Esta seção apresenta os componentes necessários para a composição de uma rede óptica elástica com multiplexação espacial.
2.2.1 Fibras ópticas SDM
A principal forma de realizar a multiplexação espacial em bras ópticas é a utilização de diversos modos e/ou núcleos. A partir destas tecnologias e suas combinações foram criadas categorias de SDM. A Figura 2.2 mostra os tipos de bras: Fibras monomodo (Single- mode Fiber - SMF), Fibras multimodo (Multi-mode Fibers - MMF) e Fibras multinúcleo (Multi-core ber - (MCF).
(a) SMF (b) MMF (c) MCF
Figura 2.2: Tipos de bras ópticas.
Fibras multimodo
As bras multimodo apresentam o núcleo com maior diâmetro que as bras com apenas um modo, permitindo a transmissão de diversos sinais independentes ortogonais chamados
de sinais polarizados linearmente (LP) [60, 32]. A quantidade de modos de uma bra varia de acordo com o tamanho do núcleo e o índice de refração do revestimento da bra.
As bras multimodo podem ser classi cadas de acordo com o número de modos dis- poníveis, sendo chamadas de bras com poucos modos (Few-mode Fiber - FMF), caso o número seja baixo (normalmente entre 2 e 20). Caso o valor seja maior que esse, são clas- si cadas como MMFs. As FMFs devem ser pareadas com equipamentos de alta qualidade, como multiplexadores espaciais que sejam capazes de identi car as diversas transmissões independentes [73]. As MMFs são mais utilizadas para comunicação de curta distância, já que sofrem impacto forte da dispersão modal devido ao alto número de transmissões independentes que devem ser decodi cadas no receptor.
As MMFs apresentam alta complexidade de desenvolvimento, principalmente devido à necessidade do emprego de processamento digital complexo. Entretanto, a tecnolo- gia é promissora para expandir a capacidade de transmissão em bras em operação que suportam a multiplexação de modos [63, 65].
Fibras multinúcleo
As MCFs são compostas por diversos núcleos independentes em um revestimento, podendo ser categorizadas em acopladas ou desacopladas.
As bras multinúcleo acopladas (Coupled Multi-core ber - CMCF) agrupam alguns de seus diversos núcleos em canais chamados supermodos, de acordo com sua disposição no espaço. As CMCF podem apresentar acoplamento forte ou fraco [62]. As transmis- sões utilizando CMCF podem alcançar 4200km e 1705km para bras com 3 e 6 núcleos respectivamente [64, 61], as quais são maiores que as obtidas por FMFs com o mesmo número de modos. A principal desvantagem da CMCF é a necessidade do emprego de Digital Signal Processing (DSP) baseado em Multiple-input and Multiple-output (MIMO) para recuperar os sinais, tornando o seu desenvolvimento complexo.
Cada núcleo de uma bra multinúcleo desacoplada (Uncoupled Multi-core ber - UMCF) pode ser considerado um canal independente de transmissão. Para transmissões de longa distância, foram demonstradas transmissões utilizando 7 núcleos [26, 9, 25], 12 núcleos [31, 36] e 19 núcleos [67, 68]. A principal vantagem da UMCF é que a complexidade dos dispositivos da rede é baixa, podendo-se aproveitar dispositivos comercialmente disponí- veis, sendo, algumas vezes, necessário realizar pequenas modi cações.
O desa o na utilização das UMCFs está na transmissão de longo alcance, que necessita de baixas perdas no sinal, crosstalk baixo entre os núcleos, uma área efetiva grande o su ciente para reduzir efeitos da não-linearidades de um diâmetro de revestimento largo o su ciente para garantir o manuseio seguro. Estes dois últimos impactam a escalabilidade de núcleos de uma bra. As bras demonstradas de 19 núcleos possuem diâmetro do revestimento de 200µm, que é altamente sensível a dobras [38]. Caso seja necessário aumentar o diâmetro do revestimento da bra para aumentar o número de núcleos e manter o crosstalk baixo, a manuseabilidade da bra será um problema.
A Tabela 2.1 sumariza os benefícios e desa os dos tipos de bra SDM apresenta- dos. As FMFs e MMFs utilizam bem o espaço, porém apresentam alta complexidade de processamento digital de sinais (Digital Signal Processing - DSP), bem como certa sen-
sibilidade a não-linearidades. As CMCF são intermediárias em todos os quesitos, com a principal desvantagem de necessitarem de DSP, ainda que de menor complexidade que as MMFs. As UCMFs têm a baixa complexidade de DSP como principal benefício, devido à independência dos núcleos da bra, o que vem acompanhado de sua baixa tolerância a não-linearidades.
Tabela 2.1: Comparação entre os tipos de bras. [10]
Utilização e ciente
do espaço Complexidadede DSP não-linearidades EscalabilidadeTolerância a
MMF/FMF Alta Alta Média Alta
CMCF Média Média Média/Alta Média
UMCF Média Baixa Baixa Baixa
Os algoritmos desenvolvidos serão voltados majoritariamente para aplicação com UMCFs, devido à baixa complexidade de desenvolvimento. A utilização de UMCFs torna primor- dial considerar o crosstalk entre os núcleos da bra na alocação de recursos, para que transmissões de longa distancia possam ser realizadas e cientemente.
2.2.2 Multiplexadores espaciais
O papel de um multiplexador espacial (Spatial Multiplexers - SMUX) é converter sinais de múltiplas SMFs em uma transmissão para diversos modos ou núcleos de uma bra SDM, como ilustrado na Figura 2.3.
SMUX Fibra SDM
SMFs
Figura 2.3: Diagrama de um SMUX.
A tecnologia de SMUX tem se desenvolvido dos antigos dispositivos com grandes di- mensões para dispositivos compactos e modernos, facilitando o seu emprego nas redes SDM. Os SMUX são classi cados em dois grupos. O primeiro grupo é baseado em múl- tiplos pontos, que geralmente são feixes de SMFs utilizando uma distribuição Gaussiana, e pode ser utilizado tanto com MCFs e FMFs. O segundo grupo é baseado em seleção de modo, através da criação de per s para os modos, a ser utilizado apenas com FMFs.
Este componente é vital para o funcionamento das redes ópticas SDM atualmente, pois em diversos momentos é necessária a separação dos sinais ópticos e a eventual junção destes durante as transmissões.
2.2.3 Ampli cadores SDM
Apesar de as bras ópticas modernas obterem valores de atenuação baixa (cerca de 0.2dB/kM [10]), ampli cadores ópticos como erbium-doped ber ampli ers (EDFAs) e distributed Raman ampli ers (DRAs) ainda são indispensáveis para suprir as perdas oca- sionadas pela atenuação, bem como pelos conectores das bras, especialmente quando a topologia tiver enlaces com distâncias maiores que 100km.
Existem atualmente algumas propostas de ampli cadores para serem utilizados em re- des com bras MCF. Um mecanismo híbrido de ampli cação empregando DRAs e EDFAs foi demonstrado em [76]. Ganhos de 9 − 12dB e perdas de menores de 1dB foram obtidos utilizando uma bra MCF de 7-núcleos com comprimento de 75km.
Uma proposta de EDFA para MCFs foi apresentada em [4], utilizando acopladores WDM para combinar o sinal óptico, onde o número de ampli cadores é proporcional ao número de núcleos. Foi demonstrado que o desempenho desse ampli cador MCF é similar aos convencionais ampli cadores SMF [4, 80, 81, 2].
Para diminuir o consumo energético e o tamanho físico dos ampli cadores, mecanismos para ampli car sinais em núcleos acoplados simultaneamente vem sendo propostos [3, 77, 50, 69]. Como um exemplo, o sinal em uma MCF de 7-núcleos pode ter seis núcleos ampli cados simultaneamente através da ampli cação do núcleo central [3].
Outra proposta apresentada é a ampli cação por revestimento, que utiliza um segundo revestimento na bra (chamada de Er-doped MCF ), para que todos os núcleos possam ter o sinal ampli cado simultaneamente, utilizando um espelho dicróico para combinar o sinal dos comprimentos de onda. Devido à pequena interferência entre os núcleos utilizando o duplo revestimento, estas bras conseguem atingir maiores distâncias de transmissão [77, 39].
A Tabela 2.2 mostra a comparação das tecnologias de ampli cadores apresentados, de acordo com o tipo de ampli cação utilizada, além de mostrar valores experimentais obtidos para as distâncias de transmissão, ganho ruído (Noise Figure - NF) e crosstalk.
Tabela 2.2: Sumário de experimentos com ampli cadores SDM [10].
Núcleos Ampli cação Distância Ganho Ruído Crosstalk
[4] 7 Núcleo 15m 25dB 4dB -25dB [80] 7 Núcleo 16m 20dB 7dB -40dB [81] 7 Núcleo 7.3m 23dB 5.1dB -48.5dB [3] 7 Revestimento 50m 20dB 6dB [77] 7 Revestimento 10m 14dB 9dB -32.7dB [39] 7 Revestimento 100m 15dB 5.5dB -30dB [50] 12 Revestimento 5m 18.3dB 13dB -33dB [69] 19 Revestimento 7m 23.3dB 7dB
2.2.4 Comutadores ópticos SDM
A comutação em uma rede óptica é realizada de uma forma similar à tradicional comu- tação de circuitos, com os caminhos ópticos estabelecidos para reservar os recursos por
um determinado período de tempo. Idealmente, os caminhos ópticos devem realizar a transmissão do sinal somente no domínio óptico e evitar as custosas conversões opto- eletrônicas. Os comutadores ópticos permitem exatamente a transmissão transparente sem a conversão do sinal para o domínio elétrico.
Nas redes ópticas elásticas, o comutador mais utilizado é o recon gurable optical add/drop multiplexer (ROADM), no qual os principais componentes são os comutadores seletivos de comprimento de onda (wavelenght selective switches - WSSs). Os WSSs são dispositivos responsáveis por rotear dinamicamente os comprimentos de onda recebidos nas portas de entrada para uma das N portas de saída ( também denominado dispositivo 1 × N).
Nos WSSs para bras SMF, cada canal de comprimento de onda pode ser comutado individualmente, funcionalidade que deve ser expandida para as redes SDM, através da comutação dos canais espaciais individualmente.
WSSs para bras MCF de 7 núcleos foi demonstrado em [16] e [49], nos quais SMUX são utilizados para demultiplexar o sinal SDM em sinais paralelos em bras SMF indivi- duais, que são transmitidos para um WSS tradicional com três vezes o número de portas SMF. O sinal é guiado para sete portas SMF, que são multiplexadas novamente por um SMUX para uma bra MCF.
Os comutadores para redes SDM são consideravelmente mais complexos, quando com- parados aos das redes ópticas elásticas, o que é um dos maiores desa os entre os compo- nentes SDM em desenvolvimento. Apesar das propostas iniciais serem funcionais, existe grande potencial de desenvolvimento de novas arquiteturas de comutação.