Neste capítulo fala-se introdutoriamente do aparecimento das fibras ópticas, da sua invenção, por que razão mudaram drasticamente o paradigma de transmissão de dados, as principais vantagens que tornam a fibra óptica especial quando comparada com os cabos metálicos, ou seja, uma breve introdução as fibras ópticas. Descrevem-se também os elementos básicos de uma ligação por fibra óptica, referindo-se de uma forma breve o espectro electromagnético e as comunicações ópticas, fazendo-se uma comparação básica entre os emissores ópticos usados pela fibra, sem esquecer de apresentar os objectivos e motivações da dissertação, uma estrutura resumida do trabalho realizado e as suas principais contribuições.
1.1. - Introdução as fibras ópticas
Com base nos estudos efectuados pelo físico inglês Jonh Tyndall em 1870, de que a luz poderia descrever uma trajectória curva dentro de um material, apenas em 1952 o físico indiano Narinder Singh Kapany concluiu as suas experiencias levando-o a invenção da fibra óptica, pois só com a invenção e desenvolvimento dos dispositivos (LASER´s e LED´s) capazes de converter impulsos electrónicos em impulsos de luz é que era possível transmitir a informação que até ao momento era eléctrica, mudando desde então o paradigma de transmissão de dados (sinal) [12]. A fibra óptica é principalmente utilizada em sistemas que exigem alta largura de banda, tais como sistemas telefónicos, sistemas de vídeo-conferência, redes de computadores locais (LAN’s) e de longas distancias (WAN’s) em campos universitários, hospitais e empresas, TV’s a cabo (futuramente em sistemas bidireccionais), controle e automação industrial, aplicações militares, na medicina (endoscopias por exemplo), entre outros.
As fibras ópticas, não são nada mais que matérias isolantes, cilíndricos (filamentos) constituídos por uma região central denominada núcleo, por onde passa a luz, e uma região periférica denominada bainha que envolve o núcleo, como mostra a Figura 1.1. Tal filamento pode apresentar diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde diâmetros infinitos da ordem dos micrómetros (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros [10].
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Figura 1. 1 - Constituição da fibra [10].
Existem duas vantagens principais que tornam a fibra óptica especial em comparação aos cabos metálicos:
A fibra óptica é totalmente imune a interferências electromagnéticas, por esta ser constituída de material dieléctrico (pedaço de vidro ou material polimérico) com capacidade de transmitir luz, o que significa que os dados não serão corrompidos durante a transmissão.
E o facto das fibras ópticas não conduzirem corrente eléctrica, logo não haverá problemas com electricidade, como problemas de diferença de potencial eléctrico ou problemas com descargas electricas.
O principio fundamental que rege o funcionamento das fibras ópticas é o fenómeno físico denominado reflexão Interna total da luz. Para que haja a reflexão Interna total, a luz deve sair de um meio com índice de refracção maior para um meio com índice de refracção menor e o ângulo de incidência deve ser superior ao ângulo crítico, comummente designado por ângulo limite.
Existem duas categorias de fibras ópticas: Multimodais e Monomodais, definindo assim a forma como a luz se propaga no interior do núcleo.
As fibras multimodais possuem diâmetro do núcleo superior ao das monomodais, de modo a que a luz tenha vários modos de propagação, ou seja, a luz percorre o interior da fibra óptica por diversos caminhos. Tais fibras são mais usuais para curtas distâncias, pois são bastante sensíveis ao fenómeno da dispersão, que mais adiante se explicará.
Enquanto nas monomodais a luz possui apenas um modo de propagação, ou seja, a luz percorre o interior do núcleo por apenas um caminho, mas em compensação, são as mais adequadas para aplicações que envolvam grandes distâncias, embora requeiram conectores de maior precisão e dispositivos de alto custo [7].
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1.2. - Comunicações ópticas
As comunicações ópticas constituem hoje o suporte da transmissão da rede fixa. Comunicações em frequências bastante elevada ( ), recorrendo a conversores electro-ópticos (LAZERs) e Opto - eléctricos (PIN).
Pelo facto da fibra óptica apresentar atenuações bastantes reduzidas ( ), permite ligações entre várias dezenas de quilómetros. Em ligações longas, é necessário usar repetidores (amplificadores ou regeneradores) [5].
1.2.1. - Luz
As principais questões que se colocaram foram: como é que a luz, passando por meio da fibra óptica, consegue transmitir informação? Como isto pode ser tão mais eficiente que as transmissões tradicionais, por condutores metálicos? A Figura 1.2 mostra uma comparação entre as dimensões (em termos de capacidade) de um cabo usual e uma fibra óptica.
Figura 1. 2 - Comparação de dimensões da fibra óptica e cabo usual [8].
Para tentar perceber estudaremos como as ondas funcionam, pois a luz é uma gama de comprimentos de onda a que o olho humano é sensível ou qualquer radiação electromagnética que se situe entre a radiação infravermelha e radiação ultravioleta. As três grandezas físicas básicas da luz são: brilho (amplitude), cor (frequência) e polarização (ângulo de vibração), devido a dualidade onda-particula, a luz exibe simultaneamente propriedades de onda e partícula [8].
A transmissão de luz pela fibra, independentemente do material usado ou da aplicação, é feita lançando um feixe de luz (o qual transporta a informação) à entrada da fibra sob um cone de aceitação, em que este determina o ângulo por que o feixe de luz deverá ser injectado, para que este possa propagar-se ao longo da fibra, pelas suas características. O feixe percorre-a por meio de reflexões sucessivas, sem esquecer que para iniciar a transmissão faz-se o uso de um conversor que
THz
193
km dB 2 . 0
~
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transforma impulsos de tensão na linha de entrada, num feixe lazer, o qual é direccionado para o núcleo da fibra. Da entrada segue-se o princípio de funcionamento da fibra, e no final da fibra também é colocado um outro conversor que reconverte os impulsos de luz em tensão eléctrica [15].
1.2.2. - Espectro electromagnético
O espectro electromagnético é o intervalo que contém todas as radiações electromagnéticas, que vão desde as ondas de rádio até aos raios gama [5]. O conhecimento sobre as ondas electromagnéticas tem evoluído desde a época de Maxwell. As ondas electromagnéticas são ondas formadas pela combinação dos campos eléctrico e magnético que se propagam perpendicularmente um em relação ao outro.
Figura 1. 3 - Espectro Electromagnético e frequências ópticas [5].
A relação entre frequência óptica, e o comprimento de onda, λ é:
f c
(1)
Onde c é a velocidade da luz no vazio, à qual é uma constante de valor aproximado à 3.108 m/s.
Na Figura 1.4 são ilustradas as regiões de comprimento de onda ao longo das décadas usadas pela fibra, onde as terceira janela (valores vizinhos ao comprimento de onda central ou nominal) e segunda janela são as mais atractivas pois oferecem menores valores de atenuação por kilómetro percorrido.
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Figura 1. 4 - Janelas de transmissão ao longo dos anos [5].
Apesar de a atenuação ser bastante reduzida em fibras ópticas, não deixa de ser uma característica importante de transmissão, reflectindo-se esta no facto de que a medida que a luz se propaga pela fibra perde parte da sua potência pelas imperfeições do material ao ser fabricado (sílica) e absorção da luz pela casca, reduzindo assim a potência óptica disponível [16], [17].
Em sistemas ópticos é comum apresentar-se o valor de atenuação por unidade de comprimento da fibra L, por via da comparação da potencia óptica a entrada e a saída da fibra, com α a representar o coeficiente de atenuação e expresso em .
sai ent
P L 10 log
10P
(1.a)Como se observa na Figura 1.4, de modo a reduzir a atenuação, a transmissão na fibra não utiliza luz visível, mas sim luz infravermelha com comprimentos de onda a rondarem entre os 850 à 1550 nanómetros, por isso nunca devemos olhar directamente para uma fibra óptica quando esta estiver transmitindo, pois corremos sérios riscos de perder a visão [13].
Actualmente em fibras ópticas a atenuação já é bastante reduzida, pelo que, em todas as demonstrações aqui apresentadas, considera-se a atenuação nula face ao efeito da dispersão na fibra.
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1.2.3. - LED vs LASERA fibra óptica converte o sinal em impulsos de luz através de um emissor óptico, a chamada conversão electro-óptica. Para sistemas ópticos, encontramos dois tipos de fontes ópticas (fontes de luz) que são frequentemente utilizadas: LED (Light Emition Diode) e ILD (Injection Laser Diode), ambos semicondutores modulados directamente pela variação de corrente a entrada. Cada um destes dois tipos de fontes oferece certas vantagens e desvantagens, e diferenciam-se entre si sob diversos aspectos:
- Potência luminosa: os lasers oferecem maior potência óptica quando comparados com os LEDs.
- Largura espectral: os lasers têm largura espectral menor que os LEDs, o que proporciona menor dispersão material.
- Tipos e velocidades de modulação: os lasers têm velocidade maior que os LEDs, mas necessitam de circuitos complexos para manter uma boa linearidade.
- Acoplamento com a fibra óptica: o feixe de luz emitido pelo laser é mais concentrado que o emitido pelo LED, permitindo uma eficiência de acoplamento maior.
- Variações com temperatura: os lasers são mais sensíveis à temperatura que os LEDs.
- Vida útil e degradação: os LEDs têm vida útil maior que os lasers (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida.
- Custos: os lasers são mais caros que os LEDs, face dificuldade de fabricação.
- Ruídos: os lasers apresentam menos ruídos que os LEDs. Ambos podem ser fabricados do mesmo material, de acordo com o comprimento de onda desejado:
* AlGaAs (arseneto de alumínio e gálio) para 850 nm.
* InGaAsP (fosfato de arseneto de índio e gálio) para 1300 e 1550 nm.
Dadas as características de ambos, os lasers são comummente usados nas fibras monomodo, enquanto os LED´s são mais usados nas fibras multimodo.
1.2.4. - Esquemas de modulação e multiplexagem em fibras ópticas
A modulação é o processo pelo qual o sinal em vez de ser transmitido em sua forma original é transmitido com mudança de amplitude, frequência ou dígitos, através de uma portadora ou canal. A transmissão de informação basicamente realiza-se modulando a intensidade do campo (potência óptica) que se propaga na fibra óptica [10], [11].
A fibra óptica pode usar 3 esquemas de modulação, os quais aqui se referem:
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Amplitude Modulation (AM): a modulação é feita na amplitude, como o próprio nome indica, o que requer sistemas bastante lineares, para compensar a distorção do sinal ao atravessar a fibra.
Frequency Modulation (FM): a informação é transmitida a partir de uma variação de frequência da portadora, facto que torna menos vulnerável às variações de amplitude.
Digital Modulation (DM): apesar de requerer a entrada um conversor de sinal A/D, é a modulação menos afectada pela distância, ruído do emissor de luz ou mesmo distorção, e consequentemente a modulação com custos mais elevados.
A multiplexagem é a técnica que permite enviar pelo mesmo canal em simultâneo, varias mensagens distintas [10].
A multiplexagem mais usada em fibras é a chamada multiplexagem por divisão no comprimento de onda, ou como é comummente conhecida WDM (Wavelength Division Multiplexing). Essa tecnologia baseia-se no facto das fibras ópticas poderem transportar vários comprimentos de onda em simultâneo (canais) sem que haja iteração entre eles, permitindo o aumento da largura de banda. Já o Multiplexer, em conjunto com filtros apropriados, permite combinar os diferentes comprimentos de onda numa única fibra, no final da transmissão usa-se um Demultiplexer para separar os diferentes comprimentos de onda.
1.2.5. - Elementos de uma ligação por fibra óptica
A quantidade de informação que pode ser transmitida está directamente relacionada com a frequência da portadora na qual a informação é impressa, então um aumento da sua frequência implica, em teoria, um aumento da largura de banda de transmissão e, em consequência, uma maior capacidade de transmitir informação. Assim, a tendência em sistemas de comunicação é o uso de frequências cada vez mais elevadas (ou, equivalentemente, de comprimentos de onda mais curtos) [5].
A Figura 1.5 abaixo apresenta os elementos básicos de uma ligação por fibra óptica. É de realçar que quanto maior for a ligação por fibra óptica, ao longo desta requer-se o uso de amplificadores de sinal apropriado, como por exemplo EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) ou o uso de regeneradores de sinal (por exemplo a cada 100Km de distância), de modo a minimizarem-se as perdas de transmissão (atenuação e dispersão) [10].
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Figura 1. 5 - Elementos de uma ligação por fibra óptica [5].
1.3. - Motivações e objectivos da tese
As principais motivações a escrita desta tese foram tentar perceber que tecnologias envolvidas estão por detrás da transmissão de dados por fibra óptica, como um condutor com diâmetro inferior a um fio de cabelo é capaz de transmitir quantidades enormes de informação com perdas bastante insignificantes, o que acontece a informação ao passar por tal meio e como isto pode ser muito mais vantajoso que os sistemas de transmissão de dados convencionais.
O objectivo principal passa por tentar esclarecer de modo conciso e abrangente as motivações que levaram a escrita deste trabalho, incidindo principalmente sobre o que acontece com os impulsos de luz ao viajarem pela fibra.
1.4. - Estrutura da tese
O trabalho esta estruturado por cinco capítulos, onde o primeiro capítulo descreve introdutoriamente as fibras ópticas, comunicações ópticas, fala-se um pouco do espectro electromagnético, faz-se uma breve comparação entre os lasers e LED´s e mostram-se os elementos de uma ligação por fibra
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óptica. É também no primeiro capitulo onde se descreve as motivações e objectivos da tese, como está estruturada e quais as principais contribuições.
No segundo capítulo fala-se brevemente da teoria modal, pois é esta teoria que explica por que razão é possível a transmissão de luz dentro da fibra, as equações que regem a propagação de ondas em regime linear e quais os modos de propagação na fibra.
No terceiro capítulo apresenta-se uma descrição sobre o que acontece aos impulsos ao propagarem-se na fibra em regime linear, pois os sistemas ópticos sob o efeito de pequenas perturbações têm um comportamento muito próximo aos sistemas lineares e por essa razão faz-se o estudo dos impulsos ao propagarem-se em regime linear. Como não se pode falar de propagação de impulsos sem se tocar no tema dispersão em fibras, faz-se uma breve descrição sobre por que razão os impulsos sofrem o efeito da dispersão ao propagarem-se, quais as equações que regem o principio da dispersão. Demonstra-se a equação que rege a propagação de impulsos em regime linear e no fim arranja-se um algoritmo simples para a resolução de tal equação o qual foi nomeado de Algoritmo RIMF. Mais adiante fazem-se algumas simulações numéricas para ilustrar o efeito DVG sobre o impulso secante-hiperbólica. Ao introduzir-se o parâmetro Chirp o qual quantifica o desvio de frequência instantânea, fazem-se umas simulações numéricas dos impulsos Gaussianos e Super-Gaussianos, mostrando-se como o parâmetro Chirp pode influenciar na evolução da largura espectral de tais impulsos ao propagarem-se na fibra. Por fim arranja-se uma solução admissível ao problema da dispersão, com o uso da técnica de fibras compensadoras de dispersão a cada duas secções da fibra, o que revela ser uma técnica bastante eficaz para colmatar o efeito da dispersão na fibra em regime linear.
No quarto capítulo descreve-se a propagação de impulsos em regime não-linear, pois sabe-se que os elementos na natureza comportam-se de forma não linear a perturbações exteriores. Mostra-se que a propagação de impulsos em regime não-linear dispersivo é governada pela auto-modulação de fase que em conjunto com dispersão de velocidade de grupo permite o aparecimento de solitões, que são impulsos que não mudam a sua forma ao longo da propagação na fibra, sendo esta a forma de compensar a dispersão neste regime. Fala-se da equação não-linear de Schrondinger que é a equação que rege a propagação de impulsos em regime não linear, acham-se as suas soluções analíticas, que para ondas não periódicas trata-se de uma onda que se propaga sem deformação, que como já se havia referido, é o solitão. Por isto, mostra-se a evolução do solitão de primeira ordem e as suas características principais. Para o caso de ondas periódicas, que ao contrário do solitão fundamental não matêm a sua forma ao longo da propagação, ilustra-se a evolução de um solitão de terceira ordem. Por fim fala-se da simulação numérica da equação não-linear de Schrondinger, que baseia-se na aplicação, em termos computacionais do algoritmo RIMF iterativamente para o caso da resolução das equações não-lineares, onde quanto maior o número de iterações mais eficiente se mostra o método.
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É de realçar que consideraram-se as perdas de potência (atenuações) nulas, pois estas são insignificantes comparadas ao fluxo de informação transmitida pela fibra. O que não quer dizer que não foram referidas.
O quinto capítulo é reservado as conclusões do trabalho e as perspectivas de trabalhos futuros.
1.5. - Contribuições
A principal contribuição desta dissertação é uma visão integrada da propagação de impulsos em sistemas de fibras ópticas. Em particular, a caracterização da propagação de impulsos em fibras ópticas em regime linear, analizando o fenómeno de dispersão temporal, e em regime não-linear, analizando o efeito conjunto da auto-modulação de fase e da dispersão temporal. A simulação numérica da propagação de vários tipos de impulsos numa óptica, quer em regime linear e quer em regime não-linear, bem como a análise de técnicas de compensação da dispersão para regime linear (fibras compensadoras de dispersão) e em regime não-linear (propagação de solitões), são também aspectos importantes deste trabalho.