Tecnologias de Suporte de Redes Ópticas

Nas secções 2.2 a 2.4 foram estudadas e caracterizadas redes WR, OBS e OPS, bem

como descritas algumas das tecnologias de suporte. Há, no entanto, outras funcionalidades e tecnologias (mais específicas) que não foram mencionadas e que são fundamentais para a implementação de redes ópticas, e que serão abordadas nesta secção.

2.5.1 Tecnologias e Funcionalidades de Routers Ópticos

Neste ponto, descrevem-se outras tecnologias e funcionalidades necessárias em redes totalmente ópticas e, mais concretamente, em nós ópticos, tais como dispositivos de desmultiplexagem/multiplexagem (Demux/Mux) óptica, OADMs (Optical Add-Drop Multiplexers) e dispositivos de comutação óptica de pacotes e regeneração 3R óptica

(O3R). A O3R consiste em regenerar os sinais ópticos degradados e é uma funcionalidade

não essencial dos nós ópticos, podendo ser utilizada ao longo de uma ligação óptica constituída por vários troços de fibra.

2.5.1.1 Demux/Mux Ópticos e OADMs

A desmultiplexagem e a multiplexagem óptica são tecnologias fundamentais no WDM.

Apesar de o WDM ser uma tecnologia bastante madura e robusta, Demux/Mux,

especialmente no domínio do tempo, a taxas de transferência elevadas ainda está em fase de melhoramento. Actualmente, há diversas tecnologias disponíveis e exemplos destas são: (i) elementos não-lineares TOAD (elemento não-linear colocado assimetricamente num loop de uma fibra) ou SESHG (Surface-Emitted Second-Harmonic Generation) [82]; [83]; (ii) portas ópticas, UNI [84], (iii) MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) [85].

Por outro lado, os OADMs têm como funções inserir ou extrair canais ópticos

(comprimentos de onda) em ou de uma sequência de transmissão óptica, respectivamente. Desta forma, usando OADMs, os canais de um sinal multi-comprimento de onda podem ser

adicionados ou descartados sem o recurso a processamento electrónico [86]. As tecnologias mais utilizadas para implementar OADMs são as redes de difracção de Bragg (FGB – Fiber Gratings Bragg) e matrizes de difracção de guias de onda (AWGMs - Arrayed Wave- Guide Gratings Matrix) [87],[88], por serem as tecnologias mais divulgadas e maduras. Existem, naturalmente, outras opções, nomeadamente, redes de difracção ajustáveis, matrizes de micro-espelhos, filtros ajustáveis acústico-óptico e anéis ressonantes [87].

2.5.1.2 Encaminhamento/ Comutação

As tecnologias de comutação são muito importantes na implementação de redes ópticas. Neste grupo de tecnologias podemos incluir os conversores de comprimento de onda, abordados no ponto 2.3.3. O aspecto mais atractivo dos comutadores ópticos é o facto de permitirem efectuar encaminhamento de sinais ópticos, sem ser necessário a conversão dos sinais para o domínio da electrónica. A maior parte das soluções de comutadores totalmente ópticos ainda são objecto de estudo. O parâmetro mais importante de um comutador é o tempo de comutação, mas há outros parâmetros também relevantes, nomeadamente, perdas de inserção, não-linearidades de Kerr, razão de potência na saída na

comutação ON-OFF (extinction ratio) e perdas dependentes da polarização (PDL – Polarization-Dependent Loss) [86]. Actualmente, as principais tecnologias de comutadores ópticos existentes são as seguintes [86]:

1. Comutadores opto-mecânicos: esta foi a primeira tecnologia de comutadores ópticos a ser comercializada. A comutação é efectuada por meios mecânicos, prismas, espelhos ou acopladores direccionais. Este tipo de comutadores apresenta baixas perdas de inserção, baixa PDL e os efeitos das não-linearidades

de Kerr são reduzidos, e sendo relativamente baratos, no entanto, o número de

portas é limitado e, consequentemente, pouco adaptáveis ao aumento das exigências de capacidade e de complexidade do sistema integrante. O tempo de comutação é da ordem de alguns milisegundos, ou seja, são lentos, pelo que a sua utilização vocaciona-se para a protecção de fibras e sistemas de adição/remoção de comprimentos de onda com poucas portas.

2. MEMS, podem ser considerados uma subcategoria dos comutadores anteriores,

mas são classificados noutra categoria devido à diferença de desempenho, para melhor. Têm todas as suas vantagens, juntamente com um aumento da sua capacidade e melhoria dos tempos de comutação. Por outro lado, são comutadores muito compactos e podem ser montados em PLCs (Plannar Lighwave Circuits), permitindo efectuar a combinação de vários MEMSs. Há

digitais, MEMS 2-D [90] - [92], e MEMS de três dimensões ou analógicos, MEMS 3-D [93].

Nos MEMS 2-D o posicionamento dos espelhos é biestável (ON/OFF). O

limite actual do número de portas neste tipo de comutador são 32×32 [86].

Nos MEMS 3-D existe um espelho ajustável por entrada e por saída. Os

espelhos têm um funcionamento analógico, com inclinação variável segundo dois eixos. Esta é considerada uma tecnologia promissora para a implementação de comutadores OXC (Optical Cross-connect) com um número elevado de portas

(>1000), no entanto, têm como reverso da medalha o seu elevado custo.

Os MEMSs podem ser utilizados em multiplexers de adição/remoção de

comprimentos de onda e em serviços de monitorização óptica e de protecção óptica.

3. Comutadores eléctrico-ópticos: estes comutadores utilizam um acoplador direccional e a relação de acoplamento é alterada, sendo variado o índice de refracção do material do acoplador. Apesar de fiáveis, as perdas de inserção e

PDL são elevadas e são mais caros do que os MEMSs [86]_.

4. Comutadores termo-ópticos: estes comutadores utilizam a variação do índice de refracção do material dieléctrico por variação da sua temperatura. Há dois tipos de comutadores nesta categoria: interferómetros (baseados, normalmente em

MZIs) e comutadores ópticos digitais (baseados em sílica ou silício). Estes

comutadores são em geral pequenos, mas têm problemas de elevada dissipação de potência, limitações na densidade de integração, modulação cruzada e perdas de inserção inaceitáveis para determinadas aplicações. A maior parte dos comutadores termo-ópticos existentes no mercado necessitam de refrigeração. Uma vantagem destes comutadores é o facto de poderem ser integrados com atenuadores e AWGMs [86].

5. Comutadores Bubble: podem ser considerados uma subcategoria dos comutadores

termo-ópticos, têm o mesmo princípio de funcionamento das impressoras de jactos de tinta e têm alguma escalabilidade. No entanto, em sistemas de telecomunicações não há garantias quanto à sua fiabilidade [86].

6. Comutadores de cristal líquido: utilizam a variação da polarização de luz incidente por variação de um campo eléctrico aplicado ao cristal líquido. Estes comutadores não têm partes móveis, são muito fiáveis e têm um desempenho satisfatório, mas, se não forem bem projectados, podem ser afectados por temperaturas extremas [86].

7. Comutadores acústico-ópticos: baseiam-se na interacção entre som e a luz. Neste caso são viáveis comutações multi-comprimento de onda, dado que é possível ter várias ondas acústicas no material (várias frequências ao mesmo tempo), no entanto, o tempo de comutação é limitado pela velocidade do som, encontrando-se na ordem dos microsegundos.

8. Comutadores SOA: são dispositivos muito versáteis, podendo ser usados em

vários módulos de redes ópticas, por exemplo, como simples comutadores

ON-OFF, através de variação da tensão de polarização. São dispositivos caros,

mas que permitem a implementação de comutadores de grande capacidade (integrando SOAs e acopladores passivos) e a comutação de sinais ópticos pode

ser controlada por impulsos de luz. Podem ainda ser montados em estruturas MZI. 2.5.1.3 Regeneração 3R Óptica

A Regeneração 3R óptica (O3R) consiste num processamento altamente não-linear do

sinal óptico, de modo a conseguir-se reamplificação, retemporização (retiming) e

reformatação (reshaping) do sinal degradado. É imperativo que essa funcionalidade seja

realizada totalmente no domínio óptico, pois a utilização de soluções com processamento electrónico são mais problemáticas e mais caras. A O3R é uma funcionalidade essencial

em redes totalmente ópticas, principalmente em redes de longa distância, com elevadas taxas de transferência (> 40Gb/s) e/ou em redes com um número elevado de nós, de modo a evitar efeitos acumulados resultantes da distorção do sinal e do processamento do sinal realizado nos nós da rede.

Para implementar O3R, têm sido utilizadas várias opções tecnológicas,

nomeadamente: (i) com uma estrutura PD-SMZ (Polarization-Discrimination-SMZ) [94]; (ii) com um UNI [94]; (iii) as baseadas no comutador interferómetro semicondutor

Simétrico-Mach-Zehnder (SMZ) [95]; (iv) baseadas no conversor de comprimento de onda

SOA-DI (Delayed-Interference) [96]; (v) com moduladores de electro-absorção [97]; (vi) com uma configuração de Interferómetro de Sagnac com SOA (SOA-Assisted Fiber Sagnac Interferometer) [98]. De destacar que C. Schubert et. al. [99] conseguiram implementar o

O3R mais rápido até esta data, a uma taxa de 160 Gb/s, utilizando uma HNL-DSF (Highly NonLinear Dispersion-Shifted Fiber).