Comunicações Ópticas

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Comunicações Ópticas

Abel Costa Abel Costa FEUP (DEEC) FEUP (DEEC)

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Introdução: Sistemas de Comunicação por Fibra Óptica

 Perspectiva histórica

 Espectro electromagnético e comprimento de onda da luz

 Vantagens e desvantagens da fibra óptica como meio de transmissão  Elementos de um sistema de comunicação por fibra óptica

 Transmissão de informação por sinais ópticos  Evolução dos sistemas por fibra óptica  Redes de fibra óptica

Fibras Ópticas: Estruturas e Teoria de Propagação

 A natureza da luz

 Definições e leis básicas da óptica

 Estruturas e análise de raios e modos em fibras ópticas  Teoria electromagnética em guias de onda cilíndricos  Fibras monomodo

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 Atenuação  Dispersão

 Não-linearidades da fibra óptica

Fibras Ópticas: Materiais e Técnicas de Fabrico, e Cabos Ópticos

 Materiais e técnicas de fabrico

 Cabos ópticos

Ligação de Fibras Ópticas

 Juntas

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 “Optical fiber communications”, Gerd Keiser, 3ª edição, McGraw-Hill (2000);  “Optical fiber communications”, John Senior, 2ª edição, Prentice-Hall (1992);

Bibliografia complementar:

Nível básico

 “Understanding fiber optics”, Jeff Hecht, 4ª edição, Prentice-Hall (2002)

Nível avançado

 “Fiber-optic Communication Systems”, Govind Agrawal, 2ª edição, John Wiley

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Avaliação distribuída

Componentes de avaliação:

Trabalhos práticos: 4 valores

¾ Relatórios: 75%

¾ Desempenho: 25%

¾ Data limite de entrega: semana de 26 Maio

Monografia: 6 valores

¾ Parte escrita: 70%

¾ Parte oral (apresentação): 30%

¾ Data limite de entrega: dia 26 de Maio

¾ Data da apresentação oral: semana de 26 de Maio (data a combinar)

¾ Prazo limite para escolha dos temas: 28 de Março

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Introdução: Sistemas de Comunicação por Fibra Óptica

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Perspectiva histórica

 A luz tem sido usada em sistemas de comunicação em linha de vista desde a

Antiguidade

 Avanços importantes para este tipo de sistemas ocorreram nos finais do séc. XVIII

início do séc. XIX

 Transmissão guiada de luz por fibras ópticas tornou-se realidade no início da

década de 1970

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Abel Costa

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Sistemas de comunicação óptica em linha de vista

 1791: Telégrafo óptico de Chappe

Claude Chappe demonstrou um sistema de sinalização baseado num par de braços de madeira, móveis, instalados no alto de torres localizadas no topo de montes ou colinas  1869: Heliógrafo de espelhos de Mance

Adaptado por Henry C. Mance, a partir do heliógrafo inventado por Gauss em 1810, o sistema era constituído por um obturador e dois espelhos: um para colectar a luz solar e o outro para direccionar o feixe de luz. Usado pelos ingleses na Índia até 1890.  1880: Fotofone de Bell

Aparelho construído por Alexander Bell, onde um feixe de luz modulado pela voz do utilizador era usado para comunicação com o receptor, onde uma célula de selénio convertia os sinais ópticos em eléctricos para posterior processamento.

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 Telégrafo óptico de Chappe

1ª Linha a entrar em funcionamento: Paris ↔ Lille

Por decreto de 4 de Agosto de 1793, é decidido a construção desta ligação. Os primeiros ensaios de campo têm lugar em Abril de 1794, sendo a abertura oficial em Julho desse ano. A linha era composta de 15 estações de retransmissão.

Em 30 de Agosto de 1794, entre as 15h20m e as 15h50m foi comunicado à Convenção (governo da altura) que o exército francês tinha retomado a cidade de Condé-sur-l’Escaut aos austríacos. Demorou cerca de 30 m a receber a boa nova!!! Foi a prova definitiva da validade do telégrafo de Chappe, marcando o início da sua implementação em larga escala.

Em meados do séc. XIX, a rede englobava mais de 5000 km de extensão, interligando 29 cidades, e compreendendo 534 estações centralizadas em Paris. O seu declínio deve-se ao aparecimento do telégrafo eléctrico, inventado por Morse (1838).

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Heliógrafo de Heliógrafo de ManceMance

Demonstrou a sua utilidade nas guerras Anglo-Afegãs, na Índia, nos finais do séc. XIX, e na guerra dos Boers, na África do Sul, no mesmo período.

O decréscimo progressivo da sua utilização foi também devido à crescente implantação do telégrafo de Morse. Todavia, mesmo na II Guerra Mundial, tropas canadianas ainda usaram variantes avançadas deste sistema dada a sua fiabilidade, portabilidade e segurança inerente na transmissão de mensagens.

Deve-se mencionar que, ainda hoje em dia, em navios e aeroportos, variantes quer do telégrafo de Chappe quer do heliógrafo de Mance ainda são utilizadas.

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Abel Costa

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Transmissão guiada de luzTransmissão guiada de luz

 1841: A experiência de Colladon

Daniel Colladon, um físico suíço, demonstrou nas suas exposições que a luz pode ser guiada no interior de um jacto de água curvo

 1880: Sistema de iluminação de Wheeler

William Wheeler, um engenheiro hidráulico, idealizou um sistema para iluminação de casas a partir de uma única fonte de luz usando canos com espelhos. A ideia falhou.

 1966: Proposta de guias de onda em vidro com baixas perdas

Charles Kao e George Hockham concluiram que as perdas no vidro eram devidas a impurezas; previram que a transmissão de luz era possível se fibras ópticas de vidro altamente puro fossem fabricadas.

 1972: Primeira fibra óptica com atenuação inferior a 20 dB/km

Robert Maurer, Donald Keck e Peter Schultz da Corning Glass Inc., USA, fabricaram a primeira fibra com baixa atenuação.

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Espectro electromagnético usado em comunicações

A invenção do telégrafo por Morse em 1838 deu origem à era das comunicações eléctricas.

Dado que a quantidade de informação que pode ser transmitida está directamente relacionada com a frequência da portadora, na qual a informação é impressa, então um aumento da sua frequência implica, em teoria, um aumento da largura de banda de transmissão e, em consequência, uma maior capacidade de transmitir informação. Assim, a tendência em sistemas de comunicação é o uso de frequências cada vez mais elevadas (ou, equivalentemente, de comprimentos de onda mais curtos).

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Espectro da luz e comprimento de onda

 Comprimento de onda da luz:

λ

¾ A luz pode ser caracterizada em termos do seu comprimento de onda ¾ Análogo à caracterização de um sinal rádio pela sua frequência ¾ Expressa-se em mícrons (µm) ou nanómetros (nm)

 Espectro da luz vísível vai desde o ultra-violeta (UV) ao infra-vermelho (IV)  Sistemas de fibra óptica operam em três zonas do IV: ~820, ~1310 e ~1550 nm

¾ Estas zonas designam-se por janelas

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Luz visível

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Vantagens da fibra óptica como meio de transmissão:

 Grande largura de banda

 Baixa atenuação

 Tamanho e peso reduzido

 Imunidade a interferências electromagnéticas  Isolamento eléctrico

 Fiabilidade e facilidade de manutenção

 Matéria-prima abundante e potencial baixo custo

- Enorme largura de banda: a gama de de frequências da portadora óptica de 1013_{a 10}16_{Hz resulta num}

potencial de largura de banda excedendo, em várias ordens de grandeza, as de condutores metálicos e mesmo de ondas rádio milimétricas. Apresenta larguras de banda teóricas da ordem de 50 THz, as quais no momento estão longe de serem alcançadas;

- Baixa atenuação: os cabos de fibra óptica, fabricados hoje em dia, apresentam fibras com pequena

atenuação (baixas perdas) quando comparada com meios de transmissão convencionais (cabos metálicos, microondas, etc). Tal permite cobrir distâncias de transmissão elevadas (da ordem das centenas de

quilómetros) sem o auxílio de repetidores ou amplificadores, reduzindo assim os custos e a complexidade do sistema;

- Tamanho e peso reduzido: o baixo peso e reduzidas dimensões das fibras ópticas (da ordem de um cabelo

humano) são uma vantagem considerável sobre os cabos metálicos. Tal é importante em condutas saturadas nos grandes centros urbanos, bem como em aviões, navios e satélites;

- Imunidade a interferências electromagnéticas: deriva de ser um meio dieléctrico, donde ser imune a

“crosstalk”, descargas eléctricas (naturais, como relâmpagos, ou provocadas pelo homem) e ruído impulsivo (accionamento de interruptores, de motores, etc), o que tem particular interesse em aplicações militares;

- Isolamento eléctrico: dado serem constituídas por vidro, o qual é um material isolador eléctrico, não é

necessário cuidados com malhas de terra, curto-circuitos, etc.

- Segurança e privacidade : dado ser um guia de onda em que o sinal óptico é fortemente confinado no

interior da sua estrutura, tem inerente um grau de segurança elevado. Por outro lado, a sua intrusão para fins de escuta é difícil e de detecção relativamente fácil, o que garante a privacidade e aumenta a segurança;

- Fiabilidade e facilidade de manutenção: resulta essencialmente da sua baixa atenuação, o que implica

menos repetidores ou amplificadores ao longo do sistema, logo maior fiabilidade do mesmo. Além do mais, os dispositivos ópticos apresentam, hoje em dia, tempos de vida médios de 20 a 30 anos;

- Matéria-prima abundante e potencial baixo custo: resulta do facto de a sílica ser a principal

matéria-prima de que é fabricada a fibra óptica. Ora, a sílica é extraída da vulgar areia, material abundante e barato. Todavia, o seu processo de fabrico é bastante complexo, logo muito oneroso, e o custo dos componentes activos é elevado, o que torna os sistemas por fibras ópticas apenas competitivos ou mandatórios apenas em aplicações específicas; é o caso de transmissão a longa distância, sistemas de muito alto débito, sistemas de comunicação em ambientes adversos, etc.

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Desvantagens da fibra óptica como meio de transmissão:

 Junção de fibras pode ser mais difícil e oneroso

 Robustez da fibra, do ponto de vista mecânico, inferior à dos fios de cobre  Potência limitada das fontes ópticas, o que condiciona a distância coberta  Inadequação a códigos ternários, i.e., a luz não pode ter valores negativos

 Adaptação complexa a sistemas de múltiplo acesso, limitando o seu uso, por

exemplo, em LANs

 Susceptíveis a níveis elevados de ionização  Incapacidade de transportar energia eléctrica

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Elementos de um sistema de comunicação

Message Source Transmitter Transmission Channel Receiver Message Destination

A figura representa os elementos fundamentais de um sistema de comunicação:

- Fonte da informação: origem das mensagens a transmitir;

- Transmissor: tem como função converter as mensagens num formato adequado às características do meio (ou canal) de transmissão;

- Meio de transmissão: é o meio físico que interliga a origem com o destino, ou seja, faz a ligação entre o transmissor e o receptor; pode ser classificado como guiado ou

não-guiado;

- Receptor: tem a função de extrair do sinal vindo do meio, possivelmente atenuado e distorcido, a informação transmitida, reconvertendo-a, com o máximo de fidelidade, nas mensagens originais para serem entregues ao seu destino.

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Elementos de um sistema de comunicação por fibra óptica

Os elementos básicos de um sistema de comunicação por fibra óptica são:

- Transmissor óptico: consiste na fonte de luz (LED ou LD) e circuito de modulação associado; - Cabo de fibras ópticas: é o cabo que contém as fibras ópticas, garantindo a sua protecção mecânica e

ambiental;

- Receptor óptico: consiste de um fotodetector (PIN ou APD) mais circuito de amplificação, decisão e

regeneração do sinal.

- Juntas e conectores ópticos: a fibra é instalada em troços, sendo necessário a sua união quer através

de juntas quer de conectores. As juntas são uniões permanentes, enquanto os conectores podem ser temporários ou semi-permanentes.

Componentes adicionais incluem: acopladores ou divisores ópticos; multiplexadores/desmultiplexadores ópticos; amplificadores ópticos; etc.

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Projecção do volume de negócios de componentes para sistemas por

fibra

óptica

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Abel Costa

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Evolução de 5 gerações de sistemas por fibra óptica

A figura mostra a evolução dos sistemas de fibras ópticas, os quais com base nas suas características (tipo de fibra, janela de transmissão, tipo de dispositivos activos, etc) são, em geral, classificados em cinco gerações, tendo por base desta classificação o parâmetro “taxa de transmissão em Gbit/s x distância de transmissão (1

km)”.

De notar que o desenvolvimento de novas tecnologias e progressos em cada geração implica sistemas de maior capacidade de transmissão de informação.

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Transmissão de informação por sinais ópticos

Como se transmite a informação usando luz?

 Ao invés de sistemas eléctricos, a luz não tem níveis negativos

 Formato tradicional involve “ligar/desligar” (on/off) a fonte óptica para

representar sinais binários “1/0” → designa-se por modulamodulaçção de intensidadeão de intensidade

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Modulação

SINAL ANALÓGICO SINAL DIGITAL PORTADORA MODULADA Modulação em Amplitude AMPLITUDE FREQUÊNCIA (CICLOS/SEGUNDO) PORTADORA DE SINAL NÃO MODULADA

SINAL DIGITAL SINAL ANALÓGICO Modulação em Frequência 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 Modulação em Fase Modulação

Quando um sinal, representando uma mensagem, é impresso ou modulado numa portadora, esta é alterada de modo a representar a mensagem que se quer transmitir.

Métodos, bem conhecidos, usados para a modulação de um sinal numa portadora são a modulação em frequência e amplitude (figura acima):

Modulação em amplitude - a amplitude da portadora é alterada de modo a estar de acordo com o sinal em

banda base, mantendo-se constante a frequência da portadora.

Modulação em frequência - neste caso, é a frequência da portadora a ser alterada para reflectir a mensagem,

enquanto que a amplitude da portadora é mantida constante.

Modulação de fase - é um outro método de modulação, onde a fase da portadora é modificada, afectando a

sua frequência enquanto que a amplitude permanece constante.

Da figura podemos ver também que sinais digitais podem modular a portadora. No caso de canais analógicos, a palavra-chave é "modulação", representada pelo M maiúsculo nas siglas AM, FM e PM (do inglês

"Amplitude Modulation", "Frequency Modulation" e "Phase Modulation"). No caso de sinais digitais, a norma é adicionar as letras "SK", de "-shift keying" como em ASK, FSK e PSK. Neste caso representa comutar, alterar (em inglês, "keying") de um dado valor para um outro, seja em amplitude, frequência ou fase, respectivamente.

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Modulação em intensidade

 O formato de modulação mais comum em sistemas por fibra óptica

 Pode ser implementada quer ao nível eléctrico quer ao nível óptico

 Sistemas integrados de modulação com LEDs ou LASERs bem desenvolvidos

 Desenho do receptor relativamente simples

Modulação em intensidade Modulação em intensidade NÍVEL 2 NIVEL 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 Sinal eléctrico Sinal óptico

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Modulação coerente

 Sistemas de modulação em banda de canal, tais como ASK, FSK ou PSK

 Implementação eléctrica ou óptica, dependendo do tipo de modulação

 Receptores bastante mais complexos

 Melhor sensibilidade do receptor → menor potência óptica requerida

 Selecção do canal possível no receptor

Sinal eléctrico

Sinal óptico FSK

Modulação coerente

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Configurações básicas de receptores ópticos

Amplificador de Frequência Intermédia (IF)

Equalisador

Oscilador Local

Amplificador de Banda Base Pré-amplificador

Amplificador de Banda Base a) Receptor de Detecção Directa

b) Receptor Heterodino Entrada Saída Saída Saída f_LO= f_S f_S f_IF= | -f_LO| f_LO c) Receptor Homodino f_S f_S f_S Entrada Entrada Pré-amplificador Pré-amplificador Oscilador Local Equalisador

Amplificador de Banda Base Equalisador

O processo de detecção, usado nos receptores ópticos é chamado detecção directa. Conforme sabido, a detecção directa é basicamente um processo de contagem de fotões, onde cada fotão detectado é convertido numa corrente eléctrica. Este processo ignora a frequência e a fase da portadora óptica. Assim, para que a frequência ou a fase do sinal óptico sejam utilizadas pelo receptor, é necessário que haja algum

processamento antes da detecção pelo fotodíodo.

Foram desenvolvidas técnicas para melhorar a detecção óptica. A sua base teórica ultrapassa o âmbito desta disciplina; pode-se, no entanto, dizer que essas técnicas são análogas às que se aplicam nas comunicações de rádio.

O bloco básico para a implementação destas técnicas é um oscilador óptico local, ou seja, um díodo laser, cuja saída é "misturada" ("mixed") no receptor com o sinal óptico recebido, conforme se pode ver na figura acima. A detecção que utiliza desta forma um oscilador local é chamada detecção coerente.

Como se conclui da figura, os receptores ópticos podem ser classificados em três categorias básicas: ♦ receptores de detecção directa

♦ receptores heterodinos ♦ receptores homodinos

Num receptor de detecção directa (a) o sinal óptico é convertido directamente no sinal em banda base. Num receptor heterodino (b), o sinal recebido é misturado com o sinal do oscilador local, por vezes depois de amplificado. O sinal obtido da diferença das frequências, o chamado sinal de frequência intermédia (IF,

intermediate frequency), é então amplificado e detectado. Note que fIF=|fs-fLO|.

Num receptor homodino (c), a frequência do oscilador local, bem como a sua fase, são controladas de modo a que sejam sempre iguais à frequência e fase do sinal recebido.

A detecção coerente poderia potencialmente melhorar até 20 dB na sensibilidade do receptor, relativamente à detecção directa. Deste melhoramento na sensibilidade poderia resultar:

♦ aumento da distância entre repetidores

♦ maiores cadências de transmissão sobre as ligações existentes, sem reduzir a distância entre repetidores ♦ maior saldo de potência para compensar as perdas associadas com os acopladores e os dispositivos WDM

♦ melhor sensibilidade para os equipamentos de teste ópticos, tais como o reflectómetro óptico no domínio temporal (OTDR, "optical time domain reflectometer").

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Abel Costa

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Tipos de redes de comunicação

Uma grande variedade de redes de comunicação evoluíram, destancando-se algumas tais como:

Redes de longa distância (“trunk networks”) Redes metropolitanas

Redes de acesso Redes locais (“LANs”)

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Redes de longa distância

 Interligam grandes centros populacionais

 Distâncias involvidas são substanciais (> 100 km)

 Ligações troncas (“trunks”) quase exclusivamente em fibra óptica  Capacidade muito elevada → no mínimo vários Gbit/s

 Resiliência elevada

Cidade A

Cidade B

Cidade C

Cidade D

Ligação de alto débito (“trunk link”)

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Redes metropolitanas

 Confinadas a um único centro populacional / industrial  Distâncias envolvidas típicas da cidade (~ 10 km)

 Transmissões por ligações quase exclusivamente em fibra óptica  Capacidade elevada → até alguns Gbit/s

 Resiliência elevada

Nodos

Ligações troncas para outras redes metropolitanas

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Redes de distribuição e de acesso

 Fornecem serviços ao assinante  Dependendo do tipo de assinante,

as ligações são em fibra ou cobre (residenciais)

 Distâncias relativamente curtas  Capacidade média (até 1 Gbit/s)  Resiliência inexistente

Central telefónica

Armário de comunicações

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Redes de área local

–

LANs

 Curto alcance

 Em geral, são redes privativas

 Usam um misto de fibra – cobre, e possivelmente tecnologia sem fios  Débitos desde Mbit/s até alguns Gbit/s

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Redes (de Telecomunicações) Públicas

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Transmissão por fibra óptica na Rede Pública

 Fibra óptica implementada em larga escala nas redes de longa distância  Todos os sistemas usam fibra óptica monomodo

 Comprimentos de onda de operação em torno dos 1550 nm  Débitos por fibra da ordem de 10 Gbit/s ou superiores

 Multiplexagem no domínio óptico cada vez mais implementada ¾ Chamada de “DWDM – Dense Wavelength Division Multiplexing” ¾ Pode aumentar a capacidade da fibra 100x ou mais

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Tendências no desenvolvimento da Rede Pública

 Crescimento elevado na dimensão desta rede:

¾ Tipos de tráfego em expansão

¾ Débitos dos serviços suportados em contínuo aumento  Emergência de outros requisitos

¾ Troços com maior distância e sem regeneração

¾ Resiliência, robustez e sobrevivência da rede melhorada ¾ Expansibilidade

¾ Gestão, controlo e monitorização da rede potenciados  Extensão dos serviços de banda larga até à residência

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Crescimento a nível mundial do tráfego telefónico e IP

 Historicamente, o

tráfego duplicou a cada 30-40 meses

 Alimentado pela

Internet, o tráfego IP está a crescer a uma taxa extraordinária

 Nos USA, o tráfego de

dados já ultrapassou o telefónico em ligações troncas

Previsão do tráfego telefónico e IP a nível mundial

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Consequência do crescimento do tráfego: custos inferiores

 Custo médio de transferir 1 Terabyte de informação através da Rede Pública caiu

de cerca de 70 000 € em 1998 para um custo estimado de 300 € em 2003

¾ 1 Terabyte representa o conteúdo de cerca de 150 CD-ROMs

¾ Em 1998, custava cerca de 60 Euros para transferir o equivalente à informação contida num CD-ROM

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Débitos nornalizados para a Rede Pública

 Os débitos foram normalizados para:

¾ SONET: Synchronous Optical Network (América do Norte) ¾ SDH: Synchronous Digital Hierarchy (Europa e outras regiões)

 Débitos OC-x são uma sigla USA, débitos STM-x são uma sigla internacional

129024 129024 9,953 Gbit/s 9,953 Gbit/s OC OC--192 ou STM192 ou STM--6464 64512 64512 4,976 Gbit/s 4,976 Gbit/s OC OC--9696 32256 32256 2,488 Gbit/s 2,488 Gbit/s OC OC--48 ou STM48 ou STM--1616 24192 24192 1,866 Gbit/s 1,866 Gbit/s OC OC--3636 16128 16128 1,244 Gbit/s 1,244 Gbit/s OC OC--2424 12096 12096 933,12 Mbit/s 933,12 Mbit/s OC OC--1818 8064 8064 622,28 Mbit/s 622,28 Mbit/s OC OC--12 ou STM12 ou STM--44 6048 6048 466,56 Mbit/s 466,56 Mbit/s OC OC--99 2016 2016 155,52 Mbit/s 155,52 Mbit/s OC OC--3 ou STM3 ou STM--11 672 672 51,84 Mbit/s 51,84 Mbit/s OC-1 Nº canais de voz Nº canais de voz Débito Débito Desiganção Desiganção

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Redes de Área Local

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A fibra óptica em LANs

 Imediatamente atrás das Redes Públicas em termos do uso de fibra óptica

 A fibra é um meio de transmissão para LANs de banda larga, permitindo maiores

distâncias e maiores débitos

 A fibra limita a escolha da topologia da LAN, porque o componente óptico

equivalente ao derivador tem perdas muito superiores

 Um exemplo de sucesso de uma LAN por fibra óptica é a chamada “Fiber

Distributed Data Interface – FDDI”

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Aplicações da fibra óptica em edifícios

 A maioria da fibra é usada em “backbones” de edifício e de “campus” universitários/industriais  A cablagem horizontal é, no presente, em geral cobre podendo no entanto evoluir para fibra

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 Numa LAN baseada em cobre com

topologia em barramento, um simples conector BNC em T pode ser usado como derivador

¾ Permite um número relativamente elevado de nodos ou computadores

 O equivalente óptico mais aproximado é

o “divisor óptico” (“optical splitter”)

¾ Mas as perdas de potência óptica neste componente podem reduzir o número de nodos a < 10

 As LANs baseadas em fibra óptica

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Sistemas móveis de comunicação por fibra óptica

 Operam em ambientes diversos daqueles de sistemas fixos

 Fibras são usadas numa variedade de sistemas com aplicações civis ou militares  As fibras transportam sinais para veículos robóticos em terra, ar ou água  As fibras são usadas em mísseis tele-guiados para transmissão de imagens

 As fibras são usadas no interior de veículos, desde automóveis até navios de guerra,

passando por aviões e mesmo a Estação Espacial Internacional

 Vantagens da fibra neste tipo de sistemas: tamanho e peso reduzido, imunidade a

Comunicações Ópticas