do canal, nm.

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Alm da variao do ndice de refrao devido frequncia da luz, tambm h o efeito da diferena da refrao da camada de slica dopada. A alterao desta propriedade fsica da fibra no processo de fabricao permite a criao de fibras com diferentes caractersticas de disperso como as fibras de disperso deslocada (CHOMYCZ, 2009).

Conforme aumenta a taxa de transmisso, a disperso cromtica se torna mais crtica, po-dendo seu limite ser estimado pelo critrio 1, sendo o bit rate do sistema. Utilizando a Equao (1) tem-se (AGRAWAL, 2002):

|| 1 (2)

No sendo respeitado este critrio pode surgir o efeito ISI, interferncia intersimblica, observada na Figura 6, assim o receptor no conseguir identificar bits adjacentes.

Figura 6. Interferncia intersimblica causada pela disperso cromtica.

FONTE: (PRA, 2012)

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Observando a Equao (2), nota-se que para atingir maiores distncias de transmisso, sem afetar a qualidade do sinal, com bit rates cada vez maiores, busca-se a reduo da largura de

banda do transmissor (menor ) ou a reduo do parmetro de disperso da fibra (D).

2.3 Disperso por Modo de Polarizao (PMD)

A PMD, Figura 7, uma propriedade da fibra monomodo ou de componentes pticos na qual a disperso do pulso causada por uma diferena na velocidade de propagao das polari-zaes ortogonais do sinal. A diferena dos ndices de refrao para cada modo de polarizao causado pela birrefringncia da fibra. Assim como no caso da disperso cromtica, a PMD tam-bm se trata de uma diferencial de atraso de grupo, DGD (do ingls, Differential Group Delay), e medida em picosegundos. A PMD definida como a mdia linear de vrios valores de DGD

instantneos do caminho da onda, ou como o valor RMS destes diferenciais (CHOMYCZ, 2009). A PMD pode ser expressa como a raiz quadrada do comprimento da fibra, multiplicada

pelo coeficiente de modo de polarizao, conforme a equao (3). Tipicamente este coeficiente especificado pelos fabricantes de fibras pticas para um determinado comprimento de fibra.

= (3) Onde:

= disperso por modo de polarizao, ps; = coeficiente de PMD, ; = comprimento da fibra, km.

A PMD pode causar interferncia intersimblica nas transmisses de altas taxas de bit, normalmente acima de 10Gbps. Em fibras antigas h uma maior ocorrncia de PMD, possivel-mente ocasionada pelas baixas tolerncias na fabricao da mesma (CHOMYCZ, 2009).

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Figura 7. Disperso por modo de polarizao.

FONTE: (AZADEH, 2009)

2.4 No-Linearidades

Quando a luz se propaga na fibra, ftons e tomos interagem e em certas circunstncias ftons podem ser absorvidos por tomos elevando-os a altos nveis de energia. Novos ftons po-dem provocar a queda dos tomos a seu estado de equilbrio liberando energia. Esta interao fton-tomo faz com que os ftons se propaguem atravs da fibra com velocidade dependente de

sua energia, = (KARTALOPOULOS, 2000). Alm das interaes fton-tomo, podem ocorrer tambm interaes fton-fton, fton-

tomo-fton, tendo como resultados fenmenos complexos, muitos deles ainda no bem entendi-dos. Estas iteraes so conhecidas como fenmenos no lineares, sendo os principais deles o Espalhamento Raman, Espalhamento de Brillouin e a Mistura de Quatro Ondas (KARTALOPOULOS, 2000).

2.4.1 Espalhamento Raman Estimulado (SRS)

O Espalhamento Raman Estimulado, SRS (do ingls, Stimulated Raman Scattering) proveniente da interao fton-fnon, como pode ser observado na Figura 8. Um fton com energia !" absorvido pela estrutura molecular da slica elevando-a ao nvel de energia #, aps, a molcula decai para o nvel $, emitindo um fton de com energia !%. Este fton, que possui frequncia diferente do incidente, chamado de Fton de Stokes. A diferena entre a

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energia do fton absorvido e a do emitido, corresponde energia do fnon produzido (AZADEH, 2009).

Por causa da gerao do fnon, o fton emitido possui uma energia menor, ou seja, ele sofre um deslocamento de frequncia, logo tambm de comprimento de onda de aproximada-mente +125nm. Isto pode ser prejudicial em um sistema WDM no caso de inicialmente tratar-se de um fton com baixo comprimento de onda, o fton emitido pode interferir nos canais com

comprimento de onda maiores. Este efeito utilizado em amplificadores Raman que discutido no captulo 4.2 (AZADEH, 2009).

Figura 8. Interao fton-fnon do efeito SRS


2.4.2 Espalhamento de Brillouin

O Espalhamento de Brillouin Estimulado (SBS do ingls Stimulated Brillouin Scatte-ring), visualizado na Figura 9, ocorre quando a energia da luz que percorre a fibra, atinge um de-terminado valor (para fibra monomodo em torno de 10mW), ocasionando o surgimento de f-nons de baixa frequncia (ondas sonoras). A interao da luz com as ondas sonoras faz com que a luz sofra um deslocamento de aproximadamente 11GHz. Deslocamento este, considerado pe-

queno para as frequncias pticas (AZADEH, 2009).

24

Figura 9. Efeito SBS


Sendo assim, as ondas criadas no causaro interferncia nos canais vizinhos, mas como estas ondas propagam-se na direo oposta do sinal, causam uma atenuao no canal que as ori-ginou. Esta atenuao aumenta conforme maior a potncia do sinal incidente, resultando em um efeito similar ao de saturao.

2.4.3 Mistura de Quatro Ondas

A mistura de quatro ondas, FWM (do ingls, Four Wave Mixing), aparece quando trs sinais com diferentes frequncias viajam lado a lado por uma longa distncia na fibra (AZADEH, 2009). Sendo as frequncias dos sinais iguais !", !% e !', uma terceira onda surgir, com frequncia !$(), conforme a Equao (4). Logo se percebe que o caso crtico ocorre quan-do o pulso de frequncia !% est centralizado entre !" e !', pois a nova onda ter a frequncia !$() = !%, causando interferncia no sinal.

!$() = !" * !% +!' (4)

Quanto mais tempo os pulsos propagarem juntos, mais intenso ser o efeito FWM, assim, para evita-lo, busca-se trabalhar com transmisses nas quais a disperso cromtica no seja nula. Com isso, diferentes frequncias no viajaro lado a lado por longas distncias (AZADEH, 2009).

25

O efeito do FWM pode ser observado na Figura 10 na qual nota-se a transferncia de po-

tncia dos pulsos de frequncia !" e !' ao novo pulso que causa distoro no sinal !%.

2.5 Tipos de Fibras pticas Monomodo

Devido s distores sofridas pelo sinal durante sua propagao, diferentes tipos de fibras foram desenvolvidas. Atualmente existem trs principais tipos normatizados pela International Telecommunication Union (ITU), que o organismo de normatizao global para fornecedores de sistemas de telecomunicaes.

Figura 10. Efeito do FWM no domnio tempo e frequncia.


2.5.1 Nondispersion-Shifted Fiber

Tambm conhecida como fibra monomodo padro, esta fibra segue as normas da reco-

mendao ITU-T G.652 (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, 2009), e possui disperso zero para comprimentos de onda prximos a 1310nm. Embora otimizada para a

utilizao nesta regio de comprimentos de onda, tambm utilizada para a regio de 1550nm.

26

Os valores tpicos de atenuao e disperso cromtica deste tipo de fibra podem ser ob-servados na Tabela 1.

Tabela 1. Valores tpicos encontrados em um link de fibra padro.

Comprimento de Onda Valores tpicos da rede

Perda por atenuao

1260nm 1360nm 0,5 dB/km

1530nm 1565nm 0,275 dB/km

1565nm 1625nm 0,35 dB/km

Disperso cromtica ",,- 17 ps/nm km .",,- 0,056 ps//0% km

FONTE: (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, 2009)

Logo, nota-se que para um sistema DWDM que utiliza a regio de 1530 a 1565nm, a fi-

bra apresenta um coeficiente de disperso tpico de = 17 para o comprimento de onda de 1550nm, e uma variao do coeficiente de disperso, . = 0,056 5, que representa a va-riao do coeficiente para cada canal adjacente. Portanto, de acordo com a recomendao ITU-T G.652 (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, 2009), a disperso cromtica em um enlace ptico feito com a fibra padro pode ser calculado conforme a equao (5).

678 67917 * 0.0568 + 1550; (5)

Sendo: 678 = disperso total do enlace em funo do canal utilizado, ps/nm; 67 = comprimento de enlace, km; = comprimento de onda do canal utilizado, nm.

2.5.2 Dispersion-Shifted Fiber (DSF)

Este tipo de fibra segue as recomendaes da normatizao ITU-T G.653 (INTERNATIONAL TELECOMMUNICATION UNION, 2010), a qual cita como caracterstica

27

diferencial desta fibra, a regio de disperso cromtica nula, que neste caso prximo aos com-primentos de onda de 1550nm. Esta fibra foi desenvolvida para ser utilizada em sistemas DWDM amplificados.

Na Tabela 2 encontram-se valores tpicos de atenuao e disperso cromtica da fibra G.653.

Tabela 2. Valores tpicos encontrados em um link de fibra G.653

Comprimento de Onda Valores tpicos da rede

Perda por atenuao 1550nm 0,275 dB/km

Disperso cromtica -

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NZDSF). O intuito de ter dois perfis de disperso que, cascateando um tipo aps o outro, pode-se corrigir a disperso sem a utilizao de mdulos compensadores, mtodo este, utilizado em transmisses submarinas.

As recomendaes da ITU para este tipo de fibra so mais flexveis do que para as fibras comentadas anteriormente. Neste documento, a ITU, no determina a especificao de apenas um canal tpico para a definio do coeficiente de disperso cromtica, no citada tambm uma variao deste coeficiente, apenas recomendada a apresentao de uma faixa de canais, para os quais, o coeficiente de disperso cromtica esteja entre um intervalo especificado.

Para se adequar a estas recomendaes os fabricantes de fibra adotaram a poltica de apresentar equaes do clculo do coeficiente de disperso cromtica para determinadas faixas

de canais. Estas equaes representam duas curvas que limitam os valores mximos e mnimos possveis do coeficiente. Na Tabela 3 encontra-se um exemplo de especificao dos dados de atenuao e coeficiente de disperso cromtica de uma fibra G.655. Na Figura 11 apresentado o grfico dos limites do coeficiente de disperso cromtica desta fibra considerando uma abran-

gncia de 1> e 3>.

Tabela 3. Exemplos de atributos da fibra G.655

Atributo Detalhe Valor

Coeficiente de Atenuao Mximo em 1550nm 0,35 dB/km

Mximo em 1625nm 0,4 dB/km

Coeficiente de disperso

cromtica (ps/nm.km)

78: 1460 + 1550/0 7,090 8 1460 + 4,2 78: 1550 + 1625/0 2,9775 8 1550 * 2,8 F8: 1460 + 1550/0 2,9190 8 + 1460 + 3,29 F8: 1550 + 1625/0 5,0675 8 1550 * 6,2


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Figura 11. Limites do coeficiente de disperso cromtica da fibra caracterizada na Tabela 3.


Na Figura 12, apresenta-se um grfico com a disperso cromtica das fibras comentas an-teriormente em funo do comprimento de onda utilizado para a transmisso de dados. A regio destacada representa os canais utilizados em sistemas DWDM.

Figura 12. Disperso cromtica das principais fibras utilizadas em sistemas DWDM

FONTE: (EMCORE Corporation, 2013).

30

3 Transceivers

O Transceiver o componente ptico que contm a fonte de luz que transmite o dado e o fo-todetector que captura o sinal recebido.

Em um sistema DWDM o emissor de luz deve ser compacto, monocromtico, estvel e du-radouro. Na prtica no possvel construir um emissor monocromtico, mas como ser apresen-tado neste captulo, possvel fazer com que sua largura espectral seja muito estreita. A estabili-dade do emissor implica que o mesmo no altere a potncia do sinal enviado, bem como sua fre-

quncia, em virtude de variaes na temperatura e envelhecimento dos componentes (KARTALOPOULOS, 2000).

Analisando as caractersticas do receptor, assim como o emissor este deve possuir um rpido tempo de resposta. Isto determina a taxa de transmisso em que se pode operar, alm disso, o fa-tor mais importante a ser observado a sua sensibilidade, ou seja, quanta potncia de ptica deve ser injetada no receptor para criar uma corrente eltrica capaz de gerar um sinal que possa ser detectado pelo sistema. Para atingir este parmetro buscam-se receptores com alto ganho de cor-rente e baixo rudo. No decorrer deste captulo sero apresentados os tipos de receptores e suas caractersticas.

3.1 Emissores de Luz

Existem duas principais fontes de luz utilizadas em comunicaes pticas: os LEDs (do ingls, Light-emitting diodes) e os Lasers (Light Amplification through Stimulated Emission of Radiation). Estes dois dispositivos se diferenciam pelo mtodo de gerao da luz; o LED funcio-na pelo princpio de emisso espontnea, j o laser, utiliza a emisso estimulada. Sistemas de comunicao que utilizam fibras monomodo, o qual o caso estudado, por necessitarem de uma emisso coerente de luz, utilizam lasers como dispositivos geradores do sinal.

Para gerar uma luz coerente os lasers possuem um sistema que cria uma ressonncia dos ftons com o comprimento de onda desejado. O laser pode ser baseado em uma cavidade de Fa-bry-Perot a qual consiste em uma cavidade que possui suas extremidades planas e paralelas entre si formando uma superfcie semi reflexiva na interface com o ar (CHOMYCZ, 2009).

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medida que a corrente passa pelo material semicondutor, eltrons so excitados para a banda de conduo. Depois de um perodo a energia destes eltrons decai liberando fton em qualquer direo. Este processo conhecido como emisso espontnea. Ao se propagarem, estes ftons encontram a extremidade da cavidade e so refletidos. Os ftons refletidos interagem com outros eltrons que esto na banda de alta energia, fazendo com que os mesmos decaiam para seu nvel de energia estvel e assim liberem ftons com a mesma caracterstica que o seu estimula-

dor, este processo conhecido como emisso estimulada. A potncia ptica gerada concentrada nas frequncias ressonantes, que ocorrem somente para comprimentos de ondas mltiplos intei-

ros de duas vezes o comprimento da cavidade (CHOMYCZ, 2009). Para atingir um espectro de luz ainda mais estreito utiliza-se lasers DFB (do ingls, Dis-

tributed Feedback) ou DBR (do ingls, Distributed Bragg Reflector) os quais apresentam uma reflexo distribuda, ou seja, a reflexo se d no apenas nas duas faces como nos lasers com a cavidade de Fabry-Perot, mas h uma grade de reflexo que no caso dos lasers DFB localizada na regio de ativao e para lasers DBR nas suas extremidades, como observa-se na Figura 13.

Figura 13. Estrutura dos lasers DFB e DBR.

FONTE: (AGRAWAL, 2002)

Com a reflexo distribuda, pequenas quantidades de luz so refletidas ao longo das gra-des de reflexo, de forma que o comprimento de onda desejado some-se construtivamente, e os demais estaro fora de fase ocasionando uma soma destrutiva (AZADEH, 2009). Assim somente

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um espectro estreito de frequncia estimulado, e no mltiplas frequncias, como no caso da cavidade de Fabry-Perot.

Alm da rede de difrao e das camadas constituintes do diodo emissor, os lasers necessi-tam de outros componentes para tornar sua em uma frequncia estvel e sua amplitude constante. O controle de potncia depende de um fotodetector na sada do laser que aponte o nvel de po-tncia do mesmo para que o sistema de controle possa atuar. Outro ponto crtico a estabilizao da temperatura; sabe-se que os materiais sofrem dilatao com a variao da temperatura, a dila-tao de um laser altera o tamanho de sua cmara de ativao e as propriedades da grade de re-

flexo, assim um sensor trmico torna-se necessrio para fazer a realimentao do controlador de temperatura que deve deixar o laser a uma temperatura constante de 25C enquanto seu encapsu-lamento possa variar de -20C a 65C (KARTALOPOULOS, 2000).

3.2 Fotodetector

Os transceivers de sistemas DWDM podem utilizar dois tipos de fotodetectores, PIN ou APD (do ingls, Avalanche Photodiode). O primeiro recebe esta nomenclatura devido a sua es-trutura que consiste de uma camada de material intrnseco (levemente dopado) entre as camadas com dopantes P e N, o segundo tipo recebe este nome em virtude do efeito avalanche ocorrido

em sua regio de ativao, o qual ser explicado a seguir.

3.2.1 Fotodetectores PIN

Na Figura 14 pode-se observar a estrutura do diodo PIN o qual possui uma camada com dopantes P e outra com dopantes N separadas por um material intrnseco, no caso InGaAs.

Em um fotodetector PIN a converso de luz em sinal eltrico ocorre quando um fton atinge o receptor e se choca com a regio de material intrnseco, Isto faz com que os eltrons

desta camada saltem para a banda de conduo causando a ocorrncia de lacunas positivas. Co-mo a juno do diodo formado pelo fotodetector inversamente polarizada o campo presente na camada intrnseca faz com que os eltrons migrem para a regio N+ e as lacunas para a regio P+ causando assim o fluxo de corrente eltrica no fotodetector.

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Figura 14. Estrutura de um fotodetector PIN


Os transceivers que utilizam esta tecnologia so usados para a transmisso de menores distncias por apresentarem baixa sensibilidade em relao aos transceivers com tecnologia

APD.

3.2.2 Fotodetectores APD

Como se observa na Figura 15, o fotodetector APD muito similar ao PIN. A alterao se d na camada com dopantes P, localizada entre a camada N+ e o material intrnseco. Sendo esta nova camada a responsvel pelo efeito avalanche.

Figura 15. Estrutura de um fotodetector APD.


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Ao ser inversamente polarizado, o fotodetector gera um campo eltrico que tem seu pice na juno N+P, regio do efeito avalanche. Como no fotodetector PIN, no momento em que a luz se choca com o material intrnseco, eltrons so levados banda de conduo e migram para a regio N+. Em virtude do alto campo eltrico presente neste fotodetector, os eltrons atingem altos nveis de energia e ao se chocarem com tomos fazem com que estes sejam ionizados, libe-rando novos pares eltrons lacunas. Assim forma-se o efeito avalanche no qual um par eltron-lacuna gera vrios outros pares resultando em um alto ganho de corrente.

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4 Amplificadores pticos

Quando o link ptico de transmisso de dados atinge distncias prximas a 80 km, em ge-ral, necessrio amplificar o sinal em virtude das perdas na fibra ptica. Antes da concepo de amplificadores pticos isto era feito por regeneradores eletrnicos. Os dados eram demultiplexa-dos, no caso de um link multicanal, convertidos para sinal eltrico e depois novamente para sinal ptico.

A grande vantagem de se utilizar amplificadores pticos que os mesmos podem ampli-

ficar diretamente o sinal ptico, sendo transparentes s taxas de transmisso, tipos de modulao e ainda so capazes de amplificar uma larga faixa espectral, ou seja, em um sistema DWDM so capazes de amplificar todos os canais simultaneamente. Estas caractersticas tornam o sistema expansvel, pois aps ter um link de transmisso amplificado, podem-se adicionar canais de dife-rentes taxas, modulaes, sem a necessidade de alterar as caractersticas do amplificador, salvo por questes de saturao de potncia do mesmo. Mas isto deve ser previsto no momento do pro-jeto do link.

Existem atualmente dois principais tipos de amplificadores pticos utilizados em sistemas DWDM: EDFA (do ingls, Erbium-doped Fiber Amplifier) e os Amplificadores pticos Raman.

4.1 Amplificador EDFA

Os amplificadores EDFAs possuem o princpio de funcionamento baseado na emisso es-timulada, mesmo princpio de funcionamento que os lasers, mas no caso dos amplificadores a energia estimuladora provm de fontes pticas e no eltricas como nos lasers.

Estes amplificadores, como pode ser visto na Figura 16, so compostos por uma ou duas fontes de luz que so inseridas na fibra dopada atravs de acopladores e ainda possuem isolado-res na entrada e sada do sinal a fim de prevenir que reflexes da fibra dopada se espalhem na fibra de transmisso causando rudo no sistema.

Os lasers em co-propagao, 980nm, e em contra-propagao, 1480nm, so responsveis por gerar ftons que iro colidir com eltrons da fibra dopada fazendo com que estes sejam leva-dos banda de alta energia e ao encontrarem um fton proveniente da transmisso ptica, iro

decair para seu nvel de potncia inicial liberando um fton idntico ao da transmisso. No caso

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em que os eltrons excitados no encontrem um fton que cause a emisso estimulada, aps cer-to tempo decaem ao seu nvel de energia inicial liberando um fton com caractersticas no defi-nidas, estes ftons so responsveis pela gerao do rudo ASE (do ingls, Amplified Espontane-ous Emission). Estes efeitos esto ilustrados na Figura 17.

Figura 16. Estrutura de um amplificador ptico EDFA

FONTE: (CHOMYCZ, 2009)

O rudo ASE a grande desvantagem da utilizao de amplificadores EDFA e pode ser calculado de acordo com a equao (7)

GHI = 2/!-8J + 1 (7)

Na qual:

GHI potncia mdia do rudo ASE, Watts;

/ fator de emisso espontnea;

constante de Planck (6,62606910'), Js; ! frequncia central do sinal ptico, Hz;

- largura de banda do canal ptico, Hz;

J ganho do amplificador, dB.

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Figura 17. Efeito de amplificao em EDFAs


Levando-se em conta a figura de rudo, que consiste na perda da razo de sinal rudo so-

frida pelo sinal ao passar pelo amplificador, dada pela equao (8) pode-se reescrever a equao (7) tendo como resultado a equao (9).

KL = 2/8J + 1J

(8)

GHI KL!-J (9)

Onde:

KL figura de rudo do amplificador, dB;

/ fator de emisso espontnea;

J ganho do amplificador, dB;

GHI potncia mdia do rudo ASE, Watts;

constante de Planck (6,62606910'), Js; ! frequncia central do sinal ptico, Hz;

- largura de banda do canal ptico, Hz.

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4.2 Amplificador ptico Raman

O amplificador Raman utiliza o efeito SRS (do ingls, Stimulated Raman Scattering). Como explicado no captulo 2.4.1 o espalhamento Raman trata-se de uma interao fton-fnon, na qual a coliso de um fton com uma molcula da estrutura da fibra faz com que esta eleve seu nvel de energia. Este nvel de energia no um estado instvel da molcula assim a mesma de-

cai para um nvel intermedirio liberando um fton com frequncia diferente do fton inicial-mente colidido.

Sabendo que esta diferena de frequncia causa um deslocamento de em torno de 100nm no comprimento de onda do fton, amplificadores Raman utilizam frequncias especficas em seus lasers estimuladores. Como no caso de um amplificador para a banda C, na qual a fonte de luz est localizada em torno dos 1452nm. Com esta configurao o tomo que se encontra em um nvel de energia alto (instvel) interage com o sinal transmitido gerando um fton idntico ao do sinal, consequentemente amplificando o mesmo (Figura 18).

Figura 18. Efeito SRS utilizado em amplificadores Raman


O ganho do amplificador Raman funo das caractersticas da fibra e do laser como po-de ser observado na equao (10).

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M# = 10 log Qexp UJ#VWXXYWXX Z[ (10)

Na qual:

M# = Ganho do amplificador, dB; J# = coeficiente de ganho Raman da fibra, m/W; V = potncia do laser do amplificador, W; WXX = comprimento efetivo da fibra, m; YWXX = rea efetiva da fibra, 0%.

Os rudos inseridos por um amplificador Raman ao sistema consistem do rudo ASE, Es-palhamento de Rayleigh Duplo, DRS (do ingls, Double Rayleigh Scattering). O efeito DRS ocorre devido s reflexes na fibra, tipicamente menor que o rudo ASE e pode ser bastante reduzido utilizando conectores APC (do ingls, Angle Polish Connector), o qual como o nome diz possui a terminao em ngulo, portanto a reflexo no retorna diretamente fibra. A emis-so espontnea por efeito Raman menor comparada ao mesmo efeito em um amplificador EDFA. Com isso tipicamente o amplificador Raman apresenta uma figura de rudo 6dB melhor que um EDFA.

40

5 Componentes passivos do sistema DWDM

Alm da fibra ptica, o sistema DWDM possui outros componentes passivos, ou seja, componentes que no inserem potncia ao sinal transmitido. Estes dispositivos so compostos por filtros e circuladores pticos.

Os componentes passivos presentes em um sistema DWDM so os multiplexadores, de-multiplexadores pticos, que como o nome j diz, so responsveis pela multiplexao e demul-tiplexao dos vrios canais de um sistema DWDM. Ainda tm-se os compensadores de disper-

so cromtica e por fim em sistemas mais complexos pode ocorrer a utilizao de OADMs (do ingls, Optical Add Drop Multiplexers), responsveis pela insero ou derivao de comprimen-tos de onda de um sinal WDM transportado em uma fibra.

5.1 MUX e DEMUX

Os multiplexadores e demultiplexadores so componentes indispensveis em um sistema WDM. Eles so os responsveis por agregar os diversos canais do sistema em uma nica fibra e ao fim da mesma separ-los.

Duas principais tecnologias so utilizadas para este fim: TFF (do ingls, Thin Film Filter) e AWG (do ingls, Array Waveguide Gratings) sendo a primeira utilizada para sistemas de pou-cos canais (at 16 canais) e o segundo para sistema de 40 canais pticos.

5.1.1 TFF

A tecnologia filme fino composta por filtros seletivos, onde um canal transmitido e os demais so refletidos. Estes filtros funcionam como cavidades Fabry-Perot com varias camadas de espelhos. Como mostra a Figura 19, um filtro filme fino constitudo de uma cavidade central embutida em meio a espelhos de um quarto de onda, que se alternam entre ndices de refrao altos e baixos. O espaamento da cavidade central determina o canal passante enquanto o nume-

ro de camadas de um quarto de onda determinam a refletividade do filtro (DUTTA, et al., 2003).

41

Figura 19. Estrutura de um filtro filme fino (TFF).

FONTE: (DUTTA, et al., 2003).

Para obter multiplexadores e demultiplexadores, devem-se cascatear diversos filtros

(Figura 20). Assim cada filtro deixar passar o canal para o qual foi desenvolvido. Os demais canais sero refletidos e direcionados ao prximo filtro. O problema desta tcnica de cascatea-

mento que em cada estgio de reflexo a luz sofre uma atenuao, e com isso, o canal que pas-sa por mais filtros sofre maior perda. Para solucionar este efeito, ao desenvolver um par Mux/Demux deve-se fazer a compensao dos filtros, ou seja, o primeiro canal do multiplexador ser o ltimo do demultiplexador.

42

Figura 20. Representao de Mux e Demux.

FONTE: (DUTTA, et al., 2003)

5.1.2 AWG (Array Waveguide Gratings)

Um Mux/Demux AWG baseado no princpio da interferncia entre ondas. Tipicamente estes dispositivos consistem de acopladores de entradas e sadas e vrios guias de ondas, com diferenas constantes de comprimento entre guias adjacentes (DUTTA, et al., 2003). A Figu-ra 21 apresenta a estrutura de um demultiplexador AWG de cinco canais.

A luz que entra no dispositivo espalhada no primeiro acoplador, fazendo com que a

mesma se direcione a todos os guias de ondas. Uma vez que os guias possuem comprimentos diferentes, cada sinal do guia de onda ter um desvio de fase diferente. Isto causa um padro de interferncia com pontos de mxima intensidade. A direo destes mximos depende do com-primento de onda em questo, permitindo assim que cada lambda seja direcionado para um canal diferente de fibra. A grande vantagem da utilizao da tecnologia AWG, que a mesma pode se fabricada sobre um nico substrato, tornando-a uma escolha economicamente vantajosa para confeco de Mux/Demux com grande nmero de canais (CHOMYCZ, 2009).

43

Figura 21. Estrutura de um demultiplexador ptico AWG.


5.2 DCM (Dispersion Compensation Module)

Mdulos compensadores de disperso DCM (Dispersion Compensation Module) so res-ponsveis por fazer a correo da disperso cromtica causada pela propagao da luz na fibra. Estes mdulos so compostos pela combinao de dois elementos pticos passivos: os circulado-res e as redes de difrao FBG (do ingls, Fiber Bragg Grating).

Circuladores so dispositivos com trs portas que permitem a propagao do sinal somen-te em determinadas direes dependendo de qual porta o sinal proveniente. Seu funcionamento baseado em isoladores que permitem uma propagao unidirecional. Para isso utiliza o princ-pio da polarizao, onde ao entrar no dispositivo a luz polarizada, e logo aps rotacionada de

90 graus atravs de um rotador de Faraday. Se esta luz refletida, ao retornar para a entrada do dispositivo ser bloqueada pelo polarizador, devida a sua polarizao estar rotacionada de 90 graus (GUMASTE, et al., 2002).

A rede de difrao FBG consiste numa variao no ndice de refrao peridico no n-cleo de uma fibra ptica. Quando uma luz incide sobre uma fibra com rede de Bragg o compri-mento de onda correspondente ao comprimento de onda de Bragg ser refletido retornando para a extremidade de entrada e os demais comprimentos no sofrero esta reflexo (DUTTA, et al., 2003).

44

Combinando o circulador e a rede de difrao FBG, conforme a Figura 22, consegue-se fazer uma compensao disperso cromtica. O princpio bsico deixar os comprimentos de onda rpidos do pulso se propagarem mais na rede de difrao, enquanto os lentos so refleti-dos prximos ao circulador (PROXIMION AB, 2013). Alterando os tempos de reflexo ajusta-se a o valor da compensao e a variao da mesma para cada canal DWDM, de acordo com os va-lores necessrios para o link em questo.

Os valores de compensao de disperso so dados em picosegundos. Dependendo do fa-bricante este valor pode tambm ser apresentado em quilmetros, juntamente com especificao do tipo de fibra para o qual o DCM utilizado.

Figura 22. Compensador de disperso cromtica baseado em redes de difrao de Bragg

FONTE: (PROXIMION AB, 2013)

45

6 Clculo de enlaces

O desenvolvimento de enlaces pticos se d satisfazendo inicialmente a compensao da disperso cromtica, seguida do clculo de power budget (em traduo literal, oramento de po-tncia), a qual implica na insero ou no de amplificadores pticos. Estes, porm inserem rudo ASE ao sistema. Torna-se necessrio portanto conhecer tambm a relao de sinal rudo ptico, OSNR (do ingls, Optical Signal Noise Ratio), para posterior anlise dos requerimentos do foto-detector. Este captulo, tem o objetivo de apresentar os clculos a serem feitos, para determinar as caractersticas acima citadas do sinal ptico.

6.1 Disperso Cromtica

Como comentado no captulo 2.2 a disperso cromtica um efeito linear ocorrido na fi-bra, o qual causa a disperso do sinal ptico no tempo. Esta disperso dependente das caracte-rsticas da composio da fibra, seu comprimento e o canal ptico utilizado.

De acordo com as recomendaes ITU-T G.652, ITU-T G.653 e ITU-T G.655, a disper-so cromtica de um enlace ptico pode ser calculada a partir dos coeficientes de disperso cro-mtica, assumindo uma dependncia linear com o comprimento da fibra utilizada e levando em

conta o sinal dos coeficientes.

Tabela 4. Equaes para o clculo da disperso cromtica em uma fibra ptica.

Tipo de Fibra Equao

G.652 678 = 67917 * 0.0568 + 1550; G.653 678 = 6790.078 + 1550;

G.655 = 1460 + 1550/0 678 = 67 ]2,9190 8 + 1460 + 3,29^ 1550 + 1625/0 678 = 67 ]5,0675 8 1550 * 6,2^

Portanto para o clculo da disperso cromtica de um dado enlace, utilizada a aproxi-mao linear acima citada. No caso de fibras G.652 e G.653, pode-se encontrar os valores tpicos de coeficiente de disperso e sua variao para canais adjacentes na Tabela 1 e Tabela 2 respec-

46

tivamente. J para a fibra tipo G.655 utiliza-se as equaes de mximo coeficiente de disperso cromtica presentes na Tabela 3. Um resumo das equaes utilizadas apresentado na Tabela 4.

6.2 Power Budget

O power budget, trata da diferena entre a potncia inserida no sistema, proveniente do emissor do transceivers, e a sensibilidade do receptor do mesmo.

A potncia em um sistema de transmisso ptico representada na escala logartmica de

decibel. Essa medida referenciada a potncia de 1mW, conforme a equao (11), e definida com a unidade de dBm. Portanto um nvel de potncia ptica de 1mW equivale a 0dBm.

_` = 10 log a(1(b (11)

Na qual:

_` = potncia ptica referenciada a 1mW, dBm; ( = potncia ptica, mW.

A atenuao da potncia ptica causada por dispositivos do sistema dada pela razo da potncia de sada pela da entrada segundo a equao

= +10 log aVd

47

tivos do sistema ptico, at perdas de conexes. Tipicamente a perda da fibra obtida por medi-es, isto feito em virtude da fibra apresentar variao na sua atenuao devido a agentes ex-ternos como tenses, envelhecimento, emendas, entre outros. Para os demais componentes, uti-lizado o pior caso de atenuao apresentado nas especificaes dos mesmos.

eV

48

Figura 23. Diagrama do oramento de energia de um enlace ptico


6.3 OSNR

A razo entre as potncias do sinal transmitido e do rudo presente no mesmo so quanti-ficados pela OSNR (do ingls, Optical Signal-to-Noise Ratio), este um dos parmetros mais importantes a serem determinados em sistemas de comunicao.

Quando amplificadores pticos so adicionados em um enlace ptico, uma pequena par-cela de rudo ASE adicionada ao sinal transmitido. Embora a insero de rudo provocada por um nico amplificador seja pequena e no cause consequncias graves OSNR, amplificadores adicionais a este no iro adicionar somente o seu prprio rudo ASE, mas iro amplificar o ru-do inserido pelos amplificadores anteriores presentes no enlace. O limite atingido quando a

adio de um novo amplificador resulta na degradao da OSNR fazendo com que o sinal no atenda mais as especificaes do receptor. Isto implicar em uma BER abaixo da desejada (CHOMYCZ, 2009).

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6.3.1 Medio

O mtodo mais apropriado para medir esta relao de potncias, seria analisar a potncia do sinal e do rudo no comprimento de onda central do canal, ou seja, analisar ambas as potn-cias na mesma frequncia. No entanto a OSNR medida atravs do analisador de espectro pti-co, OSA (do ingls, Optical Spectrum Analyzer), e grande parte destes analisadores determina a potncia ptica do comprimento de onda sem distinguir se esta se trata de rudo ou dado trafega-do, tornando assim invivel este mtodo. De acordo com a IEC 61280-2-9 (INTERNATIONAL ELETROTECHNICAL COMMISSION, 2009), a medida da potncia de rudo pode ser feita atravs da interpolao linear entre canais. Para isso devem-se analisar as potncias fora da ban-da do canal, esquerda e direita, fazendo uma mdia entre elas, ver Figura 24.

Figura 24. Medida da OSNR baseada na interpolao linear do rudo.


Um cuidado especial deve ser tomado para medidas de OSNR em sistemas DWDM. Os

filtros presentes em demultiplexadores, OADMs e DCMs podem mascarar a potncia do rudo,

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pois na filtragem a potncia de rudo intercanal atenuada. Observando a Figura 25 percebe-se que o rudo presente na banda do canal no atenuado. Assim um falso piso de rudo detectado pelo OSA, isto pode ocasionar uma medida incorreta da OSNR (CHOMYCZ, 2009).

Figura 25. Atenuao do rudo intercanal por dispositivos DWDM

FONTE: (MOENCH, et al., 2007)

Existem trs mtodos efetivos para compensar esta mscara causada pela filtragem

DWDM: Mtodo do Ombro, Deteco da Polarizao Diversa e Mtodo da Separao da Polari-zao ptica.

6.3.1.1 Mtodo do Ombro

Alguns fornecedores dizem que apesar da medida automtica da OSNR no ser correta, pode-se faz-la de modo manual atravs de marcas visuais do espectro ptico. Este o Mtodo do Ombro, que assume a existncia de uma ondulao em cada lado do pico do sinal, indicando

o nvel do rudo intercanal se o mesmo no tivesse sido atenuado. Como mostra a Figura 26, no mtodo manual o rudo deve ser medido na ondulao (MOENCH, 2007).

O Mtodo do Ombro valido para taxas de transmisso at 10Gbps, acima desta taxa a banda do sinal muito prxima banda do filtro tornando a ondulao imperceptvel.

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Figura 26. Medida da OSNR pelo Mtodo do Ombro

FONTE: (MOENCH, 2007)

6.3.1.2 Deteco da Polarizao Diversa

A deteco da Polarizao Diversa baseada no princpio de polarizao nula suportando o fato de que o sinal ptico transmitido consiste de uma luz arbitrariamente polarizada, enquanto

que o rudo ASE consiste somente de luz no polarizada. Instalando um polarizador ptico no caminho da luz, este ir bloquear ou passar o sinal ptico dependendo do estado de polarizao do mesmo (MOENCH, 2007).

Figura 27. Mtodo da Deteco da Polarizao Diversa


Um separador de polarizao separa o sinal de entrada em dois estados de polarizaes ortogonais, suprimindo o sinal polarizado transmitido e deixando passar o rudo no polarizado.

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Este mtodo no to eficiente, pois a atenuao do sinal depende do casamento entre o polari-zador e o sinal transmitido. Alguns fabricantes utilizam este mtodo, pois dizem que separando o sinal em estados de polarizao ortogonais sempre haver condio para detectar a ondulao no pico do sinal. Posteriormente utiliza-se o Mtodo do Ombro para finalizar a medida da OSNR.

Nota-se na Figura 27, que para cada canal a atenuao do sinal diferente, isto depende do estado de polarizao do mesmo. No caso apresentado os canais um e dois apresentaram bai-

xa atenuao tornando difcil a deteco da ondulao no pico do sinal. J no canal trs este se tornou mais perceptvel, passando a ser vivel o uso do Mtodo do Ombro.

6.3.1.3 Mtodo da Separao da Polarizao ptica

Como a desvantagem do mtodo da Deteco da Polarizao Diversa que a supresso do sinal transmitido depende da combinao entre o seu estado de polarizao e a do separador de polarizao, alguns fornecedores desenvolveram um controlador para um polarizador ajust-vel, que polariza o sinal transmitido de forma a cas-lo com o separador de polarizao. O con-trolador busca o ponto de mxima atenuao do sinal transmitido e aps encontrar o ponto timo, o sinal separado em duas polarizaes ortogonais e ento, analisando os dois resultados, pode-se encontrar a OSNR do sinal transmitido (MOENCH, 2007).

Figura 28. Diagrama do Mtodo da Separao da Polarizao ptica


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6.3.2 Clculo

Para um enlace ptico com amplificadores, a fonte dominante de rudo a ASE. Se am-plificadores Raman de alto ganho so utilizados, o duplo espalhamento de Rayleigh (DRS) tam-bm pode ser uma fonte significativa de rudo. As equaes a seguir iro considerar apenas a OSNR em razo da ocorrncia de rudo ASE (CHOMYCZ, 2009).

Como comentado anteriormente a OSNR a razo da potencia do sinal e a potncia de rudo:

.Kl = Vd

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.Kl_` = 7st +KL + 10 log ! + 10 log - (16)

Sendo: .Kl_` = relao sinal rudo, dB; 7st = potncia de entrada no EDFA, dB.

Analisando a equao (16), percebe-se que o ganho do EDFA no considerado. Isto ocorre devido OSNR ser uma razo entre a potncia do sinal e a do rudo e o ganho do EDFA atuar igualmente nas duas potncias. Portanto os parmetros do ganho no numerador e denomi-nador da equao so cancelados. Em outras palavras, embora os EDFAs compensem a atenua-o do enlace ptico, cascateando EDFAs, a OSNR ser degradada a cada amplificao. Esta degradao pode ser diminuda com a utilizao de amplificadores Raman (GUMASTE, et al., 2002).

Amplificadores Raman apresentam uma figura de rudo baixa, tipicamente -2 0dB, e tem um bom ganho no sinal, 5 20dB, mas so significativamente mais caros em relao aos EDFAs. Seu uso limitado expanso de longas linhas pticas onde a OSNR atingiu seu limite. Embora este tambm adicione rudo ASE ao sistema, a figura de rudo equivalente ao final do enlace pode ser zero ou at negativa (CHOMYCZ, 2009).

O clculo da OSNR resultante de um enlace ptico com diversas fontes de rudo, no caso amplificaes, pode ser calculado sabendo a OSNR de cada estgio de amplificao de acordo

com a equao (17) (CHOMYCZ, 2009).

1.Kl$ =

1.Kl$V

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7 Simulador de Enlace ptico

Como visto nos captulos anteriores, sistemas DWDM possuem diversos componentes para adequar o enlace de transmisso s caractersticas desejadas. Entretanto alm de auxiliar no desenvolvimento do link ptico, estes dispositivos inserem atenuaes, rudos e distores ao sistema. Todos estes parmetros devem ser equilibrados para se desenvolver uma rede DWDM tcnica e economicamente vivel.

Devido complexibilidade de adequar todos os parmetros s especificaes dos disposi-

tivos, um simulador de enlaces pticos torna-se uma ferramenta de grande ajuda, pois o mesmo consegue calcular os diversos parmetros simultaneamente e compar-los as especificaes dos

componentes. Com este objetivo foi criada uma biblioteca para o software Simulink, que embora seja um software para simulao de sistemas dinmicos, pareceu bastante atrativo para o desen-volvimento do sistema requerido, devido a sua interface grfica onde blocos so adicionados e conectados entre si, representando o fluxo do sinal no sistema. Alm disso, estes blocos podem ser customizados, tornando possvel a modelagem dos diversos dispositivos pticos.

Buscou-se desenvolver um mtodo simples, no qual bastasse escolher os modelos, adici-onar os blocos dos dispositivos modelados e conect-los para que o software pudesse fazer o cl-culo da qualidade do sinal propagado. Os parmetros calculados para determinar esta qualidade

foram a disperso cromtica, potncia ptica e a relao sinal rudo ptico (OSNR). Esta escolha foi feita em virtude das especificaes dos transceivers apresentarem estes parmetros para de-

terminar a sua sensibilidade. Primeiramente neste captulo so apresentados os diversos blocos dos dispositivos pti-

cos modelados, os parmetros neles inseridos, suas configuraes e alarmes. Aps a apresenta-o dos blocos criados so apresentados dois ensaios com equipamentos reais e a comparao das medidas obtidas com os valores calculados pelo simulador.

7.1 Modelagem dos dispositivos pticos

Para a modelagem dos dispositivos foram criados subsistemas com blocos Embedded MATLAB Function, pois estes permitem inserir rotinas de linguagem de programao Matlab. Os

subsistemas se mostraram teis para criar uma interface grfica de fcil compreenso e manu-

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seio. Na Figura 29 pode-se observar os blocos desenvolvidos para a modelagem dos componen-tes do sistema DWDM.

Figura 29. Biblioteca criada para o simulador de enlaces pticos

7.1.1 Transmissor

Para obter uma interface grfica mais intuitiva decidiu-se separar o transceiver em duas par-tes: transmissor e receptor. Portanto neste captulo so abordados os assuntos referentes ao

transmissor.

Como existem diversos fabricantes e modelos de transceivers, criou-se um mtodo e seleo

do transceiver a ser utilizado (Figura 30). Esta escolha faz com que o mesmo carregue as especi-ficaes de potncia e OSNR do sinal emitido, alm disso, esta seleo j determina as caracte-rsticas do receptor ao final do enlace. Na mesma janela de seleo tambm deve-se escolher o canal a ser utilizado para a transmisso. Este parmetro determinar o comprimento de onda uti-lizado conforme a normativa ITU-T G.694.1, pois vrios parmetros calculados no decorrer do

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software dependem deste valor. Os canais disponveis para a escolha cobrem a faixa do canal C20 ao C59.

Figura 30. Interface grfica para especificar modelo e canal utilizado no transceiver.

7.1.2 Multiplexadores

O multiplexador ptico, como comentado anteriormente, agrupa diversos canais em uma

nica fibra. Como este dispositivo funciona atravs de um cascateamento de filtros pticos, dife-rentes atenuaes so inseridas para cada canal. Ao consultar o manual de especificaes destes componentes, somente o pior caso de atenuao informado. Visto que muitas vezes os enlaces pticos podem trabalhar muito prximo do limite da sensibilidade do receptor, decidiu-se ensaiar alguns multiplexadores para determinar a perda de potncia em cada canal.

Pela anlise do o captulo 5.1.1, que aborda multiplexadores e demultiplexadores de tec-nologia filme fino, geralmente utilizada para dispositivos com at 16 canais, observa-se que a variao da atenuao dos canais pode ser linearizada, pois a cada novo canal multiplexado um

filtro adicionado ao caminho ptico do sinal. Portanto a modelagem das perdas dos canais con-sistiu em determinar o valor da atenuao do canal com a menor perda por insero do multiple-

xador e foi feita uma linearizao com a mxima atenuao, que fornecida no manual de espe-cificaes do componente.

Para o ensaio dos multiplexadores e demultiplexadores pticos, foi injetada uma potncia ptica com o transceiver correspondente a cada canal. Com o analisador de espectro OSA, me-

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diu-se a potncia de entrada e sada do dispositivo e calculou-se a atenuao de cada canal. Na Tabela 5 esto amostrados os valores de atenuao mnimos encontrados em cada dispositivo, assumindo que este valor segue uma distribuio normal, adquire-se sua mdia, v, e desvio pa-dro, >, e ento adota-se o valor mnimo de atenuao sendo a mdia destas medidas mais trs sigmas (v * 3>), o que estatisticamente corresponde a um valor superior cerca de 99,7% das atenuaes mnimas dos multiplexadores, Tabela 6. Este valor tambm foi utilizado para a ate-nuao do demultiplexador, pois este possui o mesmo padro de construo.

Tabela 5. Atenuao mnima encontrada no ensaio de mux e demux.

Mux/Demux Atenuao* (dB) Mux/Demux Atenuao* (dB) 1 0,84 7 0,92

2 0,67 8 1,22 3 0,86 9 1,03 4 0,86 10 1,06 5 0,76 11 0,96

6 0,45 12 0,71

* Atenuao do canal com menor perda por insero.

Tabela 6. Resultados obtidos da Tabela 5.

Mdia 0,86 dBm

Desvio Padro 0,2 dBm

Valor adotado 1,5 dB

Portanto, a atenuao de cada canal do multiplexador do simulador obedece aos valores amostrados na Tabela 7.

Uma das grandes vantagens de sistemas DWDM a capacidade de expanso do mesmo. Um enlace ptico pode comear com um nico canal, todavia utilizando um sistema multiplexa-do, para futuramente adicionar novos canais sem interromper o trafego de dados. Com este obje-tivo tornou-se necessrio desenvolver um mtodo em que apenas alguns canais do multiplexador sejam utilizados para a simulao. A soluo foi criar uma interface grfica onde o usurio esco-lhe os canais a serem utilizados (Figura 31). Ao escolher os canais, as demais entradas do multi-

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plexador so ocultadas. Isto foi necessrio pois o software Simulink no permite deixar portas de entrada sem conexo.

Tabela 7. Valores das atenuaes por canal do multiplexador.

Canal Atenuao (dB) C28 1,5 C29 1,7 C30 1,9 C31 2,1 C32 2,3 C33 2,5 C34 2,7 C35 2,9

Figura 31. Interface grfica do multiplexador para a escolha dos canais a serem utilizados

No caso de algum transmissor ser conectado a porta errada do multiplexador uma mensa-gem de erro surge para o usurio, indicando em qual componente est a inconsistncia, ver Figu-ra 32.

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Figura 32. Alarme de conexo errnea no multiplexador.

7.1.3 Atenuadores

Para o ajuste de potncia ptica no sistema, diversas vezes torna-se necessria a insero de atenuadores no caminho ptico. Em virtude do mtodo de compilao do Simulink foi neces-sria a criao de dois tipos de atenuadores, Client Attenuator e Link Attenuator. O funcionamen-to de ambos o mesmo, mas cada um deve ser utilizado em seu devido lugar, ou seja, Client At-tenuator utilizado para equilibrar a potncia entre canais, na entrada de multiplexadores e re-

ceptores. A utilizao do Link Attenuator se d no link de transmisso, nos pontos em que h v-rios canais multiplexados, geralmente na entrada ou sada de amplificadores.

O nico parmetro a ser determinado para o atenuador o valor de sua atenuao. A in-terface criada para este fim est apresentada na Figura 33.

Figura 33. Interface grfica para especificar a atenuao do bloco atenuador.

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7.1.4 Amplificador

O bloco amplificador um dos mais complexos do simulador. So os amplificadores que injetam rudo ao sistema, portanto neste bloco feito o calculo da degradao da OSNR, alm da insero de potncia ao sinal.

A complexibilidade deste bloco se limita aos clculos por ele determinado, pois para o

usurio do simulador basta escolher o modelo do amplificador a ser utilizado. Quando determi-nado o modelo, o simulador carrega automaticamente os parmetros especificados pelo fabrican-

te. No caso foram configuradas cinco opes de amplificadores, todos eles comercializados pela empresa Digitel S.A. Dentre estes cinco modelos existem um amplificador booster monocanal, EOA B+21/27 S; um pr-amplificador monocanal, EOA P0/25 S; um amplificador booster mul-ticanal EOA B21C A; dois pr-amplificadores multicanais, EOA P15C A e EOA P25C A. A in-terface para a escolha do modelo apresentada na Figura 34, esta possui a lista dos amplificado-res, bastando clicar sobre o desejado para realizar a escolha.

Figura 34. Interface para a escolha do modelo do amplificador ptico.

Determinado o modelo do amplificador este bloco carrega os parmetros corresponden-

tes, faz a aquisio dos dados de potncia e OSNR de entrada e ento atravs das equaes (16) e (17) calcula a OSNR resultante. Ainda calculada a potncia de sada, que para o amplificador EOA B+21/27 S, por se tratar de um amplificador monocanal de potncia controlada tem sua sa-da fixa em 21dBm. Os demais EDFAs possuem um controle de ganho, portanto, a potncia de sada obtida somando o ganho correspondente potncia de entrada de cada canal.

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Como amplificadores possuem potncias mximas e mnimas de entrada, alarmes foram criados para chamar a ateno do projetista do enlace ptico. No caso desta ocorrncia, janelas com mensagens de erro so mostradas informando a potncia de entrada, se a mesma alta ou baixa, o amplificador no qual a inconsistncia foi detectada, e ainda, no diagrama do enlace, o contorno do amplificador realado na cor vermelha. As possveis janelas de erro do amplifica-dor podem ser visualizadas na Figura 35.

Figura 35. Janelas de alarme geradas pelo amplificador, direita baixa potncia e esquerda alta potncia.

7.1.5 Fibra

A fibra o componente caracterizador do enlace, ou seja, todo o sistema desenvolvido em torno da fibra. Normalmente o usurio do simulador ter as caractersticas da fibra determi-nadas pelo solicitador do enlace, e ento atravs dos demais parmetros do sistema, como nme-ro de canais, taxa de transferncia, possibilidade de expanso, entre outros, ele ter que adaptar os demais componentes a fim de atender a todos os requisitos.

Para caracterizao da fibra trs parmetros devem ser determinados: tipo de fibra, com-primento e atenuao total. Foram modelados quatro tipos de fibra de acordo com as recomenda-

es da ITU, sendo elas a fibra padro (STD G.652), Nonzero Dispersion-Shifted positiva (+NZDSF G.655) e negativa (-NZDSF G.655) e ainda por fim a fibra Dispersion-Shifted (DSF G.653). Para determinar o tipo a ser utilizado, na interface mostrada na Figura 36, basta selecionar o modelo desejado. Na mesma figura ainda pode-se visualizar uma caixa de texto para determinar o comprimento total da fibra e ainda uma checkbox que permite ativar ou no a utili-zao de um valor pr-determinado de atenuao total da fibra. No caso desta caixa no ser mar-cada a atenuao total ser calculada em funo da atenuao por quilmetro conforme as reco-mendaes da ITU para cada tipo de fibra.

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Figura 36. Interface para determinar o tipo, comprimento e atenuao da fibra.

7.1.6 DCM

Os mdulos compensadores de disperso cromtica, DCMs, normalmente so utilizados em sistemas pticos aps a fibra. Estes dispositivos variam de acordo com o tipo e comprimento da fibra utilizada. Para a seleo do componente a ser utilizado foi criada a interface presente na Figura 37. Dois campos de seleo devem ser especificados; o primeiro indica o tipo de fibra uti-lizado, sendo possveis trs escolhas: G.652, G.653 e G.655; o segundo campo determina a dis-tncia equivalente disperso compensada. Neste caso valores de 40 a 200 km foram especifica-dos.

Chama-se a ateno para a fibra G.655 modelada no simulador. Esta fibra corresponde NZDSF positiva, pois a utilizao da NZDSF negativa se d somente em enlaces com alternncia na utilizao de fibras positivas e negativas, resultando na compensao de disperso ao longo

do enlace, portanto no necessria a utilizao de DCMs para estes tipos de enlaces. Com a seleo do modelo de DCM, o simulador carrega as especificaes do canal de re-

ferencia da disperso, a variao da compensao entre canais e a perda por insero correspon-dente. De acordo com as equaes apresentadas na Tabela 4 calculada ento a compensao da

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disperso proporcionada pelo DCM e a perda por insero descontada da potncia dos canais que passam pelo componente.

Figura 37. Interface para a seleo do DCM utilizado na simulao.

7.1.7 OADM

No caso de um enlace ter uma ramificao, podem ser utilizados OADMs que se respon-sabilizam por retirar ou adicionar canais especficos do link ptico. No simulador foi criado um OADM de quatro canais, sendo eles os canais 28, 29, 30, 31.

Como o mtodo de construo de OADMs igual ao de multiplexadores de filme fino, nos manuais de especificao destes componentes tambm s encontrada a atenuao mxima. Por se tratar de cascateamento de filtros, para aproximar o simulador da realidade foi necessrio o ensaio destes dispositivos e assim, foram adquiridos os valores presentes na Tabela 8. Adotan-

do o mesmo critrio utilizado para calcular a atenuao mxima do canal com menor atenuao dos multiplexadores, calcularam-se os valores da Tabela 9. Assim determinaram-se as atenua-es por canal apresentadas na Tabela 10. Lembrando que o mtodo de construo dos filtros para adicionar e retirar canais o mesmo. Portanto os valores para o clculo da atenuao dos canais adicionados e retirados foram os mesmos. Foi definida tambm a atenuao dos canais do enlace que passam pelo mdulo, mas no sofrem manobras, atravs de especificaes do fabri-cante.

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Tabela 8. Valores de atenuaes mnimas medidas nos OADMs.

Add Atenuao* (dB) Drop Atenuao* (dB) 1 0,63 7 0,93

2 0,62 8 0,58 3 0,85 9 0,95 4 0,97 10 1,02 5 0,54 11 0,69

6 0,54 12 0,64 7 0,91 13 0,78

8 0,52 14 1,13

* Atenuao do canal com menor perda por insero.

Tabela 9. Resultados obtidos atravs da Tabela 8

Mdia 0,77 dBm Desvio Padro 0,2 dBm

Valor adotado 1,38 dB

Tabela 10. Valores de atenuao por canal utilizados no OADM.

Canal Atenuao (dB) C28 1,38 C29 1,52 C30 1,66 C31 1,8

Assim como nos multiplexadores, uma interface para a seleo dos canais a serem utili-zados no componente foi criada (Figura 38). Nesta interface trs abas so encontradas: ADD, pa-ra a seleo dos canais a serem adicionados no enlace; Drop para os canais a serem retirados; Bridge para canais que esto sendo transmitidos no link em questo, fazem parte da faixa de ope-rao do OADM, mas no sero retirados, portanto simulando uma ponte do conector de sada para a entrada do canal em questo.

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No caso de uma conexo na qual o canal inserido no correspondente porta conectada, uma mensagem de erro como a visualizada na Figura 39 exibida. Aps fazer a simulao pode-se ento visualizar os parmetros dos canais retirados e, com um duplo clique sobre o cone do OADM, uma janela como a presente na Figura 40 amostrada.

Figura 38. Interface para seleo de canais adicionados, retirados e os que sero feito jumpers.

Figura 39. Mensagem de erro na insero de canais no OADM.

Figura 40. Tabela com valores dos parmetros dos canais retirados pelo OADM.

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7.1.8 APS

Os APS so utilizados para criar a redundncia de enlaces de transmisso. No caso de possuir dois caminhos de transmisso

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