TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO OUTUBRO/2016 UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ ENGENHARIA ELÉTRICA

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Mateus Nunes Domingues

Orientador: Prof. Dr. Danilo Henrique Spadoti

Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologia da Informação (IESTI)

Co-orientador: Prof. Dr. Credson de Salles

Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)

Resumo - _{Este artigo apresenta os procedimentos}

uti-lizados na simulação de um dispositivo óptico, utiliza-do como filtro de frequência, para comunicação de redes inteligentes.

Palavras-Chave: dispositivo óptico, filtro de frequên-cia, comunicação.

I – INTRODUÇÃO

Com o grande avanço na tecnologia nos últimos anos, o Sistema de Energia Elétrica - SEE (geração, transmissão, distribuição e consumidor final) está prestes a sofrer uma grande transformação que consiste em uma modernização das tecnologias de controle de equipamentos elétricos, através de automação e computação, para a melhoria da eficiência do Sistema [1].

Para isso, será necessário que todo o sistema esteja inter-ligado através de uma grande rede de comunicação, desde o gerador nas usinas até os aparelhos eletrodomésticos. Os métodos de comunicação atuais não possuem capaci-dade suficiente para a futura demanda. Logo, é necessário estudar novos meios capazes de suprir a necessidade da rede.

Através de meios e dispositivos de processamento ópticos é possível aumentar a capacidade e velocidade da comu-nicação a níveis capazes de superar a necessidade da re-de, o que os tornam um interessante e amplo objeto de estudo.

O objetivo do artigo é apresentar, através de simulação computacional, um dispositivo óptico que irá funcionar como um filtro de frequência, que terá várias aplicabili-dades no processamento do sinal totalmente óptico nos nós da rede.

II – REFERENCIAL TEÓRICO

II.1 – Conceito de Redes Inteligentes

A expressão Rede Inteligente deve ser entendida mais como um conceito do que uma tecnologia ou equipamen-to específico. Baseia-se na utilização intensiva de tecno-logia de automação, computação e comunicações para monitoração e controle da rede elétrica, as quais permiti-rão a implantação de estratégias de controle para que fun-cione de forma muito mais eficiente que as atualmente em uso [2].

A introdução do conceito de Rede Inteligente produzirá uma convergência acentuada entre a infraestrutura do sistema de energia elétrica e a infraestrutura de comuni-cações digitais e processamento de dados. Esta última funcionará como uma rede de equipamentos, interligando os equipamentos eletrônicos inteligentes e trocando in-formações e ações de controle entre os diversos segmen-tos da rede elétrica. Essa convergência de tecnologias exigirá o desenvolvimento de novos métodos de controle, automação e comunicação da rede [1].

II.2 – Métodos de Comunicações dentro das Redes Inteli-gentes

As redes elétricas inteligentes permitem uma participação do maior consumidor, que pode obter em tempo quase real dados do seu consumo e do custo da energia. As re-des elétricas inteligentes trazem mais automação para a geração, transmissão, subestações, distribuição. Isso é feito através de dispositivos eletrônicos inteligentes e unidades terminais remotas para melhorar a capacidade de controle e monitoração de dados. Diversos protocolos de comunicação para essa automação têm sido discutidos

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[3]. Na Fig.1 pode-se observar os diferentes elementos da rede.

Fig.1 – Os domínios da rede elétrica inteligente e a comunicação entre eles [3]

A ligação física da rede pode ser feita de diversas manei-ras. Os meios de transmissão de sinais mais comumente utilizados são: Par Trançado; Cabo Coaxial; Radiodifu-são; Guias de Onda.

O meio é conectado por equipamentos transmissores e receptores. As conexões vão depender das topologias e do meio físico que diz como as ligações podem ser imple-mentadas. A função primordial da camada física é a transmissão de bits de uma máquina para outra [3].

II.3 – Dispositivos Ópticos

Atualmente, existe uma forte tendência a se utilizar meios ópticos de transmissão e processamento de sinal, a fim de superar as limitações de trafego da rede.

Um dos elementos chave na transmissão são os guias de onda, os quais são estruturas capazes de confinar a luz dentro de certa área e transportá-la. Como exemplo, têm-se as fibras ópticas, que são usadas para transportar e-normes quantidades de dados. Nos nós da rede, os sinais luminosos são convertidos em sinais elétricos, processa-dos eletricamente, e convertiprocessa-dos em sinais luminosos novamente. As conversões óptico-eletrônicas limitam o crescimento da rede. Através de meios de processamento de sinal totalmente ópticos esse problema é resolvido. O emprego de dispositivos ópticos pode flexibilizar a estrutura das redes de telecomunicações, superando as atuais limitações. Para tal, faz-se necessário o desenvol-vimento de dispositivos eficientes e economicamente viáveis. A chave para isso é o desenvolvimento de com-ponentes cada vez mais compactos, que permitam a ob-tenção de circuitos fotônicos integrados e a substituição dos grandes equipamentos usados nos nós da rede por outros muito menores.

Estruturas em escala nanométrica são amplamente estu-dadas, pois aumentam a eficiência de interação entre a luz e o material [4].

É possível utilizar um dispositivo óptico com um filtro de frequência, utilizando a Rede de Bragg.

II.4 – A Rede de Bragg

A rede de Bragg consiste em uma modulação periódica do índice de refração no núcleo do guia de onda. São per-turbações periódicas na constante de propagação. Estas perturbações podem se apresentar no guia como uma va-riação nas dimensões do guia [5]. A Fig.2 mostra a estru-tura:

Fig.2 – Corte Transversal de um guia dotado de vari-ação periódica

A principal função da rede é permitir o acoplamento entre dois ou mais modos de um guia ou conjunto de guias, podendo tal acoplamento ser analisado segundo o argu-mento da conservação do moargu-mento.

O surgimento dessas redes viabilizou importantes avan-ços tecnológicos para sistemas e dispositivos de comuni-cações ópticas. Elas permitem o desenvolvimento de fil-tros, multiplexadores e demultiplexadores ópticos, bem como a estabilização de lasers semicondutores e a fabri-cação de lasers em fibra e sensores ópticos. Foram encon-tradas diversas aplicações para este componente desde o seu aparecimento, devido às suas propriedades, versatili-dade, e variedade de parâmetros controláveis, que podem formatar de diversas maneiras as suas características es-pectrais [6].

II.5 – Dispositivo Empregando Rede de Bragg atuando como Filtro

O uso de redes de Bragg também permite a concepção de filtros seletivos em comprimento de onda, operando atra-vés da alteração do índice de refração na região ativa de um ressoador óptico em configuração de guia de onda [7].

O filtro óptico pode ser descrito como sendo um disposi-tivo capaz de filtrar um comprimento de onda específico de um sinal óptico de uma fonte, sinal este que contém a informação que se deseja transmitir. A Fig.3 mostra es-quematicamente este dispositivo.

A construção do filtro deu-se a partir de um guia com uma modulação periódica em seu índice de refração de-vido a rede de Bragg. O corte longitudinal do filtro é mostrado na Fig.4:

Fig.4 – Corte Longitudinal de uma seção do Filtro Escolhe-se o período da rede de tal forma que somente um comprimento de onda satisfaça a condição de Bragg, fazendo com que os outros comprimentos de onda pas-sem pelo guia sofrendo pouca interferência da rede.

III – METODOLOGIA

Devido à impossibilidade de fabricação de estruturas na-nométricas na universidade, dado que é necessário um laboratório de alta tecnologia aplicada em nanofotônica e o custo elevado de fabricação, será utilizado um software de simulação computacional para a investigação de tais estruturas.

III.1 – O Software COMSOL Multiphysics®

O software COMSOL Multiphysics é utilizado para mo-delar e simular sistemas físicos para diversos tipos de aplicação, baseado nos mais avançados métodos numéri-cos para análise de elementos finitos. Possui grandes a-plicações na área de elétrica e óptica devido a sua versati-lidade. Um exemplo de aplicação é apresentado na Fig.5:

Fig.5 – Imagem obtida em uma simulação do software COMSOL Multiphysics

Para a simulação, deve-se escolher os parâmetros cons-trutivos e eletromagnéticos para em seguida simular e obter os resultados.

III.2 – Parâmetros Eletromagnéticos

Para a simulação é necessário definir alguns parâmetros físicos, como: materiais, dimensões, intensidade do cam-po, equações para cálculo, entre outros.

As equações de Maxwell surgem da interação mútua en-tre campos variantes com o tempo. Elas denominam a onda eletromagnética, que é uma perturbação constituída por campos elétricos e magnéticos variantes com o tempo pode se propagar de uma região para a outra, mesmo quando não há matéria entre essas regiões [8].

A luz se comporta como uma onda eletromagnética e, portanto, também pode ser descrita pelas equações de Maxwell, que são descritas abaixo:

0

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B

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Nas equações tem-se que B é a indução magnética no vácuo e E é o campo elétrico no vácuo. Quando se tem um material presente é preciso considerar a permissivida-de relativa εr e permeabilidade relativa µr do material.

A Lei de Gauss relaciona o fluxo elétrico através de uma superfície fechada com a carga interna a essa superfície. Já a Lei de Gauss para o magnetismo mostra que o fluxo magnético através de uma superfície fechada é sempre igual à zero. A Lei de Ampère descreve a relação entre o campo magnético e a corrente que o gerou. A Lei de Fa-raday quantifica a indução eletromagnética quando há um fluxo magnético variável [8].

As equações de Maxwell e as condições de contorno do dispositivo formam a base para se entender e descrever o comportamento da luz dentro de um guia de onda, e, por-tanto, para equacionar o filtro.

III.3 – Parâmetros Construtivos

A equação mais importante relacionada às estruturas pe-riódicas é a condição de Bragg, que descreve a relação entre os vetores de ondas incidentes e difratadas, deter-minando o ângulo sob o qual a luz incidente na estrutura periódica será refratada sobre a grade.

O modelo matemático que descreve o comportamento do filtro óptico é em função de suas características construti-vas. Para grades onde a modulação é constante, ou seja, uma grade uniforme, seu índice de refração varia de a-cordo com a seguinte equação:

A constante de propagação β representa o número de on-das em espaço livre [6]. A condição de Bragg para o aco-plador é descrita a seguir:

β = 2π/ Λ (6)

Onde Λ é o período da grade. As equações acima definem como o vetor do campo se comporta quando passa pelo filtro. Esse comportamento é mostrado pelo diagrama de Bragg descrito na Fig.6 [6]. Essas equações estabelecem a principal relação do filtro.

Fig.6 – Estrutura periódica e um diagrama de Bragg demonstrando a ocorrência de diferentes ordens de

difração nos materiais [6]

Para o material utiliza-se o silício por sua aplicação na fotônica, que tem sido desenvolvida amplamente nos úl-timos anos. As estruturas terão dimensões nanométricas, adaptadas para um melhor resultado.

IV – RESULTADOS E DISCUSSÃO

Primeiramente criaram-se os parâmetros dos quais a ge-ometria e onda dependem. Esses parâmetros são mostra-dos na Fig.7:

Fig.7 – Parâmetros da Simulação

Em seguida, constrói-se a geometria totalmente depen-dente dos parâmetros. Além disso, escolhem-se os mate-riais, independentes da frequência, que seriam utilizados em cada parte do filtro, em sua maioria feito de silício. O resultado é mostrado na Fig.8:

Fig.8 – Geometria do Filtro

Existe uma grande quantidade de estudos que podem ser feitas a partir de cada parâmetro da simulação, ou seja, pode-se mudar o período dos dentes da rede, os tamanhos do núcleo, os materiais utilizados, distância entre núcleos, entre outros. Todos dariam um resultado diferente, fil-trando um comprimento de onda específico, podendo ser cada vez mais eficiente.

Vale lembrar que para o cálculo de reflexão e transmissão sigam as equações de Bragg, é necessário ter característi-cas restritas, como fibra monomodo, grade uniforme, comprimento de onda em análise próximo ao que tem máxima reflexão. Assim, após configuração de simulação para o dispositivo filtrando comprimento de onda de 1550 nm, obteve-se o resultado que é mostrado na Fig.9:

Fig.9 – Resultado da Simulação para filtro de com-primento de onda λ=1550[nm]

Observa-se que a onda foi em grande parte filtrada pela grade. É possível notar que ocorre uma pequena perda de potência para o meio. Já na Fig.10 é possível observar que após a mudança do comprimento de onda, pratica-mente nada é filtrado, reforçando que a filtragem para um comprimento de onda específico depende dos parâmetros de construção do dispositivo.

Fig.10 – Resultado da Simulação para filtro de com-primento de onda λ=1650[nm]

É possível mostrar graficamente as normas dos campos nas partes destacadas das figuras anteriores. Utilizando-se de uma ferramenta do COMSOL, observa-se que a norma da onda de λ=1650 nm passou pelo filtro aproximada-mente sem nenhuma perda, enquanto a onda de λ=1550 nm é em grande parte filtrada. Com isso tem-se o seguin-te gráfico mostrado na Fig.11:

Fig.11 – Norma dos campos na saída do filtro Após a simulação, os dados de reflexão e transmissão foram transferidos para o programa Excel para análise numérica e gráfica dos resultados, que podem ser vistos através da Fig.12:

Fig.12 – Curva de Reflexão típica de uma grade uni-forme construída para filtrar comprimento de onda de 1550[nm]

Assim observa-se que apenas um dos comprimentos de onda é filtrado, de acordo com o que foi proposto pelo trabalho.

IV. CONCLUSÃO

Como apresentado, o resultado obtido na filtragem do sinal óptico foi satisfatório, sendo possível filtrar somente um comprimento de onda.

Vale ressaltar que os parâmetros de construção do guia é o que define qual comprimento de onda será filtrado. Pa-râmetros como a altura da rede, período da rede, largura da rede, índice de refração dos materiais. Alguns dos pa-râmetros são mostrados, na Fig.13:

Fig.13 – Parâmetros para estudos futuros Além disso, como pesquisas futuras, pode-se investigar diferentes métodos de fabricação e tipos de materiais, para que o dispositivo seja mais barato.

Por fim, conclui-se que o projeto discutido apresenta boas condições de implementação, mostrando-se uma alterna-tiva tecnológica viável para utilização nas Redes Inteli-gentes.

V. AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer ao professor Danilo Henrique Spa-doti pela parceria, orientação, auxílio e confiança para a confecção dos trabalhos.

REFERÊNCIAS

[1] D.M. Falcão, “Smart Grids e Micro Redes: O futuro já é presente” 11p., COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, 2011.

[2] D.M. Falcão, “Integração de Tecnologias para Viabi-lização da Smart Grid”, Rio de Janeiro, IEEE, 2010. [3] P.H.V. Guimarães, A. Murillo, M. Andreoni, D.M.F.

Mattos, L.H.G. Ferraz, “Comunicação em Redes Élé-tricas: Eficiência, Confiabilidade e Segurança”, 64p., GTA/PEE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2013.

[4] D. Taillart, “Grating couplers as Interface between Optical Fibres and Nanophotonics Waveguides” 167 p. Tese (Doutorado em Ciências Aplicadas:

Eletro-técnica)-INTEC, Universidade de Gent, Bélgica. 2005.

[5] J.P. Weber, “Spectral characteristics of coupled-waveguide Bragg-reflection tunable optical filter”, IEE Proceedings -J, v.140, n.5, p. 275-283,1993. [6] C.A. Francisco, “ Proposta e Análise de dispositivos

empregando redes de Bragg para aplicações em sis-temas de comunicações ópticas e sensoriamento óp-tico” , Universidade de São Paulo, USP, 1998. [7] C.A. Dartora, “Dispositivos Ópticos: Filtros,

Aco-pladores e Splitters” 47p., Universidade Federal do Paraná, 2012.

[8] D. Halliday, R. Reesnick, J. Walker “Fundamentos de Física volume 3: Eletromagnetismo” 8ªed., LTC, Rio de Janeiro, 2009.

BIOGRAFIA:

Mateus Nunes Domingues Nasceu em Volta Redonda (RJ), em 1994. Estudou em Volta Re-donda, tendo recebido o título de Técnico em Eletrônica na Escola Técnica Pandiá Calógeras. Ingres-sou na UNIFEI em 2012 no curso de Engenharia Elétrica. Foi aluno de Iniciação Científica pela CA-PES.