Monografia - Sistemas ópticos com multiplexagem densa em comprimento de onda - 1sem2010

INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

SISTEMAS ÓPTICOS COM MULTIPLEXAGEM DENSA EM COMPRIME NTO DE ONDA

Didier Moreira Júnior

Diego Eduardo Ferreira da Silva

Mariana Bauler Kondo

Santa Rita do Sapucaí/MG

2010

ii

INSTITUTO NACIONAL DE TELECOMUNICAÇÕES

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA




SISTEMAS ÓPTICOS COM MULTIPLEXAGEM DENSA EM COMPRIME NTO DE ONDA

Trabalho apresentado ao Curso de

Engenharia Elétrica do Instituto Nacional

de Telecomunicações como parte dos

requisitos para obtenção do título de

Engenheiro Eletricista.

Orientador: Prof. Dr. José Antônio Justino Ribeiro

Santa Rita do Sapucaí/MG

2010

iii

Kondo, Mariana Bauler K821s Sistemas ópticos com multiplexagem densa em comprimento de onda / Didier Moreira Júnior; Diego Eduardo Ferreira da Silva; Mariana Bauler Kondo. – Santa Rita do Sapucaí, 2010. 59 p. Orientador: Prof. Dr. José Antônio Justino Ribeiro Trabalho de Conclusão de Curso – Engenharia Elétrica modalidade em Eletrônica – Instituto Nacional de Telecomunicações – INATEL. Inclui bibliografia. 1. Comunicações ópticas 2. Multiplexação 3. Dispositivos fotônicos 4. Amplificadores 5. Acopladores 6. Engenharia Elétrica I. Ribeiro, José Antônio Justino. II. Instituto Nacional de Telecomunicações – INATEL. III. Título.

CDU 621.31

iv




Sistemas ópticos com multiplexagem densa em comprimento de onda

Trabalho de conclusão de curso submetido ao corpo docente do Instituto Nacional de

Telecomunicações, como parte dos requisitos necessários à obtenção do grau de Bacharel em

Engenharia Elétrica.

Data da aprovação: ____/____/____

Comissão Examinadora:

___________________________________________________________

Prof. José Antônio Justino Ribeiro (orientador)

___________________________________________________________

Prof. Antônio Alves Ferreira Júnior

___________________________________________________________

Prof. Navantino Dionísio Barbosa

v

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a Deus, que foi nosso maior porto seguro. Com a ajuda

Dele tivemos forças para chegar ao final desta jornada.

Ao professor José Antônio Justino Ribeiro, nosso orientador, com quem pudemos ter o

prazer de conviver mais de perto durante este período de conclusão de curso e com quem

partilhamos pontos de vista, obtivemos soluções nos momentos mais difíceis, nos

beneficiando de grande disponibilidade, paciência, encorajamento e confiança.

Ao incentivo constante de todos os participantes, não deixando desanimar nos

momentos difíceis que surgiam ao longo da pesquisa.

As nossas famílias, amigos e namorado(as) pela colaboração, compreensão com os

nossos deveres, por vibrarem com as nossas conquistas, pela saudade que sentiram enquanto

estivemos longe.

vi

RESUMO

Este trabalho apresenta diversos dispositivos, componentes e subsistemas empregados

em comunicações ópticas de elevadas taxas de transmissão. Descrevem-se os elementos

integrantes de transmissores, de receptores, acopladores, divisores de feixes, filtros, entre

outros. Descrevem-se suas aplicações em redes ópticas que utilizam a tecnologia de

multiplexação em comprimento de onda, em particular as que adotam a multiplexação densa,

em que os diferentes comprimentos de onda estão separados de valores muito próximos

(DWDM), permitindo grande aumento na capacidade dos sistemas. Por necessidade de

discussão sobre algumas etapas da evolução, o trabalho trata dos sistemas básicos e passa pelo

processo subseqüente de multiplexagem esparsa (CWDM). Abordam-se as aplicações mais

relevantes, as vantagens de utilização e algumas limitações que exigem cuidados especiais

para o projeto e a seleção dos componentes.

vii

ABSTRACT

This work presents various devices, components and subsystems used in optical

communications for high transmission rates. Describes the integral elements of transmitters,

receivers, couplers, beam splitters, filters, among others. It describes their applications in

optical networks that use the technology in wavelength multiplexing, in particular those who

adopt the dense multiplexing, where different wavelengths are separated from values very

close (DWDM), allowing large increase in systems capacity. On the need for discussion on

some steps of evolution, the work deals with the basic systems and through the subsequent

process of coarse wavelength division multiplexing (CWDM). It addresses the most relevant

applications, advantages and limitations of use which require special care for the design and

selection of components.

viii

ÍNDICE

LISTA DE FIGURAS XI

LISTA DE SIGLAS, ACRÔNIMOS E ABREVIAÇÕES XV

1. MULTIPLEXAGEM EM COMPRIMENTO DE ONDA 1

1.1. INTRODUÇÃO 1

1.2. VISÃO SISTÊMICA 2

1.3. APRESENTAÇÃO DO TRABALHO 2

2. FONTES ÓPTICAS PARA SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES 3

2.1. INTRODUÇÃO 3

2.2. PROPRIEDADES GERAIS DOS DIODOS LASERES 3

2.3. MODELOS COMUNS DE DIODOS LASERES PARA COMUNICAÇÕES ÓPTICAS 5

a. Diodo laser com cavidade de Fabry-Perot 5

b. Diodo laser com cavidade externa 6

c. Diodo laser com realimentação distribuída 6

2.4. CARACTERÍSTICAS DE DIODOS LASERES DE REALIMENTAÇÃO DISTRIBUÍDA 8

a. Diodo laser DFB convencional 8

b. Diodo laser PAR-DFB 8

c. Diodo laser MPS-DFB 8

d. Diodo laser DCC-DFB e laser MPS-DCC-DFB 9

e. Diodos laseres CPM-DFB e CPM-DCC-DFB 9

f. Diodos laseres GLTG-DFB e CG-DFB 10

2.5. COMPARAÇÃO ENTRE DIODOS LASERES 10

3. AMPLIFICADORES ÓPTICOS 11

3.1. GENERALIDADES SOBRE OS AMPLIFICADORES ÓPTICOS 11

3.2. ESPALHAMENTO DE RAMAN 12

a. Geração das ondas de Stokes e anti-Stokes 12

b. Descrição do espalhamento de Raman 14

3.3. AMPLIFICAÇÃO POR EFEITO RAMAN 15

a. Descrição do processo 15

b. Métodos de bombeamento 16

3.4. TOPOLOGIAS UTILIZADAS NO AMPLIFICADOR DE RAMAN 17

a. Amplificador de Raman distribuído 17

b. Amplificador discreto de Raman 19

ix

c. Topologias básicas do amplificador discreto de Raman 21

3.5. AMPLIFICADOR A FIBRA ÓPTICA DOPADA COM ÉRBIO 23

a. Considerações gerais 23

b. Funcionamento e diagrama básico 23

c. Características de amplificação do EDFA 25

d. Montagens usuais 25

3.6. AMPLIFICADORES ÓPTICOS DE SEMICONDUTOR 27

a. Descrição geral 27

b. Modos de operação 27

3.7. COMPARAÇÕES 28

4. DISPOSITIVOS PARA ACOPLAMENTO ÓPTICO 30

4. 1. ACOPLADORES ÓPTICOS 30

a. Características gerais dos dispositivos 30

b. Acoplador WDM empregando prismas 30

4.2. DIVISÃO DO FEIXE ÓPTICO GUIADO 31

a. Divisão de comprimento de onda utilizando grades de difração 31

b. Divisão em comprimento de onda utilizando fibras bicônicas 32

c. Acopladores com rede de guias de onda 34

4.3. FILTROS UTILIZADOS EM DIVISÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA 35

a. Filtros Dielétricos 35

b. Alguns procedimentos para seleção do comprimento de onda 36

c. Seleção por grade de Bragg 37

5. RECEPTORES PARA SISTEMAS MULTICANAIS 39

5.1. DESCRIÇÃO GERAL 39

a. Esquema básico do receptor óptico 39

b. Função do fotodetector 39

c. Mecanismo básico da geração da fotocorrente 40

5.2. FOTODIODO P-N 40

5.3. FOTODIODO P-I-N 41

5.4. FOTODIODO DE AVALANCHE 41

5.5. OUTROS FOTODETECTORES 42

5.6. CARACTERÍSTICAS DE DESEMPENHO DOS FOTODETECTORES 42

a. Sensibilidade 42

x

b. Resposta em freqüência 43

c. Limitação pelos ruídos 43

d. Esquema básico da fotodetecção 43

6. MULTIPLEXAÇÃO DENSA EM COMPRIMENTO DE ONDA 45

6.1. EVOLUÇÕES DA TÉCNICA DE MULTIPLEXAÇÃO POR COMPRIMENTO DE ONDA 45

6.2. MULTIPLEXAÇÃO ESPARSA POR DIVISÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA 45

6.3. MULTIPLEXAÇÃO DENSA POR DIVISÃO DE COMPRIMENTO DE ONDA 46

7. COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES 48

7.1. RESUMO DO TRABALHO 48

7.2. CONCLUSÕES 49

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 51

ANEXO 53

xi

Lista de figuras

Figura 1.1: Diagrama de um enlace utilizando a técnica de multiplexação densa em

comprimentos de onda para 64 comprimentos de onda em uma freqüência de 100Ghz, refere-

se a espaçamentos de 0,8nm 2

Figura 2.1: Diagrama espectral típico de um diodo laser para comunicações ópticas 4

Figura 2.2: Esquema básico de um diodo laser de Fabry-Perot 5

Figura 2.3: Esquema básico de um diodo laser com realimentação distribuída, destacando-se

as corrugações para a seleção do comprimento de onda 7

Figura 2.4: (a) Esquema de um laser DFB; (b) Esquema de um laser DBR 7

Figura 2.5: (a) Comportamento típico do laser DFB convencional, mostrando a emissão de

dois modos simétricos. (b) Situação ideal para o laser monomodo, indicado para sistemas de

elevada capacidade 8

Figura 2.6: Esquema simplificado da estrutura PAR-DFB 8

Figura 2.7: Esquema simplificado da estrutura DFB com uma mudança de fase 9

Figura 2.8: Esquema simplificado de uma estrutura DCC-DFB 9

Figura 2.9: Esquema simplificado de uma estrutura CPM-DFB 10

Figura 2.10: Esquema simplificado de uma estrutura GLTG-DFB 10

Figura 2.11: Esquema simplificado de uma estrutura CG-DFB 10

Figura 3.1: (a) Representação de um amplificador óptico atuando como amplificador de

potência na saída de um equipamento de processamento óptico-elétrico. (b) Representação de

uma instalação de sistema de comunicações ópticas, incluído as atuações do amplificador

óptico como elementos para aumentar os níveis de potência na saída de um equipamento e na

entrada de um receptor. (c) Instalação de um sistema óptico que inclua os amplificadores nas

três funções descritas como amplificador de potência, amplificador de linha e pré-

amplificador 13

Figura 3.2: Distribuições de energia relativas às formações das ondas de Stokes e de anti-

Stokes. (a) Distribuição relativa à onda de Stokes. (b) Distribuição correspondente à formação

da onda anti-Stokes 14

Figura 3.3: Representação da curva típica da variação do coeficiente de ganho em um

amplificador de Raman 16

Figura 3.4: Diagrama em blocos básico de um amplificador óptico, destacando suas partes

mais relevantes 16

xii

Figura 3.5: (a) Esquema básico da amplificação distribuída de Raman (DRA). (b) Esquema

básico do amplificador discreto de Raman. (LRA) 17

Figura 3.6: Representativo do comportamento do amplificador de Raman distribuído 18

Figura 3.7: Atuação do amplificador de Raman. (a) Esquema tradicional de um enlace óptico

com um amplificador de linha que recupera o sinal óptico guiado em pontos específicos. (b)

Proposta para recuperação do feixe óptico em pontos estratégicos do enlace. (c) Esquema que

demonstra a possibilidade de recuperação do feixe óptico entre os limites de ruído e de não-

linearidade da fibra 19

Figura 3.8: Configuração básica de um amplificador discreto de Raman (LRA). Neste

esquema, optou-se por ilustrar o bombeamento contradirecional 20

Figura 3.9: Curva 1 (pontilhada) ilustra uma fonte de bombeamento único, a curva

2(tracejada) ilustra uma fonte de bombeamento duplo e a curva 3 (continua) ilustra uma fonte

de bombeamento triplo 20

Figura 3.10: Ilustra a configuração do amplificador de Raman por bombeamento contra

direcional, onde o laser de bombeamento é colocado no final da fibra óptica onde deseja

amplificar 21

Figura 3.11: Ilustra a configuração do amplificador de Raman por bombeamento co-

direcional, onde o laser de bombeamento é colocado no começo da fibra óptica onde deseja

amplificar 22

Figura 3.12: Ilustra a configuração do amplificador de Raman por bombeamento combinado,

onde é colocado dois laseres de bombeamento, um no inicio e um no fim da fibra óptica onde

se deseja amplificar, fazendo a combinação das configurações citadas anteriormente 22

Figura 3.13: Esquema básico de um amplificador a fibra dopada com érbio, para amplificação

na terceira janela de baixa atenuação da fibra óptica à base de sílica 23

Figura 3.14: Níveis de energia (E1, E2 e E3) dos íons de érbio representados em uma fibra de

sílica, esquematizando o processo de amplificação na terceira janela de baixa perda na fibra

óptica 24

Figura 3.15: Gráfico representativo do crescimento da potência óptica de saída de um EDFA,

com destaque para a condição de saturação 25

Figura 3.16: Um EDFA usado como amplificador de potência instalado na saída de um

transmissor óptico 26

Figura 3.17: Um EDFA usado como pré-amplificador na entrada de um receptor óptico, com

objetivo de recuperar o nível do sinal que sai na extremidade da fibra óptica 26

xiii

Figura 3.18: Um EDFA usado como amplificador de linha, solução útil para sistemas que

incorporam vários pontos de acesso em um enlace óptico 26

Figura 3.19: Esquema do SOA, com a amplificação realizada em uma heterojunção de

semicondutores 27

Figura 3.20: Esquema básico do SOA na operação em forma de Fabry-Perot (FPA), onde o

sinal passa várias vezes através do amplificador 28

Figura 3.21: Esquema básico do SOA na operação em forma de onda caminhante (TWA),

onde o sinal passa apenas uma vez através do amplificador desprezando as reflexões 28

Figura 4.1: Desmutiplexador utilizando prisma. Os comprimentos de onda são separados pela

modificação no índice de refração 31

Figura 4.2: Montagem típica de uma grade de difração. Seu comportamento está associado à

incidência do feixe óptico em relação ao ângulo de inclinação 32

Figura 4.3: Montagem de um acoplador para sistemas de multiplexação em comprimento de

onda utilizando grade de difração 32

Figura 4.4: Ilustração da fibra fundida com redistribuição do sinal de entrada para a saída do

dispositivo 33

Figura 4.5: Ilustração de um sinal modulado em oito comprimentos de onda, com o efeito

intercalação de canais pares e impares 34

Figura 4.6: Ilustração de um desmutiplexador de comprimentos de onda projetado a partir de

interferômetros de Mach-Zehnder em um sistema DWDM 34

Figura 4.7: Acoplador AWG, divide os diferentes comprimentos de onda e os encaminha para

diferentes fibras de saída 35

Figura 4.8: Os feixe ópticos I1 e I2 são refletidos em ângulos idênticos e o correspondente a I3

é transmitido em um ângulo que depende das propriedades dos materiais envolvidos 36

Figura 4.9: Um arranjo de filtros configurado para desmutiplexar diferentes comprimentos de

onda 36

Figura 4.10: Mostra como um arranjo de filtros pode ser projetado com comprimentos de

onda estrategicamente agrupados para separar quarenta comprimentos de onda 37

Figura 4.11: Mostra como uma grade de Bragg pode ser utilizada para se obter uma porta

Drop que seleciona um especifico comprimento de onda 38

Figura 5.1: Diagrama em blocos de um receptor óptico. A etapa do amplificador óptico na

entrada pode ser necessária para sistemas de grandes extensões, quando o feixe óptico chegar

muito atenuado 39

xiv

Figura 5.2: Esquema básico de um fotodetector, com a representação do sinal elétrico em sua

saída a partir da incidência do feixe óptico modulado 39

Figura 5.3: Funcionamento de um fotodetector utilizando um semicondutor 40

Figura 5.4: Constituição básica de um fotodetector do tipo p-n 41

Figura 5.5: Esquema de construção de um fotodiodo p-i-n 41

Figura 5.6: Esquema de um fotodetector de avalanche, destacando-se as principais regiões que

atuam em seu funcionamento 42

Figura 5.7: Esquema básico de um amplificador de transimpedância para primeiro

processamento do sinal fotodetectado 44

Figura 6.1: Configuração básica de um sistema CWDM, em que as portadoras ópticas são

agrupadas em até 16 canais, separados em torno de 20nm, tipicamente 46

xv

Lista de siglas, acrônimos e abreviações

APD Fotodiodo de Avalanche (Avalanche Photodiodes)

ASE Amplificação por Emissão Espontânea (Amplified Spontaneous

Emission)

ATM Modo de Transferência Assíncrono (Asynchronous Transfer Mode)

AWG Rede de Guias de Onda (Array Waveguide Gratings)

CG Grades Moduladas (Chirped Grating)

CPM Passo de Corrugação Modulado (Corrugation Pitch Modulated)

CWDM Multiplexação Esparsa por Divisão de Comprimento de Onda (Course

Wavelenght Division Multiplexing)

DBR Refletor de Bragg Distribuído (Distributed Bragg Reflector)

DCC Coeficiente de Acoplamento Distribuído (Distributed Coupling

Coefficient)

DCF Fibra de Compensão de Dispersão (Dispersion Compensation Fiber)

DEMUX Desmultiplexador (Demultiplexer)

DFB Realimentação Distribuída (Distributed Feedback)

DR Refletor Distribuído (Distributed-reflector)

DRA Amplificação Distribuída (Distributed Raman Amplifier)

DWDM Multiplexação Densa por Divisão de Comprimento de Onda

(Wavelenght Division Multiplexing)

EDFA Amplificador a Fibra Dopada com Érbio (Erbium Doped Fiber

Amplification)

FBG Grade de Bragg (Fiber Bragg Gratings)

FBT Fibras Bicônicas Fundidas (Fused Biconic Tapered)

FPA Amplificador Fabry-Perot (Fabry-Perot Amplification)

GLTG Grade de Variação Gradual Gaussiana (Gaussian-like tappered grating)

IP Protocolo de Internet (Internet Protocol)

ITU União Internacional de Telecomunicações (International

Telecommunication Union)

LED Diodo Emissor de Luz (Light Emissor Diode)

LRA Amplificação Discreta de Raman (Light Raman Amplification)

MPS Múltiplos Deslocamentos de Fase (Multiple Phase-Shift)

MUX Multiplexador (Multiplexer)

xvi

OADM Multiplexador Óptico de Inserção e Remoção (Optical Add-Drop

Multiplexer)

OSNR Relação Sinal-Ruído Óptica (Optical Signal Noise Rate)

PAR Região de Ajuste de Fase (Phase Adjustment Region)

PDG Ganho em Relação à Polarização (Polarization Dependent Gain)

PMD Dispersão de Modo de Polarização (Polarization Mode Dispersion)

QWS Deslocamento de Quarto de Onda (Quarterly Wavelength Shift)

SDH Hirearquia Digital Síncrona (Synchronous Digital Hierarchy)

SMF Fibra Óptica Monomodo (Single Mode Fiber)

SOA Amplificador Óptico de Semicondutor (Semiconductor Optical

Amplifier)

TE Modo Transversal Elétrico (Transversal Electric)

TM Modo Transversal Magnético (Transversal Magnetic)

TWA Amplificador de Onda Progressiva ou Caminhante (Wavelenght

Amplification Traveling)

WDM Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (Wavelenght

Division Multiplexing)

1

CAPÍTULO 1

MULTIPLEXAGEM EM COMPRIMENTO DE ONDA

1.1. Introdução

Multiplexagem por comprimentos de onda (WDM) é uma tecnologia usada para

transmitir vários comprimentos de onda, simultaneamente, em uma mesma fibra óptica. Os

diversos feixes de luz são obtidos a partir de diodos laseres de elevada estabilidade em

freqüência e nos respectivos níveis de potência. Cada um desses feixes ópticos representa uma

portadora que pode ser modulada com elevadas taxas de transmissão, todos acoplados a uma

única fibra óptica. Para se garantir a elevada qualidade de transmissão, deve ser empregada a

fibra do tipo monomodo, operando em comprimentos de onda nos quais apresenta baixa

dispersão. A fibra óptica monomodo (SMF) tem apenas um modo sendo transmitido pelo

núcleo, sendo conhecido como modo dominante. Por elas possuírem uma dimensão reduzida,

são mais complexas para serem fabricadas. Para o caso da transmissão usando a técnica

WDM a fibra monomodo apresenta características superiores às fibras multimodo, como

possuir uma banda passante mais larga possibilitando uma maior capacidade de transmissão.

O processo exige o emprego de técnicas especiais que garantam o acoplamento

eficiente das várias portadoras ópticas no mesmo meio de transmissão. Alguns desses

procedimentos serão apresentados e discutidos ao longo deste trabalho. Cada comprimento de

onda é identificado como um canal óptico, transportando muitas informações contidas em

canais processados no domínio elétrico. Com esta técnica, pode-se empregar de forma mais

eficaz a faixa em que as fibras padronizadas apresentam elevada qualidade de transmissão,

possibilitando taxas de transmissão de centenas de gigabits por segundo (Gb/s) até terabits por

segundo (Tb/s). A faixa usada do espectro óptico situa-se entre 1.310nm ou 1.550nm. Nesta

faixa de comprimentos de onda, a atenuação do sinal é mais baixa e é possível operar em

condições de baixa dispersão.

Cada seqüência de bits de modulação, em caso de sistemas digitais, ou diferentes

formatos de sinais analógicos, podem ter fontes diversas das informações, como voz, vídeo,

texto, ou qualquer outro dado que deva ser transmitido. Modernamente, os sistemas que

operam com sinais digitalizados têm uma preponderância marcante sobre os tradicionais

sistemas analógicos. Essas informações modulam um comprimento de onda específico,

ocupando uma faixa dedicada da região de infravermelho do espectro óptico. Para a

implementação deste procedimento, exigem-se muitos dispositivos, subsistemas e

2 componentes especializados, como filtros ópticos de precisão, amplificadores ópticos para

operação em diferentes comprimentos de onda, acopladores de baixa perda, entre outros.

1.2. Visão sistêmica

Um enlace utilizando a técnica de multiplexagem densa em comprimentos de onda

(DWDM) emprega muitos componentes e dispositivos especiais, como diodos laseres de

elevada confiabilidade, acopladores de vários comprimentos de onda com diferentes

tecnologias de fabricação, amplificadores ópticos, desmutiplexadores, filtros dielétricos para

separação dos comprimentos de onda, fotodetectores com elevada largura de faixa, etc. Um

modelo básico de sistema que emprega a multiplexação em comprimento de onda é ilustrado

na Figura 1.1. Um mesmo equipamento WDM pode ser usado como um multiplexador

(MUX) ou um desmultiplexador (DEMUX), invertendo-se o sentido do fluxo óptico. Trata-se

de uma tecnologia de grande relevância, em função da demanda sempre crescente por maior

capacidade dos sistemas instalados.

Figura 1.1. Diagrama de um enlace utilizando a técnica de multiplexação em comprimentos de onda para 64 comprimentos de onda em uma freqüência de 100GHz, refere-se a espaçamentos de 0,8nm.

1.3. Apresentação do trabalho

No Capítulo 2 será mostrado o emprego de diodos laseres de alta estabilidade nos

transmissores ópticos, formando os feixes de luz aplicados nas diversas entradas do

multiplexador. Este multiplexador pode ser construído de diferentes formas, estudadas no

Capítulo 4. Sua função é combinar os diferentes comprimentos de onda em uma única fibra

óptica, que devem ter seus níveis amplificados para ser possível um longo alcance do enlace.

Os procedimentos para esta recuperação de potência envolve as formas de amplificação

descritas no Capítulo 3. O sinal óptico que chega até o desmutiplexador é separado em

diferentes comprimentos onda que são encaminhados para as correspondentes partes do

receptor óptico, tema do Capítulo 5.

T1

T2

T64

.

.

. . .

R1

R2

R64

λ1

λ2

λ64

λ1

λ2

λ64

λ1, λ2, .., λ64

MUX

DEMUX

Diodos laseres Fotodetectores

64:1 1:64

Fibra óptica

3

CAPÍTULO 2

FONTES ÓPTICAS PARA SISTEMAS DE COMUNICAÇÕES

2.1. Introdução

Têm sido propostas várias alternativas a serem utilizadas para emissão de luz,

apropriadas para os sistemas de comunicações ópticas, em particular os que permitem altas

taxas de modulação, exigidas pelos sistemas que empregam múltiplos canais ópticos.

Inicialmente, pelo fato de apresentarem custo reduzido, considerou-se a aplicação de diodos

emissores de luz (LED) que apresentam algumas vantagens como linearidade de resposta à

corrente de excitação e a possibilidade de reduzir o custo dos equipamentos. Trata-se de um

dispositivo que opera em condições de emissão espontânea, sem um processo de seleção do

comprimento de onda desejado. Isto resulta em uma elevada largura espectral, o que

implicaria em possível aumento na dispersão do feixe óptico no meio de transmissão,

limitando o seu uso a sistemas de baixa capacidade. Além disto, apresenta pequena potência

óptica de saída, por conseqüência de sua baixa eficiência. Isto exige que sejam incluídos

sistemas de recuperação do nível e da forma das transmissões em pequenas separações. Estas

limitações levaram à aplicação dos diodos laseres, que operam com o processo de emissão

estimulada, com mecanismos de seleção do comprimento de onda. Com tecnologias modernas

de fabricação, garantem feixes ópticos de largura espectral centenas de vezes menor e um

nível de potência milhares de vezes maior do que em diodos emissores de luz.

2.2. Propriedades gerais dos diodos laseres

O diodo laser (light amplification by stimulated emission of radiation) é o dispositivo

responsável pela geração de luz mais utilizado em sistemas de comunicações ópticas de

elevada capacidade e para longo alcance. A luz é gerada através da emissão estimulada de

fótons, que permite produzir feixe de luz coerente. Do ponto de vista ideal, esse feixe deveria

ser constituído por uma única freqüência. Na prática, são emitidos outros comprimentos de

onda com amplitudes muito pequenas se comparadas com a encontrada no comprimento de

onda dominante. Além disto, com os níveis de potência típicos da emissão estimulada, que

atinge a ordem de miliwatts, garante-se o seu emprego em enlaces de grandes distâncias, sem

necessidade de repetidores intermediários.

Um diodo laser aproxima-se de uma fonte de luz ideal pelo fato de as componentes de

freqüência em torno da fundamental possuírem amplitudes pouco significativas. Esta

característica garante menor dispersão cromática na fibra óptica, o que possibilita a

4 modulação do feixe de luz em elevadas taxas de transmissão. A Figura 2.1 ilustra o nível de

potência emitida em função do comprimento de onda (λ). Neste caso, especificam-se o

comprimento de onda dominante que apresenta maior potência emitida, e as demais emissões

de nível menor. Os valores de λ para os quais o nível de potência cai para a metade do valor

máximo identificam a largura espectral da fonte óptica (∆λ). Quanto menor este parâmetro

maior será o grau de coerência do laser utilizado. Diodos laseres fabricados com tecnologias

modernas, que operam em 1,31µm e 1,55µm, podem apresentar larguras espectrais inferiores

a 0,5nm. [1] Como exemplo, cita-se o modelo NDL7912P produzido pela NEC que na janela

de 1,55µm apresenta largura de linha em torno de 4GHz especificada em termos de

freqüência. Portanto, fazendo a devida conversão para valores em comprimentos de onda

central, acha-se uma largura espectral de 0,032nm. [2] Algumas das tecnologias disponíveis

para garantir estas características serão discutidas mais adiante.

As características físicas dos laseres que afetam o desempenho de um sistema óptico

são a largura de linha, a sua estabilidade em freqüência e o número de modos de oscilação. A

largura de linha é a largura espectral da luz gerada medida entre os pontos de meia potência

do feixe óptico emitido. A denominação origina do fato de os laseres modernos apresentarem

pequena diferença entre os comprimentos de onda que definem a largura espectral. O

conhecimento deste parâmetro é importante porque influencia no espaçamento entre os canais

ópticos a serem transmitidos na fibra. Alem disto, tem grande efeito sobre a dispersão que

ocorre quando a luz se propaga ao longo da fibra. Quando a dispersão for muito elevada

introduz grande limitação na taxa máxima de transmissão.

A instabilidade nos laseres representa variações no comprimento de onda da luz

emitida, quando analisada no domínio da freqüência. Sua presença impede a fixação exata da

posição e do espaçamento entre canais nos sistemas que empregam múltiplos comprimentos

de onda. A instabilidade pode ocorrer em função de flutuações na temperatura e tolerâncias

em outros parâmetros que determinam as características de oscilação do diodo laser. Para se

Figura 2.1. Diagrama espectral típico de um diodo laser para comunicações ópticas. λ

∆λ

Pmáx

0,5Pmáx

P(λ)

5 evitarem grandes deslocamentos em freqüência são utilizados métodos de compensação dos

efeitos da temperatura e da influência da corrente injetada na junção.

O número de modos de oscilação produzidos por um laser pode resultar numa

dispersão significativa no processo de transmissão via fibra óptica. Portanto, para todos os

sistemas de elevada capacidade ou que vão operar em múltiplos comprimentos de onda, como

é o caso dos que envolvem a tecnologia de multiplexagem em comprimento de onda (WDM)

é desejável a utilização de diodos laseres com apenas um modo de oscilação, genericamente

designados como laseres monomodo. Nestes casos, seleciona-se o modo em que ocorre a

maior potência de emissão, denominado modo dominante. Os demais, quando existirem, têm

níveis de potência muito pequenos comparados com a do modo dominante.

Em busca dos objetivos principais para a fonte óptica de elevada estabilidade, alta

potência de saída e com um modo de operação bem definido, foram desenvolvidas diferentes

tecnologias de fabricação desses dispositivos. Entre eles, destacam-se o diodo laser com

cavidade de Fabry-Perot, o diodo laser de cavidade enterrada, o laser de realimentação

distribuída, entre outros.

2.3. Modelos comuns de diodos laseres para comunicações ópticas

a. Diodo laser com cavidade de Fabry-Perot. Um dos primeiros diodos laseres desenvolvidos

emprega o elemento ativo, responsável pela geração da luz, entre duas superfícies espelhadas

semitransparentes que se baseiam na tradicional cavidade de Fabry-Perot (Figura 2.2). Por

causa de sua fabricação, passou a ser conhecido como laser de Fabry-Perot e representou um

avanço em relação ao LED por garantir operação com emissão estimulada de muito maior

potência, e um processo de seleção capaz de limitar o seu espectro de emissão. Todavia,

permitem a coexistência de vários modos ressonantes na cavidade do laser, resultando em um

espectro multimodal.

Neste tipo de laser ocorre a interferência do feixe óptico por meio de reflexões

múltiplas dentro da cavidade composta por lâminas planas espelhadas e paralelas, como se

d

Meio ativo (diodo semicondutor)

Superfícies refletoras

Emissão Emissão

Figura 2.2. Esquema básico de um diodo laser de Fabry-Perot.

6 destaca na figura anterior. Ocorre uma passagem da luz através da cavidade, uma parte da luz

deixa a cavidade através da faceta direita e a outra parte é refletida. A parte da onda refletida

reflete-se, novamente, a partir da faceta esquerda, provocando uma propagação no sentido da

faceta direita. Com a escolha adequada da separação entre essas superfícies espelhadas, é

possível garantir que as ondas refletidas entrem em fase, reforçando a amplitude do feixe

emitido. Isto será possível quando a separação for múltipla inteira de meio comprimento de

onda relativo ao modo dominante. O processo contínuo dá origem ao ganho em relação ao

nível de sinal que seria obtido com a emissão espontânea.

Os laseres de Fabry-Perot, em função de sua largura espectral e possibilidade de

modos longitudinais de amplitudes não desprezíveis, não permitem taxas de modulação tão

elevadas quanto os que utilizam outras tecnologias. Por esta razão, são usados apenas em

sistemas para menores velocidades de transmissão e menores distâncias entre os repetidores.

b. Diodo laser com cavidade externa. Com o objetivo de suprimir a oscilação dos modos

longitudinais do laser de Fabry-Perot desenvolveram-se modelos que utilizam uma segunda

cavidade externa à original. A distribuição do campo é bem definida no plano longitudinal e

no plano transversal. [3] Esse tipo de laser apresenta grande estabilidade dos modos gerados.

Com o projeto apropriado das duas cavidades pode-se assegurar que apenas um comprimento

de onda satisfaça a condição de ressonância, obtendo-se uma emissão com pequena largura

espectral. Em sua constituição, utiliza-se um espelho seletivo para constituir o mecanismo das

reflexões, sendo que apenas determinados comprimentos de onda terão alta reflexão e serão

capazes de criar o efeito laser. Escolhendo-se o espelho seletivo apropriadamente, apenas em

determinado comprimento de onda ocorrerá ganho suficientemente elevado para compensar

as perdas no meio ativo e a correspondente potência emitida pelo dispositivo, constituindo,

assim, um laser monomodo. Sua principal desvantagem é o fato de não poderem ser

modulados diretamente a altas velocidades devido à grande extensão da cavidade.

c. Diodo laser com realimentação distribuída. O diodo laser de realimentação distribuída

(DFB, distributed feedback) possui uma grade de difração incorporada ao longo da região

ativa, onde se formará o feixe óptico. Esta grade é formada por alterações periódicas no índice

de refração do meio. Na face onde se desejar a emissão da luz gerada, inclui-se uma camada

que reduz a reflexão para se obter maior emissão. A realimentação positiva exigida para o

funcionamento do laser ocorre de forma predominante em um comprimento de onda

associado ao período da grade de difração. De um ponto de vista qualitativo, a grade tem um

comportamento semelhante a uma sucessão de cavidades interacopladas, com grande

7 capacidade de selecionar um comprimento de onda em comparação com os demais. Por

conseguinte, o processo de realimentação ocorre de forma distribuída, como se ilustra na

Figura 2.3.

Esse dispositivo apresenta a largura de linha bastante reduzida e um modo dominante

bem definido, devido à supressão de modos indesejáveis que são fortemente atenuados. Uma

característica muito importante é que o valor do comprimento de onda selecionado é mais

independente da temperatura e da amplitude da corrente direta de polarização do que em

outros modelos de diodos laseres. Qualquer laser que utiliza uma grade corrugada para

selecionar um modo longitudinal pode ser designado como de realimentação distribuída. Do

ponto de vista da operação, os laseres semicondutores que utilizam este procedimento podem

ser classificados em duas categorias: os DFB e os DBR (distributed Bragg reflector). A

Figura 2.4 mostra os esquemas destes dois tipos de estruturas.

Figura 2.4. (a) Esquema de um laser DFB; (b) Esquema de um laser DBR.

Nos laseres DFB, a grade corrugada faz com que sejam suprimidos os modos laterais

de emissão. Pela variação do espaçamento periódico na largura da grade, podem ser obtidos

diferentes comprimentos de onda de operação. A fabricação desses laseres é muito mais

complexa do que a dos modelos que empregam a cavidade de Fabry-Perot e,

conseqüentemente, o custo é mais elevado. Entretanto, são utilizados em praticamente todos

os sistemas de comunicação óptica de alta velocidade, operando com taxas de dados até

superiores a 2,5Gb/s. No laser DBR, as grades estão localizadas nas extremidades da camada

ativa. Seu efeito é semelhante ao dos espelhos usados no laser de Fabry-Perot. A sua principal

vantagem é o fato das duas regiões de ganho estarem separadas, permitindo o controle

independente nas duas regiões.

Figura 2.3. Esquema básico de um diodo laser com realimentação distribuída, destacando-se as corrugações para a seleção do comprimento de onda.

Camada do microguia

(b)

Camada de confinamento

Guia de ondas passivo

Camada ativa


Refletores de Bragg

Substrate Substrate

Região passiva

Região passiva

Região ativa

Substrato

Camada do microguia de ondas

Camada do microguia de ondas Camada do microguia de ondas


Guia de ondas passivo


Camada ativa

Substrato

Região ativa

(a)

Camada do microguia de ondas

8

Outro modelo é o laser DR (distributed-reflector), que possui uma grade metade ativa

e metade passiva. Esta estrutura melhora as propriedades de geração de luz em relação às dos

laseres DFB e DBR convencionais, tem maior eficiência e alta capacidade de modulação. [4]

Em vista da relevância destes diodos para os sistemas de comunicações de elevada

capacidade, eles terão suas características detalhadas em separado.

2.4. Características de diodos laseres de realimentação distribuída

a. Diodo laser DFB convencional. O laser DFB convencional corresponde à estrutura mais

simples deste modelo de fonte óptica, em que a corrugação é uniforme, introduzindo uma

variação periódica do índice de refração. A análise do desempenho deste dispositivo mostra a

possibilidade da emissão de dois modos simétricos, conforme ilustrado na representação

espectral da Figura 2.5(a). [5] Isto foge da situação ideal, que seria aquela em que haja um

único modo principal, conforme ilustrado na Figura 2.5(b).

Figura 2.5. (a) Comportamento típico do laser DFB convencional, mostrando a emissão de dois modos simétricos. (b) Situação ideal para o laser monomodo, indicado para sistemas de elevada capacidade.

b. Diodo laser PAR-DFB. A supressão do modo indesejável do laser DFB convencional foi

conseguida com alterações em uma região na cavidade do laser. A idéia é introduzir uma

mudança de fase por meio da modificação da largura da zona ativa, estrutura conhecida como

região de ajuste de fase (PAR, phase adjustment region). Este configuração da cavidade está

esquematizada na Figura 2.6, onde a zona central é mais larga que as zonas laterais. [5]

c. Diodo laser MPS-DFB. Quando se introduzem mudanças de fase na corrugação (Figura

2.7), surgem estruturas designadas como de múltiplos deslocamentos de fase (MPS, multiple

phase-shift). Entre as várias combinações possíveis, a mais popular é a conhecida como

estrutura de deslocamento de quarto de onda (QWS, quarterly wavelength shift), que introduz

uma mudança de fase de 90o na corrugação, como se representa na Figura 2.7. O espectro

(a) (b)

b1 b2 Figura 2.6. Esquema simplificado da estrutura PAR-DFB.

9 obtido, neste caso, é sempre simétrico em torno de um modo dominante. Podem ser obtidas

variações acentuadas na seletividade pela escolha da posição onde ocorre a mudança de fase.

A capacidade de seleção será máxima quando esta se encontrar a meio caminho da estrutura

de seleção, constituindo um dispositivo simétrico. Verifica-se uma diminuição da seletividade

com a assimetria, perdendo-se a possibilidade de geração de modo único se a alteração na fase

aproximar-se das extremidades, tendendo para a situação do laser DFB convencional. [5]

Figura 2.7. Esquema simplificado da estrutura DFB com uma mudança de fase.

d. Diodo laser DCC-DFB e laser MPS-DCC-DFB. Quando uma corrugação tem coeficiente

de acoplamento variável (Figura 2.8), obtém-se uma estrutura com coeficiente de

acoplamento distribuído (DCC, distributed coupling coefficient). Tem como principal

vantagem o aumento da seletividade de um laser. Algumas estruturas, como a combinação das

tecnologias QWS-DCC-DFB, têm a capacidade de tornar a distribuição do campo mais

uniforme. Geralmente, estas estruturas nunca surgem apenas como DCC-DFB, pois

apresentam menos vantagens na operação. No entanto, podem-se alcançar bons resultados

com a combinação entre tecnologias de fabricação, como a MPS-DCC-DFB. [5]

Figura 2.8. Esquema simplificado de uma estrutura DCC-DFB.

e. Diodos laseres CPM-DFB e CPM-DCC-DFB. Ao introduzir variações no período da

corrugação surgem as estruturas com passo de corrugação modulado (CPM, corrugation pitch

modulated), mostrado na Figura 2.9. A existência de uma subseção com um período diferente

na corrugação funciona como um deslocamento distribuído de fase, segundo o princípio

adotado no diodo laser MPS-DFB. Com este processo, é possível manter boa seletividade e

não introduzir descontinuidade acentuada na distribuição do campo elétrico do feixe gerado.

Por isto, a estrutura CPM-DCC-DFB apresenta desempenho superior ao da tecnologia CPM-

DFB. [5]

Ponto em que se introduz a mudança de fase

10

Figura 2.9. Esquema simplificado de uma estrutura CPM-DFB.

f. Diodos laseres GLTG-DFB e CG-DFB. Ao invés de utilizar variações discretas de

amplitude das corrugações, existem modelos que propõem uma mudança gradual, obedecendo

determinada lei de formação. Uma sugestão foi obedecer aproximadamente a curva de Gauss

e desenvolveu-se o modelo com grade de variação gradual gaussiana (GLTG, gaussian-like

tappered grating), ilustrado na Figura 2.10. Seria possível, ainda, uma alteração controlada no

período das corrugações, segundo determinada lei de formação. Foram desenvolvidas as

estruturas denominadas de grades moduladas (CG, chirped grating) e na Figura 2.11 tem-se

um esquema possível desta proposta. [5]

2.5. Comparação entre diodos laseres

Os diodos laseres DFB e DBR têm características estáticas e dinâmicas semelhantes.

No entanto, dado que nos laseres DBR as regiões da cavidade óptica responsáveis pelo ganho

e pela seletividade na freqüência são distintas, torna-se possível controlar os seus processos de

fabricação de forma independente. Assim, pode-se otimizar as características do laser em

termos de seletividade em freqüência, obtendo-se excelente pureza espectral, superior às dos

laseres DFB. Por outro lado, exige-se nos laseres DBR um acoplamento quase perfeito entre

os guias de ondas formados pela região ativa e a rugosidade na região passiva. Isto torna sua

fabricação complexa e com o custo elevado em relação ao dos modelos com realimentação

distribuída. Esta é uma das razões pela quais estes últimos são mais utilizados em termos

comerciais.

Figura 2.10. Esquema simplificado de uma estrutura GLTG-DFB.

Figura 2.11. Esquema simplificado de uma estrutura CG-DFB.

11

CAPÍTULO 3

AMPLIFICADORES ÓPTICOS

3.1. Generalidades sobre os amplificadores ópticos

Nos sistemas de transmissão de comunicações ópticas a longas distâncias, o sinal

transmitido sofrerá certa degradação em sua amplitude (atenuação) e em sua forma

(dispersão). Freqüentemente, são necessários alguns mecanismos que façam a recuperação

desse sinal. Os sistemas pioneiros utilizavam exclusivamente os repetidores-regeneradores.

Esses equipamentos recuperam o sinal elétrico, corrigem sua formatação, submetem novo

feixe óptico à modulação com o sinal restaurado e o reenviam através de novo lance de fibra

óptica. O tratamento do sinal de informação é realizado eletronicamente com circuitos

capazes de operar em elevadíssimas taxas de transmissão. Alguns inconvenientes são a

exigência de projetos muito sofisticados para a resposta a elevadas taxas e as degradações dos

componentes eletrônicos envolvidos. Esses desgastes são decorrentes do uso prolongado e

sistemático, de variações na temperatura e de outras condições ambientais. Além desses fatos,

quando os repetidores-regeneradores operam em elevadas taxas de transmissão podem

introduzir distorções no sinal de modulação e aumentar a interferência entre canais próximos.

Para reduzir esses problemas, agravados com a exigência de aumento da quantidade de

informação a ser transmitida, esses regeneradores passaram a ter um custo muito elevado.

Com objetivo de superar alguns dos inconvenientes do sistema de repetidor-

regenerador, desenvolveram-se os amplificadores ópticos. Neste caso, o sinal não precisa

mais ser convertido para o domínio elétrico e pode ter seu nível recuperado no domínio

óptico. Os amplificadores ópticos fazem a amplificação dos sinais de excitação, independente

do tipo de modulação ou dos protocolos utilizados, garantindo o envio do feixe modulado a

longas distâncias. Uma de suas vantagens em relação aos regeneradores é o fato de não serem

sensíveis às elevadas taxas de bits e poderem amplificar vários comprimentos de onda

simultaneamente, dentro de sua faixa de atuação.

Os amplificadores ópticos usam uma fonte de energia de bombeamento em

determinado comprimento de onda, excitando elétrons de certos materiais. Em alguns

modelos, esses materiais são introduzidos para dopagem do núcleo de uma fibra óptica. Sob a

excitação da fonte de bombeamento, os elétrons são transferidos para níveis de energia mais

elevados, acumulando-se em um deles. Quando retornam para o estado inicial, liberam

energia no comprimento de onda determinado pela diferença entre o nível em que houve o

12 armazenamento de elétrons e o do estado de repouso (lei de Planck). Nestes modelos,

empregam-se fibras dopadas com determinadas terras raras, como o érbio e o praseodímio,

capazes de amplificar nas janelas de 1,55µm e 1,3µm, respectivamente. [1] Existem outros

que se baseiam em efeitos não-lineares e espalhamentos estimulados na fibra, como os

amplificadores de Raman e de Brillouin.

Nos sistemas de comunicações ópticas, os amplificadores ópticos podem executar

funções de amplificadores de potência, atuarem como amplificadores de linha ou como pré-

amplificadores na entrada de um receptor instalado em longa distância. Na Figura 3.1.(a), o

amplificador é instalado na saída de um enlace para garantir uma potência mais elevada na

entrada da fibra que efetua a conexão nessa parte do enlace. Na Figura 3.1.(b), inclui-se

também a atuação como pré-amplificador na entrada de uma etapa de recepção. A Figura

3.1.(c) mostra a sua instalação ao longo de um enlace óptico, com objetivo de recuperar o

nível de potência a um valor conveniente para garantir a atuação confiável do sistema.

Os parâmetros que normalmente caracterizam um amplificador óptico e devem ser

especificados na avaliação de seu desempenho são os seguintes:

• Faixa de comprimentos de onda de operação, em nanometros;

• Faixa dinâmica de potência de excitação, em dBm;

• Variação do ganho de potência na faixa de atuação, em decibels;

• Figura de ruído, em decibels;

• Potência de saída, normalmente expressa em dBm;

• Eficiência da conversão de potência elétrica em potência óptica, em

porcentagem;

• PDG (dependência do ganho em relação à polarização – polarization

dependent gain), em decibels;

• PMD (dispersão de modo de polarização – polarization mode

dispersion), em picossegundos;

• Compressão de ganho.

3.2. Espalhamento de Raman

a. Geração das ondas de Stokes e anti-Stokes. Este fenômeno ocorre quando as radiações

luminosas interagem com as vibrações dos átomos no núcleo da fibra óptica. Esses átomos

vão absorver parte das radiações luminosas e emiti-las novamente na forma de fótons. A

energia oriunda da vibração dos átomos pode proporcionar aumento ou redução na energia

dos fótons incidentes.

13

Figura 3.1. (a) Representação de um amplificador óptico atuando como amplificador de potência na saída de um equipamento de processamento óptico-elétrico. (b) Representação de uma instalação de sistema de comunicações ópticas, incluído as atuações do amplificador óptico como elementos para aumentar os níveis de potência na saída de um equipamento e na entrada de um receptor. (c) Instalação de um sistema óptico que inclua os amplificadores nas três funções descritas como amplificador de potência, amplificador de linha e pré-amplificador.

A Figura 3.2 é uma ilustração do efeito Raman, explicado através de níveis de energia

dos estados de vibração da molécula. O estado E0 significa uma situação de energia mínima

resultante dos movimentos de vibração de partículas subatômicas. O estado E1 é a energia em

um dos modos de vibração. Se um fóton com energia EF = E1 se chocar com uma molécula, ela

pode absorver a energia desse fóton passando do estado E0 para o estado E1. Isto ocorre

quando a energia EF for maior que a energia necessária para excitar a molécula até o estado E1.

λ1 λ2 λ3 λ4

λn

T R A N S P O N D E R

Amplificador de potência

λ1 λ2 λ3 λ4

λn

λ1 λ2 λ3 λ4 ... λn

Fibra óptica

Mux

Demux T R A N S P O N D E R

Pré-Amplificador

Amplificadores de linha

(c)

λ1 λ2 λ3 λ4

λn



λ1 λ2 λ3 λ4

λn

λ1 λ2 λ3 λ4 ... λn Fibra óptica

Mux


Pré-Amplificador

(b)

λ1 λ2 λ3 λ4

λn



λ1 λ2 λ3 λ4

λn

λ1 λ2 λ3 λ4 ... λn Fibra óptica

Mux


(a)

14 Se a energia do fóton for suficientemente elevada para a molécula ficar excitada até um nível

superior Ev = EF, permanecerá nesse nível por um curto intervalo de tempo, pois se trata de

um estado instável. Em seguida, a molécula pode retornar até o nível mínimo de energia E0 ou

até um dos níveis correspondentes aos modos de vibração E1. Caso ela volte para o nível E0, o

fóton liberado vai ter a mesma energia do incidente, mas se a molécula voltar ao nível E1,

parte da energia do fóton incidente vai ficar armazenada na molécula em forma de vibração.

O fóton liberado terá uma energia igual a EF – E1, menor do que a energia inicial EF e,

conseqüentemente, de menor freqüência, de acordo com a lei de Planck. Se o fóton liberado

apresentar energia menor que a da onda incidente, tem-se a onda de Stokes, como apresentado

na parte (a) da figura.

Figura 3.2 Distribuições de energia relativas às formações das ondas de Stokes e de anti-Stokes. (a) Distribuição relativa à onda de Stokes. (b) Distribuição correspondente à formação da onda anti-Stokes.

Se ocorrer de o fóton liberado ter energia maior do que a do fóton incidente, sua

freqüência também será maior e caracteriza a onda anti-Stokes. Isto pode acontecer quando a

molécula já estiver previamente excitada no estado E1 e, depois da incidência do fóton, ela

retornará para o estado E0. Portanto, haverá a liberação simultânea da energia inicial do fóton

adicionada à que estava armazenada na condição de manter a molécula no nível E1. Ou seja, o

fóton emitido agora possuirá energia EF + E1. O processo está ilustrado na parte (b) da Figura

3.2. Estes processos auxiliam na explicação do denominado espalhamento de Raman.

b. Descrição do espalhamento de Raman. O espalhamento de Raman é baseado nas trocas de

energia entre fótons da luz incidente com moléculas do meio, nos moldes descritos. Pode ser

entendido com a utilização do princípio da conservação de energia. Se um fóton chocar-se

com uma molécula e ela, após o choque, não alterar sua condição de movimento, o fóton

muda seu caminho original, mas continua com a energia e a mesma freqüência que possuía

antes do choque, de acordo com a lei de Planck. Esse efeito é conhecido como espalhamento

elástico. Se o fóton causar alguma vibração ao se chocar com a molécula, ele transferirá parte

EV = EF

EF – E1

E1

E0

EV´ = EF

EF + E1

E1

E0

V´

1

0

1

0

(a) (b)

V

15 de sua energia para ela. Conseqüentemente, ao mudar sua trajetória, sua energia será menor

do que a inicial. Este efeito é conhecido como choque inelástico e como exemplo desse efeito

pode-se citar o espalhamento de Raman.

O espalhamento de Raman espontâneo é, portanto, um fenômeno que gera fótons

espalhados em diferentes freqüências comparadas com a inicial, identificada como freqüência

de bombeamento. Cada nível de energia corresponde a uma freqüência diferente e o fenômeno

mostra a possibilidade de transferência de energia para outros sinais. Para ser possível esta

transferência entre diferentes sinais propagantes em um meio como a fibra óptica, injeta-se

um sinal oriundo de uma fonte de energia, denominada fonte de bombeamento, com

freqüência mais alta e quantidade de fótons emitidos por unidade de tempo que garanta nível

de potência mais alto do que a potência do sinal a ser transmitido. Assim, tem-se a

transferência de fótons dessa fonte de bombeamento para o sinal, com possível aumento de

sua potência, permitindo que haja amplificação de luz. Esse efeito é conhecido como

espalhamento estimulado de Raman, [6] que deu origem aos amplificadores ópticos de

Raman. A máxima eficiência na transferência de energia ocorre quando houver uma diferença

de aproximadamente 100nm entre os comprimentos de onda do sinal de bombeamento e o

feixe óptico espalhado. [7]

3.3. Amplificação por efeito Raman

a. Descrição do processo. Os amplificadores de Raman têm como base o espalhamento

estimulado de Raman. A amplificação acontece quando uma fonte de bombeamento coloca na

fibra óptica um sinal com uma freqüência mais elevada e um nível de potência mais alto do

que o do feixe óptico que será amplificado. O sinal de bombeamento de maior energia

transfere fótons para estados excitados mais elevados e naturalmente mais instáveis. Os fótons

do sinal misturam-se com as vibrações dos átomos da fibra óptica e, ao se encontrarem, parte

da energia do sinal de bombeamento transmitido junto com o feixe a ser amplificado vai ser

transferida para os fótons do desse feixe, resultando em amplificação do sinal óptico.

Em vista das características do efeito Raman, há uma significativa influência da

diferença entre as freqüências do sinal de bombeamento e o sinal a ser amplificador. O

máximo coeficiente de ganho ocorre quando a diferença entre estes dois comprimentos de

onda estão próximos de 12THz para a fibra à base de sílica, como se ilustra na Figura 3.3.

Assim, o sinal a ser amplificado fica próximo da freqüência de Stokes. Outros materiais

compostos permitem valores diferentes entre estas freqüências, de maneira que associações

em cascata de diferentes estruturas permitem operação em uma grande faixa de freqüências.

16 [8] O ganho do amplificador é obtido em função do comprimento de onda e da potência do

sinal de entrada. Sendo assim para regular o ganho do amplificador, ajusta-se o comprimento

de onda do sinal que foi introduzido pela fonte de bombeamento. Na teoria, os amplificadores

de Raman podem chegar a uma resposta em regiões lineares de ganho em comprimento de

onda de 300nm até 2000nm. [9]

Figura 3.3. Representação da curva típica da variação do coeficiente de ganho em um amplificador de Raman

b. Métodos de bombeamento. Os amplificadores que utilizam o efeito por espalhamento de

Raman podem ser bombeados tanto no começo como no fim da fibra óptica onde estiver

ocorrendo a amplificação, pois o efeito pode acontecer quase uniformemente em toda

extensão do meio. A Figura 3.4 apresenta a vantagem de poder ser obtida em qualquer fibra

óptica, mesmo se estiver em funcionamento em um sistema instalado.

O amplificador pode ser construído empregando o bombeamento de três formas:

bombeamento codirecional, bombeamento contradirecional ou bombeamento combinado.

Além disto, existem duas configurações para o amplificador de Raman, conforme ilustra a

Figura 3.5. Na primeira, observa-se que o sinal de bombeamento acompanha o feixe óptico a

ser amplificado em toda extensão da fibra, transferindo-lhe parte de sua energia de forma

quase contínua no interesse de se compensar as perdas durante todo o processo de

transmissão. Esta é a idéia de um amplificador distribuído (DRA, distributed Raman

amplifier) O segundo modelo, tem o mesmo objetivo, porém concentra o aumento no nível do

sinal em um pequeno trecho do meio de transmissão. Neste caso, tem-se a amplificação

discreta de Raman (LRA, lumped Raman amplifier). Para máxima amplificação, a diferença

Bombeamento

Meio de propagação

Entrada Saída

Figura 3.4. Diagrama em blocos básico de um amplificador óptico, destacando suas partes mais relevantes

∆∆∆∆λλλλ

gR

100nm

6××××10-14m/W

17 entre as freqüências de bombeamento e a do sinal a ser amplificado deve coincidir com os

valores associados à freqüência de Stokes. Ou seja, dada a freqüência do sinal a ser

amplificado, esta será interpretada como o valor de Stokes e o feixe de bombeamento deve

apresentar freqüência superior com uma diferença igual à determinada pelos mecanismos de

interação entre os dois feixes ópticos. Cada um destes modelos será discutido

individualmente.

Figura 3.5. (a) Esquema básico da amplificação distribuída de Raman (DRA). (b) Esquema básico do amplificador discreto de Raman. (LRA).

3.4. Topologias utilizadas no amplificador de Raman

a. Amplificador de Raman distribuído. O amplificador Raman distribuído usa um diodo laser

de bombeamento de alta potência cujo feixe óptico é injetado no inicio da fibra, meio no qual

se efetuará a amplificação, como se destacou na parte (a) da Figura 3.5. Seus fótons

percorrerão e estarão associados ao espalhamento de Raman em toda a extensão, gerando

transferência de parte de sua energia para o sinal que, também é aplicado no início do

dispositivo. Isso permite que parte das perdas do sinal vá sendo parcialmente compensada em

todos os pontos ao longo da transmissão até que seja alcançada a potência original ou mesmo

maior. O bombeamento é escolhido de maneira a garantir que o sinal a ser amplificado não

caia abaixo do nível de ruído e, no extremo oposto, não alcance os valores capazes de levar a

fibra a um comportamento não-linear (Figura 3.6).

Em vista desta descrição, conclui-se que as interações ocorrem ao longo do processo

de transmissão e não apenas em um trecho isolado de fibra. O resultado desta atuação é um

sistema que apresenta ganho elevado com boa relação sinal/ruído. Esse amplificador

distribuído de Raman é um dos modelos aplicados em sistemas DWDM que operam com

muitos canais ópticos separados por pequenas diferenças em comprimento de onda. Por causa

Sinal óptico de saída amplificado

Laser de Bombeamento

Acoplador Sinal óptico de entrada

(b)

Fibra óptica Fibra compensadora

de dispersão

Sinal óptico de saída amplificado


Acoplador Sinal óptico de entrada

(a)

Fibra óptica

18 da transmissão de muitos comprimentos de onda ópticos com pequeno espaçamento, é

possível desenvolver um sistema para elevadíssimas taxas de transmissão. Em resumo,

algumas das vantagens dos DRAs:

• Podem ser usados em sistemas DWDM, com menor espaçamento entre

canais, permitindo elevadas taxas de transmissão;

• Operam com níveis menores de sinais e garante-se que não alcancem

níveis de não-linearidade que comprometeriam o desempenho global do sistema;

• Melhor figura de ruído, se comparados aos amplificadores discretos,

uma vez que não permitem que o sinal alcance valores muito próximos dos níveis de

ruído;

• Permitem a recuperação do sinal com maiores separações entre os

locais de aplicação do feixe de bombeamento;

• Têm uma amplificação mais distribuída ao longo do enlace óptico.

Figura 3.6. Esquema representativo do comportamento do amplificador de Raman distribuído.

Para ilustrar o desempenho do amplificador distribuído, consideram-se as montagens

da Figura 3.7. Na primeira parte, tem-se um sistema tradicional que emprega um amplificador

de linha, em um ponto previamente determinado do enlace, onde ocorrerá a recuperação do

nível do feixe óptico transmitido. Freqüentemente, o sinal pode chegar ao nível do ruído e,

com a amplificação concentrada no ponto determinado, seu valor poderá alcançar a região de

não-linearidade da fibra. Na parte (b) mostram-se as instalações do amplificador de Raman

com os locais onde ocorrerão as recuperações dos sinais. Na parte (c), destacam-se os níveis

alcançados pelos dois feixes e, em linha mais espessa o que está ocorrendo com o feixe óptico

nos diferentes comprimentos de onda emitidos. O esquema ilustra o cuidado para se garantir

que os níveis fiquem entre os valores de ruído e de não-linearidade da fibra óptica.

Nível de potência para não-linearidade

Nível de ruído x

P(x)

19

(a)

Figura 3.7. Atuação do amplificador de Raman. (a) Esquema tradicional de um enlace óptico com um amplificador de linha que recupera o sinal óptico guiado em pontos específicos. (b) Proposta para recuperação do feixe óptico em pontos estratégicos do enlace. (c) Esquema que demonstra a possibilidade de recuperação do feixe óptico entre os limites de ruído e de não-linearidade da fibra.

b. Amplificador discreto de Raman. O amplificador discreto de Raman concentra a potência

de bombeamento em uma parte bem determinada da fibra óptica, obtendo-se, assim, uma

amplificação em um trecho isolado do enlace. É possível escolher o trecho do enlace em que

será efetuada a amplificação. Por exemplo, existem fibras ópticas capazes de compensar os

efeitos de dispersão, as chamadas fibras de compensação de dispersão (DCF, dispersion

Fibra Fibra

Amplificador de Linha

Booster Pré-

Amplificador

x

Acoplador

Região de ruído

Região da fibra com efeitos não-lineares

DWDM

DWDM

Booster

Amplificador de linha

Fibra

Acoplador

Bombeamento Bombeamento

Fibra

Acoplador Pré-

amplificador

P(x)

x

DWDM

DWDM


Região de ruído

P(x)

x

Região de ruído


DWDM

DWDM

Booster


Fibra

Acoplador

Bombeamento Bombeamento

Fibra

P(x)

(c)

(b)

Pré-amplificador

20 compensating fiber).[9] São modelos que introduzem uma dispersão contrária à da fibra

própria do enlace, recuperando o formato original do sinal transmitido. É possível concentrar

a amplificação de Raman nesse trecho do enlace.[8] Desta análise, ressalta-se que o

comprimento de onda do laser de bombeamento determinará a faixa de comprimento de onda

em que o amplificador vai operar. Ao analisar a parte (c) da Figura 3.7, na amplificação

discreta o sinal apresenta, durante sua transmissão, valores baixos e altos de potência,

sofrendo maior influência de ruído e de efeitos não-lineares. Uma de suas vantagens é

apresentar conversão de potência mais eficiente do que na amplificação distribuída. Outra

vantagem é que ao utilizar a fibra de compensação de dispersão em cascata com a fibra de

transmissão, além do ganho proporcionado, é possível ajustar esse trecho da fibra para

conseguir total compensação de dispersão do sinal. A Figura 3.8 ilustra a configuração básica

de um amplificador discreto de Raman.

Figura 3.8. Configuração básica de um amplificador discreto de Raman (LRA). Neste esquema, optou-se por ilustrar o bombeamento contradirecional.

A Figura 3.9 ilustra as curvas de resposta de um amplificador Raman discreto que

utiliza diferentes fontes de bombeamento, cada uma com seu próprio comprimento de onda

obtido de diodo laser de elevada estabilidade. Com a escolha adequada da fonte de

bombeamento, é possível ampliar a faixa de comprimentos de onda de atuação do

amplificador. A fonte de bombeamento deve ser selecionada com base no comportamento

ilustrado na Figura 3.3, aproveitando as faixas de valores que garantam elevado coeficiente de

ganho. Este fato é de grande relevância para seu emprego em sistemas que utilizam múltiplos

comprimentos de onda em uma mesma fibra óptica, como nos sistemas que empregam a

multiplexagem óptica.

λλλλ (nm)

Po

1 2 3

Isolador óptico

Fonte de bombeamento

Fibra DCF onde acontece o efeito

Raman

Sistema Óptico

(DWDM) Sinal

Original

Sinal atenuado

Fibra óptica que pertence ao enlace

Emendas por fusão Emendas por

fusão Comprimento de onda do laser de bombeamento

Conector de entrada

Conector de saída

Sinal amplificado Isolador

óptico

Acoplador óptico

21 Figura 3.9. Curva 1 (pontilhada) ilustra uma fonte de bombeamento único, a curva 2(tracejada) ilustra uma fonte de bombeamento duplo e a curva 3 (continua) ilustra uma fonte de bombeamento triplo.

c. Topologias básicas do amplificador discreto de Raman. Conforme o posicionamento do

laser de bombeamento pode-se dividir os amplificadores de Raman em três tipos. No

bombeamento codirecional, o sinal a ser amplificado e o feixe de bombeamento propagam-se

no mesmo sentido dentro da fibra óptica. Na técnica de bombeamento contradirecional os

dois feixes propagam-se em sentidos opostos. Ou seja, o acoplamento do laser que vai atuar

como fonte de energia é feito a partir do lado oposto ao da excitação do feixe a ser

amplificado. Uma terceira opção é o bombeamento bidirecional, que consiste na combinação

dos dois procedimentos anteriores.

Os amplificadores de Raman por bombeamento contradirecional têm o esquema

básico na Figura 3.10, com o laser de bombeamento conectado na extremidade da fibra óptica

onde deseja obter o feixe amplificado. Suas principais características são:

• As variações indesejadas de ruído serão atenuadas devido ao efeito de

bombeamento;

• Os sinais ópticos podem ser inseridos na fibra com menores níveis de

potência, conseguindo assim evitar os efeitos não lineares;

• Não depende do ganho de polarização;

• A amplificação vai acontecer somente depois da segunda metade do

enlace.

Figura 3.10. Ilustra a configuração do amplificador de Raman por bombeamento contra direcional, onde o laser de bombeamento é colocado no final da fibra óptica onde deseja amplificar.

No bombeamento codirecional tem-se o esquema na Figura 3.11, com o laser de

bombeamento colocado no começo da fibra. Seu feixe acompanha a direção de propagação do

feixe óptico a ser amplificado. Suas características principais são:

• Elevado ganho;

• Aumento das variações indesejáveis de ruído, ocorrido pelo efeito de

bombeamento;


Sinal de saída Amplificado Acoplador

�

Fibra Óptica onde ocorrerá a Amplificação pelo Efeito Raman

Sinal de entrada

Emendas por Fusão

� � � Isolador Isolador

22

• A amplificação vai caindo, ao longo do enlace;

• Os sinais ópticos inseridos na fibra com elevados níveis de potência,

podem gerar efeitos não-lineares.

Figura 3.11. Ilustra a configuração do amplificador de Raman por bombeamento co-direcional, onde o laser de bombeamento é colocado no começo da fibra óptica onde deseja amplificar.

Os amplificadores de Raman por bombeamento combinado seguem o esquema da

Figura 3.12, que utiliza dois laseres de bombeamento, um no começo e o outro na

extremidade da fibra óptica, com sentidos opostos de propagação. Trata-se, portanto, de uma

combinação dos amplificadores codirecional e contradirecional, na tentativa de aproveitar as

características vantajosas de cada um. Destacam-se entre suas propriedades mais relevantes:

• Um maior ganho, comparado à amplificação contradirecional;

• Com relação à amplificação codirecional, o ruído é menor e inerente ao

acoplamento com a fonte de bombeamento;

• A amplificação ocorre em todo o enlace óptico, diminuindo a influência

do ruído por amplificação da emissão espontânea (ASE) e aumentando a relação sinal-

ruído óptica (OSNR).

Figura 3.12. Ilustra a configuração do amplificador de Raman por bombeamento combinado, onde é colocado dois laseres de bombeamento, um no inicio e um no fim da fibra óptica onde se deseja amplificar, fazendo a combinação das configurações citadas anteriormente.

Ao comparar os amplificadores Raman discreto e distribuídos, pode-se dizer que o

amplificador distribuído apresenta melhor relação sinal-ruído. Já o amplificador discreto tem

boa eficiência na transferência de energia para o feixe óptico que se deseja amplificar. Além


�


Sinal de entrada

Emendas por Fusão

� � �


Acoplador


Isolador Isolador




�

Sinal de entrada

Emendas por Fusão

� � �

Isolador Isolador

23 disto, este último modelo permite montagens mais compactas, compatíveis com as exigências

de sistemas que ocupem menores espaços dentro dos equipamentos.

3.5. Amplificador a fibra óptica dopada com érbio a. Considerações gerais. O amplificador a fibra dopada com érbio (EDFA, erbium-doped

fiber amplifier) é um dos mais conhecidos e utilizados uma vez que garante amplificação de

feixe óptico na região do espectro eletromagnético em que se tem mínima atenuação na fibra à

base de sílica. Sua atuação ocorre em torno de 1.550nm, comprimento de onda

correspondente à terceira janela de comunicação óptica. Nessa região, tem-se a atenuação da

fibra óptica de aproximadamente 0,25dB/km. [10] O EDFA é constituído de um pequeno

comprimento de fibra de sílica com o núcleo dopado por átomos ionizados do elemento

químico érbio. Seu comprimento depende de alguns fatores construtivos e de algumas

características especificadas. Tipicamente, a extensão da fibra dopada é em torno de 10m a

20m. O érbio é um elemento classificado como terra rara, que quando excitado em

determinados comprimentos de onda, é capaz de emitir feixe de luz de aproximadamente

1.540nm, valor importante para as aplicações em sistemas que envolvam a tecnologia

DWDM.

b. Funcionamento e diagrama básico. O amplificador a fibra dopada recebe, junto com o

feixe óptico a ser amplificado, outro sinal vindo de um laser de bombeamento com um

comprimento de onda menor. (Figura 3.13). O valor é associado a níveis de energia próprios

da impureza introduzida no núcleo. No caso do érbio, os valores usuais são de 980nm e

1.480nm, como esquematizado na Figura 3.14. O feixe a ser amplificado e o sinal de

bombeamento são introduzidos na fibra dopada por meio de um acoplador WDM. Em sua

saída, emprega-se um filtro para supressão de feixes ópticos indesejáveis, pois é conveniente

que na nova etapa se tenha apenas o sinal que transporte a informação. Além disto, nas várias

etapas podem surgir reflexões que prejudicariam o desempenho global do sistema. Assim, é

conveniente o emprego de um isolador óptico que impeça o retorno de sinais refletidos na

saída do amplificador.

Figura 3.13. Esquema básico de um amplificador a fibra dopada com érbio, para amplificação na terceira janela de baixa atenuação da fibra óptica à base de sílica.

Feixe a ser amplificado

Bombeamento

Acoplador WDM

Fibra dopada

Filtro

Feixe amplificado

Isolador

24

Com esta excitação, há transferência de elétrons para um nível superior de energia de

baixa estabilidade, por exemplo, relativo ao comprimento de onda de bombeamento de 980nm

(nível E1 da Figura 3.14). Como ordem de grandeza, pode-se afirmar que nesse novo nível os

elétrons ficam durante um intervalo de tempo de 1µs. Em seguida, decaem para um nível

inferior, por ação de emissão espontânea, sendo que este novo nível é separado do original de

uma energia correspondente ao comprimento de onda de 1.540nm. Nesse nível intermediário,

indicado como E3 na figura, os elétrons adquirem maior estabilidade e permanecem por um

intervalo de tempo superior a alguns milissegundos. Com isto, há um acúmulo de elétrons

nessa região. Com o feixe óptico de 1.550nm propagando-se, os elétrons são excitados e

decaem para o nível original. Logo, emitem a energia perdida nessa transição, que é

transferida para o feixe a ser amplificado, em processo de emissão estimulada.

Como vantagem ele aumenta o alcance dos enlaces, pois recupera os níveis de

potência que se perderam durante a transmissão. Como no caso de outros modelos de

amplificadores, dispensa o sistema que empregam repetidores eletro-ópticos, facilitando a

migração dos sistemas para uma tecnologia totalmente óptica. Uma de suas desvantagens é a

presença de emissões espontâneas, responsáveis pela geração de ruídos que se associam ao

feixe óptico processado. Esse amplificador EDFA é utilizado em sistemas de multiplexação

densa em comprimentos de onda (DWDM) que operem nessa região do espectro óptico. A

opção pelo bombeamento em 980nm ou em 1.480nm depende de onde o amplificador será

empregado. O bombeamento em 980nm geralmente é usado em amplificadores de baixo ruído

e o de 1.480nm é empregado em amplificadores para gerar elevadas potências de saída. [11]

Neste comprimento de onda, é possível conseguir o bombeamento necessário em uma faixa

maior do espectro, com uma diferença de até 20nm. No comprimento de onda de 980nm, é

necessário laseres de espectro mais reduzido, uma vez que a tolerância no comprimento de

onda é inferior a 2nm. Na Tabela 3.1, apresentam-se características típicas de amplificadores

a fibra dopada com érbio, conforme o comprimento de onda de bombeamento. [12]

Figura 3.14. Níveis de energia (E1, E2, E3 e E4) dos íons de érbio representados em uma fibra de sílica, esquematizando o processo de amplificação na terceira janela de baixa perda na fibra óptica.

Nível de energia de pequena estabilidade (≅≅≅≅ 1µµµµs) E1

E3

E4

1540nm

980nm

1480nm

Nível de maior estabilidade (≅≅≅≅10ms)

E2

25 Tabela 3.1. Comparação entre os feixes de bombeamento 980nm e 1480nm.

Comprimento de onda 1,48 µm 0,98 µm Fonte óptica InGaAsP/InP FP-LD InGaAs - LD Eficiência de ganho 5 dB/mW 10 dB/mW Figura de ruído ~ 5,5 dB ~ 4,5 dB Nível de potência de saída na saturação + 20 dBm + 5 dBm Comprimento de onda de bombeamento Entre 1,47µm e 1,49µm Entre 0,979µm e 0,981µm Separação dos feixes ópticos Difícil Fácil Potência de bombeamento de saída 50 ~ 200 mW 10 ~ 20 mW

c. Características de amplificação do EDFA. O comportamento descrito para este

amplificador supõe que a potência de bombeamento seja igual ou superior a um limite

mínimo que garanta que a emissão estimulada supere as perdas de potência. A partir deste

valor, há um crescimento rápido na potência do sinal de saída, por conta do acúmulo de

cargas no nível de energia intermediário e a grande transição para o nível inferior por unidade

de tempo. A partir de determinado nível de bombeamento, a quantidade de elétrons no

processo de decaimento para o nível inferior cresce muito pouco e a potência de saída tende a

se estabilizar, alcançando um valor de saturação. (Figura 3.15). De acordo com este

comportamento, na condição de potência de saturação tem-se pouca alteração no nível de

saída e o amplificador fica menos sensível ás variações decorrentes da fonte de bombeamento

e de eventuais degradações com o tempo de uso.

É importante destacar que na janela em torno de 1.550nm o EDFA é capaz de

amplificar diferentes comprimentos de onda, mantendo ganhos com pequenas variações. Por

exemplo, são relatados modelos comerciais que operam entre 1.530nm e 1.570nm com

pequenas variações no ganho. Essas variações estão relacionadas ao valor final do ganho e aos

níveis das potências de bombeamento e de excitação. Observar que nesta faixa é possível a

amplificação de muitos canais ópticos, tornando este amplificador muito útil para diversas

aplicações, incluindo os sistemas que operam em WDM. [1]

d. Montagens usuais. O EDFA pode ser utilizado como amplificador de potência, instalado

após o transmissor óptico para prover um aumento no sinal óptico a ser introduzido na fibra.

Com isso, garante-se uma potência no receptor maior, tornando menos crítica a sua

Figura 3.15. Gráfico representativo do crescimento da potência óptica de saída de um EDFA, com destaque para a condição de saturação.

Saturação

Pmin Pexc

Pbomb

Popt

26 sensibilidade mínima necessária. Para essa configuração, projeta-se o amplificador para

máxima potência de saturação de saída. A Figura 3.16 mostra a disposição deste amplificador

na montagem de um enlace.

Figura 3.16. Um EDFA usado como amplificador de potência instalado na saída de um transmissor óptico.

O EDFA pode ser utilizado também na configuração de pré-amplificador, instalado

antes do receptor. O objetivo é aumentar a capacidade dessa parte do sistema em processar

níveis menores de potência de chegada. Assim, atua na recuperação de um sinal atenuado ao

longo do enlace óptico. É importante considerar que os ruídos gerados no processo de

amplificação óptica podem comprometer parcialmente o desempenho global do sistema. Isto

será muito crítico se o nível do sinal recebido antes do amplificador for muito pequeno. Há,

portanto, necessidade de uma análise de cada caso, uma vez que pode ser mais conveniente

recuperar o nível no domínio elétrico, com o uso de sistemas eletrônicos confiáveis. Nesta

aplicação, deve-se fazer um levantamento da melhor opção no sistema de bombeamento,

verificando a conveniência de adotar o modo contrapropagante, copropagante ou bidirecional,

para se chegar á menor figura de ruído. A Figura 3.17 ilustra o amplificador a fibra dopada

com érbio configurado como um pré-amplificador.

Figura 3.17. Um EDFA usado como pré-amplificador na entrada de um receptor óptico, com objetivo de recuperar o nível do sinal que sai na extremidade da fibra óptica.

Figura 3.18. Um EDFA usado como amplificador de linha, solução útil para sistemas que incorporam vários pontos de acesso em um enlace óptico.

O amplificador óptico instalado entre o transmissor e o receptor trabalhará como

amplificador de linha. Pode ser formado por mais de um estágio onde a saída de um excitará a

entrada de uma nova etapa para se alcançar o nível óptico desejado. Entre as etapas muitas

vezes necessita-se utilizar filtros e isoladores para evitar os problemas oriundos de reflexões e

de amplificações de sinais indesejáveis. Esta aplicação é particularmente útil quando houver


Transmissor Atenuador Receptor




Pré-amplificador

27 necessidade de o sistema interligar vários pontos de acesso. A Figura 3.18 ilustra o EDFA

trabalhando como amplificador de linha.

3.6. Amplificadores ópticos de semicondutor a. Descrição geral. O amplificador óptico de semicondutor (SOA, semiconductor optical

amplifier) modifica a intensidade da onda que se propaga através de um dispositivo

semicondutor ativo, sob regime de emissão estimulada. É constituído por uma junção p-n de

materiais semicondutores, em uma configuração similar à dos diodos laseres. [13]

Fundamentalmente, o SOA é um diodo laser sem o processo de realimentação capaz de levá-

lo à oscilação necessária para a geração do feixe óptico. A junção, geralmente com

semicondutores diferentes constituindo a chamada heterojunção, é polarizada diretamente

com um valor menor que o limiar do laser. Quando um sinal for inserido na região

responsável pelo ganho, seus fótons causam a emissão estimulada, [13]-[15] amplificando o

sinal de saída em relação ao aplicado em sua entrada. [14] O processo de amplificação

necessita de uma inversão de população com maior concentração de portadores nos níveis

mais elevados de energia do material semicondutor. A transição para a banda de valência

implica na emissão de fótons que são incorporados ao sinal óptico original. Na Figura 3.19

tem-se o esquema básico de um amplificador óptico a semicondutor.

b. Modos de operação. O SOA pode operar de duas formas, como amplificador Fabry-Perot

(FPA) ou como amplificador de onda progressiva ou caminhante (TWA). Na operação como

amplificador de Fabry-Perot, é polarizado abaixo da corrente de limiar que daria origem à

emissão estimulada. Nas superfícies espelhadas em suas extremidades acontecem reflexões

parciais da luz para dentro do componente. A interação destas múltiplas reflexões levam ao

aumento no nível do feixe óptico de saída. Quando operar como amplificador de onda

progressiva (TWA), a luz atravessa apenas uma vez o dispositivo, amplificando-a durante

esse processo. Para tanto, as superfícies espelhadas em suas extremidades devem ter pequeno

coeficiente de reflexão. Isto é alcançado com a incorporação de camadas anti-refletoras ou

com o corte inclinado do material em relação ao eixo longitudinal do componente. Os

esquemas dos dois modelos estão apresentados nas Figuras 3.20 e 3.21.

Corrente de injeção

Fibra óptica

Fibra óptica

Região ativa

Feixe de entrada

Feixe de saída

Figura 3.19. Esquema do SOA, com a amplificação realizada em uma heterojunção de semicondutores.

28

Na operação em forma de TWA, o SOA é recomendado quando se transmitir sinais

modulados com elevadas taxas de transmissão. Têm sido relatados sistemas capazes de

processar feixes modulados com pulsos de larguras temporais inferiores a 1ps. Como ponto

negativo, tem-se sua sensibilidade à polarização do feixe óptico processado, pois o ganho será

diferente para os modos transversais elétricos (TE) e transversais magnéticos (TM). O fato

ocorre pela diferença entre os fatores de confinamento conforme a polarização da onda e pode

levar a alterações entre 5dB e 8dB para os respectivos ganhos. Foram feitas experiências

visando diminuir essa sensibilidade à polarização e em uma delas projetaram os

amplificadores para que a largura e espessura da região ativa fossem de mesma ordem de

grandeza. Com isso, a diferença entre as duas condições foi reduzida para um valor menor que

1,3dB. Outra forma de reduzir a diferença entre as polarizações foi criar uma estrutura com

maior cavidade óptica, com o que se conseguiram variações de ganho inferiores a 1dB.[16]

No modo de operação FPA, o feixe de luz passa por múltiplos caminhos devido a

reflexão nos semi-espelhos que ficam em suas extremidades. [17] Seu ganho é muito sensível

à variações na temperatura e ao comprimento de onda de entrada. [2],[18] Possui uma largura

de banda de amplificação muito pequena, em torno de 100GHz, [14] significando uma

tolerância da ordem de 0,8nm no comprimento de onda, na terceira janela de comunicações

ópticas. Quando se utilizar sinais de banda larga é necessária uma resposta em maior largura

de faixa com um ganho aproximadamente plano. Assim, essa configuração de amplificador

fica ultrapassada, substituída pelos de ondas progressivas.

3.7. Comparações

Ao se comparar os amplificadores ópticos, destaca-se o amplificador de Raman que,

ao contrário dos modelos EDFA e SOA, consegue ter seu efeito de amplificação com uma

interação não-linear entre o sinal transmitido e o do laser de bombeamento em uma fibra

Entrada Saída

Coberturas anti-refletoras

Figura 3.21. Esquema básico do SOA na operação em forma de onda caminhante (TWA), onde o sinal passa apenas uma vez através do amplificador desprezando as reflexões.

Entrada

Saída

Saída

Faces refletoras

Figura 3.20. Esquema básico do SOA na operação em forma de Fabry-Perot (FPA), onde o sinal passa várias vezes através do amplificador.

29 óptica convencional. Lembrar que o EDFA exige uma fibra dopada com uma terra rara, não

permitindo que a amplificação possa ocorrer em fibras monomodo comuns. Além disto, a

amplificação ocorre em uma faixa limitada de comprimento de onda, próximos da terceira

janela de baixa atenuação das fibras à base de sílica. Todavia, na situação atual, os

amplificadores a fibra dopada garantem maiores ganhos de potência.

A faixa de atuação dos amplificadores de Raman é definida pelos comprimentos de

ondas gerados pelas fontes de bombeamento. Assim, a amplificação pode ocorrer em

diferentes comprimentos de onda. É possível prover etapas sucessivas em que se consigam

ganhos em uma faixa razoável do espectro óptico, facilitando sua aplicação em sistemas de

multiplexagem em comprimento de onda.

30

CAPÍTULO 4

DISPOSITIVOS PARA ACOPLAMENTO ÓPTICO

4.1. Acopladores ópticos

a. Características gerais dos dispositivos. São levados em conta diversos fatores para a seleção

do tipo e do modelo do acoplador óptico, como o número de acessos, capacidade de seleção

do comprimento de onda, atenuação tolerada para o sinal, custo, exigências para instalação, e

etc.[1] Diversos modelos de acopladores foram desenvolvidos empregando várias tecnologias.

Acopladores WDM são dispositivos especializados que permitem acoplar feixes

ópticos de duas ou mais fontes, com diferentes comprimentos de onda de máxima emissão,

em uma única fibra óptica. Para esta finalidade, utilizam-se acopladores seletivos em

comprimento de onda, como os desenvolvidos com dispositivos angularmente dispersivos.

Essas montagens podem ser feitas com microprismas, grades de difração, fibras bicônicas

fundidas (FBT - fused biconic tapered), interferômetros de Mach-Zehnder, redes de difração

(AWG - array waveguide gratings), filtros dielétricos, grades de Bragg, etc. Em sua maioria

são componentes passivos que encaminham o sinal de entrada para duas ou mais saídas, e

vice-versa. Podem ser utilizados como multiplexadores ou desmutiplexadores, com o

tratamento em separado de diferentes comprimentos de onda.

Os parâmetros relacionados ao acoplador WDM são a atenuação da luz em

determinada faixa de comprimentos de onda e a separação especificada entre os canais. O

dispositivo ideal deveria ter uma janela de transmissão de baixa perda para cada comprimento

de onda, garantindo baixa perda por inserção, que inclui eventuais perdas por reflexão e a

resultante da absorção de energia no material empregado. [19] Em acopladores WDM, estas

perdas são especificadas para as diferentes faixas de comprimentos de onda. Além disso, cada

um desses dispostivos deve possuir um isolamento eficiente entre as portadoras ópticas,

minimizando a interferência mútua (crosstalk). Na prática, necessita-se garantir que esse

isolamento seja o melhor possível no lado do receptor (desmultiplexador), em terminações

dos enlaces ou em ambas as extremidades quando for o caso de um sistema bidirecional.

Finalmente, a separação entre um canal e outro deve ser a menor possível, de acordo com a

disponibilidade de fonte de luz utilizada no sistema e de sua estabilidade.

b. Acoplador WDM empregando prismas. Nesta abordagem, será mostrado como uma

montagem utilizando um prisma pode separar ou acoplar diferentes comprimentos de onda.

Baseia-se no fato de o material apresentar índice de refração variável com o comprimento de

31 onda do feixe incidente. Portanto, de acordo com a lei de Snell, o ângulo de refração

modifica-se conforme os diferentes valores de comprimento de onda. No interior do prisma,

os diferentes comprimentos de onda percorrem trajetórias em ângulos diferentes e ficam

separados na interface de saída, onde são focalizados por uma lente em diferentes fibras

ópticas. Esta propriedade pode ser utilizada para a construção de um dispositivo que atue

como um multiplexador ou desmutiplexador. Um esquema básico desta aplicação está na

Figura 4.1. Este modelo não é muito utilizado, em vista de estruturas mais eficientes.

Figura 4.1. Desmutiplexador utilizando prisma. Os comprimentos de onda são separados pela modificação no índice de refração.

4.2. Divisão do feixe óptico guiado

a. Divisão de comprimento de onda utilizando grades de difração. Apesar de um prisma de

vidro poder ser utilizado como um elemento angularmente dispersivo para a

multiplexação/desmutiplexação em comprimentos de onda, o principal elemento

angularmente dispersivo para este fim é a grade de difração. É definida como um arranjo

equivalente a uma série de fendas paralelas, igualmente espaçadas, da mesma largura em

forma de múltiplos sulcos em uma superfície. Geralmente, forma-se em uma camada de resina

epoxy depositada em um substrato de vidro.

Há dois métodos principais de formação da grade de difração. A primeira técnica é

mecânica e a segunda consiste em se efetuar a corrosão anisotrópica em uma lâmina de silício

monocristalino. Este último modelo é conhecido como grade de silício e é a mais utilizada por

possuir um desempenho superior ao do dispositivo mecânico. O comportamento dessas grades

é determinado pelo ângulo de inclinação em relação à incidência do feixe óptico, como

ilustrado na Figura 4.2. A grade de silício proporciona maior liberdade de projeto na escolha

deste ângulo. Além disto, permite um controle mais eficaz no número de linhas por unidade

de comprimento, com efeitos muito significativos na seleção dos comprimentos de onda

envolvidos no processo. Por fim, é menos sujeita às influências do ambiente, como variações

de temperatura e outros agentes agressivos. [19]

λ1 λ2

λ3

N1>N2

Lentes Lentes

Fibra λn

32

Esta montagem produz um efeito interferométrico óptico, com resultantes de máxima

intensidade óptica em locais definidos pelo comprimento de onda. Portanto, causam um efeito

similar ao de um prisma, espalhando a luz incidente de acordo com o comprimento de onda.

Na Figura 4.3 tem-se uma montagem que utiliza lentes para focalizar a entrada da luz na

grade de difração. Conforme o comprimento de onda, a interferência construtiva ocorrerá em

diferentes locais da região. Nesses pontos, incluem-se fibras ópticas que acoplam esses

comprimentos de onda para o percurso desejado de cada um. Esta montagem permite a

separação de uma quantidade reduzida de canais ópticos e com espaçamentos significativos

entre eles. Há necessidade de superar estas dificuldades para aplicações em sistemas

modernos que operam nas tecnologias de CWDM e DWDM.

Figura 4.3. Montagem de um acoplador para sistemas de multiplexação em comprimento de onda utilizando grade de difração

b. Divisão em comprimento de onda utilizando fibras bicônicas. Em sua forma mais simples,

o acoplador bicônico é composto de um par de fibras ópticas monomodo que são fundidas

longitudinalmente, sendo conhecido como dispositivo FBT (fused biconic tappered). Nesse

modelo de componente, um sinal de luz transmitido no núcleo da fibra chega à região fundida

de uma das fibras e é redistribuído em diversos modos que se propagam nos respectivos

revestimentos. Como as fibras são separadas, os modos que se propagam pela casca

Grade de difração

λ1

λ2

λ3

Fibras de saída

Fibra de entrada λ1,λ2,λ3

Lentes

Figura 4.2. Montagem típica de uma grade de difração. Seu comportamento está associado à incidência do feixe óptico em relação ao ângulo de inclinação.

θB

33 reconvertem em modos guiados pelo núcleo em cada uma das saídas. O resultado é uma

divisão de potência semelhante à que se obtém nos outros modelos de acopladores. A

redistribuição da energia não será necessariamente homogênea. As interferências ao longo do

comprimento da região fundida determinarão a entrada de energia em dado comprimento de

onda que será redistribuído para a saída. As características de divisão de acordo com o

comprimento de onda dependem de propriedades geométricas definidas no processo de

fabricação, que, entre outras informações, incluem a extensão do trecho em que ocorrem as

interferências. [20]

Se pelo menos dois dispositivos estiverem conectados em cascata, a diferença do canal

óptico entre os dois pontos de conexão central faz com que a combinação possa agir como um

interferômetro de Mach-Zehnder, como ilustrado na Figura 4.4. O interferômetro de Mach-

Zehnder, também chamado de embaralhador (interleaver), separa canais ímpares de canais

pares, na forma apresentada na Figura 4.5. A energia de entrada é dividida entre as duas

saídas, dependendo do comprimento de onda, com uma periodicidade definida durante a

fabricação do dispositivo. Desta maneira, duas freqüências presentes nas fibras da entrada

podem deixar os canais do dispositivo em fibras separadas. Em aplicações de múltiplas

freqüências, uniformemente espaçadas na fibra de entrada, aparecerá como dois conjuntos de

freqüências na saída, cada uma espaçada de duas vezes a separação do canal original. [20]

Estágios posteriores podem ser utilizados para reduzir o número de canais por fibra de

saída. Um arranjo desses dispositivos associado com grades de Bragg pode ser usado para

separar comprimentos de onda especificados em sistemas de multiplexagem em comprimento

de onda (WDM), mesmo em tecnologias que processem grande quantidade de canais (como

CWDM e DWDM). Também pode ser utilizado para adicionar novos canais em sistemas já

instalados. Esta possibilidade é importante para expansões de redes ópticas ou a anexação de

novos serviços ou novos pontos de acesso.

Figura 4.4. Fibra fundida com redistribuição do sinal de entrada para a saída do dispositivo

Saída 2 Acoplador

Entrada Saída 1

Acoplador

Configuração Mach-Zehnder

34

Figura 4.5. Ilustração de um sinal modulado em oito comprimentos de onda, com o efeito intercalação de canais pares e impares.

Embaralhadores de diferentes extensões podem ser combinados para formarem o

multiplexador/desmultiplexador desejado. Para exemplificar, será considerado um sistema de

oito canais na tecnologia DWDM com espaçamentos de 100GHz. Corresponde a diferenças

de 0,8nm na terceira janela de comunicações ópticas. Um primeiro multiplexador com

espaçamento 100GHz separaria os canais um, três, cinco e sete dos canais dois, quatro, seis e

oito. O segundo estágio, com dois embaralhadores espaçados de 200GHz, separa os canais um

e cinco dos canais três e sete, etc. Um último estágio com quatro embaralhadores separaria os

canais individualmente, como na Figura 4.6.

Figura 4.6. Ilustração de um desmutiplexador de comprimentos de onda projetado a partir de interferômetros de Mach-Zehnder em um sistema DWDM.

c. Acopladores com rede de guias de onda Além do emprego de fibra fundida, podem ser

construídos interferômetros usando guias de onda planos, normalmente identificados como

AWG (de arrayed waveguide gratings). Embora guias de onda planos sejam normalmente

construídos em forma de canais com um único segmento, é possível construí-los com dois ou

mais ramos, para utilização análoga à dos acopladores de fibra fundida. O seu princípio de

operação é similar ao do interferômetro de Mach-Zehnder. O acoplador na entrada divide a

λ1 λ2 λ3 λ4

λ5

λ6

λ7

λ8

[nm]

λ1, λ5

λ1~λ8

λ1, λ3, λ5, λ7

λ2, λ4, λ6, λ8

λ3, λ7

λ2, λ4

λ6, λ8

λ1 λ5 λ3 λ7

λ2 λ4 λ6 λ8

35 luz nos diferentes guias de onda, como na figura 4.7. Os guias de onda planos curvos fazem

com que a luz caminhe distâncias diferentes e no acoplador de saída sofrem interferência

construtiva ou destrutiva, dependendo do comprimento de onda. O acoplador de saída é um

dispositivo óptico que focaliza os diferentes comprimentos de onda dos pontos onde sofreram

interferência construtiva, até a fibra de saída.

Figura 4.7. Acoplador AWG, divide os diferentes comprimentos de onda e os encaminha para diferentes fibras de saída.

Os dispositivos AWGs têm preços elevados em relação a outros modelos, como os de

fibra fundida. Além disto, possuem perda considerável, superior a alguns dos descritos

anteriormente. Todavia, são de grande relevância, pois podem multiplexar ou desmutiplexar

muitos canais em um só dispositivo compacto, compatível com os novos procedimentos para

se chegar a equipamentos de elevada capacidade em montagens reduzidas.

4.3. Filtros utilizados em divisão de comprimento de onda

a. Filtros Dielétricos. Em geral, a palavra filtro refere-se a um dispositivo que absorve certas

freqüências e transmite outras. Os filtros interferométricos são constituídos por finas camadas

de materiais dielétricos que possuem índices de refração diferentes. As ondas transmitidas são

as que não sofrem interferência destrutiva nessas películas, o que depende das respectivas

espessuras, dos índices de refração dos materiais e do ângulo de incidência da luz. Quanto

mais camadas, maior a resolução alcançada. Os comprimentos de onda que não são

transmitidos são refletidos, como ilustra a Figura 4.8. Eventualmente, estes sistemas podem

ser chamados também de filtros dicróicos. [20]

w1

λ1, λ2,.., λn

λ1

λ2

λn

wn

Guias de onda

Fibras ópticas

36

b. Alguns procedimentos para seleção do comprimento de onda. Recentemente, foram

desenvolvidos filtros com faixas de transmissão bem estreitas para aplicações em sistemas

DWDM. Devem ser empregados apenas onde se desejar absorver a luz, como em atenuadores

ou isoladores. Nas faixas de comprimento de onda ópticos, pode-se optar pela reflexão das

freqüências não transmitidas. Os filtros mostrados na figura anterior funcionam como

espelhos unilaterais, que refletem a maior parte da luz. Esta aplicação é esquematizada na

Figura 4.9. Empregando filtros dielétricos como demutiplexadores, é necessário um para cada

comprimento de onda a ser separado. Filtros interferométricos são baratos e não apresentam

muita perda individualmente. Todavia, esta perda é acumulativa com a quantidade de filtros

em cascata, que cresce conforme a quantidade de canais ópticos processados.

Figura 4.9. Um arranjo de filtros configurado para desmutiplexar diferentes comprimentos de onda.

λ1, λ2, λ3, λ4, λ5, λ6

λ2, λ3, λ4, λ5, λ6

λ1

λ2 λ3, λ4, λ5, λ6 λ3

,

λ4, λ5, λ6

λ4 λ5, λ6 λ5

λ6

I1

I2

I3

θ1

θ2

θ3

Figura 4.8. Os feixe ópticos I1 e I2 são refletidos em ângulos idênticos e o correspondente a I3 é transmitido em um ângulo que depende das propriedades dos materiais envolvidos.

37

Quando for empregado um número grande de canais, pode-se agrupar de oito em oito

comprimentos de onda, com filtros passa-baixas e passa-altas, antes de separar cada canal

individualmente. Com esta estratégia, representada na Figura 4.10, é possível evitar grandes

perdas acumulativas. Um arranjo como este possui a vantagem de adicionar canais conforme

a demanda, deixando reservas para futuras expansões. Assim, evita-se grande investimento

em curto prazo, exigido pelo uso de laseres de alto custo, fotodetectores de grande

sensibilidade e grande largura de faixa, que encareceriam muito o sistema. Por serem

componentes discretos, exigem alinhamento espacial e apresentam certa desvantagem em

relação às outras técnicas. Sua instalação é trabalhosa e necessitam de acoplamentos muito

bem feitos a fim de evitar perdas exageradas de potência óptica.

Figura 4.10. Mostra como um arranjo de filtros pode ser projetado com comprimentos de onda estrategicamente agrupados para separar quarenta comprimentos de onda.

c. Seleção por grade de Bragg. A grade de Bragg (FBG, fiber Bragg gratings) funciona de

forma contrária aos filtros de camadas dielétricas superpostas. Refletem determinado

comprimento de onda e transmitem o restante. Com o auxílio de dispositivos ópticos

chamados circuladores é possível selecionar comprimentos de onda específicos que trafegam

na fibra óptica. Uma montagem de grande aplicação utilizando grades de Bragg é o

dispositivo de inserção e remoção de feixe óptico, identificado pela sigla OADM, de optical

add-drop multiplexer (Figura 4.11).

Uma grande vantagem das grades de Bragg sobre os filtros interferométricos é que não

há necessidade de alinhamento de componentes discretos. Contudo, dispositivos que

empregam elementos discretos são mais sensíveis a fatores ambientais como temperatura,

λ1~λ40

λ1~λ8

λ1~λ8

Demux

λ9~λ16

Demux λ9~λ16

λ17~λ40

λ1~λ16

λ17~λ24

Demux λ17~λ24

λ25~λ40

λ25~λ32

λ33~λ40

Demux λ33~λ40

Demux λ25~λ32

38 umidade, etc. As grades de Bragg podem ser formadas na própria fibra e apresentarem baixa

perda por inserção. Quase sempre, essas perdas ficam restritas aos circuladores ópticos.

Possuem excelente seletividade em comprimentos de onda em torno de 1.550nm. Poderiam

integrar uma solução de baixo custo, já que a fabricação da rede de Bragg em fibra é simples.

No entanto a necessidade de circuladores ópticos encarece sensivelmente o seu uso.

Figura 4.11. Mostra como uma grade de Bragg pode ser utilizada para se obter uma porta Drop que seleciona

um especifico comprimento de onda.

Grade

1546, 1548, 1550, 1552, 1554, 1556, 1558, 1560[nm]

1546, 1548, 1550, 1554, 1556, 1558, 1560[nm]

1552[nm]

39

CAPÍTULO 5

RECEPTORES PARA SISTEMAS MULTICANAIS

5.1. Descrição geral

a. Esquema básico do receptor óptico. A função de um receptor óptico é recuperar o sinal

elétrico enviado pelo transmissor, a partir do feixe óptico modulado que chega na sua entrada.

Um componente fundamental do receptor é o fotodetector que fornece o sinal elétrico de saída

a partir de aplicações do efeito fotoelétrico. A Figura 5.1 apresenta um diagrama em blocos e

alguns componentes de um receptor óptico. Eventualmente, pode ser necessária a inclusão de

um amplificador óptico antes do fotodetector com a função de pré-amplificador. Isto é comum

em sistemas de longa distância, se o nível do sinal modulado chegar muito atenuando. [1]

Figura 5.1. Diagrama em blocos de um receptor óptico. A etapa do amplificador óptico na entrada pode ser necessária para sistemas de grandes extensões, quando o feixe óptico chegar muito atenuado.

b. Função do fotodetector. Fornece uma corrente elétrica proporcional à potência óptica

incidente. Este sinal elétrico é conhecido como fotocorrente ou corrente fotogerada. O

esquema básico é mostrado na Figura 5.2, onde a tensão do sinal fotodetectado é desenvolvida

na resistência de carga. Após o fotodetector, utiliza-se um amplificador que aumenta o nível

do sinal elétrico para um valor utilizável pelo circuito de decisão. O projeto do circuito de

decisão depende do esquema de modulação utilizado para transmitir os dados.

Para a escolha do fotodetector mais conveniente devem ser considerados alguns

parâmetros críticos. Apesar de a fibra óptica, as emendas e os conectores apresentarem baixas

perdas, a potência de luz que atinge o final da transmissão é sempre muito pequena. O

dispositivo deve apresentar elevada sensibilidade no comprimento de onda da luz guiada na

fibra. Levando em conta que se empregam modulações a taxas cada vez maiores, o

componente para a detecção deve ter grande velocidade de resposta, permitindo a recuperação

confiável do sinal transmitido. [1] Além disto, para não comprometer o desempenho final, o

Dados estimados

Amplificador óptico

Fotodetector Amplificador Circuito de

decisão Sinal óptico

Feixe óptico Eo RL

Figura 5.2. Esquema básico de um fotodetector, com a representação do sinal elétrico em sua saída a partir da incidência do feixe óptico modulado.

40 detector deve variar o mínimo suas características originais com o uso prolongado e sob as

condições normais de operação. Isso se deve ao fato de que o equipamento estará sujeito a

diversas variações das condições de trabalho, incluindo flutuações na tensão de alimentação e

mudanças nas condições ambientais.

c. Mecanismo básico da geração da fotocorrente. Os fotodetectores são componentes feitos

com materiais semicondutores onde fótons incidentes são absorvidos em sua banda de

valência. Os elétrons absorvem essa energia e são transferidos para a banda de condução,

deixando uma lacuna na banda de valência. Isto é possível se a energia do fóton for igual ou

superior à diferença entre a banda de condução e a banda de valência, ou seja, a diferença de

energia correspondente à banda proibida do material. De acordo com a lei de Planck, isto

ocorre se o comprimento de onda do feixe óptico incidente for menor ou no máximo igual a

um valor crítico, que determina o limite de sensibilidade do material empregado. Por

exemplo, para dispositivos de silício o feixe deve ter comprimento de onda igual ou inferior a

1.100nm, para o arsenieto de gálio deve ser menor ou igual a 870nm. Quando uma tensão

externa for aplicada, os elétrons livres da banda de condução e lacunas da banda de valência

deslocam-se formando a corrente fotogerada. A Figura 5.3 ilustra a idéia apresentada e, a

seguir, faz-se uma breve descrição de modelos comuns de detectores ópticos à base de

semicondutores. [1]

5.2. Fotodiodo p-n

Nos diodos do tipo p-n tem-se a junção de semicondutores dos tipos p com n. [21] A

incidência de luz é feita sobre o cristal p ou n, cuja espessura deve ser bem pequena. Assim,

garante-se boa eficiência na liberação de elétrons sob efeito do feixe óptico, principalmente

quando incidirem comprimentos de onda maiores, próximos do limite de sensibilidade do

componente. A Figura 5.4 mostra a estrutura de um fotodiodo p-n. [1]

Elétron

Lacuna

Banda de condução

Banda de valência

Banda proibida

Fótons Figura 5.3. Funcionamento de um fotodetector utilizando um semicondutor.

41

Os pares elétron-lacuna gerados na região de depleção movimentam-se rapidamente

em direção do lado p ou n, dependendo de sua carga elétrica. A corrente resultante constitui a

resposta do fotodiodo à potência óptica incidente. Este componente, apesar de importante no

desenvolvimento dos sistemas, apresentou limitações do ponto de vista de sua eficiência na

formação da fotocorrente e na resposta a sinais modulados com elevadas taxas de transmissão.

5.3. Fotodiodo p-i-n

Com o objetivo de aumentar a largura da região de depleção, é intercalado entre as

camadas p e n um cristal semicondutor intrínseco, isto é, sem dopagem de impurezas, sendo

esta estrutura denominada fotodiodo p-i-n. A Figura 5.5 é um esquema representativo deste

modelo de componente. A região intrínseca é bem maior do que as regiões p e n e a região de

depleção estende-se completamente ao longo do semicondutor intrínseco. Grande parte da

absorção da luz deve acontecer nessa região intermediária, desde que se tenha o comprimento

de onda incidente menor ou igual ao seu valor crítico. Com a tensão reversa aplicada ao

componente e a liberação de cargas forma-se a fotocorrente. [1]

5.4. Fotodiodo de avalanche

O fotodiodo de avalanche (APD, avalanche photodiode) é um detector que apresenta

ganho interno de corrente, pois trabalha na condição de ruptura por avalanche na junção com

polarização reversa. O fenômeno é resultante da ionização por impacto originada pela grande

aceleração dos portadores livres iniciais, sob a ação do elevado campo elétrico na junção.

Assim, ocorre uma multiplicação na quantidade desses portadores livres, aumentando-se a

fotocorrente primária e, conseqüentemente, o sinal sobre a carga do dispositivo. Logo, tem-se

maior nível de sinal detectado antes de ele ser aplicado no elemento amplificador. Isto

Região de depleção Tipo-p Tipo-n

V

Figura 5.4. Constituição básica de um fotodetector do tipo p-n.

p i n Figura 5.5. Esquema de construção de um fotodiodo p-i-n

42 melhora a sensibilidade do receptor, pois a fotocorrente é multiplicada antes de incorporar o

ruído térmico da entrada do receptor.

Uma diferença importante entre um diodo avalanche e um diodo p-i-n é que no

primeiro o semicondutor i é levemente dopado com material do tipo p. Este novo

semicondutor foi nomeado de camada π e é projetado para garantir um campo elétrico

uniforme em toda sua extensão. A multiplicação por avalanche ocorre predominantemente na

região de alto campo elétrico, nas proximidades da junção entre os semicondutores n e p,

conforme a Figura 5.6. [1]

5.5. Outros fotodetectores

Existem outros dispositivos empregados nos processos de fotodetecção, como os

fototransistores de junção, os fototransistores de efeito de campo com porta isolada e junção

Schottky, dispositivos integrados que combinam o fotodiodo p-i-n com transistores de efeito

de campo que agem como pré-amplificador (dispositivo pin-fet), entre outros. Esses

componentes estão em contínuo desenvolvimento, melhorando seu desempenho do ponto de

vista da largura de faixa para o sinal fotodetectado, redução nos níveis de ruído, aumento na

potência de saída, garantindo seu uso em sinais de amplitudes reduzidas e melhorando a

sensibilidade do receptor. [1]

5.6. Características de desempenho dos fotodetectores

a. Sensibilidade. Entende-se por sensibilidade do dispositivo fotossensível a resposta que

apresentará se um fluxo luminoso com determinada freqüência incidir sobre ele. Nos

dispositivos normalmente empregados em sistemas de comunicações ópticas, este parâmetro

está associado à eficiência quântica e à sua responsividade. Esta característica especifica a

fotocorrente gerada em função da potência óptica incidente. Normalmente, é um valor

constante para o comprimento de onda dado, de maneira que a fotocorrente fica diretamente

π p p n

V

Região de avalanche

Região de depleção

Campo elétrico

Figura 5.6. Esquema de um fotodetector de avalanche, destacando-se as principais regiões que atuam em seu funcionamento.

43 proporcional à intensidade do feixe óptico incidente. Em conseqüência, um sinal modulado

transfere para a corrente de saída as mesmas variações que existem no feixe de incidência.

b. Resposta em freqüência. A fotocorrente gerada tem a mesma variação que o sinal de

modulação introduziu no feixe óptico de entrada. Essa corrente ao passar pela resistência de

carga produz uma tensão de mesmo formato que excitará o restante do circuito de recepção.

Existem elementos reativos parasitas associados ao fotodetector e ao circuito externo. Em

conseqüência, à medida que a freqüência aumenta, a tensão recuperada vai diminuindo,

existindo uma freqüência em que seu valor cai 3dB comparado com baixas freqüências,

chamada de freqüência de corte do dispositivo. Portanto, desejando-se efetuar modulações do

feixe óptico com taxas muito elevadas, é necessário selecionar o fotodetector com freqüência

de corte muito elevada, compatível com a velocidade de transmissão.

c. Limitação pelos ruídos. O fotodetector deve detectar sinais ópticos de baixa intensidade,

sendo necessária que sua atuação junto ao circuito de amplificação seja otimizada para

garantir uma elevada relação sinal-ruído. Somente assim, possibilita a demodulação correta

destes sinais com pequena taxa de erro de bit. Os sinais espúrios mais comuns nos

fotodetectores são os ruídos quântico, térmico, de disparo, de avalanche, entre outros.

O ruído quântico é gerado pela natureza quântica de emissão da luz. A corrente

produzida pela incidência de fótons não é contínua e leva a um movimento aleatório em torno

de um valor médio. Ou seja, a corrente elétrica apresenta flutuações de natureza estatística

que se manifesta como ruído. Os fotodetectores de avalanche apresentam níveis mais

elevados, por causa da natureza aleatória do fenômeno de ionização por impacto.

Além da fotocorrente gerada, o fotodetector apresenta também a corrente de escuro,

resultante da absorção de outras formas de energia do ambiente. Logo, estará presente mesmo

quando não houver luz incidente. Este fenômeno também apresenta uma natureza aleatória, de

maneira que identifica-se novo ruído associado á corrente de escuro.

O ruído térmico é gerado pelo movimento aleatório dos elétrons em um condutor

submetido a uma temperatura acima do zero absoluto. Esse ruído se adiciona à corrente do

sinal, degrada o desempenho dos receptores ópticos e está presente em todas as resistências

elétricas associadas ao fotodetector. [1]

d. Esquema básico da fotodetecção. Um exemplo de circuito empregado na recepção de

sinais ópticos é o amplificador de transimpedância ilustado na Figura 5.7. O fotodetector em

sua entrada fornece a fotocorrente a partir da incidência do feixe de luz modulado. O

amplificador deve apresentar elevada impedância de entrada. No caso ideal, ter-se-ia Ri

44 infinita e a fotocorrente passaria pela resistência de realimentação Rf. Como se tem uma

realimentação negativa de tensão em paralelo através deste elo, para a tensão o circuito de

entrada comporta-se como tendo baixa impedância. Por conseguinte, a tensão de saída fica

dependendo somente da corrente fotogerada e da resistência de realimentação. A capacitância

parasita CT terá pouca influência e só se manifesta em freqüências muito elevadas. [1]

Figura 5.7. Esquema básico de um amplificador de transimpedância para primeiro processamento do sinal fotodetectado.

No caso de sistemas de multiplexação densa por divisão de comprimento de onda

(DWDM) é necessário que os sinais transmitidos sejam recuperados em todos os diferentes

comprimentos de ondas enviados via fibra óptica. Assim, os sinais ópticos são separados

(desmultiplexados) e cada um excitará um circuito semelhante ao indicado. Como se discutiu,

os fotodetectores mais utilizados são o p-i-n e o APD, com as características de desempenho

já apresentadas.

Polarização do fotodetector

Elo de realimentação negativa de tensão

Luz modulada

Ip

Eo

Rf

Ri CT

Amplificador

45

CAPÍTULO 6

MULTIPLEXAÇÃO DENSA EM COMPRIMENTO DE ONDA

6.1. Evoluções da técnica de multiplexação por comprimento de onda

No sistema original em WDM eram possíveis poucos canais ópticos por uma mesma

fibra. Ainda assim, implicava em aumento significativo na capacidade do sistema. Na

extremidade oposta à transmissão, o receptor dispõe de um filtro óptico que seleciona apenas

um dos comprimentos de onda completando a ligação entre o envio e o processamento dos

canais de informação. Esta capacidade tem sido superada com os aperfeiçoamentos da

tecnologia, incluindo as sucessivas etapas de CWDM e DWDM. Fundamentalmente, diferem

na separação entre os comprimentos de onda adjacentes e todas envolvem aplicações já

padronizadas pelos órgãos que estabelecem as normas para telecomunicações.

6.2. Multiplexação esparsa por divisão de comprimento de onda

Como a necessidade de transmissão de serviços cresce a cada dia, a rede de

comunicações tem aumentado significativamente com uma demanda por aumento constante

na largura de banda. A necessidade de novas implantações exigiu freqüente aperfeiçoamento

na técnica multiplexagem em comprimento de onda. Houve demanda por novos modelos que

permitissem menores espaçamentos entre os comprimentos de onda e capacitassem os

sistemas para maiores taxas de transmissão. A multiplexação esparsa em comprimento de

onda (CWDM, coarse wavelength division multiplexing) tem mesmo princípio de atuação da

tecnologia WDM básica e de outros modelos posteriores. Pode agrupar até 16 canais com os

comprimentos de onda na faixa de 1.310nm a 1.610nm, conforme as características da fibra

G652C, com afastamento entre canais da ordem de 20nm ou uma diferença de freqüências da

ordem de 2,5THz na janela de 1,55µm e de 3,5THz na de 1,3mm. [22] Normalmente, na

aplicação desta tecnologia empregam-se as faixas ópticas destacadas na Tabela 6.1.

Tabela 6.1. Faixas normalmente empregadas do espectro óptico na tecnologia de multiplexação esparsa em comprimento de onda.

Designação oficial Significado original Tradução Limites em nm Banda O Ordinary band Faixa comum 1260 − 1360 Banda E Extended band Faixa estendida 1360 – 1460 Banda C Convencional band Faixa convencional 1530 − 1570

A técnica CWDM tem como vantagem o custo acessível e o fato de utilizar laseres

sem a necessidade de possuírem estabilidades tão críticas quanto as necessárias em sistemas

mais sofisticados. Portanto, o controle sobre as fontes ópticas é mais flexível, o que se reflete

46 no custo final do sistema. Ainda assim, tem sido empregado para modulações até 1,25Gb/s

para enlaces de até 80km e até 2,5Gb/s para extensões de 40km. A Figura 6.1 ilustra a

configuração do CWDM com várias informações injetadas no multiplexador óptico e guiadas

até o desmultiplexador, a partir do qual se recuperam as informações.

Figura 6.1. Configuração básica de um sistema CWDM, em que as portadoras ópticas são agrupadas em até 16 canais, separados em torno de 20nm, tipicamente.

6.3. Multiplexação densa por divisão de comprimento de onda A multiplexação densa em comprimento de onda (DWDM, dense wavelength division

multiplexing) surgiu no final da década de 90. Essa técnica é uma das evoluções do WDM,

onde se transporta vários comprimentos de onda simultaneamente em uma única fibra óptica,

conseguindo obter uma alta capacidade de transmissão. Tem uma capacidade muito maior que

os sistemas CWDM. Segundo a união internacional de telecomunicações (ITU, International

Telecommunications Union ) os sistemas DWDM podem combinar até 64 canais ópticos em

uma mesma fibra. [23] Dependendo da estabilidade dos laseres e da capacidade de separação

na entrada e na saída, existe multiplexação densa em comprimento de onda de até 128 canais

ópticos. Já existem testes que comprovam ser possível multiplexar uma quantidade superior a

200 canais. [24]

A tecnologia trabalha basicamente apenas nas janelas C e L, na faixa de 1.470nm a

1.630nm e o espaçamento entre os canais pode ser de 200GHz (1,6nm), 100GHz (0,8nm),

50GHz (0,4nm), podendo chegar a 25GHz (0,2nm). Normalmente, os comprimentos de onda

ocupam o espectro óptico entre 1.500nm e 1.600nm. Apresentam elevada capacidade de

transmissão por canal, com taxas de modulação superiores a 10Gb/s, chegando a 1Tb/s, por

uma única fibra óptica. Pode transmitir vários protocolos, com taxas de transmissão

diferentes, com canais ópticos tendo espaçamento até inferior a 1nm. Neste caso, há

necessidade de cuidados especiais para garantir que um canal não interfira no outro.

Tem sido aplicado na fibra padronizada G.652 de tipo monomodo. É possível

transmitir sinais com taxas ou formatos diferentes, com praticamente o mesmo grau de

desempenho, confiabilidade e robustez. Uma desvantagem é sua maior complexidade, pois

λλλλ1

λλλλ2

λλλλΝΝΝΝ

λλλλ1

λλλλ2

λλλλΝΝΝΝ

C W D M

C W D M

Desmultiplexador Multiplexador

Fibra óptica

Receptores ópticos

Transmissores ópticos

47 com o aumento dos canais poderá ocorrer maior interferência entre as mensagens em

portadoras adjacentes (interferência co-canal) e intermodulação dos diferentes feixes, quando

houver alguma não-linearidade no meio de transmissão. Sendo assim, componentes como

filtros e outras partes do sistema devem ter uma resposta ao módulo da função de

transferência a mais plana possível e a resposta relativa ao deslocamento de fase

obrigatoriamente quase linear com a freqüência. As potências das fontes ópticas utilizadas

necessitam ser elevadas, exigindo controles automáticos para garantir a estabilidade dos

valores de saída e aplicados ao meio de transmissão.

A tecnologia DWDM é transparente ao formato modulação e aos protocolos de

transmissão, como os envolvidos nas tecnologias de SDH, IP, ATM, Frame Relay etc. Taxas

de transmissão diferentes, como 622Mb/s, 2,5Gb/s e 10Gb/s, podem ser multiplexadas numa

mesma fibra. Isto torna possível agrupar usuários ou serviços dentro de uma banda-passante

maior sem multiplexadores temporais, o que facilita o gerenciamento, a provisão de serviços e

reduz os custos da rede de alta capacidade.

A diferença entre eles é, fundamentalmente, o menor espaçamento dos comprimentos

de onda nos sistemas DWDM, resultando em uma maior capacidade total. A Tabela 6.2

apresenta algumas diferenças básicas entre alguns sistemas analisados. Comparando as

tecnologias, conclui-se que a opção para o CWDM normalmente é feita para reduzir os

custos, pois fica em até 30% dos sistemas que empregam a tecnologia DWDM. Esta última é

selecionada para aplicações onde a densidade dos canais ou a largura de banda tenham maior

relevância. Normalmente, na aplicação desta tecnologia empregam-se as faixas ópticas

destacadas na Tabela 6.3.

Tabela 6.2. Características e comparação entre os sistemas que empregam CWDM e DWDM.

Características CWDM DWDM

Número de λ que podem ser combinados em uma única fibra 16 64

Faixa de comprimento de onda 1.310nm a 1.610nm 1.492,25nm a 1.611,79nm

Espaçamento entre canais 20nm 0,8nm(100GHz)

Bandas ópticas utilizadas O, E e C S, C e L

Áreas de aplicações Redes Metropolitanas Aplicações ponto a ponto

Densidade pelo espaçamento entre canais Baixa Alta

Tabela 6.3. Faixas normalmente empregadas do espectro óptico na tecnologia de multiplexação densa em comprimento de onda.

Designação oficial Significado original Tradução Limites em nm Banda S Short band Faixa curta 1450 – 1500 Banda C Convencional band Faixa convencional 1530 – 1570 Banda L Long Band Faixa longa 1570 – 1625

48

CAPÍTULO 7

COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES

7.1. Resumo do trabalho

No Capítulo 1 foi feito uma breve introdução sobre a tecnologia de multiplexagem em

comprimento de onda, explicando as características e o funcionamento de um sistema de

comunicação óptica capacitado para modulações com elevadas taxas de transmissão. No

Capítulo 2, abordaram-se diversos tipos de diodos laseres para transmissão em sistemas

ópticos, como o diodo laser com cavidade de Fabry-Perot, com cavidade externa e alguns

tipos com realimentação distribuída. Demonstraram-se suas características e seu princípio de

funcionamento, destacando-se a necessidade de um conjunto de propriedades que os habilite

para o emprego em sistemas que empregam multiplexagem densa em comprimento de onda.

No Capítulo 3 foram abordados alguns modelos de amplificadores ópticos e feito um

estudo comparativos de sua atuação com a dos regeneradores que processam os sinais no

domínio elétrico. Destacaram-se algumas vantagens, demonstrando que não são sensíveis às

altas taxas de bits e podem amplificar diferentes comprimentos de onda simultaneamente

dentro de sua faixa de operação. Assim, é possível alcançar resultados positivos em relação a

aumentos na capacidade dos sistemas de comunicações ópticas, empregando a técnica de

multiplexagem em comprimento de onda.

No Capítulo 4 foram abordadas as características gerais dos dispositivos para

acoplamento óptico, destacando-se alguns dispositivos para introdução e retirada de múltiplos

comprimentos de onda em um enlace óptico. Dentre os modelos estudados, foram discutidos

os acopladores empregando prismas, os sistemas utilizando grades de difração, os acopladores

empregando fibras bicônicas e os que integram redes de difração em guias de onda ópticos.

Apresentaram-se filtros utilizados em sistemas WDM, incluindo os que processam grande

quantidade de canais ópticos, como filtros dielétricos e grades de Bragg. Demonstraram-se

seus funcionamentos, suas características mais relevantes e os procedimentos para seleção dos

comprimentos de onda desejados.

No Capítulo 5 estudaram-se vários modelos de receptores e seus componentes

fundamentais, como os fotodetectores p-n, p-i-n e o fotodiodo de avalanche. Apresentaram- se

os esquemas básicos de alguns circuitos utilizados, suas funções, os mecanismos para geração

da fotocorrente e algumas características de desempenho como a sensibilidade, a resposta em

freqüência e suas limitações por ruídos. No Capítulo 6 foram apresentadas as características

49 dos sistemas CWDM e DWDM, suas principais diferenças, vantagens e desvantagens e

algumas aplicações mais relevantes.

7.2. Conclusões Na transmissão há uma variedade de dispositivos que funcionam como fontes ópticas

em sistemas comunicações. Os diodos laseres com realimentação distribuída são os mais

utilizados para enlaces de grandes distâncias e elevada capacidade de modulação, devido à

grande estabilidade que apresentam, maior potência óptica e menor largura espectral. Em

lances de grandes extensões, freqüentemente as atenuações podem comprometer o

desempenho final. Contorna-se o problema por meio da recuperação dos níveis de potência

para valores mais adequados. Isto é possível no domínio óptico por meio dos amplificadores

especiais, onde se destacam o amplificador de Raman, o amplificador a fibra dopada com

érbio, o amplificador óptico a semicondutor, entre outros.

Na análise do amplificador de Raman, é dada uma explicação sobre a geração das

ondas de Stokes e anti-Stokes, com objetivo de auxiliar no entendimento do espalhamento de

Raman, mecanismo fundamental do amplificador. Destaca-se a necessidade e a atuação da

fonte de bombeamento, com freqüência mais alta e uma quantidade de fótons emitidos por

unidade de tempo suficientes para garantir uma potência maior do que a do sinal aplicado. O

desempenho deste tipo de amplificador é destacado em uma das secções desse capítulo,

comparando algumas configurações normalmente utilizadas e suas aplicações. Chama-se a

atenção para alguns requisitos que conduzem à escolha do modelo mais conveniente. Por

exemplo, em uma configuração onde a qualidade do sinal recebido não seja muito crítica,

seria possível utilizar a configuração discreta, com a qual se obtém um ganho mais alto,

permitindo transmissão em distâncias maiores. Se a necessidade for amplificar o sinal sem

perder a qualidade com os efeitos de ruído, seria mais viável a configuração distribuída.

Discutiram-se os amplificadores a fibra dopada com érbio que garante amplificação de

feixe óptico na região do espectro eletromagnético em que se tem mínima atenuação na fibra à

base de sílica. Mostra-se como o érbio é um elemento que, quando excitado em determinados

comprimentos de onda, é capaz de emitir luz em torno de 1.540nm, valor importante para as

aplicações em sistemas que envolvam a tecnologia DWDM. Discute-se, também, o

amplificador óptico a semicondutor que modifica a intensidade da onda que se propaga

através de um dispositivo semicondutor ativo sob regime de emissão estimulada. Mostrou-se

que ele pode operar como amplificador envolvendo a cavidade de Fabry-Perot (FPA) ou como

amplificador de onda progressiva ou caminhante (TWA).

50

Em diferentes fases dos sistemas de multiplexagem em comprimento de onda,

empregam-se vários modelos de acopladores cujos desempenhos são muito importantes para

garantir a eficácia e a qualidade da transmissão. O acoplador empregando prismas não é mais

muito utilizado em vista do aperfeiçoamento de estruturas mais eficientes. A montagem para

divisão de comprimento de onda utilizando redes de difração permite a separação de uma

quantidade reduzida de canais ópticos e com maiores espaçamentos entre eles. Há necessidade

de superar estas dificuldades para aplicações em sistemas modernos que operam nas

tecnologias de CWDM e DWDM. Um arranjo de dispositivos interferométricos de Mach-

Zehnder associados com grades de Bragg pode ser usado também para separar comprimentos

de onda especificados. São empregados mesmo em tecnologias que processem grande

quantidade de canais, como o CWDM e o DWDM. Estruturas que combinam diferentes

procedimentos, como a associação mencionada, podem ser utilizados para adicionar novos

canais em sistemas já instalados. Esta possibilidade é importante para expansões de redes

ópticas ou a anexação de novos serviços ou novos pontos de acesso.

As grades de Bragg apresentam vantagem sobre os filtros interferométricos por não

necessitarem de alinhamento entre componentes discretos. Podem ser formadas na própria

fibra e apresentarem baixa perda por inserção. Poderiam integrar uma solução de baixo custo,

já que a sua fabricação em fibra é simples. No entanto, a necessidade de circuladores ópticos

encarece sensivelmente sua aplicação. Outros dispositivos, como os AWGs, têm preços

elevados em relação a outros modelos também empregados nas tecnologias WDM, como as

que utilizam fibras fundidas. Além disto, possuem perda considerável, superior a alguns dos

descritos anteriormente. Todos são de relevância, pois podem multiplexar ou desmutiplexar

grande número de canais em um só dispositivo compacto, compatível com os novos

procedimentos para se chegar a equipamentos de elevada capacidade em montagens

reduzidas.

Na recepção, existe uma grande variedade de receptores, de acordo com a necessidade

do enlace. Detalhes como a sensibilidade e o nível de potência de entrada, diretamente

vinculados aos tipos de detectores empregados, foram discutidos para destacar as respectivas

importâncias. Concluiu-se que os detectores utilizados na maioria de sistemas ópticos são o

fotodiodo p-i-n e o APD. Outro item de grande importância foi o estudo de um circuito de

recuperação do sinal nos domínios óptico e elétrico, relevantes para garantir a confiabilidade

das mensagens recebidas.

51

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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53

ANEXO

SISTEMAS ÓPTICOS EMPREGANDO MULTIPLEXAGEM DENSA EM

COMPRIMENTO DE ONDA

Didier Moreira Júnior, Diego Eduardo Ferreira da Silva & Mariana Bauler Kondo

Orientador: Prof. José Antônio Justino Ribeiro

Resumo - Este trabalho aborda os principais procedimentos de multiplexação densa em com-primento de onda (DWDM), mostra as aplicações e possibilidades do aumento dos recursos de transmissão. Descrevem-se, também, técnicas e dispositivos empregados nesses sistemas.

Palavras-chave – multiplexação em comprimento de onda, dispositivos para WDM.

Abstract - This paper discusses the main proce-dures of dense wavelength multiplexing and shows the applications and possibilities in in-creasing transmission capacity. Also presents current techniques and devices in these applica-tions.

Keywords – wavelength multiplexing, WDM de-vices.

I. INTRODUÇÃO

Multiplexagem por comprimentos de onda

(WDM) é uma tecnologia usada para transmitir

vários comprimentos de onda, simultaneamente, em

uma mesma fibra óptica. Os diversos feixes de luz

são obtidos a partir de diodos laseres de elevada

estabilidade em freqüência e nos respectivos níveis

de potência. Cada um desses feixes ópticos represen-

ta uma portadora que pode ser modulada com eleva-

das taxas de transmissão. Para se garantir a elevada

qualidade de transmissão, deve ser empregada a

fibra do tipo monomodo, operando em comprimen-

tos de onda nos quais apresenta pequena dispersão.

A fibra monomodo (SMF) satisfaz esta condição,

operando no modo dominante. Por possuírem um

diâmetro de núcleo muito pequeno (menor que

10um), exigem técnicas para serem fabricadas. Para

a transmissão usando WDM, a fibra monomodo

apresenta características superiores às fibras multi-

modo, como o fato de possibilitarem uma maior

capacidade de transmissão.

O processo exige o emprego de técnicas especi-

ais que garantam o acoplamento eficiente das várias

portadoras ópticas no mesmo meio de transmissão.

Cada portadora é identificada como um canal óptico,

transportando muitas informações contidas em ca-

nais processados no domínio elétrico. Com esta

técnica, pode-se empregar de forma mais eficaz a

faixa em que as fibras padronizadas apresentam

elevada qualidade de transmissão. Conseguem-se,

assim, taxas de transmissão de centenas de gigabits

por segundo até terabits por segundo (Tb/s). A faixa

usada do espectro óptico situa-se entre 1.310nm e

1.550nm. Nesta faixa de comprimentos de onda, a

atenuação do sinal é mais baixa e é possível operar

em condições de baixa dispersão.

Cada seqüência de bits de modulação pode ser

composta por sinais de diferentes fontes de dados,

como voz, vídeo, texto, ou qualquer outra informa-

ção que deva ser transmitida. Essas seqüências mo-

dulam um comprimento de onda específico. Para a

implementação, exigem-se muitos dispositivos,

subsistemas e componentes especializados, como

filtros ópticos de precisão, amplificadores ópticos

para operação em diferentes comprimentos de onda,

acopladores de baixa perda, entre outros.

Um enlace utilizando a técnica de multiplexagem

densa em comprimentos de onda (DWDM) emprega

muitos desses componentes e dispositivos especiais,

como diodos laseres de elevada confiabilidade no

lado do transmissor, acopladores de vários compri-

mentos de onda com diferentes tecnologias de fabri-

54 cação, amplificadores ópticos, desmutiplexadores,

filtros para separação dos comprimentos de onda,

fotodetectores com elevada largura de faixa, etc.

II. PROPRIEDADES GERAIS DOS DIODOS

LASERES

O diodo laser (Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation) é o componente responsável

pela geração de luz mais utilizado em sistemas de

comunicações ópticas de elevada capacidade e para

longo alcance. A luz é gerada através da emissão

estimulada de fótons, que permite produzir feixe de

luz mais coerente do que outras fontes. Do ponto de

vista ideal, esse feixe deveria ser constituído por

uma única freqüência. Na prática, são emitidos ou-

tros comprimentos de onda em torno do valor domi-

nante, porém com amplitudes muito pequenas com-

paradas com a encontrada no comprimento de onda

dominante. Além disto, a emissão estimulada garan-

te níveis de potência suficientemente elevados para

garantir o seu emprego em enlaces de grandes dis-

tâncias, sem necessidade de repetidores intermediá-

rios.

Como as componentes de freqüência em torno da

fundamental possuem amplitudes pouco significati-

vas o diodo laser aproxima-se de uma fonte ideal.

Esta característica garante menor dispersão cromáti-

ca na fibra óptica, o que possibilita a modulação do

feixe de luz em elevadas taxas de transmissão. Um

diagrama ilustrando o nível de potência emitida em

função do comprimento de onda (λ) é ilustrado na

Figura 1. Neste caso, especificam-se o comprimento

de onda dominante, que apresenta maior potência

emitida, e as demais emissões de nível menor. Os

valores de λ para os quais o nível de potência cai

para a metade do valor máximo identificam a largu-

ra espectral da fonte óptica (∆λ). Quanto menor este

parâmetro maior será o grau de coerência do laser

utilizado.

Diodos laseres fabricados com tecnologias mo-

dernas, que operam em torno de 1,31µm e 1,55µm,

podem apresentar larguras espectrais inferiores a

0,5nm. [1] Como exemplo, pode-se citar o modelo

NDL7912P produzido pela NEC que na janela de

1,55µm apresenta largura de linha em torno de

4GHz, especificada em termos de freqüência. Por-

tanto, fazendo a devida conversão para valores em

comprimentos de onda central, acha-se uma largura

espectral de 0,032nm. [2] Algumas das tecnologias

disponíveis para garantir estas características serão

discutidas mais adiante.

Figura 1. Diagrama espectral típico de um diodo laser para comunicações ópticas.

As características físicas dos laseres que afetam

o desempenho de um sistema óptico são: a largura

de linha, sua estabilidade em freqüência e o número

de modos de oscilação. A largura de linha é a largura

espectral da luz gerada medida entre os pontos de

meia potência do feixe óptico emitido. A denomina-

ção é originada do fato de os laseres modernos apre-

sentarem pequeníssima diferença entre os compri-

mentos de onda que definem a largura espectral. O

conhecimento deste parâmetro é importante porque

influencia no espaçamento entre os canais ópticos a

serem transmitidos na fibra. Além disto, tem grande

efeito sobre a dispersão que ocorre quando a luz

propaga-se ao longo da fibra. Quando a dispersão for

muito elevada introduz uma severa limitação na taxa

máxima de transmissão de bits.

A instabilidade nos laseres representa variações

no comprimento de onda da luz emitida, quando

λ

Pmáx

0,5Pmáx

∆λ

P(λ)

55 analisada no domínio da freqüência. Sua presença

impede a fixação exata da posição e do espaçamento

entre canais, nos sistemas que empregam múltiplos

comprimentos de onda. A instabilidade pode ocorrer

em função de flutuações na temperatura e tolerâncias

em outros parâmetros que determinam as caracterís-

ticas de oscilação do diodo laser. Para se evitarem

grandes deslocamentos em freqüência, são utilizados

métodos de compensação dos efeitos da temperatura

e da corrente injetada na junção.

O número de modos de oscilação produzidos por

um laser pode resultar numa dispersão significativa

no processo de transmissão via fibra óptica. Portan-

to, para todos os sistemas de elevada capacidade ou

que vão operar em múltiplos comprimentos de onda,

como é o caso dos que envolvem a tecnologia de

multiplexagem em comprimento de onda (WDM), é

desejável a utilização de diodos laseres com apenas

um modo de oscilação, genericamente designados

como laseres monomodo. Nestes casos, seleciona-se

o modo em que ocorre a maior potência de emissão,

denominado modo dominante. Os demais, quando

existirem, têm níveis de potência muito pequenos

comparados com a do modo dominante.

Em busca dos objetivos principais para a fonte

óptica de elevada estabilidade, grande potência de

saída e com um modo de operação bem definido,

foram desenvolvidas diferentes tecnologias de fabri-

cação desses dispositivos. Entre eles, destacam-se o

diodo laser com cavidade de Fabry-Perot, o diodo

laser de cavidade enterrada, o laser de realimentação

distribuída, entre outros.

III. GENERALIDADES SOBRE AMPLIFICA-

DORES ÓPTICOS

Nos sistemas de comunicações ópticas a longas

distâncias, o sinal transmitido, após propagar em

determinada distância, vai sofrer certa degradação

em sua amplitude (atenuação) e em sua forma (dis-

persão). Freqüentemente, são necessários alguns

mecanismos que façam a recuperação desse sinal.

Os sistemas pioneiros utilizavam exclusivamente os

repetidores-regeneradores. Esses equipamentos

recuperam o sinal elétrico, corrigem sua formatação,

submetem novo feixe óptico à modulação com o

sinal restaurado e o reenviam através de novo lance

de fibra óptica. O tratamento do sinal de informação

é realizado eletronicamente com circuitos capazes de

operar em elevadíssimas taxas de bits. Alguns in-

convenientes são a exigência de projetos muito so-

fisticados para a resposta a elevadas taxas e as de-

gradações dos componentes eletrônicos envolvidos.

Esses desgastes são decorrentes do uso prolongado e

sistemático, de variações na temperatura e de outras

condições ambientais. Além desses fatos, quando os

repetidores-regeneradores operam em elevadas taxas

de transmissão podem introduzir distorções no sinal

de modulação e aumentar a interferência entre canais

próximos. Para reduzir esses problemas, agravados

com a exigência de aumento da quantidade de in-

formação a ser transmitida, esses regeneradores

passaram a ter um custo muito elevado.

Com objetivo de superar alguns dos inconvenien-

tes desses sistemas, desenvolveram-se os amplifica-

dores ópticos, capazes de recuperar ou compensar os

níveis de transmissão sem necessidade de detecção e

nova modulação. Portanto, o processamento ocorre

no domínio óptico. Os amplificadores ópticos fazem

a amplificação dos sinais de excitação, independente

do tipo de modulação ou dos protocolos utilizados,

garantindo o envio do feixe modulado a longas dis-

tâncias. Uma de suas vantagens em relação aos re-

generadores é o fato de não serem sensíveis às ele-

vadas taxas de bits e poderem amplificar vários

comprimentos de onda simultaneamente, dentro de

sua faixa de atuação.

Os amplificadores ópticos usam uma fonte de

energia de bombeamento em determinado compri-

mento de onda, excitando elétrons de certos materi-

ais. Em alguns modelos, esses materiais são introdu-

zidos para dopagem do núcleo de uma fibra óptica.

56 Sob a excitação da fonte de bombeamento, os elé-

trons são transferidos para níveis de energia mais

elevados, acumulando-se em um deles. Quando

retornam para o estado inicial, liberam energia no

comprimento de onda determinado pela diferença

entre o nível em que houve o armazenamento de

elétrons e o do estado de repouso (lei de Planck).

Nestes modelos, empregam-se fibras dopadas

com determinadas terras raras, como o érbio e o

praseodímio, capazes de amplificar nas janelas de

1,55µm e 1,3µm, respectivamente. [1] Existem ou-

tros que se baseiam em efeitos não-lineares e espa-

lhamentos estimulados na fibra, como os amplifica-

dores de Raman e de Brillouin.

Os amplificadores ópticos podem executar fun-

ções de amplificadores de potência, atuarem como

amplificadores de linha ou como pré-amplificadores

na entrada de um receptor instalado em ponto bem

afastado do transmissor. As figuras 2, 3 e 4 ilustram

tais aplicações.

Figura 2. Um EDFA usado como amplificador de potên-cia instalado na saída de um transmissor óptico.

Figura 3. Um EDFA usado como pré-amplificador na entrada de um receptor óptico, com objetivo de recuperar o nível do sinal que sai na extremidade da fibra óptica.

Figura 4. Um EDFA usado como amplificador de linha, solução útil para sistemas que incorporam vários pontos de acesso em um enlace óptico.

IV. DISPOSITIVOS PARA ACOPLAMENTO

ÓPTICO

São levados em conta diversos fatores para a se-

leção do tipo e do modelo do acoplador óptico, co-

mo o número de acessos, capacidade de seleção do

comprimento de onda, atenuação tolerada para o

sinal, custo, exigências para instalação, etc. [1] Di-

versos modelos de acopladores foram desenvolvidos

empregando várias tecnologias, com algumas carac-

terísticas comuns.

Para aplicações em WDM são dispositivos que

permitem acoplar feixes ópticos de duas ou mais

fontes, com diferentes comprimentos de onda de

máxima emissão, em uma única fibra óptica. Para

esta finalidade, têm comportamentos seletivos em

comprimento de onda, como os desenvolvidos com

dispositivos angularmente dispersivos. Essas monta-

gens podem ser feitas com microprismas, grades de

difração, fibras bicônicas fundidas (FBT - fused

biconic tapered), interferômetros de Mach-Zehnder,

redes de difração (AWG - array waveguide gra-

tings), filtros dielétricos, grades de Bragg, etc. Em

sua maioria são componentes passivos que encami-

nham o sinal de entrada para duas ou mais saídas.

Podem ser utilizados como multiplexadores ou des-

mutiplexadores, com o tratamento em separado de

diferentes comprimentos de onda.

Os parâmetros relacionados ao acoplador WDM

são a atenuação da luz em determinada faixa de

comprimentos de onda e a separação especificada

entre os canais. O dispositivo ideal deveria ter uma

janela de transmissão de baixa perda para cada com-

primento de onda. Garantiria baixa perda por inser-

ção, que inclui eventuais perdas por reflexão e a

resultante da absorção de energia no material em-

pregado. [3] Em acopladores WDM, estas perdas são

especificadas para as diferentes faixas de compri-

mentos de onda. Além disso, cada um deve possuir

um isolamento eficiente entre as portadoras ópticas,

minimizando a interferência mútua (crosstalk). Na

prática, necessita-se que esse isolamento seja o me-

lhor possível no lado do receptor (demultiplexador),

em terminações dos enlaces ou em ambas as extre-

Transmissor

Pré-amplificador

Atenuador Receptor



Transmissor


Atenuador Receptor

57 midades, quando for o caso de um sistema bidirecio-

nal. Finalmente, a separação entre um canal e outro

deve ser a menor possível, de acordo com a disponi-

bilidade de fonte de luz utilizada no sistema e de sua

estabilidade.

V. DESCRIÇÃO GERAL DOS RECEPTORES

PARA SISTEMAS MULTICANAIS

a. Esquema básico do receptor óptico. A função de

um receptor óptico é recuperar o sinal elétrico, re-

presentativo da mensagem enviada pelo transmissor,

a partir do feixe óptico modulado que chega em sua

entrada. Um componente fundamental do receptor é

o fotodetector, que fornece o sinal elétrico de saída a

partir de aplicações do efeito fotoelétrico. A Figura 5

apresenta um diagrama em blocos e alguns compo-

nentes de um receptor óptico. Eventualmente, pode

ser necessária a inclusão de um pré-amplificador

óptico antes do fotodetector. Isto é comum em sis-

temas de longa distância, quando o nível do sinal

modulado chegar muito atenuado. [1]

Figura 5. Diagrama em blocos de um receptor óptico. A etapa do amplificador óptico na entrada pode ser neces-sária para sistemas de grandes extensões, quando o feixe óptico chegar muito atenuado.

b. Função do fotodetector. O próximo bloco é o

fotodetector que fornece uma corrente elétrica pro-

porcional à potência óptica incidente. Este sinal

elétrico é conhecido como fotocorrente ou corrente

fotogerada. O esquema básico é mostrado na Figura

6, onde a tensão do sinal fotodetectado é desenvol-

vida na resistência de carga. Após o fotodetector,

utiliza-se um amplificador que aumenta o nível do

sinal elétrico para um valor utilizável pelo circuito

de decisão, que estima os dados recebidos na saída

do amplificador. O projeto do circuito de decisão

depende do esquema de modulação utilizado para

transmitir os dados.

Figura 6. Esquema básico de um fotodetector, com a representação do sinal elétrico em sua saída a partir da incidência do feixe óptico modulado.

Para a escolha do fotodetector mais conveniente,

devem ser considerados alguns parâmetros críticos.

Apesar de a fibra óptica, as emendas e os conectores

apresentarem baixas perdas, a potência de luz que

atinge o final da transmissão é sempre muito peque-

na. Assim, em primeiro lugar, o dispositivo deve

apresentar elevada sensibilidade no comprimento de

onda da luz guiada na fibra.

Levando em conta que se empregam modulações

a taxas cada vez maiores, o componente para a de-

tecção deve ter grande velocidade de resposta, per-

mitindo a recuperação confiável do sinal transmiti-

do. [1] Além disto, para não comprometer o desem-

penho final, o detector deve variar o mínimo suas

características originais com o uso prolongado e sob

as condições normais de operação. Isto é necessário

devido ao fato de que o equipamento estará sujeito a

diversas variações das condições de trabalho, inclu-

indo flutuações na tensão de alimentação e mudan-

ças nas condições ambientais.

c. Geração da fotocorrente. Os fotodetectores são

componentes feitos com materiais semicondutores

onde fótons incidentes são absorvidos em sua banda

de valência. Os elétrons que absorvem essa energia

são transferidos para a banda de condução, deixando

uma lacuna na banda de valência. Isto é possível se a

energia do fóton for igual ou superior à diferença

entre a banda de condução e a banda de valência,

isto é, a diferença de energia correspondente à banda

proibida do material. De acordo com a lei de Planck,

isto é possível se o comprimento de onda do feixe

óptico incidente for menor ou no máximo igual a um

valor crítico, que determina o limite de sensibilidade

do material empregado. Por exemplo, para dispositi-

Feixe óptico

Eo RL

Dados estimados

Sinal óptico

Amplifi-cador óptico

Fotode-tector

Ampli-ficador

Circuito de

decisão

58 vos de silício, o feixe deve ter comprimento de onda

igual ou inferior a 1.100nm, para o arsenieto de gálio

deve ser menor ou igual a 870nm, etc.. Quando uma

tensão externa for aplicada, os elétrons livres da

banda de condução e lacunas da banda de valência

deslocam-se formando a corrente fotogerada. [1] A

Figura 7 ilustra a idéia apresentada.

Figura 7. Funcionamento de um fotodetector utilizando um semicondutor.

VI. MULTIPLEXAÇÃO DENSA EM COM-

PRIMENTOS DE ONDA

A multiplexação densa em comprimento de onda

(DWDM de Dense Wavelength Division Multiple-

xing) surgiu no final da década de 1990. Essa técnica

é uma das evoluções do WDM, onde se transportam

vários comprimentos de onda simultaneamente atra-

vés de uma única fibra óptica, conseguindo obter

uma elevada capacidade de transmissão. Tem uma

capacidade muito maior que alguns outros sistemas

que o antecederam, como no CWDM. Segundo a

União Internacional de Telecomunicações (ITU, de

International Telecommunications Union) os siste-

mas DWDM podem combinar até 64 canais ópticos

em uma mesma fibra. [4] Dependendo da estabilida-

de dos laseres e da capacidade de separação na en-

trada e na saída, existe multiplexação densa em

comprimento de onda de até 128 canais ópticos. Já

há testes que comprovam ser possível multiplexar

uma quantidade superior a 200 canais. [5]

A tecnologia trabalha basicamente nas janelas C

e L, na faixa de 1.470nm a 1.630nm e o espaçamen-

to entre os canais pode ser de 200GHz (1,6nm),

100GHz (0,8nm), 50GHz (0,4nm), podendo chegar a

25GHz (0,2nm). Normalmente, os comprimentos de

onda ocupam o espectro óptico entre 1.500nm e

1.600nm. Apresentam elevada capacidade de trans-

missão por canal, com taxas de modulação superio-

res a 10Gb/s, chegando a 1Tb/s, por uma única fibra

óptica. Pode transmitir vários protocolos, com taxas

de transmissão diferentes, com canais ópticos tendo

espaçamento até inferior a 1nm. Neste caso, há ne-

cessidade de cuidados especiais para garantir que um

canal não interfira no outro.

O DWDM permite transmitir dados, voz e vídeo

simultaneamente com elevadíssimas taxas de trans-

missão. Tem sido aplicado na fibra padronizada

G.652, de tipo monomodo, utilizada em enlaces

principais de fibra óptica. É possível transmitir si-

nais com taxas ou formatos diferentes, com pratica-

mente o mesmo grau de desempenho, confiabilidade

e robustez.

Uma desvantagem é sua maior complexidade,

pois, com o aumento dos canais, poderá ocorrer

maior interferência entre as mensagens em portado-

ras adjacentes (interferência de co-canal) e intermo-

dulação dos diferentes feixes, quando houver alguma

não-linearidade no meio de transmissão. Sendo as-

sim, componentes como filtros e outras partes do

sistema devem ter uma resposta ao módulo da fun-

ção de transferência a mais plana possível e a res-

posta relativa ao deslocamento de fase obrigatoria-

mente quase linear com a freqüência. As potências

das fontes ópticas necessitam ser elevadas, exigindo

controles automáticos para garantir a estabilidade

dos valores de saída.

A tecnologia DWDM é transparente ao formato

modulação e aos protocolos de transmissão, como os

envolvidos nas tecnologias de SDH, IP, ATM, Fra-

me Relay etc. Taxas de transmissão diferentes, como

622Mb/s, 2.5Gb/s, 10Gb/s, podem ser multiplexadas

numa mesma fibra. Isto torna possível agrupar usuá-

rios ou serviços dentro de uma banda passante maior

sem multiplexadores temporais, o que facilita o

Elétron

Lacuna

Banda de condução

Banda de valência

Banda proibida

Fótons

59 gerenciamento, a provisão de serviços e reduz os

custos da rede de alta capacidade.

Sistemas DWDM operam com menor espaça-

mento dos comprimentos de onda, resultando, por-

tanto, em uma maior capacidade total. A Tabela 1

apresenta algumas diferenças básicas entre alguns

sistemas analisados. Comparando as tecnologias,

conclui-se que a opção para o CWDM normalmente

é feita para reduzir os custos, pois fica em até 30%

dos sistemas que empregam a tecnologia DWDM.

Esta última é selecionada para aplicações onde a

densidade dos canais ou a largura de banda tenham

maior relevância.

Tabela 1. Comparação entre sistemas CWDM e DWDM.

Características CWDM DWDM

Número de λ que podem ser combi-

nados em uma única fibra

16 64

Faixa de compri-mento de onda

1.310nm a 1.610nm

1.492,25nm a

1.611,79nm Espaçamento en-

tre canais 20 nm 0.8 nm

Bandas ópticas utilizadas

O, E e C S, C e L

Áreas de aplica-ções

Redes Metropoli-

tanas

Aplicações ponto a ponto

Densidade, devido ao espaçamento entre os canais

Baixa Alta

VII. CONCLUSÃO

Foram estudados diversos dispositivos, compo-

nentes e subsistemas empregados em comunicações

ópticas de elevadas taxas de transmissão. Descreve-

ram-se os integrantes dos transmissores, dos recepto-

res, acopladores, divisores de feixes, filtros, entre

outros. Foram feitos estudos de suas aplicações em

redes ópticas que utilizam a tecnologia de multiple-

xação em comprimento de onda, em particular as

que adotam a multiplexação densa. Nesta aplicação,

os diferentes comprimentos de onda estão separados

de valores muito próximos, permitindo grande au-

mento na capacidade dos sistemas.

VIII. REFERÊNCIAS

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Monografia - Sistemas ópticos com multiplexagem densa em comprimento de onda - 1sem2010

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