Fibras Ópticas

As fibras ópticas são os componentes responsáveis pela transmissão dos sinais ópticos que carregam as informações, fornecidos pelos LED’s ou Diodos Laser.

As fibras ópticas são guias de onda cilíndricos compostos por um fino núcleo de sílica envolto por uma casca com índice de refração ligeiramente menor que o núcleo. Além do núcleo e da casca, a fibra possue um revestimento para proteção contra impactos. Essa estrutura possibilita o confinamento e propagação do feixe óptico no núcleo através do efeito de reflexão interna total (Figura 4.6) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

O ângulo crítico de reflexão total é dado por

Θ_{c= ArcCos(n2/n1),} (4.1)

onde n1e n2são respectivamente os índices de refração no núcleo e da casca.

Outro parâmetro que caracteriza uma fibra é a variação do índice de refração entre o núcleo e a casca, dado por:

δ = n1− n2

n1 . (4.2)

Na Figura (4.7) (ANTONY; GUMASTE, 2002) são mostradas representações esque- máticas dos cortes longitudinais de fibras ópticas com perfil de índice degrau e gradual.

Existem duas categorias gerais de fibras ópticas utilizadas em sistemas de comunicação óptica: Fibras Monomodo e Fibras Multimodo. Nas fibras multimodo, vários modos podem se propagar simultaneamente, enquanto nas fibras monomodo apenas um modo de propagação é permitido (Figura 4.8) (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

Figura 4.8: Modos de propagação em uma fibra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

Os modos de propagação em uma fibra óptica são obtidos através da solução das Equa- ções de Onda de Maxwell para os campos elétrico e magnético em um guia de ondas cilíndrico. A partir dessa solução, obtém-se a frequência normalizada, V (ou parâmetro V), que define o número de modos suportados pela fibra. A Equação (4.3) apresenta esse resultado:

V =2π λ a(n1 2 − n22) 1 2_. (4.3)

Na Equação (4.3), a é o raio do núcleo, n1 e n2 são respectivamente os índices de

refração no núcleo e da casca e λ é o comprimento de onda da luz acoplada na fibra.

Quanto maior o valor de V, maior o número de modos suportados pela fibra. Para

V < 2,405 a fibra será monomodo. O principal fator que define o valor de V é o raio do núcleo, a. Para λ = 1550nm, o raio do núcleo das fibras monomodo varia entre 2 e 4 µm e o das fibras

multimodo entre 25 e 30 µm. O raio da casca, b, geralmente varia entre 50 e 60 µm para ambas as fibras.

Perdas nas Fibras Ópticas

Vários efeitos podem afetar a propagação da luz em fibras ópticas, degradando os sinais ópticos e limitando as distâncias de transmissão. Esses efeitos dependem de vários fatores, particularmente das características da fibra óptica, e podem ser agrupados em três categorias básicas: Atenuação, Dispersão e Não-linearidades.

• Atenuação

A atenuação em fibras ópticas corresponde à perda de potência do sinal óptico à medida que se propaga na fibra e é causada por fatores intrínsecos, como espalhamento Rayleigh e absorção por impurezas ou imperfeições no vidro durante a fabricação, e fatores ex- trínsecos, como tensões e deformações causadas por forças externas (microbending ou

macrobending).

Os principais fatores que determinam a atenuação em uma fibra óptica são o comprimento da fibra e o comprimento de onda da luz. A atenuação em uma fibra é medida em termos do coeficiente de atenuação, dado por:

Γ₌ −10

z [log( Pout

P_in )](dBm/Km), (4.4)

onde Pout e Pin são respectivamente as potências de entrada e saída em watts (W) e z é

o comprimento da fibra. Em termos das potências em dB, o coeficiente de atenuação é dado por

Γ₌Pin− Pout

A Figura (4.9) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) mostra uma curva de atenuação típica.

Figura 4.9: Curva de atenuação em uma fibra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

Os processos de fabricação de fibras ópticas evoluíram bastante. Com a redução dos picos de absorção por íons, de modo a obter um espectro de absorção mais plano, tornou- se possível a exploração de uma faixa de comprimentos de onda bem mais extensa. Os sistemas de comunicação óptica WDM operam atualmente em quatro janelas ou bandas, onde a atenuação é menor:

- Banda S (Short wavelenght): 1460 - 1530 nm. - Banda C (Conventional): 1530 - 1565 nm.

- Banda L (Long wavelenght): 1565 - 1625 nm. - Banda U (Ultralong wavelenght): 1625 - 1675 nm.

• Dispersão

A dispersão corresponde ao alargamento dos pulsos ópticos à medida que se propagam na fibra. Esse alargamento resulta em distorção do sinal, limitando a largura de banda da fibra. Dois tipos de dispersão geralmente afetam os sistemas WDM: Dispersão Cromática e Dispersão dos Modos de Polarização (Polarization Mode Dispersion - PMD).

A Dispersão Cromática ocorre devido às diferenças de velocidade de propagação na fibra entre as componentes espectrais do pulso. Esse efeito é chamado Dispersão da Velocidade de Grupo (Group Velocity Dispersion - GVD) e aumenta com o quadrado da taxa de bits. Em fibras monomodo, a Dispersão Cromática tem duas componentes: Dispersão Material e Dispersão do Guia de Onda.

A Dispersão Material ocorre quando diferentes comprimentos de onda propagam-se a diferentes velocidades, chegando ao final da fibra em instantes diferentes. Isso resulta em um alargamento do pulso.

A Dispersão do Guia de Onda ocorre devido à diferença de índice de refração entre o núcleo e a casca. Essa diferença resulta em um índice de refração efetivo que varia com o comprimento de onda. Componentes de pequeno comprimento de onda permanecem confinadas no núcleo, de modo que o índice de refração efetivo é muito próximo do índice de refração do núcleo. Componentes de comprimento de onda intemediários penetram ligeiramente na casca, de modo que o índice de refração efetivo diminue. Componentes de comprimento de onda grande penetram bastante na casca, de modo que o índice de refração efetivo é muito próximo do índice de refração da casca. Esse efeito introduz um atraso na propagação das componentes de comprimento de onda maior em relação às componentes de comprimento de onda menor.

A Figura (4.10) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) mostra uma curva de dispersão cromática típica.

Figura 4.10: Dispersão Cromática em uma fibra óptica (CISCO SYSTEM, INC., 2000).

A PMD, importante a taxas de bit maiores que 5 Gbps, ocorre devido a assimetrias na geometria cilíndrica da fibra resultantes do processo de fabricação, que introduzem pe- quenas diferenças entre os índices de refração de diferentes componentes de polarização. Devido a esse efeito, chamado Birrefringência, diferentes componentes de polarização propagam-se com velocidades diferentes, resultando em um alargamento do pulso óptico.

• Não-linearidades

Os principais efeitos não-lineares em fibras ópticas são devidos ao índice de refração não-linear e podem ser divididos em duas categorias principais. A primeira categoria in- clui dois efeitos não-lineares relacionados à interação da luz com fônons: Espalhamento Raman Estimulado (Stimulated Raman Scattering - SRS) e Espalhamento Brillouin Es- timulado (Stimulated Brillouin Scattering - SBS). A segunda categoria inclui fenômenos relacionados ao Efeito Kerr óptico, que ocorre devido à dependência do índice de refração com a intensidade óptica. Os principais efeitos nessa categoria são a Auto-Modulação de Fase (Self-Phase Modulation - SPM), a Modulação de Fase Cruzada (Cross-Phase Mo-

Outros efeitos não-lineares associados a essa categoria são a Instabilidade Modulacional (Modulational Instability - MI) e a Formação de Sólitons (Sóliton Formation - SF). Uma vez que dependem da potência do sinal óptico, os efeitos não-lineares tornam-se impor- tantes para sistemas de comunicação óptica que operam a altas taxas de bit e potências de transmissão.

Tipos de Fibras

O International Telecommunication Union (ITU), grupo internacional responsável pela padronização de sistemas de telecomunicações, classifica e define os seguintes tipos de fibra óptica (HEATHER et al., 2004):

• Multimode Fiber with a 50-Micron Core (ITU-T G.651): fibra multimodo com diâmetro nominal do núcleo e da casca respectivamente iguais a 50 e 125 microns.

• Nondispersion Shifted Fiber (ITU-T G.652): fibra monomodo padrão (mais comumente utilizada), com dispersão zero em 1310 nm.

• Dispersion Shifted Fiber (ITU-T G.653): fibra monomodo, com dispersão zero em 1550 nm.

• 1550-nm Loss-Minimized Fiber (ITU-T G.654): caso especial de fibra monomodo padrão, com baixa perda na região de 1500 a 1600 nm.

• Nonzero Dispersion Shifted Fiber (NZDSF) (ITU-T G.655): fibra monomodo cuja disper- são cromática é diferente de zero na banda C, reduzindo os efeitos não-lineares.

4.1.4 Amplificadores Ópticos

Os amplificadores ópticos são dispositivos utilizados para amplificar o sinal, compen- sando as perdas devidas à atenuação. Funcionalmente, os amplificadores ópticos são idênticos aos amplificadores elétricos e repetidores, com a diferença de que a amplificação é realizada inteiramente no domínio óptico. Os amplificadores ópticos funcionam de forma semelhante aos Lasers: a amplificação do sinal de entrada é obtida por emissão estimulada, através um processo de bombeio elétrico ou óptico em um meio com ganho.

Existem tres tipos básicos de amplificadores ópticos:

• Amplificador de Fibra Dopada com Érbio (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA): O EDFA é um amplificador óptico, funcional na banda C, no qual o meio com ganho consiste em alguns metros de fibra óptica dopada com íons de Érbio, um elemento do tipo terra-rara. Na Figura (4.11) (CISCO SYSTEM, INC., 2000) é mostrado um diagrama simplificado de um EDFA.

Figura 4.11: Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA (CISCO SYSTEM, INC., 2000) .

Na Figura (4.12) (NIIT et al., 2001) é mostrado um esquema do funcionamento do EDFA.

Figura 4.12: Níveis de energia e funcionamento do EDFA (NIIT et al., 2001).

O sinal óptico a ser amplificado é injetado em uma fibra dopada com Érbio, na qual é aplicado um sinal de bombeio contínuo em 980 ou 1480 nm. Esse sinal de bombeio faz com que elétrons no nível de energia fundamental N1passem para um nível excitado de

energia N3. Esses elétrons excitados decaem rapidamente para um nível meta-estável de

energia N2. O sinal óptico injetado estimula os elétrons no nível N2 a decairem para o

nível N1, emitindo fótons de comprimento de onda da ordem de 1550 nm. Dessa forma,

o sinal óptico injetado é amplificado.

• Amplificador Raman (Raman Amplifier - RA):

O RA é um amplificador óptico cujo funcionamento é baseado no efeito não-linear de- nominado Espalhamento Raman Estimulado (SRS), mencionado anteriormente. A am- plificação Raman ocorre quando um sinal de bombeio de comprimento de onda menor propaga-se em uma fibra, criando uma onda de espectro largo (onda de Stokes) que trans- fere energia e amplifica múltiplos canais por interação entre fônons ópticos. O espectro de ganho para a amplificação Raman é bastante largo (150 to 200 nm), cobrindo as bandas de operação S, C, L e U.

• Amplificador Óptico a Semicondutor (Semiconductor Optical Amplifier - SOA):

Lasers de Semicondutor podem ser utilizados como amplificadores ópticos removendo- se o feedback da cavidade ressonante. Isso é feito substituindo as extremidades do laser por revestimentos anti-refletores. Devido a severas limitações, como elevado crosstalk e baixa potência de saída, o SOA é atualmente pouco utilizado.

A Tabela (4.1) mostra uma comparação entre os três tipos de amplificadores ópticos.

Parâmetro EDFA Raman SOA

Ganho _{∼ 30 dB ∼ 20-25 dB ∼10-20 dB}

Potência de Saída Alta Alta Baixa

Potência de Entrada Moderado Alta Alta

Cross-talk Baixo Baixo Muito Alto

Tendência de Ganho Alto Baixo Alto

Aplicação Metro long haul long haul short haul, canal simples, conversos

Tabela 4.1: Comparativo entre amplificadores ópticos.