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REDES DE TELECOMUNICAÇÕES:

Fibras Ópticas

Aula 04

Professor: Jaime

16 de setembro de 2019

UNIVERSIDADE ESTADUAL DE LONDRINA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

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Sumário:

1 - Componentes de Fibra Óptica: Fibras Ópticas;

2 - Fontes para Transmissões Ópticas;

3 - Amplificador Óptico;

4 - Detectores para Receptores Ópticos;

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1. Componentes de Fibra Óptica: Fibras Ópticas

Figure 1: Sistema de Comunicação em Fibra Óptica

• Fibra óptica é um guia feito de material de baixa perda, vidro de

sílica fundido de alta pureza química.

Figure 2: Uma fibra óptica é um guia de onda dielétrico cilíndrico com um núcleo interno e um revestimentoexterno

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1.1. Fibras Multimodo (MMF - multimode fibers)

• Fibra óptica de índice degrau: o núcleo tem um índice de refração

levemente maior do que o revestimento, figura 5 (a);

A luz é guiada ao longo do eixo com reflexão interna total;

A luz viaja pela fibra na forma de modos;

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• Fibra com índice degrau é caracterizada pelo seu raio do núcleo

a, pelos índices de refração do núcleo e do revestimento, n1 e n2, e

pela mudança do índice de refração fracionário:

∆ =n1 − n2

n1(1)

que é muito pequeno (∆ = 0, 001 a 0, 02).

• O raio de luz faz ângulo com o eixo da fibra menor do que com-

plemento do ângulo crítico,

θc = sin−1(n2

n1

)(ângulo crítico) (2)

São guiados dentro do núcleo por múltiplas reflecções no limite

entre núcleo e o revestimento.

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• Os raios meridionais são guiados se o ângulo θ feito com o eixo da

fibra for menor do que o complemento do ângulo crítico, ou seja,

θ < θ̄c = π/2 − θc = cos−1(n2

n1

)(3)

Figure 3: A trajetória de um raio meridional na posição de um plano que passa pelo eixo da fibra. O raio éguiado se θ < θ̄c = cos−1

(n2n1

).

• O ângulo de aceitação é dado por:

θa = sin−1 NA (4)

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• Onde o ângulo de abertura NA da fibra é dado por:

NA =√

n21 − n2

2 ≈ n1

√

2∆ (5)

Figure 4: (a) Ângulo de aceitação θade uma fibra. Raios dentro do cone de aceitação são guiados pela reflexãointerna total. O ângulo de abertura NA = sin(θa). Os ângulos θa e θ̄c são tipicamente muito pequenos; elessão exagerados aqui para melhor visialização. (b) A capacidade de coleta de luz de uma fibra de NA grande émaior do que o de uma fibra de NA pequeno.

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• O número de modos guiados M é governado pelo parâmetro V,

V = 2π( aλ0

)NA (6)

onde a/λ0 é a relação do raio do núcleo a pelo comprimento de

onda λ0. Em uma fibra com V >> 1, existe um grande número de

modos , M ≈ V2/2.

• Os modos viajam com diferentes velocidade de grupo, isto resulta

em espalhamento de pulso que cresce linearmente com o compri-

mento da fibra, este efeito é chamado de dispersão modal.

• Os pulsos combinados tem uma largura RMS (MMF de índice

degrau) de tempo de atraso de:

σ f ibra ≈∆

2c1L (7)

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• onde c1 = c0/n1. Por exemplo, se n1 = 1, 46 e ∆ = 0, 01, o tempo de

resposta por km ≈ ∆/2c1 ≈ 24ns/km. Para uma fibra de 100 km o

pulso é espalhado com uma largura de 2, 4µs.

• Fibra com índice gradual: a dispersão modal pode ser reduzida

pelo uso da fibra com índice gradual (GRIN - graded-index ).

O índice de refração do núcleo varia gradualmente de um máxi-

mo valor n1 no eixo da fibra para um valor mínimo n2 no limite

entre o núcleo e o revestimento.

O raio segue uma trajetória curva, figura 5.

O raio axial viaja distância menor na velocidade de fase menor

(índice de refração maiores).

O raio oblíquo viaja distância maiores para velocidade de fases

maiores ( índice de refração menores).

Com isso, o tempo de atraso é equalizado.

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Figure 5: (a) Fibras multimodos com índice degrau (MMF - multimodo fiber): diâmetro do núcleo relativa-mente grande; índice de refração uniforme no núcleo e no revestimento; grande espalhamento de pulso devidoa dispersão modal.(b) Índice gradual (GRIN) MMF: índice de refração do núcleo é gradual; existem poucos modos; pulso alargadodevido a dispersão modal é reduzido.(c) Fibras monomodos (SMF - single-modo fiber): diâmetro do núcleo pequeno; sem dispersão modal; alarga-mento do pulso é devido somente ao material e dispersão do guia de onda.

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1.2. Fibras Monomodo (SMF - single-mode fibers)

• Quando o raio do núcleo a e a abertura numérica NA de uma fibra

de índice degrau são pequenos, ou seja, V < 2, 405, somente um

modo é possível e a fibra é chamada de fibra monomodo.

• SMF elimina o espalhamento de pulso causado pela dispersão

modal.

• O espalhamento de pulso ocorre no efeito de dispersão cromática.

• Existem duas origens da dispersão cromática:

Dispersão do material: resulta da dependência do índice de

refração no comprimento de onda;

Dispersão do guia de onda: consequência da dependência da

velocidade de grupo do modo na razão entre o raio do núcleo e o

comprimento de onda.

A dispersão do material é maior do que a do guia de onda.

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• Um pulso óptico curto de largura espectral de espalhamento σλpara um largura temporal (tempo de resposta do SMF):

σfibra =| D | σλL (8)

• Proporcional a distância de propagação L (km) e para o compri-

mento da linha fonte σλ (nm), onde D é o coeficiente de dispersão

(ps/km-nm).

• Para fibras guiadas fracamente (∆ << 1), D pode ser separado em

uma soma Dλ + Dw da contribuição do material e guia de onda.

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1.3. Dispersão e Atenuação

• O comprimento de onda depende do coeficiente de atenuação da

fibra de vidro de sílica fundido.

Atenuação decai para o mínimo ≈ 0, 3 dB/km em λ0 = 1300 nm;

Cresce suavemente em 1, 4µm devido a absorção do íon OH;

Decai para o mínimo absoluto ≈ 0, 16 dB/km em λ0 = 1550 nm;

Acima disto a curva sob rapidamente, figura 6.

• Fibras absorção de OH suprimida: desenvolvido recentemente.

• Na figura 6 também é mostrado a dependência do comprimento

de onda do coeficiente de dispersão Dλ:

Os valores mudam de negativo para baixos comprimentos de

onda e para positivo para longos e é zero para λ0 ≈ 1312 nm.

O sinal do coeficiente de dispersão não afeta a taxa de largura

de pulso.

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1.4. Fibras com Dispersão Modificada

• Fibras monomodo usa núcleo de índice gradual com índice de

refração especial selecionados de tal forma que o coeficiente de

dispersão cromático D tenha valores desejados em certos compri-

mentos de onda, conforme exemplos:

- Fibra com dispersão deslocada (DSF - dispersion-shifted fibers),

D desaparece em λ0 = 1550 nm, onde a atenuação é mínima.

- Fibra com dispersão deslocada não zero (NZ-DSF - non-zero

dispersion-shifted fibers), D é reduzido na janela entre 1500 e 1600

nm, mas não é zero, figura 7. Um pequeno valor de dispersão é

útil para aliviar a distorsão não linear encontradas nos pulsos de

intensidade estreito.

- Fibras com dispersão aplainada (DFF - dispersion-flattened fiber),

D some em dois comprimentos de onda e é reduzido em compri-

mento de ondas intermediários, figura 8(b).

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Figure 6: Comprimento de onda em relação a atenuação mínima α e do coeficiente de dispersão do material Dλ

da fibra de vidro de sílica. A linha tracejada representa a atenuação da fibra com a absorção do OH suprimida.Três bandas espectrais são observadas: a banda central de 870 nm, que era usado em sistema mais antigos temα = 1, 5 dB/km e Dλ = −80 ps/km-nm; a banda centrada O (original) em 1310 nm, para que α = 0, 3 dB/km comdispersão mínima; e a banda centrada em C (convencional) em 1550 nm, com atenuação mínima (α = 0, 16dB/km) e Dλ = +80 ps/km-nm. Três bandas adicionais são usadas em sistemas de multiplexação de divisãode comprimento de onda (WDM - Wavelength Division Multiplexing Systems): E = extendido, S = Curto, L =longo e U = ultralongo.

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Figure 7: Relação entre o comprimento de onda e o coeficiente de dispersão cromática D de uma fibraconvencional e exemplo de uma fibra com dispersão deslocada DSF e NZ-DSF. As designações G.653 e G.655são especificações do ITU

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• Fibra de dispersão compensada (DCF - dispersion compesating fibers),

D é proporcional a fibra de índice degrau convencional sobre uma

banda de comprimento de onda estendido, mas com um sinal

oposto.

- Um pedaço de fibra com um coeficiente de dispersão com

grande reversão é usado para compensar o espalhamento do pulso

provocado pela longa fibra óptica convencional, figura 8(c).

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Figure 8: Perfil do índice de refração em relação ao comprimento de onda do coeficiente de dispersão domateriall (linhas tracejadas) e a combinação do coeficiente de dispersão do guia de onda e do material (linhascontínuas) para (a) fibra com dispersão deslocada (DSF), (b) fibra com dispersão aplainada (DFF) e (c) fibra dedispersão compensada (DCF)

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1.5. Dispersão do Modo de Polarização

• A dispersão do modo de polarização (PMD - polarization-mode

dispersion) é causado pela variação na geometria da fibra de forma

aleatória ao longo de seu comprimento.

- A variação aleatória na magnitude e orientação da birefringên-

cia introduz diferentes atrasos nos dois modos de polarização.

- O valor médio RMS da largura de pulso associada com o PMD

é proporcional a raiz quadrada do comprimento da fibra:

σPMD = DPMD√

L (9)

onde DPMD é o parâmetro de dispersão que varia entre 0, 1 a 1

ps/√

km.

- PMD torna-se importante em altas taxas de dados quando

outros formas de dispersão são compensadas.

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1.6. Efeitos Ópticos Não Linear

• Quando pulsos de alta potência são transmitidos através de fi-

bras monomodo, se a intensidade óptica for suficientemente alta

podem ocorrer iterações não lineares, causando um efeito que

danifica a integridade do sinal em sistemas de comunicação:

- Modulação da própria fase (SPM - self-phase modulation) cau-

sada pelo efeito óptico Kerr (uma pequena dependência do índice

de refração e velocidade da fase na intensidade óptica).

Pode resultar em conversa cruzada em sistemas de comunicação

com propagação de ondas nos dois sentidos.

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• Modulação com cruzamento de fase (XPM - cross-phase modula-

tion) resulta da mistura de ondas não lineares no qual a velocidade

de fase de uma onda em um comprimento de onda depende da

intensidade de outro comprimento de onda viajando simultanea-

mente na mesma fibra.

- Em sistemas WDM, o XPM pode causar sérios cruzamentos

entre diferentes canais.

• Mistura de quatro ondas (FWM - four-wave mixing) está associado

também ao efeito não linear de terceira ordem.

- Este efeito causa cruzamento entre as quatro ondas de difer-

entes comprimento de onda viajando simultaneamente na mesma

fibra onde as ondas trocam energia.

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• Espalhamento estimulado Raman (SRS - stimulated Raman scatter-

ing) e espalhamento estimulado Brillourin (SBS - stimulated Bril-

louin scattering) são processos de espalhamento não elástico en-

volvendo iterações entre luz e molécula ou vibrações acústicas no

meio.

- Duas ondas ópticas de diferentes comprimentos de onda se

interagem via um modo de vibração molecular (SRS) ou uma onda

acústica (SBS).

- Essas iterações também levam a um indesejável cruzamento

entre canais de um sistema WDM.

• A dispersão não linear via SPM pode ser ajustada para compen-

sar a dispersão cromática resultando num espalhamento de pulso

conhecido como sóliton ópticos.

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2. Fontes para Transmissões Ópticas

• A fonte de luz usada em sistemas de comunicação óptica depende

da natureza da aplicação (comunicação longa distância, LAN, etc.).

• Os principais fatores são:

- Potência: a potência da fonte deve ser suficiente para que,

depois de transmitido pela fibra, o sinal recebido seja detectável

com a precisão desejada.

- Velocidade: deve ser possível modular a potência da fonte na

taxa desejada para comunicar a informação.

- Largura do pulso: a fonte deve ter uma largura de pulso

expectral estreita para minimizar a dispersão cromática na fibra.

- Ruído: flutuações aleatórias na potência da fonte deve ser

evitada para sistemas de comunicação coerente.

- Outros fatores: robustez, longo tempo de vida, confiança.

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• As fontes usadas em sistemas de transmissão em fibras fibras são:

diodos emissores de luz (LEDs - light-emitting diodes) e diodos a

laser (LDs - laser diodes).

• Os diodos emissores de luz são fabricados em duas estruturas

básicas: emissores de borda e emissores de superfície.

• Os diodos emissores de superfície tem as vantagens de robustez,

confiabilidade, baixo custo e simplicidade de projeto.

• A limitação básica que acompanha seu uso é sua larga largura de

linha, que pode exceder a 100 nm na banda de 1300 a 1600 nm.

• Quando operado em frequência máxima, frequência de modu-

lação superior a 100 Mbps são possíveis.

• Mas para alta velocidade (acima de 500Mbps) pode ser obtido com

a redução da potência .

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• O diodo emissor de bordas tem uma estrutura similar ao de um

diodo a laser sem o mecanismo de feedback.

- Produz mais potência na saída com largura de linha expectral

mais estreita e um aumento de complexidade.

• Diodo laser tem a vantagem de alta potência (dezenas de Watts),

alta velocidade (muitos Gbps), comprimento de linha de expectro

estreito. São sensíveis a variação de temperaturas.

- Diodo de laser multimodo sofre de ruído de partição, que é

uma distribuição aleatória da portência do laser entre os modos.

- Quando sujeita a dispersão cromática na fibra, leva a uma flu-

tuação aleatória da intensidade deformando o pulso transmitido.

- Sofre também alteração de frequência, que é a mudança da

frequência do laser quando a potência óptica é modulada. Resulta

da modificação do índice de refração.

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3. Amplificador Óptico

• São componentes indispensáveis em modernos sistemas de comu-

nicações de longa distância.

• Podem ser usadas como: pos-amplificador (amplificador de potên-

cia), amplificador de linha e pré-amplificador, figura 9.

Figure 9: Amplificadores de fibra óptica são usados em três configurações em um sistema de comunicaçãocom fibra óptica: (a) pos-amplificador; (b) amplificador de linha; e (c) pré-amplificador.

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• Amplificador de potência: aumenta a potência óptica antes do

sinal ser lançado na fibra óptica.

• Amplificador de linha: aumenta o sinal no trajeto da transmissão.

• Pré-amplificador: fornece ganho antes da fotodetecção.

• Existem três tipos de amplificadores ópticos:

- Amplificador de fibra óptica (OFAs - Optical Fiber Amplifiers)

- inclui o amplificador a fibra dopada com Érbio (EDFAs - Erbium

-Doped fiber amplifiers), amplificador de fibra dopado com terra

rara (REFAs - Rare-Earth-doped Fiber Amplifiers) e amplificador

de fibra Raman (RFAs - Raman Fiber Amplifiers).

- Amplificador óptico a semicondutor (SOAs - Semicondutor

Optical Amplifiers).

- Amplificadores parametricos ópticos (OPAs - Optical Para-

metric Amplifiers).

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• EDFAs e RFAs são os amplificadores mais apropriados para co-

municação em fibra óptica.

• Amplificador de Fibra Óptica:

• EDFAs: é o primeiro OFAs a ser desenvolvido. São largamente

usados em sistems de comunicação em fibras ópticas.

- Eles oferecem alto ganho independente da polarização, alta

potência de saída, baixa perda por inserção, baixo ruído e uma

larga transição perto de λ = 1, 55 µm (comprimento de onda com

mínima perda).

- O bombeamento é realizado pelo acoplamento longitudinal da

luz na amplificação média, usualmente de um diodo laser InGaAs

operando a λ0 = 980 nm.

- A luz pode ser injetada tanto na direção direta como na inversa,

ou bidirecionalmente.

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• Ganho extra de 50 dB pode ser obtido em EDFAs com dezenas de

mW de potência bombeada;

- Potência extra do sinal de saída 100 W são facilmente gerada.

- A largura de banda praticável é ∆λ ≈ 40 nm, corresponde a

∆ν ≈ 5, 3 THz que acomoda a banda C.

- A banda L é facilmente coberta embora os parâmetros de

otimização do EDFAs não é o mesmo nas duas bandas.

- O alto ganho e a largura de banda oferecida faz deste amplifi-

cador altamente apropriado para usar em sistemas com multiplex-

ação por divisão de largura de onda (WDM - Wavelength-Division

Multiplexing).

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• REFAs: muitos ions exceto Er3+ (em geral Pr3+, Tm3+ e Nd3+) são

usuais para fazer os REFAs que cobre as bandas O/E/S/U.

- Pode ser usado para extender a largura de banda amplificada

superior a 60 nm (7, 5 THz) executável pelo uso EDFAs individ-

ualmente otimizado nas bandas C e L.

• Pela mistura e união de REFAs de Er3+ e Tm3+,

- a largura de banda obtida ∆λ aumenta de 60 nm para ≈ 150

nm,

- corresponde a ∆ν ≈ 18, 8THz em 1550nm.

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• RFAs: opera na base de espalhamento de Raman estimulado.

- Existem dois padrões de configuração RFA:

(1) RFAs Distribuido onde, o sinal e o bombeio, são enviados

através da fibra de transmissão, que serve como o ganho médio.

(2) RFAs Concentrado em que um pequeno comprimento de

fibra altamente não linear serve como um amplificador e fornece

ganho. Não passa pela fibra de transmissão.

• RFAs oferece maior largura de banda do que os EDFAs.

• Múltiplos pombeios de frequências diferentes podem ser combi-

nadas para suprir maior largura de banda.

• O ganho de uma RFA de ≈ 20 dB é substancialmente menor do

que uma EDFA.

- Este valor pode ser aumentado pelo uso de fibras com disper-

são compensada e bombeio com polarização diferentes.

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• SOAs: a região de operação do espectro óptico depende da escolha

do material semicondutor. Pode ser bombeado eletricamente.

- São compactos e compatíveis com circuitos optoeletrônicos

integrados como pos-amplificador ou pré-amplificador.

- Na banda de comunicação entre 1, 3 e 1, 6 µm temos:

- a largura de banda usando SOAs quantum-well são ∆λ ≈ 50

nm corresponde a ∆ν ≈ 6, 5 THz em λ0 = 1550 nm;

- e usando SOAs quantum-dot são ∆λ ≈ 200 nm.

- Devido a seu baixo ganho (≈ 15 dB) sua aplicação em trans-

missão óptica é limitada a rede óptica metropolitana,

- onde ganhos baixos são suficientes para superar as perdas

associados a múltiplos nós ópticos add-drop.

- Desvantagens: incompatível com a geometria da fibra, alto

ruído, sensível a temperatura, interferência entre canais.

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• OPAs: oferece substancial ganho e banda larga sobre uma extensa

região espectral.

Uso limitado em aplicações WDM:

- O sinal WDM deve ser casado em fase ao bombeio, que requer

um nivelamento de dispersão.

- Emplementação de WDM em larga escala com canal de igual

espaçamento é impedido pela presença da mistura da quarta onda.

- Este amplificador é sensível a polarização do sinal, portanto é

desejável o bombeio multiplexação por polarização.

• Concluimos que SOAs e OPAs são menos usuais do que OFAs em

sistemas de comunicação em fibras ópticas.

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4. Detectores para Receptores Ópticos

• Dois tipos de detectores são comumente usados em sistemas de

comunicação ópticas:

- O fotodiodo p-i-n e o fotodiodo avalanche (APD - avalanche

photodiode)

• O APD tem a vantagem de fornecer ganho antes do primeiro

estágio de amplificação eletrônica no receptor.

- reduzindo o efeito de ruído do circuito.

O próprio mecanismo de ganho gera ruído e tem um tempo de

resposta finito que reduz a largura de banda do receptor.

APD requer grande tensão e uma circuitaria complexa para

compensar sua sensibilidade a flutuação de temperatura.

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• Detectores no comprimento de onda de 870 nm.

- Fotodiodos p-i-n e APDs de silicone são usados neste compri-

mento de onda.

- Na pré-amplificação, APDs silicone possui uma vantagem de

sensibilidade de 10 a 15 dB sobre os p-i-n silicone, porque o seu

ganho interno faz o ruído do pré-amplificador menos importante.

• Detectores para comprimento de onda entre 1300 e 1600 nm.

- Silicone não pode ser usado nesta região de comprimento de

onda por causa da sua transparência.

- Isto porque a largura de facha do comprimento de onda fica

abaixo do comprimento de onda da luz (λg < λ0).

- Entre os fotodiodos p-i-n de InGaAs e Ge, o InGaAs é preferido,

porque possui pequeno ruído de escuro e estabilidade térmica.

APDs de InGaAs são largamente usados.