1.1
Histórico das Comunicações Ópticas
A luz é utilizada como meio de comunicação desde os tempos antigos, quando o fogo era utilizado para enviar mensagens. O dramaturgo grego Ésquilo retrata na trilogia
Oresteia (458 aC) como a notícia sobre a queda de Tróia era enviada através de sinais de
fogo [1]. Alguns séculos mais tarde, o historiador grego Políbio escreve The Histories ou "A Ascensão do Império Romano", que abrange o período de 220 aC a 146 aC. Nesse trabalho, ele descreve um arranjo pelo qual o alfabeto grego inteiro poderia ser transmitido por sinais de fogo usando um código de cinco níveis e um alfabeto composto por dois dígitos.
O primeiro desenvolvimento de um telégrafo óptico útil data da época da Revo- lução Francesa. Claude Chappe, um ex-padre, inventou um telégrafo óptico-mecânico que consistia em dois braços conectados por uma barra transversal [2, 3, 4]. Cada braço tinha sete posições e a barra transversal mais quatro, permitindo gerar um código de 196 combi- nações. Os braços tinham de 1 m a 10 m de comprimento, eram contra-balanceados e eram movidos por duas manivelas.O telégrafo era montado em telhados ou torres, posicionados de 12 km a 25 km de distância.
A primeira linha telegráfica deste tipo foi colocada em operação em 1794. A linha telegráfica era formada por 22 estações ligando a cidade de Lille à capital Paris, uma distância de mais de 240 Km. Uma mensagem levava de 2 a 6 minutos para ser transmitida, enquanto um mensageiro a cavalo necessitava de aproximadamente 30 horas. Outras linhas foram construídas, incluindo uma linha de Paris para Toulon. O sistema foi amplamente copiado por outros países europeus, e foi usado por Napoleão para coordenar o seu império e seu exército. Em meados do século 19, o telégrafo óptico foi substituído pelo telégrafo elétrico, patenteado por Samuel Morse em 1837. A principal vantagem deste telégrafo era
Capítulo 1. Introdução Geral 32
(a) Diagrama. (b) Telégrafo montado em uma torre.
Figura 1.1 – Telégrafo de Claude Chappe.
a maior velocidade de transmissão do sinal.
Em 1880, Alexander Graham Bell inventou o fotofone [5]. Bell considerou esta descoberta a maior de todas, incluindo a sua invenção anterior, o telefone. A diferença entre os dois aparelhos era que enquanto o telefone transmitia sinais elétricos modulados através de cabos, o fotofone utilizava a luz modulada para transmitir informação sem uso de fios. O transmissor do fotofone de Bell utilizava a luz do sol para modular um sinal de voz e projetava este sinal luminoso em um espelho posicionado junto ao receptor. O espelho do receptor recebia a luz e gerava uma vibração em um cristal de selênio que alterava a resistência elétrica do cristal de acordo com a variação da intensidade da luz que atingia o espelho. Desta forma, a corrente elétrica era modulada e convertida novamente em uma onda sonora. O fotofone tinha algumas limitações, apesar de permitir que um sinal de voz fosse transmitido por uma distância de até 200 m. Os principais inconvenientes eram: não funcionava bem à noite, sob chuva ou se não houvesse uma linha de visada direta entre o transmissor e o receptor.
O advento do laser no início da década de 1960 foi uma revolução importante e aumentou o desenvolvimento de sistemas de comunicação óptica. Um dos pioneiros no campo da fibra óptica foi o cientista holandês Abraham Van Heel [6]. No início da década de 1950, ele tentou resolver o problema da perda de luz em fibras utilizando um material de revestimento. Todas as fibras desenvolvidas anteriormente não tinham revestimento e a reflexão total da luz ocorria na interface vidro-ar. O revestimento transparente apresentava um índice de refração menor que o vidro e a fibra, protegendo a superfície de reflexão da luz de contaminação e do efeito crosstalk entre fibras. Em 1960, as fibras óticas tinham atenuação típica de 1000 dB/km, um valor muito elevado para redes de comunicação.
Capítulo 1. Introdução Geral 33
(a) Transmissor (b) Receptor
Figura 1.2 – Fotofone de Alexander Graham Bell.
lho de Charles Kao e George Hockam, publicado em 1966 [7]. Eles demonstraram que a atenuação na fibra poderia ser reduzida para menos de 20 dB/km, tornando um sistema de comunicação viável. Além disso, foi provado que não havia nenhum mecanismo fun- damental que impediria essa perda de ser conseguida. Apenas 4 anos depois, em 1970,
Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz, da Corning Glass Corporation, alcançaram
esse objetivo e fabricaram a primeira fibra óptica com atenuação inferior a 20 dB/km. A partir de 1980 a atenuação foi reduzida ainda mais e as empresas especializadas estavam testando os primeiros cabos submarinos. O primeiro link submarino internacional por fi- bra óptica, que ligava a Inglaterra com a Bélgica, foi instalado em 1986. Até o final de 1988, o primeiro cabo transatlântico de fibra óptica, que ligava os Estados Unidos com a Europa, era uma realidade. A evolução dos sistemas de fibra óptica para comunicação de longa distância está resumida na figura 1.3:
Figura 1.3 – Evolução dos sistemas de comunicação óptica [8, 9].
Capítulo 1. Introdução Geral 34
rável do produto taxa de bits-distância, a figura de mérito comummente utilizada para os sistemas de comunicação óptica. Nas primeiras gerações, este aumento da capacidade deveu-se principalmente a uma melhoria das propriedades da fibra (dispersão, atenua- ção), combinada com o desenvolvimento de lasers e detectores operando a comprimentos de onda mais longos. Com a implantação da quarta geração, a distância entre os repe- tidores foi ampliada com o uso de amplificadores de érbio dopado, espaçados de 60 km a 100 km de distância. Por outro lado, a taxa de bits foi ampliada usando a técnica de multiplexagem por divisão de comprimento de onda (em inglês, Wavelength-Division Mul-
tiplexing, WDM). A era da comunicação por taxas na casa dos Tbps tornou-se realidade
a partir da quinta geração.
1.2
Aplicações Emergentes
Conforme apresentado na seção anterior, o avanço dos sistemas de comunicação por fibra óptica deu origem a um amplo leque de aplicações. Esta seção discute brevemente algumas destas aplicações.
∙ Redes Ópticas de Curta Distância Redes de fibras ópticas têm muitas vantagens sobre redes que utilizam cabos metálicos: elevado produto taxa de bits-distância, baixíssima atenuação (típica na ordem de 2 dB/km), alta imunidade a ruído, etc. As redes de cabos metálicos ainda sobrevivem em aplicações que não exigem altas taxas de transmissão e onde o custo é fator decisivo. A demanda por largura de banda não pára de crescer e as redes de comunicação de curta distância estão a aumentar exponencialmente. Para reduzir os custos das redes de comunicação, a indústria tem desenvolvido soluções de baixo custo, como fibras multimodo com alta largura de banda e transceptores em 850 nm. Há, porém, uma grande discrepância entre os investimentos praticados pelos EUA e países da Ásia com relação à Europa. Enquanto os EUA e a Ásia investem pesadamente em redes de fibra óptica, onde sistemas Fiber-To-The-Home, FTTH são uma realidade, os países europeus ainda investem em redes de cabos metálicos, apoiando padrões como o DSL, (em inglês,
Digital Subscriber Line).
∙ Sistemas Ópticos Embarcados Sistemas opto-eletrônicos embarcados tornaram- se uma opção atraente para substituir fios de cobre em automóveis e aviões [10]. As fibras ópticas de plástico (Plastic Optical Fiber, POF) ganharam espaço nesta aplicação, permitindo a ligação cada vez maior de dispositivos eletrônicos em um automóvel. Os benefícios das redes baseadas em POFs são: largura de banda, maior segurança na transmissão de sinais, menor peso, imunidade a interferências ele- tromagnéticas e facilidade de manuseio e instalação. Diferentes protocolos foram
Capítulo 1. Introdução Geral 35
desenvolvidos e outros estão em fase de desenvolvimento. Em 1998, um consórcio internacional de fabricantes de automóveis e fornecedores definiu um padrão aberto para redes de ópticas embarcadas, o Media Oriented System Transport (MOST). Este protocolo permite a comunicação entre os dispositivos eletrônicos de um au- tomóvel a taxas de 25 Mbps. As fibras POF não exploram apenas as funções de navegação e entretenimento em um automóvel. Em 1996, a fabricante alemã BMW se reuniu com alguns parceiros e iniciou o desenvolvimento do protocolo Byteflight que integra a comunicação entre o crescente número de sensores, atuadores e uni- dades de controle eletrônico em um automóvel a uma taxa de até 10 Mbps. Veí- culos BMW da série 7 utilizam o protocolo ByteFlight para controle do sistema de abertura de air bags e, o sistema MOST, para controle do sistema de navegação e entretenimento do veículo. Outro protocolo o FlexRay é um padrão utilizado em sis- temas drive-by-wire, onde controladores mecânicos e hidráulicos serão substituídos por controladores eletro-ópticos.
∙ Interconexões Ópticas de Alta Velocidade A Lei de Moore foi considerada válida desde que Gordon Moore, em 1965, afirmou que o número de transistores de um chip duplica a cada 18 meses [11]. Há opiniões divergentes se a lei de Moore continua válida, mas é certo que nas próximas décadas um computador necessitará de um barramento óptico para interconexão dos chip-sets, em virtude do aumento da largura de banda das interconexões, algo como um aumento de uma ordem de grandeza. Com isso, o chip vai ser capaz de trabalhar a velocidades de dados muito mais elevadas, sendo a solução óbvia, a utilização de interconexões ópticas para aliviar os limites elétricos. A principal vantagem desta abordagem é que uma ligação óptica suporta taxas de dados muito mais elevadas, reduz drasticamente a dissipação térmica e o atraso de propagação dos sinais transmitidos. Especialistas acreditam que as interconexões ópticas serão realidade em dois anos em comunicação board-
to-board e em sete anos para aplicações chip-to-chip.
1.3
Óptica Baseada em Silício
A fotônica integrada em silício tem como desafio integrar componentes ópticos e eletrônicos em um mesmo substrato, preferencialmente o silício. A fotônica em silício ofe- rece elevado grau de integração monolítica e um pequeno grau de integração híbrida (como fontes de laser), a fim de oferecer baixo custo e aumento considerável de funcionalidade [12-16]. Quais as principais razões na adoção do silício com o plataforma de integração da óptica com a eletrônica? Em primeiro lugar, pode-se citar a demanda por sistemas com largura de banda cada vez mais elevadas e a fronteira com o limite físico, imposto pela Lei
Capítulo 1. Introdução Geral 36
de Shannon1[17-18]. Quando o limite de Shannon for atingido, há duas opções a serem
consideradas: a manutenção de interconexões elétricas com o uso de canais paralelos ou a mudança completa para uma plataforma com canais de comunicação ópticos. Outra razão seria a adaptação da infraestrutura de microfabricação existente, minimizando, em parte, os custos envolvidos no desenvolvimento da tecnologia para a integração optoeletrônica. Esta adaptação e o volume elevado de fabricação permitiriam recuperar o investimento em um intervalo de tempo razoável.
Entretanto, ainda há algumas barreiras a serem superadas, além do custo relati- vamente elevado:
∙ Falta de uma infraestrutura universal de microfabricação;
∙ Investimento adicional para desenvolvimento e maturação da tecnologia; ∙ Risco relacionado ao desenvolvimento de uma nova tecnologia;
∙ Utilização de interconexões eletrônicas mesmo ainda com a perspectiva de saturação da taxa de bits em um intervalo de tempo relativamente curto.
1.4
Sistemas de Comunicação Óptica
Os componentes básicos de um sistema de comunicação óptica são apresentados na figura 1.4 [19]:
Modulador
Transmissor Fibra Óptica
Luz Eletricidade Receptor Amplificador Detector Eletricidade Laser PD
Figura 1.4 – Diagrama de um sistema de comunicação óptica.
No sistema apresentado na figura 1.4, um fluxo de bits no domínio elétrico modula o sinal óptico que será transmitido pela fibra. Há, basicamente, dois métodos de modulação óptica:
1 Também conhecido como lei da capacidade de canal, estabelece a máxima taxa de transferência de informação em um canal com ruído AWGN (ruído aditivo, gaussiano, branco).
Capítulo 1. Introdução Geral 37
∙ O método direto, onde um sinal elétrico é aplicado a um amplificador cujo sinal de saída atua diretamente no diodo laser2. Esta técnica é conhecida como modulação
ASK (em inglês, Amplitude Shift Keying).
∙ O método indireto, onde um modulador externo é empregado para modular o sinal óptico 3.
No lado do receptor, o fotodiodo converte o sinal óptico em uma corrente elétrica. O estágio subsequente é composto pelo amplificador de transimpedância, amplificador limitador e um circuito de detecção e conversão A/D. Os sistemas de comunicação óptica apresentam diversas vantagens quando comparados a sistemas que utilizam cabos metálicos como meio de transmissão. Dentre estas vantagens, pode-se destacar:
∙ Altas Taxas de transmissão4
∙ Atenuação baixa (na ordem de 0.2 dB/km) reduz drasticamente o custo do sistema, devido ao número reduzido de repetidores;
∙ Imunidade a interferências eletromagnéticas; ∙ Maior robustez à transmissão da informação;
∙ Considerando a capacidade de transmissão, o custo da matéria prima para fabricação de fibras é menor em comparação com cabos metálicos com mesma capacidade; ∙ Menor peso e volume.