Aula 16 - Professor Diovani

Redes de alta velocidade
Rede ópticas
Sistemas de transmissão
Redes ópticas
Estrutura
As redes óticas são formadas por alguns componentes básicos,
dentre eles, podemos citar:









o transmissor ótico
o receptor ótico
a fibra ótica
Amplificadores de linha.
Multiplexador óptico
Conexão cruzada
Unidade transponder
Unidade compensadora de dispersão.
acoplamentos e conexões.
Redes ópticas
Estrutura
Redes ópticas
Estrutura
Equipamento terminal:
Transmissor e receptor:
É o equipamento que possibilita a inserção ou
retirada de todos os comprimentos de onda do
sistema,
através
das
unidades
Multiplexadoras/Demultiplexadoras
ópticas,
constituindo-se assim na porta de entrada e de
saída da rede. Nesse equipamento, todos os
sinais ópticos são convertidos para sinais
elétricos, a fim de permitir sua regeneração.
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
O transmissor óptico é composto por um dispositivo
emissor de luz e o circuito driver associado. O
dispositivo emissor de luz, elemento ativo básico do
sistema, é o responsável pela tarefa de conversão
eletro- óptica dos sinais. Dois tipos de dispositivos
são comumente utilizados como fontes luminosas
em sistemas de transmissão por fibras ópticas: os
diodos laser (DL’s) e os diodos eletrominescentes
(LED’s).
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
O circuito driver tem funções de polarização elétrica
e de comando da emissão de potência luminosa
pelo dispositivo emissor de luz. A capacidade de
transmissão (assim como a potência emitida por um
transmissor óptico) é função do tipo de dispositivo
emissor de luz utilizado, sendo os com diodo laser
geralmente superiores aos com LED’s, a custo de
uma maior complexidade do transmissor.
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
Problemas de transmissão:
 Atenuação: perdas do meio.
 Dispersão: diferença de velocidade de propagação
dos sinais.
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
Tipos de dispersão:
 Intermodal
 Cromática
 Por modo de polarização
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
Tipos de dispersão:
 Intermodal: Em fibras multimodo, cada modo percorre
um distância diferente devido ao ângulo de propagação.
limitação : 155 Mbps em 2Km
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
Tipos de dispersão:
 Cromática : Cada cor (lambda) se propaga em uma
velocidade diferente no meio. A solução seria o uso de
fontes de espectro estreito (laser).
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
Tipos de dispersão:
 Cromática :
Tipos de laser.
MLM - multiple longitudinal mode - espectro amplo.
SLM – Single longitudinal mode – espectro estreito
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
Tipos de dispersão:
 Cromática :
Tipos de laser.
Redes ópticas
Estrutura
Transmissor Ótico
Tipos de dispersão:
 Por modo de polarização: caudas por irregularidades na
geometria da fibra.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica

A Fibra Óptica é um filamento cilíndrico muito
longo, de diâmetro extremamente pequeno,
de espessura aproximada de um fio de
cabelo, o qual é predominantemente feito de
vidro de sílica com alto grau de pureza.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Sendo o diâmetro da Fibra Óptica extremamente
pequeno, uma luz que adentre nesta fibra experimentará
o efeito espelho, será confinada, como mostrado na
Figura e se propagará.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Este tipo de propagação deu origem a Fibra Multimodo, na qual,
como o nome indica, vários Modos ou simplificadamente, vários
Raios de Luz podem se propagar simultaneamente ao longo Fibra
Óptica.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Vamos agora supor que, o diâmetro desta Fibra Óptica que já é
pequeno, fosse ainda mais reduzido, de forma a permitir a
passagem de somente um Modo ou Raio de Luz,
Neste caso temos a denominada Fibra Óptica Monomodo.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Corresponde ao meio onde a potência luminosa
injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida
até o fotodetector.
Existem dois tipos de fibra ótica:


multimodo;
monomodo.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
multimodo
A Figura acima nos mostra a constituição de uma Fibra Óptica Multimodo.
Onde podemos observar o revestimento, a casca e o núcleo.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica multimodo



Como podemos ver a camada externa é
denominada de Revestimento (R), em inglês
Coating; geralmente com diâmetro de 250 µm.
Logo abaixo a Casca (C), em inglês Cladding; com
diâmetros de 125 ou 140 µm.
E, no centro o Núcleo (N), em inglês Core ; que
pode ser construído com diâmetros de 50; 62,5;
82,5 ou 100 µm
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica multimodo

Já se começou a fabricar Fibras Ópticas do tipo Multimodo,
confeccionadas com plásticos especiais, usadas principalmente
em LAN’s. A principal vantagem destas Fibras seria o baixo
custo, quando comparado a outros tipo de Fibras usadas na
referida aplicação.

No caso das Fibras Ópticas do tipo Multimodo confeccionadas
em Plástico especial, dotado de um de alto índice refração, o
diâmetro (N) do Núcleo é geralmente da ordem de 1 000 µm.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
A fibra multimodo
Pode ser subdividida em dois outros grupos, a de índice degrau, e a
de índice gradual (grade index e step index)

A de índice degrau, possui índice e dimensões grandes, o que
facilita a fabricação e manipulação, porém tem a capacidade de
transmissão limitada. A variação do indice de refração entre core e
cladding é acentuada.

A de índice gradual, possui dimensões moderadas, o que permite
uma conectividade relativamente simples. A variação do indice de
refração entre core e cladding é feita de forma gradual.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
fibras monomodo
Tem dimensões bastante pequenas, o que dificulta
sua manipulação e conectividade. Porém possui
uma vantagem em relação as fibras multimodo; a
alta taxa de transmissão.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica monomodo

A Fibra Óptica Monomodo Comum (Standard Single-mode
Fiber), foi desenvolvida inicialmente para a transmissão de sinais
ópticos em 1310 nm (nanômetros). Obedece as normas G.652
da ITU–T.

Note que apesar das dimensões do Revestimento (R) e da
Casca (C) serem aproximadamente iguais para as Fibras
Ópticas Mono e Multimodos o diâmetro do Núcleo (N) da Fibra
Óptica Monomodo é muito menor, da ordem de 3 a 8 µm.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica monomodo
Como as dimensões tanto das Fibras Ópticas Multimodo e
quanto das Fibra Óptica Monomodo são muito pequenas, é
praticamente impossível distingui-las a olho nu. Na prática usase um microscópio portátil, entretanto deve se tomar cuidado
com Fibras que estejam ativadas, pois a Radiação Luminosa
que estas transportam, como já vimos, é invisível e como é
altamente concentrada e intensa pode trazer danos
permanentes ao olho humano.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica monomodo

Fibra Óptica Monomodo de Índice Degrau
Respeitadas as dimensões, a configuração geométrica do
Núcleo da Fibra Óptica Monomodo de Índice Degrau é igual ao
do Núcleo da Fibra Óptica Multimodo de Índice Degrau.
Historicamente este tipo de Fibra Óptica Monomodo foi a
primeira a ser comercialmente produzida.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica monomodo
Vantagens da Fibra Óptica Monomodo
Distâncias maiores e ilimitadas, quando comparadas
as Fibras Ópticas Multimodo.
Taxas de Transmissão muito mais altas (superiores a
160 Gbps) quando comparadas as Fibras Ópticas
Multimodo.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica monomodo
Desvantagens da Fibra Óptica Monomodo
Devido as dimensões do Núcleo da Fibra Óptica Monomodo
serem extremamente reduzidas, isto torna difícil o alinhamento,
que é o caso de emendas, conectores, etc.
Alto custo, quando comparado á outros tipos de Fibra, não só da
Fibra em si, mas também dos materiais agregados, como
conectores, componentes eletrônicos e, outros.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Existem alguns fatores que influenciam negativamente a
propagação de luz em uma Fibra Óptica. Um destes fatores é a
chamada Perda por Absorção, que a seguir detalhamos.
Perdas por absorção total
Define-se como Perdas por Absorção Total (Pat) a somatória das
Perdas por Absorção Intrínseca(Pai), Extrínseca (Pae) e, por
Alteração Atômica (Paa).
Pat = Pai + Pae + Paa
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Perdas por Absorção Intrínseca
Devido à natureza do material utilizado para a
construção da Fibra Óptica, comummente Sílica, as
Perdas por Absorção Intrínseca são inferiores á
0,003 dB por Km, para Comprimentos de Onda
situados entre 1300 á 1600 nm.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Perdas por Absorção Extrínseca
O material utilizado para a construção da Fibra
Óptica pode conter impurezas. Um dos exemplos
deste tipo de perda é a presença de íons do tipo
Oxidrila (OH-), erroneamente chamado de
atenuação pelo pico de água (Water Peak
Attenuation).
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Perdas por Absorção por Alteração Atômica
Em condições normais, as Perdas por Absorção por
Alteração Atômica, são desprezíveis. Entretanto,
quando uma Fibra Óptica Convencional é exposta
uma radiação de alta intensidade, geralmente se
verifica uma alteração na Estrutura Atômica do
material utilizado para a construção desta Fibra
Óptica e, desta forma, as Perdas por Absorção por
Alteração Atômica podem ser muito significativas.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Atualmente existem vários tipos de fibras ópticas, com
características diversas e que foram desenvolvidas conforme as
necessidades de sua aplicação. Para todas elas, as duas
características mais importantes a serem analisadas são:


Atenuação: é a perda da intensidade luminosa ao longo da fibra,
causada pelo próprio material da fibra e / ou por eventuais
emendas, físicas ou mecânicas, existentes (medida em dB/Km);
Dispersão: é o espalhamento da luz ao longo da fibra, causado
pela existência de diferentes comprimentos de onda no feixe de
luz (medido em ps/nm.Km).
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
As fibras ópticas que vem sendo utilizadas nas redes de
alta capacidade são:




Single Mode (SM - G.652 ITU-T):
Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T)
Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T):
Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T)
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Single Mode (SM - G.652 ITU-T): é o tipo de fibra mais
comum encontrada no mercado. Possui algumas
limitações quando usada em sistemas de alta
capacidade com maior concentração de comprimentos
de ondas, pois possui elevado fator dispersão cromática.
Entretanto, como essa fibra possui um núcleo com área
maior do que os outros tipos de fibra óptica, seu uso se
adapta bem a sistemas WDM com grande capacidade
de comprimentos de onda.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): é o tipo de fibra
cuja dispersão é zero. Acreditava-se, em seu
lançamento, que seria a fibra ideal para ser usada com
sistemas WDM e SDH de alta capacidade. Porém, com
a evolução desses sistemas e o conseqüente aumento
da quantidade de comprimentos de onda (Lambdas),
verificou-se que esta fibra possui limitações no tocante à
dispersão cromática, o que diminuiu o seu uso.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): é tipo de fibra que foi
concebida para corrigir a limitação da fibra tipo DS, e cuja
dispersão para a janela de 1550 nm é muito baixa em relação à
fibra SM (18 ps.nm/km), porém não é zero (8 ps.nm/km). Para
obter esta redução do fator de dispersão cromática, o núcleo da
fibra foi alterado para ter menor diâmetro. Sempre se acreditou
que estas fibras seriam ideais para sistemas WDM com grande
número de comprimentos de onda, porém com o passar do
tempo e utilização em sistemas reais, verificou-se que o fato de
ter a área de seu núcleo reduzida, impede sua utilização em
sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda
(Lambdas).
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): é tipo de
fibra onde os processos industriais de produção
permitem a diminuição ou eliminação do efeito
"pico d'água", permitindo que a faixa de 1400
nm seja utilizada para tráfego de sistemas
ópticos. Isso otimiza o uso de equipamentos que
atuam em toda a faixa, desde 1310nm até
1625nm.
Redes ópticas
Estrutura
Fibra Ótica
Redes ópticas
Estrutura
Amplificador de Linha (ILA - "In Line Amplifier")
Sua única função é a amplificação óptica do sinal proveniente de um
equipamento terminal, tendo como principal característica a
amplificação do sinal juntamente com o ruído, justamente por não
converter o sinal óptico de entrada para o nível elétrico,
impedindo assim a sua regeneração.
O uso dos amplificadores de linha é justificado pela necessidade de
amplificar o sinal óptico com todos os comprimentos de onda, a
um custo menor, porém deve-se sempre levar em consideração a
relação sinal / ruído existente. Quando este parâmetro atinge
valores que impedem a correta detecção do sinal óptico original,
prejudicando assim a qualidade de serviço, torna-se necessário
usar outro tipo de equipamento que permita que esse sinal
original possa ser regenerado.
Redes ópticas
Estrutura
Multiplexador Óptico (OADM - "Optical Add-Drop Multiplex")
Este tipo de equipamento tem função dupla na rede. A
primeira é a de permitir a inserção ou retirada de um
determinado número de comprimentos de onda, os quais
serão regenerados, permitindo assim a comercialização de
serviços de telecomunicações nesse ponto da rede.
A outra é a de amplificar o sinal total, ou seja, os
comprimentos de onda (Lambdas) regenerados, que terão
sua relação sinal / ruído corrigida, e os Lambdas passantes,
que sofrerão a amplificação tanto do sinal quanto do ruído.
Redes ópticas
Estrutura
Equipamento Óptico de Conexão Cruzada (OXC - "Optical
Cross-Connect")
Este tipo de equipamento tem a função de realizar o
roteamento de Lambdas em nível óptico, permitindo
minimizar o número de equipamentos nas redes, diminuir
os pontos de possíveis defeitos, além de otimizar o espaço
ocupado nas estações.
Apesar de ter sido concebido a partir de objetivos importantes
para a otimização de redes devido ao seu alto custo atual
este tipo de equipamento ainda não tem aplicação
comercial.
Redes ópticas
Estrutura
Unidade Transponder
Transponders regenerativos: têm a finalidade de regenerar o
sinal óptico da rede. A regeneração é feita convertendo o sinal
de entrada para um sinal elétrico regenerado e sem ruído, e
convertendo esse sinal elétrico novamente para um sinal óptico
de saída (com comprimento de onda compatível com o plano de
freqüência do ITU-T) que tem uma relação sinal / ruído
significativamente melhor.
Este tipo de equipamento tem também a função de realizar a
adequação da freqüência do sinal de entrada para um sinal de
saída compatível com o plano de freqüências
Redes ópticas
Estrutura
Unidade Compensadora de Dispersão
(DCU - "Dispersion Compensation Unit")
Este tipo de equipamento é composto por fibras
ópticas com dispersão negativa e tem como objetivo
a compensação da dispersão cromática de um
trecho da rede de fibra óptica. O DCU pode ser
utilizado em qualquer ponto da rede.
Redes ópticas
Estrutura
Tipos de equipamentos
Redes ópticas
Estrutura
Receptor Ótico


É composto de um dispositivo fotodetector (ex.: fotodiodo),
responsável pela detecção e conversão de sinal luminoso em
elétrico e de um estágio eletrônico de amplificação e filtragem.
Em geral, o processo de recepção, baseia-se na detecção da
portadora luminosa pela contagem de fótons. Esta tecnologia é
conhecida como detecção direta. Neste tipo de recepção, não é
considerado características quanto a fase e polarização da
portadora.
Existe também, a técnica de detecção coerente, que
considera as características do sinal recebido, antes não
analisadas pelo sistema de detecção direta.
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Estrutura
Receptor Ótico

O critério de seleção de um fotodetector inclui as
seguintes análises:





alta confiabilidade;
operação em larga faixa de temperaturas;
baixo ruído;
faixa dinâmica larga;
baixo custo.
Redes ópticas
Estrutura
Receptor Ótico
Para que o sistema tenha o maior alcance possível,
é necessário, portanto, que o fotodetector escolhido
seja capaz de operar nos menores níveis possíveis
de potência ótica, convertendo-a em corrente com o
mínimo de distorção e ruído.
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
O acoplamento da fibra ótica com os dispositivos emissores de
luz e fotodetectores é feito de forma a limitar as perdas por
acoplamento.

A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibras
óticas pode ser realizado por emendas, o que o torna
permanente ou, temporariamente, por meio de conectores
mecânicos de precisão. Já as junções multiponto utilizam-se de
acopladores.
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
O acoplamento da fibra ótica com os dispositivos emissores de
luz e fotodetectores é feito de forma a limitar as perdas por
acoplamento.

A junção ponto-a-ponto de dois ou mais segmentos de fibras
óticas pode ser realizado por emendas, o que o torna
permanente ou, temporariamente, por meio de conectores
mecânicos de precisão. Já as junções multiponto utilizam-se de
acopladores.
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
Acopladores Direcionais
Os acopladores direcionais tipo T são utilizados em configurações
multiponto em barramentos.
As perdas devido ao acoplador são da ordem de 0.5 dB, e está relacionado
ao número de nós ao longo da rede.
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
Acoplador Estrela
Este tipo de acoplador permite a distribuição da potência ótica
simultaneamente para vários nós de uma rede configurada em
estrela passiva.
É importante observar que o acoplador deve manter
uniformidade na distribuição de potência.
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
Comutador Ótico
Os comutadores óticos são dispositivos utilizados
nas redes a fim de possibilitar rotas alternativas
para o sinal transmitido.
É bastante utilizado em topologias em anel, uma
vez que possibilita isolar nós em caso de falha ou
manutenção.
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
Comutador Ótico
Os comutadores óticos são dispositivos utilizados
nas redes a fim de possibilitar rotas alternativas
para o sinal transmitido.
É bastante utilizado em topologias em anel, uma
vez que possibilita isolar nós em caso de falha ou
manutenção.
Redes ópticas
Estrutura
Acoplamento e Conexões
Conectores
Conectores óticos são dispositivos passivos que possibilitam
realizar junções temporárias ponto-a-ponto entre duas fibras ou,
nas extremidades dos sistemas.
Para redes onde é necessária a minimização de espaço e
facilidade de conexão/desconexão, a escolha de conectores
ponto-a-ponto é a mais adequada.
Em geral, a instalação do conector ligado ao dispositivo ótico e a
fibra é feita em placas de circuito impresso, em conjunto a
componentes eletrônicos da interface de comunicação ao
modem.