GOVIND P. AGRAWAL-Sistemas de Comunicação Por Fibra Óptica(2014)

COMUNICAÇÃO

POR FIBRA ÓPTICA

COMUNICAÇÃO

POR FIBRA ÓPTICA

SISTEMAS DE

GOVIND P. AGRAWAL

Tradução da 4ª edição

T

Tradução autorizada do idioma inglês da edição publicada por John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey

Copyright © 2010, by John Wiley & Sons, Inc. © 2014, Elsevier Editora Ltda.

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ISBN 978-85-352-6425-8

ISBN (versão digital): 978-85-352-6466-1 Edição original: ISBN: 978-0-470-50511-3

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ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Serviço de Atendimento ao Cliente, para que pos-samos esclarecer ou encaminhar a questão.

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CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO NA PUBLICAÇÃO SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ

A222s 4. ed.

Agrawal, G. P. (Govind P.),

1951-Sistemas de comunicação por fibra óptica / Govind P. Agrawal ; tradução José Rodolfo Souza. - 4. ed. - Rio de Janeiro : Elsevier, 2014.

24 cm.

Tradução de: Fiber-optic communication systems, 4th Ed Inclui índice

ISBN 978-85-352-6425-8

1. Comunicações ópticas. 2. Fibras ópticas. 3. Telecomunicações. I. Título.

14-10542 CDD: 621.3692

À memória dos meus pais A Anne, Sipra, Caroline e Claire

vii

Desde a publicação da primeira edição deste livro em 1992, o estado da arte de sistemas de comunicação por fibra óptica avançou de modo dramático, apesar do relativamente curto intervalo de apenas 18 anos entre a primeira e a quarta edições. Em 1992, a maior capacidade de enlaces comerciais de fibra óptica era de apenas 2,5 Gb/s. Meros quatro anos depois, com o advento da multiplexação por divisão em comprimento de onda (WDM –

Wavelength-Division-Multi-plexing), sistemas com capacidade total de 40 Gb/s tornaram-se disponíveis

comercialmente. Em 2001, a capacidade de sistemas WDM comerciais excedia 1,6 Tb/s. Ao mesmo tempo, a capacidade de sistemas ópticos transoceânicos ins-talados ao redor do mundo explodiu. Uma rede global cobrindo 250.000 km, com capacidade de 2,56 Tb/s (64 canais WDM de 10 Gb/s em 4 pares de fibra) foi planejada em 2001 e entrou em operação em 2004 (atualmente, operada por VSNL, uma companhia de telecomunicações da Índia). Embora, após 2001, o passo tenha diminuído por alguns anos devido ao estouro da chamada “bolha das telecomunicações”, o progresso no projeto de sistemas de comunicações ópticas continuou e voltou a acelerar depois de 2006, com o advento de formatos de modulação baseados em fase, de Ethernet 100 Gb e de multiplexação por divisão em frequências ortogonais.

A terceira edição deste livro foi lançada em 2002. Foi bem recebida pela comunidade científica envolvida com a tecnologia de ondas luminosas, assim como pela comunidade educacional, tendo em vista sua adoção como livro de texto em cursos oferecidos em numerosas universidades em todo o mun-do. Devido aos rápidos avanços ocorridos ao longo dos últimos oito anos, o editor e eu julgamos necessário o lançamento da quarta edição com o intuito de que o livro continuasse a fornecer um balanço abrangente e atua-lizado de sistemas de comunicação por fibra óptica. O resultado está em suas mãos. O principal objetivo da obra permanece inalterado. Especificamente, esta edição deve ser como livro de texto e como de referência. Por isso, é dada ênfase ao entendimento físico, embora aspectos de engenharia sejam discutidos ao longo de todo o texto.

Em função da grande quantidade de material que devia ser adicionado, para proporcionar uma cobertura abrangente, o tamanho do livro cresceu consideravelmente, em comparação com a primeira edição. Embora todos os capítulos tenham sido atualizados, as principais modificações ocorreram nos Capítulos 7 a 11. Aproveitei a oportunidade para rearranjar o material de modo que se adequasse melhor a um curso de dois semestres sobre comuni-cações ópticas. Em particular, o capítulo sobre sistemas WDM foi antecipado e agora aparece como Capítulo 6. Com esse rearranjo, os Capítulos de 1 a 6

apresentam os fundamentos básicos, enquanto os Capítulos de 7 a 11 cobrem temas relacionados ao projeto de avançados sistemas de comunicações ópticas. Mais especificamente, após a introdução de conceitos elementares no Capítu-lo 1, os CapítuCapítu-los 2–4 são dedicados aos três principais componentes de um sistema de comunicação por fibra óptica: fibras ópticas, transmissores ópticos e receptores ópticos. Os Capítulos 5 e 6 focam aspectos de projeto relevantes a sistemas de um e de múltiplos canais, respectivamente. Os Capítulos 7 e 8 são voltados a técnicas avançadas utilizadas para o gerenciamento de perdas e dispersão cromática em fibras ópticas, respectivamente. O Capítulo 9 foca o impacto de efeitos não lineares e técnicas usadas para gerenciá-los, como o uso de sólitons ópticos e propagação pseudolinear através de dispersão realçada. Os Capítulos 10 e 11 são a novidade da quarta edição. O Capítu-lo 10 foca, principalmente, sistemas ópticos coerentes e autocoerentes que utilizam inovadores formatos de modulação baseados em fase. O Capítulo 11 é dedicado ao processamento de sinais totalmente ópticos, com ênfase em conversão de comprimento de onda e regeneração óptica. O conteúdo do livro reflete o estado da arte de sistemas ópticos em 2010.

O principal papel desta obra é como material de texto na área de

comu-nicações ópticas. Foi feita uma tentativa de incluir a maior quantidade

pos-sível de informação, de modo que estudantes fossem expostos aos recentes avanços nesse excitante campo. O livro também pode servir como texto de referência para pesquisadores já engajados no campo de comunicações por fibra óptica ou que a ele desejam se dedicar. A lista de referências no fim de cada capítulo é mais elaborada do que o comum em um típico livro de texto. A listagem de recentes artigos de pesquisa deve ser útil para pesquisadores que usem este livro como referência. Ao mesmo tempo, es-tudantes podem dela se beneficiar, caso recebam tarefas que exijam a leitura de artigos de pesquisa original. Um conjunto de problemas é incluído no fim de cada capítulo para ajudar tanto o professor como o aluno. Embora escrito principalmente para estudantes de pós-graduação, é possível utilizar o livro também em um curso de graduação de nível avançado, com uma apropriada seleção de tópicos. Partes da obra podem ser usadas para vários outros cursos associados. Por exemplo, pode-se utilizar o Capítulo 2 em um curso sobre guias de onda ópticos, e os Capítulos 3 e 4 podem ser úteis em um curso sobre optoeletrônica.

Muitas universidades nos Estados Unidos e em outros países oferecem um curso sobre comunicações ópticas como parte dos currículos de enge-nharia elétrica, física ou óptica. Desde 1989, leciono um curso desse para alunos de pós-graduação no Institute of Optics, e este livro nasceu, de fato, de minhas notas de aula. Sei que é usado como livro de texto por muitos professores em todo o mundo, fato que me proporciona imensa satisfação. Tenho consciência de um problema que é um efeito colateral de uma edição

revista e ampliada: como um professor pode encaixar todo esse material em um curso de um semestre sobre comunicações ópticas? Eu tive de enfrentar o mesmo problema. Na verdade, é impossível cobrir todo o livro em um semestre. A melhor solução é oferecer um curso de dois semestres, cobrindo os Capítulos 1 a 6 no primeiro semestre, deixando os capítulos restantes para o segundo semestre. Contudo, não são muitas as universidade que podem se dar ao luxo de oferecer um curso de dois semestres sobre comunicações ópticas. O livro pode ser usado para um curso de um semestre, desde que o professor faça uma seleção de tópicos. Por exemplo, o Capítulo 3 pode ser pulado, caso os alunos já tenham feito um curso separado sobre laser. Caso somente partes dos Capítulos 7 a 11 sejam cobertas para proporcionar aos estudantes uma visão de recentes avanços, é possível encaixar o material em um curso de um semestre oferecido a alunos dos últimos períodos de cursos de graduação ou a alunos de pós-graduação.

O livro possui material complementar online disponível no site www. elsevier.com.br/siscomfibra. Compõem esse material um pacote de software do estado da arte para o projeto de modernos sistemas ópticos e problemas adicionais para cada capítulo, os quais podem ser resolvidos por meio do uso do pacote de software. O Apêndice D apresenta mais detalhes sobre o pacote de software e sobre os problemas. Espero que o material complementar online seja útil no treinamento de estudantes e os prepare melhor para um emprego na indústria.

Um grande número de pessoas contribuiu para este livro, direta ou indiretamente. É impossível mencionar todas pelo nome.

Agradeço a meus alunos de pós-graduação e aos alunos que fizeram meu curso sobre sistemas de comunicação óptica e, por meio de suas per-guntas e de seus comentários, ajudaram a melhorar minhas notas de aula. Agradeço também aos muitos professores que não apenas adotaram este livro como livro-texto, mas também identificaram erros de datilografia nas edições anteriores e, dessa forma, ajudaram-me a aprimorar a obra. Sou grato a meus colegas no Institute of Optics pelas numerosas discussões e por proporcionarem uma atmosfera cordial e produtiva. Agradeço a ajuda de Karen Rolfe, que datilografou a primeira edição deste livro e fez numerosas revisões com um sorriso no rosto. Por fim, mas não com menor importância, agradeço a minha esposa Anne e a minhas filhas Sipra, Caroline e Claire por compreenderem que eu precisava passar meus fins de semana com o livro, em vez de estar com elas.

Govind P. Agrawal Rochester, NY Abril de 2010.

1

Introdução

Um sistema de comunicação transmite informação de um lugar a outro, estejam eles separados por alguns poucos kilometros* ou por distâncias transoceânicas. Informação é, muitas vezes, transportada por uma onda portadora eletromagnética, cuja frequência pode variar de poucos megahertz a várias centenas de terahertz. Sistemas de comunicação óptica usam portadoras de alta frequência (∼100 THz) na região visível ou próxima do infravermelho do espectro eletromagnético. Tais sistemas são, às vezes, denominados sistemas de ondas luminosas, a fim de dis-tingui-los de sistemas de micro-ondas, cuja frequência portadora é tipicamente cinco ordens de magnitude menor (∼1 GHz). Sistemas de comunicação por fibra óptica são sistemas de ondas luminosas que empregam fibras ópticas para a trans-missão de informação. Eles são desenvolvidos ao redor do mundo desde 1980, e revolucionaram o campo das telecomunicações. De fato, a tecnologia de ondas luminosas, aliada à microeletrônica, levou ao advento da “era da informação” na década de 1990. Este livro descreve sistemas de comunicação por fibra óptica de modo abrangente, enfatizando aspectos fundamentais, mas questões relevantes de engenharia também são discutidas. Neste capítulo introdutório, não apenas apre-sentamos conceitos básicos, como também fornecemos material suplementar. A Seção 1.1 apresenta uma perspectiva histórica do desenvolvimento de sistemas de comunicações ópticas. A Seção 1.2 cobre conceitos básicos, como sinais analógicos e digitais, multiplexação de canais e formatos de modulação. Fatores relativos de qualidade de vários sistemas de ondas luminosas são discutidos na Seção 1.3. A última seção foca os blocos básicos de um sistema de comunicação por fibra óptica.

1.1 PERSPECTIVA HISTÓRICA

Se interpretarmos comunicação óptica em um sentido amplo [1], ve-remos que o uso da luz para propósitos de comunicação data da antiguidade. A maioria das civilizações usou espelhos, fachos de fogo ou sinais de fumaça para transmitir uma única peça de informação (como vitória em uma guerra). Essencialmente, a mesma ideia foi usada até o fim do século XVIII por meio de lâmpadas, bandeiras e outros dispositivos semafóricos de sinalização. A ideia foi estendida ainda mais, seguindo uma sugestão de Claude Chappe, * _{NOTA DO TRADUTOR: Em 2012, o Inmetro alterou a grafia de prefixos e de múltiplos}

de unidades do Sistema Internacional. O prefixo “quilo” passa a ser escrito como “kilo” e “quilômetro”, como “kilometro”. Veja http://www.inmetro.gov.br/noticias/conteudo/ sistema-internacional-unidades.pdf.

em 1792, para a transmissão mecânica por longas distâncias (∼100 km) de mensagens codificadas, utilizando estações retransmissoras intermediárias [2], que atuavam como regeneradores ou repetidores, na linguagem da atualidade. A Figura 1.1 mostra esquematicamente a ideia básica. O primeiro deste “telé-grafo óptico” foi posto em serviço entre Paris e Lille (duas cidades francesas distantes 200 km uma da outra) em julho de 1794. Em 1830, a rede se ex-pandira por toda a Europa [1]. O papel da luz em tais sistemas era simples-mente o de tornar visíveis os sinais codificados, de modo que pudessem ser interceptados pelas estações retransmissoras. Os sistemas optomecânicos de comunicação do século XIX eram lentos. Na terminologia atual, a efetiva taxa de bits desses sistemas era de menos de 1 bit por segundo (B < 1 b/s).

1.1.1 Necessidade de Comunicações por Fibra Óptica

O advento da telegrafia na década de 1830 substituiu a luz pela eletricidade e iniciou a era das comunicações elétricas [3]. A taxa de bits B pôde ser aumentada para ∼ 10 b/s com o emprego de novas técnicas de codificação, como o código

Morse. O uso de estações retransmissoras intermediárias permitiu comunicação por

longas distâncias (∼1.000 km). De fato, o primeiro cabo telegráfico transatlântico bem-sucedido entrou em operação em 1866. A telegrafia usava um esquema es-sencialmente digital, representado por dois pulsos elétricos de durações diferentes (os pontos e traços do código Morse). A invenção do telefone em 1876 significou uma grande mudança, pois sinais elétricos eram transmitidos na forma analógica por meio de uma corrente elétrica de variação contínua [4]. Técnicas elétricas analógicas dominaram sistemas de comunicação por aproximadamente um século. O desenvolvimento de redes mundiais de telefonia durante o século XX levou a muitos avanços no projeto de sistemas de comunicação elétricos. O uso de cabos coaxiais no lugar de pares de fios aumentou consideravelmente a capacidade de sistemas. O primeiro sistema a cabo coaxial, posto em serviço

Figura 1.1 Ilustração esquemática do telégrafo óptico e seu inventor, Claude Chappe.

(Após a Ref. [2]; ©1944 American Association for the Advancement of Science; reimpresso com permissão.)

em 1940, era um sistema de 3 MHz, capaz de transmitir 300 canais de voz ou um canal de televisão. A largura de banda desses sistemas era limitada pelas perdas dos cabos, que variavam com a frequência, e aumentavam rapidamente para frequências acima de 10 MHz. Tal limitação levou ao desenvolvimento de sistemas de comunicação por micro-ondas, em que uma onda portadora eletromagnética com frequência na faixa de 1−10 GHz é usada para trans-mitir o sinal, empregando técnicas apropriadas de modulação.

O primeiro sistema de micro-ondas, operando com frequência portadora de 4 GHz, entrou em serviço em 1948. Desde então, tanto sistemas a cabo coaxial como sistemas de micro-ondas evoluíram consideravelmente, sendo capazes de operar em taxas de bits de ∼100 Mb/s. O mais avançado sistema a cabo coaxial, com serviço iniciado em 1975, operava a uma taxa de bits de 274 Mb/s. Entretanto, uma grande deficiência desses sistemas a cabos coaxiais de alta velocidade é o pequeno espaçamento entre repetidores (∼ 1 km), o que torna sua operação relativamente cara. Sistemas de comunicação por micro-ondas, em geral, permitem maior espaçamento entre repetidores, possuindo, porém, taxa de bits também limitada pela frequência portadora dessas ondas. Uma figura de mérito comumente utilizada para sistemas de comunicação é o produto

taxa de bits-distância, BL, em que B é a taxa de bits e L, o espaçamento entre

repetidores. A Figura 1.2 mostra como o aumento do produto BL aumentou em

Figura 1.2 Aumento no produto taxa de bits-distância BL durante o período

decorrência de avanços tecnológicos durante o último século e meio. Sistemas de comunicação com BL ∼ 100(Mb/s)-km se tornaram viáveis por volta de 1970, sendo restritos a tais valores por limitações fundamentais.

Durante a segunda metade do século XX, concluiu-se que um aumento de várias ordens de grandeza no produto BL seria possível se fosse utilizadas ondas ópticas como portadoras. No entanto, nem uma fonte óptica coerente nem um meio de transmissão adequado eram disponíveis na década de 1950. A invenção do laser e sua demonstração em 1960 resolveram o primeiro problema [5]. Desse modo, atenção foi focada na determinação de meios para usar a luz do laser para comunicações ópticas. Muitas ideias foram propostas durante a década de 1960 [6], sendo a mais notável a do confinamento de luz utilizando uma sequência de lentes de gás [7].

Em 1966, foi sugerido que fibras ópticas poderiam ser a melhor escolha [8], pois eram capazes de guiar a luz de modo similar ao de guiamento de elétrons em fios de cobre. O principal problema eram as altas perdas de fibras ópticas: as fibras disponíveis na década de 1960 possuíam perdas acima de 1.000 dB/km. Um avanço ocorreu em 1970, quando as perdas de fibras puderam ser reduzidas para abaixo de 20 dB/km na região de com-primentos de onda próximos de 1 mm [9]. Na mesma época, foi demons-trada a operação contínua de lasers de semicondutor de GaAs (arsenieto de gálio) à temperatura ambiente [10]. A disponibilidade de fontes ópticas

compactas e de fibras ópticas de baixas perdas levou a um esforço mundial para

o desenvolvimento de sistemas de comunicações ópticas [11]. A Figura 1.3 mostra o aumento na capacidade de sistemas de ondas luminosas após 1980,

Figura 1.3 Aumento da capacidade de sistemas a ondas luminosas depois de 1980. As

linhas pontilhadas indicam crescimento quase exponencial da taxa de bits, tanto de sis-temas experimentais como comerciais. Uma mudança de inclinação é notável após 2001.

ao longo de várias gerações de desenvolvimento [12]. Fica evidente nessa figura que a exploração comercial de sistemas de ondas luminosas seguia de perto a fase de pesquisa e desenvolvimento. O progresso foi, de fato, rápido, evidenciado pelo aumento na taxa de bits por um fator de 100.000 em um período de menos de 30 anos. As distâncias de transmissão também aumentaram de 10 para 10.000 km, no mesmo período. Em consequência, o produto taxa de bits-distância de modernos sistemas de ondas luminosas excede o dos sistemas de ondas luminosas da primeira geração por um fator de 107_.

1.1.2 Evolução de Sistemas de Ondas Luminosas

A fase de pesquisa de sistemas de comunicação por fibra óptica teve início por volta de 1975. O enorme progresso realizado no período de 25 anos, entre 1975 e 2000, pode ser agrupado em várias gerações. A Figura 1.4 mostra o aumento no produto BL ao longo desse período, em decorrência de diversos experimentos em laboratório [13]. Nessa figura, a linha reta corresponde a dobrar o produto BL anualmente. Em cada geração, há, inicialmente, um aumento de BL, que começa a saturar à medida que a tec-nologia amadurece. Cada nova geração traz uma modificação fundamental que ajuda a melhorar ainda mais o desempenho do sistema.

A primeira geração de sistemas de ondas luminosas operava nas proxi-midades de 0,8 mm e usava lasers de semicondutor de GaAs. Após vários ensaios de campo no período de 1977−1979, tais sistemas se tornaram

Figura 1.4 Aumento no produto BL no período de 1975 a 2000, ao longo de várias

gerações de sistemas de ondas luminosas. Diferentes símbolos são usados para suces-sivas gerações. (Após a Ref. [13], ©2000 IEEE; reimpresso com permissão.)

comercialmente disponíveis em 1980 [14]. Esses sistemas operavam a uma taxa de bits de 45 Mb/s e permitiam espaçamento entre repetidores de até 10 km. O maior espaçamento entre repetidores em comparação com o espaçamento de 1 km dos sistemas a cabos coaxiais foi uma importante motivação para os projetistas de sistemas, pois reduzia os custos de instalação e manutenção associados a cada repetidor.

Durante a década de 1970, ficou claro que o espaçamento entre repetido-res poderia ser aumentado consideravelmente se o sistema de onda luminosa fosse operado na região de comprimentos de onda próximos de 1,3 mm, em que a perda na fibra óptica é menor do que 1 dB/km. Ademais, fibras ópticas exibem mínima dispersão nessa faixa de comprimentos de onda. Tal observação levou a um esforço mundial para o desenvolvimento de lasers de semicondutor de InGaAsP (arsenieto fosfeto de índio e gálio) e de detectores que operassem nas proximidades de 1,3 mm. A segunda geração de sistemas de comunicação por fibra óptica se tornou disponível no início da década de 1980; a taxa de bits dos primeiros sistemas era limitada abaixo de 100 Mb/s, devido à dispersão em fibras multimodo [15]. Tal limitação foi superada com o uso de fibras monomodo. Um experimento em laboratório demons-trou, em 1981, transmissão a 2 Gb/s por 44 km de fibra monomodo [16]. A introdução de sistemas comerciais ocorreu logo depois. Em 1987, passou a ser comercializada a segunda geração de sistemas de ondas luminosas, que operavam em taxas de bits de até 1,7 Gb/s e tinham repetidores espaçados de cerca de 50 km.

O espaçamento entre repetidores da segunda geração de sistemas de ondas luminosas era limitado pelas perdas nas fibras no comprimento de onda de operação, de 1,3 mm (perda típica de 0,5 dB/km). A perda de fibras de sílica é mínima nas proximidades de 1,55 mm. De fato, uma perda de 0,2 dB/km foi percebida em 1979, nessa faixa espectral [17]. Contudo, a introdução da terceira geração de sistemas de ondas luminosas em 1,55 mm foi bastante atrasada pela grande dispersão da fibra nas proximidades de 1,55 mm. Lasers de semicondutor de InGaAsP convencionais não poderiam ser utilizados, devido ao espalhamento temporal de pulsos decorrente de simultâneas oscilações de vários modos longitudinais. O problema da dis-persão poderia ser superado pelo emprego de fibras de disdis-persão deslocada, projetadas para terem mínima dispersão nas proximidades de 1,55 mm, ou pela limitação do espectro do laser a um único modo longitudinal. As duas abordagens foram seguidas durante a década de 1980. Em 1985, experimen-tos em laboratório indicavam a possibilidade da transmissão de informação a taxas de bits de até 4 Gb/s por distâncias maiores do que 100 km [18]. A terceira geração de sistemas de ondas luminosas, que operavam a 2,5 Gb/s, tornou-se comercialmente disponível em 1990. Tais sistemas eram capazes de operar a taxas de até 10 Gb/s [19]. O melhor desempenho era alcançado

pelo emprego de fibras de dispersão deslocadas em combinação com lasers que oscilavam em um único modo longitudinal.

Uma deficiência dos sistemas de terceira geração em 1,55 mm é o sinal ser regenerado periodicamente por meio de repetidores optoeletrônicos es-paçados, tipicamente, por 60−70 km. O espaçamento entre repetidores pode ser aumentando com a utilização de um esquema de detecção homódino ou heteródino, o que aumenta a sensibilidade do receptor. Tais sistemas eram referidos como sistemas coerentes de ondas luminosas. Sistemas coerentes encontravam-se em desenvolvimento em todo o mundo durante a década de 1980, e seus potenciais benefícios foram demonstrados em vários ex-perimentos [20]. Contudo, a introdução comercial desses sistemas foi adiada com o advento de amplificadores a fibra óptica em 1989.

A quarta geração de sistemas de ondas luminosas utiliza amplificação

óptica, para aumentar o espaçamento entre repetidores, e multiplexação por divisão em comprimento de onda (WDM − Wavelength-Division Multiplexing),

para aumentar a taxa de bits. Como mostram as Figuras 1.3 e 1.4, o advento da técnica WDM, por volta de 1992, iniciou uma revolução que resultou na duplicação da capacidade de sistemas a cada 6 meses, aproximadamente, permitindo que, em 2001, sistemas de ondas luminosas operassem a uma taxa de bits de 10 Tb/s. Na maioria dos sistemas WDM, as perdas de fibras são compensadas periodicamente por amplificadores da fibra dopada com érbio espaçados a cada 60−80 km, os quais foram desenvolvidos depois de 1985 e passaram a ser comercializados por volta de 1990. Um experimento de 1991, usando uma configuração de laço recirculante de fibra, mos-trou a possibilidade de transmissão de dados por 21.000 km a 2,5 Gb/s, e por 14.300 km a 5 Gb/s [21]. Tal desempenho indicava que transmissão submarina totalmente óptica e baseada em amplificadores era viável para comunicação intercontinental. Em 1996, não apenas foi demonstrada a transmissão ao longo de 11.300 km, a uma taxa de 5 Gb/s, usando cabos submarinos reais [22], como sistemas de cabos transatlânticos e transpacíficos se tornaram disponíveis comercialmente. Desde então, um grande número de sistemas de ondas luminosas submarinos foi instalado em todo o mundo. A Figura 1.5 mostra a rede internacional de sistemas submarinos por volta de 2005 [23]. Os 27.000 km de enlaces de fibra óptica ao redor do globo (conhecido como FLAG − Fiber Loop Around the Globe) entraram em operação em 1998, conectando vários países asiáticos e europeus [24]. Outro importante sistema de onda luminosa, conhecido como Africa One, passou a operar em 2000; esse sistema circula o continente africano e cobre uma distância de transmissão total de cerca de 35.000 km [25]. Diversos sis-temas WDM foram instalados nos oceanos Atlântico e Pacífico no período 1998−2000, em resposta ao aumento de tráfego induzido pela Internet; esses sistemas aumentaram a capacidade total por ordens de grandeza. Na

verdade, tal rapidez de implantação de novos sistemas levou a um excesso de capacidade no mundo, o que resultou no estouro da chamada “bolha das telecomunicações”, em 2001. A mudança de inclinação das linhas ponti-lhadas na Figura 1.3, a qual ocorre por volta de 2001, reflete tal realidade.

Na maioria dos sistemas WDM de ondas luminosas, é dada ênfase ao aumento da capacidade de transmissão de mais e mais canais por meio da tecnologia WDM. Com a crescente largura de banda de sinais, muitas vezes, não é possível a amplificação de todos os canais com um único amplificador. Em consequência, novos esquemas de amplificação (como amplificação Ra-man distribuída) foram desenvolvidos para cobertura da região espectral que se estende de 1,45 a 1,62 mm. Essa abordagem resultou em um experimento, em 2000, com taxa da 3,28 Tb/s, no qual 82 canais − cada um operando a 40 Gb/s − foram transmitidos por 3.000 km. No intervalo de um ano, a capacidade de sistemas pôde ser aumentada para, aproximadamente, 11 Tb/s (273 canais WDM, cada um operando em 40 Gb/s), mas a distância de trans-missão foi limitada a 117 km [26]. Em outro experimento com recorde de taxa, 300 canais − cada um operando em 11,6 GHz − foram transmitidos por 7.380 km, resultando em um produto BL de mais de 25.000 (Tb/s)-km [27]. Sistemas terrestres comerciais com capacidade de 3,2 Tb/s, transmitindo 80 canais (cada um em 40 Gb/s) e fazendo uso de amplificação Raman, tornaram-se disponíveis no final de 2003. Tendo em vista que a capacidade de sistemas de primeira geração era, em 1980, de 45 Mb/s, é notável que a capacidade tenha crescido por um fator de mais de 70.000 em um período de 25 anos.

A quinta geração de sistemas de comunicação por fibra óptica enfatiza a extensão da faixa de comprimentos de onda em que sistemas WDM

Figura 1.5 Rede submarina internacional de sistemas de comunicação por fibra óptica

podem operar simultaneamente. A convencional janela de comprimentos de onda conhecida como banda C cobre o intervalo de comprimentos de onda entre 1,53 e 1,57 mm. Essa janela está sendo estendida para os dois lados, para comprimentos de onda mais longos e mais curtos, resultando nas bandas L e S, respectivamente. A técnica de amplificação Raman pode ser usada para sinais nas três bandas de comprimentos de onda. Ademais, um novo tipo de fibra − conhecido como fibra seca − foi desenvolvido, com a propriedade de pequenas perdas na fibra em toda a faixa de comprimentos de onda de 1,30 a 1,65 mm [28]. A disponibilidade de tais fibras e novos esquemas de amplificação podem levar a sistemas de ondas luminosas com milhares de canais WDM.

O foco de atuais sistemas de quinta geração é o aumento da eficiência espectral de sistemas WDM. A ideia é empregar formatos avançados de modulação, de modo que a informação seja codificada usando tanto a amplitude como a fase da portadora óptica [29]. Embora tais formatos de modulação tenham sido desenvolvidos para sistemas de micro-ondas, em que são empregados comumente, seu uso em sistemas de ondas luminosas atraiu a atenção somente após 2001. A utilização desses formatos de modulação per-mitiu aumentar a eficiência espectral − que, em sistemas de quarta geração, era tipicamente limitada a menos de 0,8 b/s/Hz − a mais de 8 b/s/Hz. Em um experimento de 2010 [30], um novo recorde foi estabelecido com a transmissão de 64 Tb/s por 320 km, usando 640 canais WDM que varriam as bandas C e L, com espaçamento de 12,5 GHz entre canais. Cada canal continha dois sinais de 107 Gb/s multiplexados em polarizações ortogonais e codificados com um formato de modulação conhecido como modulação em amplitude em quadratura.

Embora tenha apenas 30 anos, a tecnologia de comunicação por fibra óptica progrediu rapidamente e alcançou certo estágio de maturidade, o que também se torna aparente na publicação de um grande número de livros sobre redes de comunicações ópticas e WDM desde 2000 [31]-[47]. A quarta edição deste livro (a primeira foi publicada em 1992) pretende apresentar um balanço atualizado de sistemas de comunicação por fibra óptica, com ênfase em desenvolvimentos recentes.

1.2 CONCEITOS BÁSICOS

Esta seção apresenta alguns conceitos básicos comuns a todos os sis-temas de comunicação. Começamos com uma descrição de sinais analógicos e digitais, e de como um sinal analógico pode ser convertido à forma digital. A seguir, consideramos multiplexação de sinais de entrada por divisão no tempo e em frequência, e encerramos com uma discussão de vários formatos de modulação.

1.2.1 Sinais Analógicos e Digitais

Em qualquer sistema de comunicação, a informação a ser transmitida, em geral, está disponível como um sinal elétrico, que pode assumir a forma

analógica ou digital [48]. No caso analógico, o sinal (p. ex., corrente elétrica) varia de modo contínuo no tempo, como mostrado esquematicamente na Figura 1.6(a). Exemplos familiares incluem sinais de áudio ou vídeo produ-zidos por um microfone, que converte voz, ou uma câmera, que converte uma imagem em sinais elétricos. Em contraste, um sinal digital pode assumir somente alguns poucos valores discretos. Na representação binária de um sinal digital, apenas dois valores são possíveis. O caso mais simples de um sinal digital binário é aquele em que a corrente elétrica está ligada ou desligada, como ilustrado na Figura 1.6(b). Essas duas possibilidade são denominadas “bit 1” e “bit 0” (bit é uma contração das palavras inglesas binary digit, ou dígito binário). Cada bit dura certo período de tempo TB, conhecido como período de bit ou bit slot. Como um bit de informação é transportado em um intervalo de tempo TB, a taxa de bit B, definida como o número de bits por segundo, é dada simplesmente por B = TB−1. Um exemplo

bas-tante conhecido de sinais digitais são dados de computador. A cada letra do alfabeto, juntamente com outros símbolos (numerais decimais, sinais de pon-tuação, etc.), é alocado um número de código (código ASCII) no intervalo 0−127, cuja representação binária corresponde a um sinal digital de 7 bits. O código ASCII original foi estendido para representar 256 caracteres

TB−1

transmitidos por bytes de 8 bits. Um sinal analógico ou digital é caracte-rizado por sua largura de banda, uma medida do conteúdo espectral do sinal. A largura de banda do sinal representa a faixa de frequências contidas no sinal e é determinada matematicamente pela transformada de Fourier do sinal.

Um sinal analógico pode ser convertido à forma digital por meio de amostragens em intervalos periódicos de tempo [48]. A Figura 1.7 mos-tra, esquematicamente, o método de conversão. A taxa de amostragem é determinada pela largura de banda ∆f do sinal analógico. Segundo o teorema da amostragem [49], um sinal limitado em largura de banda pode ser completamente representado por amostras discretas, sem qualquer perda de informação, desde que a frequência de amostragem fs satisfaça o critério

de Nyquist [50]: fs ≥ 2∆f. O primeiro passo consiste em amostrar o sinal analógico à frequência correta. As amostras podem assumir qualquer valor no intervalo 0 < A < Amax, em que Amax é a máxima amplitude do sinal analógico em consideração. Assumamos que Amax seja dividido em M inter-valos discretos (não necessariamente espaçados com igualdade). Cada valor amostrado é quantizado para corresponder a um desses valores discretos.

Figura 1.7 Três passos necessários à conversão de um sinal analógico em um sinal digital

Fica claro que esse procedimento leva a ruído adicional, conhecido como

ruído de quantização, que é adicionado ao ruído já presente no sinal analógico.

O efeito do ruído de quantização pode ser minimizado com a escolha do número de níveis discretos, de modo que M > Amax/AN, sendo AN a raiz do valor médio quadrático da amplitude de ruído do sinal analógico. A razão

Amax/AN é denominada faixa dinâmica e está associada à relação sinal-ruído (SNR − Signal-to-Noise Ratio) por

= A A

SNR 20 log (10 max/ N), (1.2.1)

em que SNR é expressa em decibéis (dB). Qualquer razão R pode ser convertida em decibéis usando a definição geral 10log10R (veja o Apêndice

A). A Eq. (1.2.1) contém um fator de 20 em vez de 10 apenas porque, para sinais elétricos, a SNR é definida em termos de potência elétrica, enquanto

A está relacionado à corrente elétrica (ou à tensão).

Os valores quantizados das amostras podem ser convertidos ao formato digital usando uma apropriada técnica de conversão. Em um esquema, co-nhecido como modulação por posição de pulso, a posição do pulso no bit slot é uma medida do valor amostrado. Em outro esquema, conhecido como

modulação por duração de pulso, a largura do pulso é variada de bit para bit

se-gundo o valor amostrado. Em sistemas de comunicação óptica, essas técnicas raramente são usadas na prática, devido à dificuldade em manter a posição ou a duração do pulso com alta precisão durante a propagação pela fibra óptica. A técnica usada quase universalmente, conhecida como modulação

por codificação de pulsos (PCM − Pulse-Code Modulation), é baseada em um

esquema binário em que a informação é transportada pela ausência ou pela presença de pulsos idênticos. Utiliza-se um código binário para converter cada valor amostrado em uma sequência de bits 1 e 0. O número de bits,

m, necessários à codificação de cada amostra está relacionado ao número de

níveis de quantização de sinal, M, por

M 2m ou m log M.

2

= = (1.2.2)

A taxa de bits associada ao sinal digital PCM é, portanto, fornecida por B mf= s ≥ ∆(2 ) logf 2M, (1.2.3)

em que o critério de Nyquist, fs ≥ 2∆f, foi usado. Notando que M > Amax/AN, e usando a Eq. (1.2.1) juntamente com 20log210 ∼3,33, podemos escrever

B> ∆( /3)f SNR, (1.2.4) sendo SNR expressa em decibéis (dB).

A Eq. (1.2.4) fornece a mínima taxa de bits necessária à representação de um sinal analógico com largura de banda ∆f e uma SNR específica. Se SNR=20log10(Amax/AN),

M=2_{m or m=log} 2M.

B=mfs≥(2∆f)log2M,

SNR > 30, a necessária taxa de bits será maior do que 10(∆f), indicando um considerável aumento nos requisitos de largura de banda de sinais digitais. Apesar desse aumento, o formato digital é quase sempre utilizado em sis-temas de comunicação óptica. Essa escolha é feita por conta do superior desempenho de sistemas de transmissão digital. Sistemas de ondas luminosas oferecem um aumento tão grande de capacidade (por um fator de ∼105₎

em comparação com sistemas de micro-ondas, que alguma largura de banda pode ser trocada por melhor desempenho.

Como ilustração da Eq. (1.2.4), consideremos a conversão digital de um sinal de áudio gerado em um telefone. O sinal de áudio analógico contém frequências na faixa de 0,3−3,4 kHz, com largura de banda ∆f = 3,1 kHz e SNR de cerca de 30 dB. A Eq. (1.2.4) indica que B > 31 kb/s. Na prática, um canal de áudio digital opera em 64 kb/s. O sinal analógico é amostrado a intervalos de 125 ms (a taxa de amostragem é fs = 8 kHz), e cada amostra é representada por 8 bits. A necessária taxa de bits para um sinal de vídeo digital é 1.000 vezes maior. O sinal de televisão analógica tem largura de banda de ∼4 MHz, com SNR de cerca de 50 dB. A mínima taxa de bits dada pela Eq. (1.2.4) é de 66 Mb/s. Na prática, um sinal de vídeo digital requer uma taxa de bits de 100 Mb/s ou mais, a menos que seja comprimido com o uso de um formato padronizado (como MPEG-2).

1.2.2 Multiplexação de Canais

Como visto na discussão anterior, um canal de voz digital opera a 64 kb/s. A maioria dos sistemas de comunicação por fibra óptica é capaz de transmitir a uma taxa maior do que 1 Gb/s. Para utilizar totalmente a capacidade do sistema, é necessário transmitir muitos canais de modo simultâneo, por meio de multiplexação, o que pode ser realizado por meio de multiplexação por

divisão no tempo (TDM − Time-Division Multiplexing) ou de multiplexação por divisão em frequência (FDM − Frequency-Division Multiplexing). No caso

de TDM, bits associados a diferentes canais são entrelaçados no domínio do tempo, formando uma sequência de bits combinados. Por exemplo, o bit

slot de um único canal de voz que opera em 64 kb/s é de cerca de 15 ms.

Cinco desses canais podem ser multiplexados por TDM se as sequências de bits de sucessivos canais forem atrasadas em 3 ms. A Figura 1.8(a) mostra, esquematicamente, a sequência de bits resultante, que tem uma taxa de bits composta de 320 kb/s.

No caso de FDM, os canais são espaçados no domínio da frequência. Cada canal é transportado por sua própria onda portadora. O espaçamento entre frequências portadoras é maior do que a largura de banda dos canais, de modo que não haja superposição dos espectros de canais vizinhos, como ilustrado na Figura 1.8(b). FDM é adequada tanto para sinais analógicos como para digitais, sendo usada na difusão de canais de rádio e de televisão.

TDM é implementada com facilidade para sinais digitais e é comumente utilizada em redes de telecomunicações. É importante observar que TDM e FDM podem ser implementadas nos domínios elétrico e óptico; FDM óptica é, em geral, referida como WDM. O Capítulo 6 é devotado a técnicas de multiplexação no domínio óptico. Esta seção cobre TDM elétrica, em-pregada universalmente para multiplexar um grande número de canais de voz em uma única sequência de bits elétricos.

O conceito de TDM foi usado para formar hierarquias digitais. Na Amé-rica do Norte e no Japão, o primeiro nível corresponde à multiplexação de 24 canais de voz, com uma taxa de bits composta de 1,544 Mb/s (hierarquia DS-1); na Europa, 30 canais de voz são multiplexados, resultando em uma taxa de bits composta de 2,048 Mb/s. A taxa de bits do sinal multiplexado é ligeiramente maior do que o simples produto de 64 kb/s pelo número de canais, pois bits de controle adicionais são inseridos para separar (demulti-plexar) os canais no receptor. O segundo nível da hierarquia é obtido da multiplexação de 4 canais TDM DS-1. Isso resulta, na América do Norte e no Japão, em uma taxa de bits de 6,312 Mb/s (hierarquia DS-2), e, na Europa, em uma taxa de bits de 8,448 Mb/s. Esse procedimento é repetido

Figura 1.8 (a) Multiplexação por divisão no tempo de cinco canais de voz digitais

que operam em 64 kb/s; (b) Multiplexação por divisão em frequência de três sinais analógicos.

para a obtenção de hierarquias de níveis superiores. Por exemplo, no quinto nível da hierarquia, a taxa de bits é de 565 Mb/s, na Europa, e de 396 Mb/s, no Japão.

A falta de um padrão internacional na indústria de telecomunicações durante a década de 1980 levou ao advento de um novo padrão, inicial-mente denominado Synchronous Optical Network (SONET), ou rede óptica síncrona. Posteriormente, esse padrão recebeu a denominação Synchronous

Digital Hierarchy − SDH, ou hierarquia digital síncrona [51]-[53]. Tal padrão define uma estrutura de grade síncrona para a transmissão de sinais digitais TDM. O bloco básico de SONET tem uma taxa de bits de 51,84 Mb/s. O corresponde sinal óptico é referido como OC-1, em que OC significa optical carrier ou portadora óptica. O bloco básico de SDH tem uma taxa de bits de 155,52 Mb/s, sendo referido como STM-1, em que STM significa synchronous transport module ou módulo de transporte síncrono. Uma característica útil de SONET e SDH é que níveis superiores possuem taxas de bit que são múltiplos exatos da taxa de bits básica. A Tabela 1.1 lista a correspondência entre as taxas de bits de SONET e SDH, para vários níveis. SDH é um padrão internacional, que parece ser bem-adotado. De fato, sistemas de ondas luminosas que operam no nível STM-64 (B ≈ 10 Gb/s) estão disponíveis desde 1996 [19]. Sistemas comerciais STM-256 (OC-768), que operam a cerca de 40 Gb/s, passaram a estar disponíveis em 2002.

1.2.3 Formatos de Modulação

O primeiro passo no projeto de um sistema de comunicação óptica consiste em decidir como o sinal elétrico será convertido em uma sequência de bits ópticos. Em geral, a saída de uma fonte óptica, como um laser de semicon-dutor, é modulada por aplicação do sinal elétrico diretamente à fonte óptica ou a um modulador externo. Há duas possibilidades para o formato de modulação da resultante sequência de bits ópticos, ilustradas na Figura 1.9 e conhecidas como formatos com retorno a zero (RZ − Return-to-Zero) e

sem retorno a zero (NRZ − NonRetum-to-Zero). No formato RZ, cada pulso

óptico que representa o bit 1 é mais curto do que o bit slot, e sua amplitude

Tabela 1.1 Taxas de bits de SONET/SDH

SONET SDH B (Mb/s) Canais OC-1 51,84 672 OC-3 STM-1 155,52 2.016 OC-12 STM-4 622,08 8.064 OC-48 STM-16 2.488,32 32.256 OC-192 STM-64 9.953,28 129.024 OC-768 STM-256 39.813,12 516.096

retorna a zero antes que acabe a duração do bit. No formato NRZ, o pulso óptico permanece ligado em toda a duração do bit slot, e sua amplitude não cai a zero entre dois ou mais bits 1 sucessivos. Em consequência, a largura do pulso varia segundo a sequência de bits; no formato RZ, a largura dos pulsos é constante. Uma vantagem do formato NRZ é que a largura de banda associada à sequência de bits é quase um fator de 2 menor do que no formato RZ, simplesmente porque as transições ligado-desligado ocorrem um menor número de vezes. Contudo, o uso desse formato requer rígido controle da largura dos pulsos e, caso os pulos ópticos se espalhem durante a transmissão, pode levar a efeitos que dependem do padrão de bits. O formato NRZ é usado com frequência na prática, devido à menor largura de banda. O uso do formato RZ no domínio óptico começou a atrair a atenção por volta de 1999, após a constatação de que poderia auxiliar o projeto de sistemas de ondas luminosas de alta capacidade [54]-[56]. Atualmente, tal formato é usado quase exclusivamente para canais WDM projetados para operação a 40 Gb/s ou mais. Um exemplo da utilidade do formato RZ são os sistemas conhecidos como pseudolineares [57], que empregam pulsos ópticos relativamente curtos que, à medida que se propagam pelo enlace de fibra óptica, se espalham por múltiplos bit slots com rapidez. Tal espalhamento reduz a potência de pico e diminui o impacto de diversos efeitos não lineares que, caso contrário, poderiam ser deletérios. Os pulsos são, por fim, comprimidos à largura original com a utilização de técnicas de gerenciamento de dispersão. Tais sistemas empregam, em geral, uma

interes-Figura 1.9 Sequência de bits digitais 010110 ... codificada nos formatos (a) com retorno

sante variação do formato RZ conhecida como formato RZ com chirp* (CRZ − Chirped RZ). Nesse formato, é aplicado um pré-chirp aos pulsos ópticos, antes de serem lançados na fibra.

Uma questão importante diz respeito à escolha da variável física a ser modulada para a codificação dos dados na portadora óptica. Antes da mo-dulação, a onda portadora óptica apresenta a forma

t a t a i i t

E( )=ê cos(ω0 − =φ) êRe[ exp(φ ω− 0)], (1.2.5)

sendo E o vetor de campo elétrico, ê o vetor unitário de polarização,

a a amplitude, wo a frequência portadora, e φ a fase. Por simplici-dade de notação, a dependência espacial de E foi suprimida. É pos-sível modular a amplitude a, a frequência wo ou a fase φ. No caso de modulação analógica, essas três escolhas de modulação são conhecidas, respectivamente, como modulação em amplitude (AM −Amplitude

Modulation), modulação em frequência (FM − Frequency Modulation)

e modulação em fase (PM − Phase Modulation). Como mostrado es-quematicamente na Figura 1.10, as mesmas técnicas de modulação podem ser aplicadas no caso digital, sendo conhecidas como modula-ção por chaveamento de amplitude (ASK − Amplitude-Shift Keying),

E(t)=êacos(w0t−ϕ)

=êRe[aexp(iϕ−iw0t)],

*NOTA DO TRADUTOR: A palavra inglesa chirp significa gorjeio, chilro; no contexto de telecomunicações, descreve um sinal cuja frequência varia no tempo.

Figura 1.10 (a) Sequência de bits elétricos e os resultantes padrões de campo elétrico após

chaveamento por deslocamento de frequência (FSK − Frequency-Shift

Keying) e chaveamento por deslocamento de fase (PSK − Phase-Shift Keying), dependendo se a amplitude, a frequência ou a fase da portadora

é chaveada entre os dois níveis básicos de um sinal digital binário. A técnica mais simples consiste em chavear a potência de sinal entre dois níveis, um dos quais é fixado em zero. Tal técnica é, em geral, denomi-nada chaveamento ligado-desligado (OOK − On-Off Keying), para refletir a natureza ligada-desligada do resultante sinal óptico. Até recentemente, OOK era o formato preferencial de modulação para a maioria dos sis-temas digitais de ondas luminosas.

Embora o uso dos formatos FSK e PSK tenha sido explorado durante a década de 1980, no contexto de sistemas de ondas luminosas coerentes [20], essas modulações foram praticamente abandonadas durante a década de 1990, devido à complexidade associada ao terminal receptor. A situação se alterou após o ano de 2000, quando foi observado que o uso de PSK era essencial à melhoria da eficiência espectral de sistemas WDM. Modernos sistemas WDM empregam avançados formatos de modulação, nos quais a informação é codificada usando amplitude e fase da portadora óptica [29]. A ideia básica por trás dos novos formatos de modulação pode ser entendida com a adoção da notação complexa para o campo elétrico na Eq. (1.2.5), e a introdução do fasor A = aejφ. A Figura 1.11 mostra quatro formatos de modulação em diagramas de constelação, nos quais as partes real e imaginária de A são representadas nos eixos x e y, respectivamente. As duas primeiras configurações representam os formatos ASK e PSK comuns, em que a amplitude ou a fase do campo elétrico assume os dois valores marcados por círculos. A terceira configuração mostra o formato PSK de quadratura (ou QPSK), em que a fase óptica assume quatro pos-síveis valores. Nesse caso, discutido em detalhes no Capítulo 10, dois bits são transmitidos durante cada janela (slot) temporal, de modo que a efetiva taxa de bits é dividida por dois. Herdando a terminologia de comunicação por micro-ondas [48], a taxa de bits efetiva é denominada taxa de símbolos (ou baud). O último exemplo na Figura 1.11 mostra como o conceito de símbolo pode ser estendido a sinalizações de múltiplos níveis, em que

Figura 1.11 Diagramas de constelação para os formatos (a) ASK, (b) PSK, (c) QPSK e (d)

cada símbolo transporta 4 bits ou mais. Um adicional fator de dois pode ser ganho se, em cada janela temporal, dois símbolos forem transmitidos simultaneamente em polarizações ortogonais.

1.3 SISTEMAS DE COMUNICAÇÃO ÓPTICA

Como mencionado anteriormente, em principio, sistemas de co-municação óptica diferem de sistemas de micro-ondas apenas na faixa de frequências da onda portadora usada para transportar a informação. As frequências portadoras ópticas são, tipicamente, de ∼200 THz, em contraste com frequências portadoras de micro-ondas (∼1 GHz). Assim, é esperado um aumento na capacidade de transporte de informação de sistemas de comunicação óptica por um fator de até 10.000, em comparação com sistemas de micro-ondas, simplesmente porque as frequências portadoras usadas em sistemas de ondas luminosas são muito altas. Ao observarmos que a largura de banda da portadora modulada pode ser, no máximo, uma pequena porcentagem da frequência portadora, tal aumento de capacidade fica claro. Tomando, como exemplo, 1% como o valor limite, sistemas de comunicação óptica têm o potencial de transportar informação a taxas de bits de ∼1 Tb/s. Essa enorme largura de banda potencial de sistemas de comunicação óptica é o estímulo por trás do desenvolvimento e do emprego de sistemas de ondas luminosas em todo o mundo. Sistemas no atual estado da arte operam a taxas de bits de ∼10 Gb/s, indicando que há considerável margem para melhoria.

A Figura 1.12 mostra um genérico diagrama em blocos para um sis-tema de comunicação óptica, consistindo em um transmissor, um canal de comunicação e um receptor. Esses três elementos são comuns a todos os sistemas de comunicação. Sistemas de comunicação óptica podem ser clas-sificados em duas grandes categorias: guiados e não guiados. Como o nome indica, no caso de sistemas de ondas luminosas guiados, o feixe óptico emitido pelo transmissor permanece espacialmente confinado. Na prática, isso é alcançado com o emprego de fibras ópticas, como discutido no Capítulo 2. Como todos os sistemas de comunicação ópticas guiados usam fibras ópticas, são comumente referidos como sistemas de comunicação por fibra óptica. O termo sistema de onda luminosa também é utilizado para sistemas de comunicação por fibra óptica, embora, em geral, inclua sistemas guiados e não guiados.

No caso de sistemas de comunicação óptica não guiados, o feixe óptico emitido pelo transmissor se espalha no espaço, de modo similar ao es-palhamento de micro-ondas. Contudo, sistemas ópticos não guiados são menos adequados a aplicações de difusão do que sistemas de micro-on-das, pois o feixe óptico se espalha principalmente na direção frontal (em consequência do pequeno comprimento de onda). O uso de tais sistemas em geral requer um preciso alinhamento entre transmissor e receptor. No caso de propagação terrestre, o sinal em sistemas não guiados pode sofrer considerável deterioração por espalhamento na atmosfera, problema que desaparece em comunicações no espaço livre acima da atmosfera terrestre (por exemplo, comunicação entre satélites). Embora sistemas de comunicação óptica no espaço livre sejam necessários para certas aplicações e tenham sido estudados em detalhes [58], a maioria das aplicações terrestre utiliza

sistemas de comunicação por fibra óptica. Este livro não considera sistemas de

comunicação óptica não guiados.

A aplicação de transmissão por fibra óptica é possível em qualquer área que exija transferência de informação de um lugar a outro. Contudo, sistemas de comunicação por fibra óptica foram desenvolvidos principalmente para aplicações de telecomunicação. Isso é compreensível, tendo em vista as redes mundiais de telefonia usadas para transmitir não apenas sinais de voz, como também dados de computadores e mensagens de fax. As aplicações de tele-comunicação podem ser classificadas, de modo geral, em duas categorias: de

longa distância e de curta distância, dependendo se o sinal óptico é transmitido

ao longo de distâncias relativamente longas ou curtas, em comparação com típicas distâncias intermunicipais (∼ 100 km). Sistemas de telecomunicação de longa distância requerem linhas de tronco de alta capacidade e são os que mais se beneficiam do uso de sistemas de ondas luminosas em fibra óptica. Na verdade, a tecnologia de comunicação por fibra óptica é, muitas vezes, estimulada por aplicações de longas distâncias. Cada sucessiva geração de sistemas de ondas luminosas é capaz de operar a taxas de bits cada vez maiores e a distâncias cada vez mais longas. Regeneração do sinal óptico por meio de repetidores ainda é necessário para sistemas de longas distâncias. Contudo, considerável aumento no espaçamento entre repetidores e na taxa de bits, em comparação com sistemas a cabo coaxial, tornou o emprego de sistemas de ondas luminosas muito atraente para aplicações de longas dis-tâncias. Além disso, o uso de WDM com amplificadores ópticos reduziu o custo total e, ao mesmo tempo, aumentou a capacidade de sistemas. Como visto na Figura 1.5, um grande número de sistemas de ondas luminosas transoceânicos já foi instalado, criando uma rede internacional de fibra óptica.

Aplicações de telecomunicação de curtas distâncias cobrem não apenas o tráfego intermunicipal, mas também o de área local. Tais sistemas operam, tipicamente, em baixas taxas de bits, ao longo de distâncias inferiores a

50 km. Para tais aplicações, o uso de sistema de onda luminosa monocanal não possui boa relação custo-benefício. Em função disso, o uso de WDM se tornou mais relevante, mesmo para sistemas de curtas distâncias. Com o advento da Internet na década de 1990, o tráfego de dados envolvendo transmissão de vídeo e imagens estáticas se tornou cada vez mais comum, consumindo, hoje em dia, mais largura de banda do que o tradicional tráfego telefônico. O uso do protocolo de Internet, que envolve chaveamento de pacotes, cresce de forma contínua. Somente os modernos sistemas WDM a fibra óptica são capazes de atender a tais exigências de largura de banda que crescem com rapidez. Sistemas de ondas luminosas multicanal e suas aplicações são discutidos no Capítulo 6.

1.4 COMPONENTES DE SISTEMAS DE ONDAS

LUMINOSAS

O genérico diagrama em blocos na Figura 1.12 se aplica a um sistema de comunicação por fibra óptica. A única diferença é o fato de o canal de comuni-cação ser um cabo de fibra óptica. Os outros dois componentes, o transmissor óptico e o receptor óptico, são projetados para atender às exigências desse específico canal de comunicação. Nesta seção, discutiremos as questões gerais relacionadas ao papel da fibra óptica como canal de comunicação e ao projeto de transmissores e receptores. O objetivo é prover uma visão geral introdutória, pois os três componentes são discutidos em detalhes nos Capítulos 2–4.

1.4.1 Fibra Óptica como Canal de Comunicação

O papel de um canal de comunicação é transportar o sinal óptico do trans-missor ao receptor, sem introduzir distorções. A maioria dos sistemas de ondas luminosas usa fibras ópticas como canal, pois fibras de sílica são capazes de transmitir luz com perdas muito pequenas, da ordem de 0,2 dB/km. Mesmo assim, após 100 km, a potência óptica é reduzida a apenas 1% da inicial. Por isso, as perdas das fibras continuam um importante aspecto do projeto e, em sistemas de ondas luminosas de longas distâncias, determinam o espaçamento entre repetidores ou amplificadores. Outro importante aspecto do projeto é a dispersão de fibras ópticas, que leva ao alargamento temporal dos pulsos ópticos com a propagação. Se os pulsos ópticos se alargarem demais além dos correspondentes bit slots, o sinal transmitido fica severamente degradado. A recuperação do sinal original com alta precisão pode se tornar impossível. O problema é mais severo no caso de fibras multimodo, pois os pulsos se alargam com rapidez (a uma taxa típica de ∼10 ns/km), devido às diferentes velocidades associadas aos diversos modos de propagação na fibra óptica, razão pela qual a maioria dos sistemas de comunicação óptica utiliza fibras ópticas monomodo. A dispersão material (associada à dependência do índice

de refração em relação à frequência) ainda leva a alargamento dos pulsos (a uma taxa típica < 0,1 ns/km), que, no entanto, é suficientemente pequeno para ser aceitável para a maioria das aplicações, e pode ser reduzido com o controle da largura espectral da fonte óptica. Não obstante, como discutido no Capítulo 2, a dispersão material estabelece o limite final sobre a taxa de bits e a distância de transmissão de sistemas de comunicação por fibra óptica.

1.4.2 Transmissores Ópticos

O papel de um transmissor óptico é o de converter o sinal elétrico à forma óptica e lançar o resultante sinal na fibra óptica. A Figura 1.13 mostra um diagrama em blocos de um transmissor óptico, que consiste em uma fonte óptica, um modulador e um acoplador de canal. Lasers ou diodos emis-sores de luz de semicondutores são usados como fontes ópticas, devido à compatibilidade deles com o canal de comunicação de fibra óptica; essas fontes são discutidas em detalhes no Capítulo 3. O sinal óptico é gerado por modulação da onda portadora óptica. Embora seja possível usar um modulador externo, em alguns casos isso não é necessário, pois a saída de uma fonte óptica de semicondutor pode ser modulada diretamente por variação da corrente de injeção. Esse esquema simplifica o projeto do trans-missor e, em geral, apresenta boa relação custo-benefício. O acoplador é, tipicamente, uma microlente que foca o sinal óptico no plano de entrada de uma fibra óptica com máxima eficiência possível.

A potência lançada na fibra óptica é um importante parâmetro de projeto e, com sua elevação, é possível aumentar o espaçamento entre amplifica-dores (ou repetiamplifica-dores), mas a ocorrência de vários efeitos não lineares limita o aumento da potência de entrada. A potência lançada na fibra óptica é, em geral, expressa em “dBm”, tendo 1 mW como nível de referência. A definição genérica é (veja o Apêndice A):

potˆencia(dBm) 10 log potˆencia 1 mW . 10 =    _ _(1.4.1) power (dBm)=10log10power1 mw.

Assim, 1 mW é 0 dBm, enquanto 1 mW corresponde a −30 dBm. A potência lançada é bastante baixa (< −10 dBm), no caso de um diodo emissor de luz; um laser de semicondutor é capaz de lançar potências de ∼10 dBm. Como diodos emissores de luz também têm limitada capacidade de modulação, a maioria dos sistemas de ondas luminosas usa lasers de semicondutor como fontes ópticas. A taxa de bits de transmissores ópticos é, em geral, limitada pela eletrônica, e não pelo próprio laser de semicondutor. Com projeto adequado, transmissores ópticos podem operar a taxas de até 40 Gb/s. O Capítulo 3 é dedicado a uma completa descrição de transmis-sores ópticos.

1.4.3 Receptores Ópticos

Um receptor óptico converte o sinal óptico recebido na saída da fibra óp-tica de volta ao sinal elétrico original. A Figura 1.14 mostra o diagrama em blocos de um receptor óptico, que consiste em um acoplador, um fotodetector e um demodulador. O acoplador foca o sinal óptico rece-bido no fotodetector. Fotodiodos de semicondutores são usados como fotodetectores, devido à compatibilidade com todo o sistema; fotodiodos são discutidos no Capítulo 4. O projeto do demodulador depende do formado de modulação usado pelo sistema de ondas luminosas. O uso dos formatos FSK e PSK, em geral, requer as técnicas de demodulação hete-ródinas ou homódinas discutidas no Capítulo 10. A maioria dos sistemas de ondas luminosas emprega um esquema referido como “modulação em intensidade com detecção direta” (IM/DD – Intensity Modulation with

Direct Detection). Nesse caso, a demodulação é feita por um circuito de

decisão que identifica os bits como 1 ou 0, dependendo da amplitude do sinal elétrico. A precisão do circuito de decisão depende da SNR do sinal elétrico gerado no fotodetector.

O desempenho de um sistema digital de ondas luminosas é caracterizado pela taxa de erro de bits (BER – Bit-Error Rate). Embora a BER possa ser

definida como o número de erros cometidos por segundo, tal definição a torna dependente da taxa de bits. É costumário defini-la como a probabilidade média de identificação errônea de bit. Portanto, uma BER de 10−6

corres-ponde, em média, a um erro por milhão de bits. A maioria dos sistemas de ondas luminosas especifica uma BER de 10−9 _{como requisito de operação.}

Alguns sistemas chegam a exigir uma BER de 10−14_{. Códigos corretores de}

erro são, às vezes, usados para melhorar a BER de sistemas de ondas luminosas. Um importante parâmetro de qualquer receptor é a sensibilidade do

receptor, geralmente, definida como a mínima potência óptica média

neces-sária para garantir uma BER de 10−9_{. A sensibilidade do receptor depende}

da SNR, que, por sua vez, depende das várias fontes de ruído que correm o sinal recebido. Mesmo no caso de um receptor perfeito, algum ruído é in-troduzido pelo próprio processo de fotodetecção. Tal ruído é referido como

ruído quântico, ruído de disparo ou ruído balístico, pois se origina na natureza de

partícula dos elétrons. Receptores ópticos que operam no limite de ruído de disparo são denominados receptores limitados por ruído quântico. Ne-nhum receptor prático opera no limite de ruído quântico, devido à presença de várias outras fontes de ruído. Algumas fontes de ruído, como a de ruído

térmico, são internas ao receptor. Outras, entretanto, têm origem no

trans-missor ou na propagação ao longo do enlace de fibra óptica. Por exemplo, qualquer amplificação do sinal óptico ao longo da linha de transmissão por meio de amplificadores ópticos introduz o chamado ruído de amplificação, que se origina no processo fundamental de emissão espontânea. Dispersão cromática em fibras ópticas adiciona ruído, por meio de fenômenos como interferência entre símbolos e ruído de partição modal. A sensibilidade do receptor é determinada por um efeito cumulativo de todos os possíveis mecanismos de ruído que degradam a SNR no circuito de decisão. Em geral, a sensibilidade do receptor também depende da taxa de bits, pois a contribuição de algumas fontes de ruído (p. ex., ruído de disparo) aumenta proporcionalmente à largura de banda do sinal. O Capítulo 4 é dedicado a questões relacionadas a ruído e sensibilidade de receptores ópticos, e analisa SNR e BER de sistemas digitais de ondas luminosas.

Exercícios

1.1 Calcule a frequência portadora de sistemas de comunicação óptica que operam em 0,88, 1,3 e 1,55 mm. Qual é a energia do fóton (em eV) em cada caso?

1.2 Calcule a distância de transmissão em que a potência óptica será atenuada por um fator de 10, considerando três fibras ópticas com perdas de 0,2, 20 e 2.000 dB/km. Assumindo que a potência óptica decaia com exp(−aL), calcule a (em cm−1_{) para as três fibras.}

1.3 Assuma que um sistema de comunicação digital seja operado a uma taxa de bits de até 1% da frequência portadora. Quantos canais de áudio de 64 kb/s podem ser transmitidos por uma portadora de micro-ondas de 5 GHz e por uma portadora óptica em 1,55 mm? 1.4 O conteúdo de uma aula de 1 hora de duração é armazenado no disco

rígido de um computador no formato ASCII. Estime o número total de bits, assumindo uma taxa de entrega de 200 palavras por minuto e uma média de cinco letras por palavra. Quanto tempo levará a trans-missão da aula a uma taxa de bits de 1 Gb/s?

1.5 Um sistema de comunicação digital opera a 1 Gb/s e recebe uma potência média de −40 dBm no detector. Assumindo iguais proba-bilidades de ocorrência para os bits 1 e 0, calcule o número de fótons recebidos em cada bit 1.

1.6 Um sinal de voz analógico que pode variar em um intervalo de 0–50 mA é digitalizado a uma taxa de amostragem de 8 kHz. Os quatro primeiros valores amostrados são 10, 21, 36 e 16 mA. Escreva o correspondente sinal digital (uma sequência de bits 1 e 0) usando uma representação de 4 bits para cada amostra.

1.7 Para uma sequência de bits digitais NRZ 010111101110, esboce um gráfico da variação da potência óptica com o tempo, assumindo uma taxa de bits de 2,5 Gb/s. Quais são as durações dos pulsos ópticos mais curto e mais longo?

1.8 Um sistema de comunicação por fibra óptica transmite sinais digitais por 100 km, a 2 Gb/s. O transmissor lança 2 mW de potência média na fibra óptica, que tem perda média de 0,3 dB/km. Quantos fótons incidem no receptor durante um bit 1? Assuma que os bits 0 não trans-portem potência, enquanto os bits 1 têm a forma de pulso retangular que ocupa todo o bit slot (formato NRZ).

1.9 Um receptor óptico de 0,8 mm requer pelo menos 1.000 fótons para detectar um bit 1 com precisão. Qual é o máximo comprimento possível do enlace de fibra para um sistema de comunicação óptica projetado para transmitir −10 dBm de potência média? A perda da fibra é de 0,2 dB/km em 0,8 mm. Assuma o formato NRZ com pulsos retangulares.

1.10 Um transmissor óptico de 1,3 mm é usado para obter uma sequência

de bits digitais a uma taxa de bits de 2 Gb/s. Calcule o número de fótons contidos em um único bit 1 quando a potência média emitida pelo transmissor for de 4 mW. Assuma que os bits 0 não transportem energia.

REFERÊNCIAS

[1] HOLZMANN, G. J.; PEHRSON, B. The Early History of Data Networks. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.

[2] KOENIG, D. Telegraphs and Telegrams in Revolutionary France. Scientific Monthly. v. 431, 1944. Veja, também, o Capítulo 2 da Ref. [1].