Claiton Pereira Colvero
ANÁLISE EXPERIMENTAL DE SISTEMAS DE
COMUNICAÇÕES ÓPTICAS NO ESPAÇO LIVRE EM
DIFERENTES COMPRIMENTOS DE ONDA
Tese de Doutorado
Tese apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Doutor pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da PUC-Rio.
Orientador: Jean Pierre von der Weid
Rio de Janeiro, 05 de agosto de 2005
Claiton Pereira Colvero
ANÁLISE EXPERIMENTAL DE SISTEMAS DE
COMUNICAÇÕES ÓPTICAS NO ESPAÇO LIVRE EM
DIFERENTES COMPRIMENTOS DE ONDA
Tese apresentada como requisito parcial para obtenção do título de Doutor pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da PUC-Rio. Aprovada pela Comissão Examinadora abaixo assinada.
Jean Pierre von der Weid
Orientador - PUC-Rio
Alexandre de Oliveira Dal Forno
UERJ
Erasmus Couto Brazil de Miranda
UCP
Rogério Passy
MLS
Luiz Alencar Reis da Silva Mello
PUC-Rio
Maria Cristina Ribeiro Carvalho
PUC-Rio
José Eugenio Leal
Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico - PUC-Rio Rio de Janeiro, 05 de agosto de 2005
Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, do autor e do orientador.
Claiton Pereira Colvero
Graduou-se em Engenharia Elétrica, em 1998,
pela UNIJUÍ - Universidade Regional do
Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul, e em 1999 fixou-se no Centro de Estudos em Telecomunicações da Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Em 2001 concluiu seu Mestrado e iniciou seu Doutorado, desenvolvendo pesquisas na área de metrologia óptica aplicada aos sistemas de transmissões ópticas no espaço livre.
Ficha Catalográfica Colvero, Claiton Pereira
Análise experimental de sistemas de comunicações ópticas no espaço livre em diferentes comprimentos de onda / Claiton Pereira Colvero; orientador: Jean Pierre von der Weid. – Rio de Janeiro: PUC, Departamento de Engenharia Elétrica, 2005.
165 f. ; 30 cm
Tese (doutorado) – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Elétrica.
Inclui referências bibliográficas.
1. Engenharia elétrica – Teses. 2. Atenuação;. 3. FSO. 4. Espalhamento. 5. Absorção. 6. Cintilação. 7. Propagação de sinais. 8. Infravermelho distante. 9. Óptica. 10. MODTRAN. I.
Weid, Jean Pierre von der. II. Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Elétrica. III. Título.
CDD: 621.3
À minha esposa Eliana e meu filho Gabriel
Agradecimentos
Ao Professor e Orientador Jean Pierre von der Weid, pelo apoio técnico-científico para a execução deste trabalho e pelos ensinamentos pessoais e profissionais compartilhados no decorrer deste período.
A minha esposa Eliana e meu filho Gabriel, pela compreensão, apoio e amor dedicados até hoje para a conquista de nossos ideais.
Aos meus pais Amauri e Teresinha Colvero, pelo apoio neste período e pelos alicerces de minha vida pessoal e profissional.
Aos meus irmãos Anderson e Fabrício Colvero, pela amizade e colaboração. Ao meu companheiro de trabalho, Cap. Mauro Cordeiro, que sempre esteve presente na realização e implementação dos experimentos, mesmo nas condições mais adversas, e aos demais colegas de laboratório, Linares, Bessa, Márcia, Giancarlo, Djeisson, Guilherme, Breno, Janaína, Marçal, Felipe Tonhão e Felipe Forte e Amália, que tiveram igual importância na execução deste projeto.
Aos componentes da Banca Examinadora, pela presença, discussões e sugestões pertinentes propostas.
Aos demais Professores, colaboradores e funcionários do CETUC – PUC-Rio, pelos ensinamentos e auxílios prestados no decorrer da tese.
A Ericsson e ao CNPq pelo suporte financeiro.
Ao Setor de Engenharia da Rede TVE Brasil e a Divisão de Manutenção Eletrônica de FURNAS Centrais Elétricas S/A, pelo pleno suporte na utilização das instalações no morro do Sumaré para a realização dos experimentos.
A todos aqueles que de um modo geral tenham colaborado para alcançar este objetivo.
Resumo
Colvero, Claiton Pereira; Weid, Jean Pierre von der (Orientador). Análise
Experimental de Sistemas de Comunicações Ópticas no Espaço Livre em diferentes Comprimentos de Onda. Rio de Janeiro, 2005. 166 p.
Tese de Doutorado - Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
Atualmente tem se observado um significativo crescimento da utilização de redes de comunicações ópticas urbanas, devido a alta velocidade e confiabilidade em relação aos cabos metálicos. Com a grande aceitação deste tipo de comunicação e a grande complexidade da instalação em áreas urbanas, surgiram novas propostas de transmissão óptica utilizando a propagação dos sinais ópticos no espaço livre, conhecidos como sistemas FSO, com performance similar, mas de custo de instalação e prazo de execução relativamente menores. Como o sinal não se encontra mais confinado dentro de uma fibra óptica, vários fatores antes desconsiderados começam a ter importância fundamental na qualidade da transmissão, como vibrações, cintilações, dilatações e demais efeitos atmosféricos naturais e meteorológicos. Nesta tese propomos uma análise detalhada teórica e experimental da viabilidade destes sistemas de comunicações ópticas em diferentes condições meteorológicas através da análise comparativa de três enlaces de diferentes janelas de propagação da atmosfera, sendo uma logo acima do visível, operando em 780 nm, uma no infravermelho próximo, no comprimento de onda comercial de 1550 nm e uma nova para esta aplicação situada no infravermelho distante, com comprimento de onda de 9100 nm. A melhor performance comprovada do enlace de 9100 nm em relação aos outros propõe a exploração e o desenvolvimento desta nova opção.
Palavras-chave
Atenuação; FSO; Espalhamento; Absorção; Cintilação; Propagação de Sinais; Infravermelho distante; Óptica; MODTRAN.
Abstract
Colvero, Claiton Pereira; Weid, Jean Pierre von der (Advisor).
Experimental Analysis of Free Space Optics Communications Systems in Different Wavelengths. Rio de Janeiro, 2005. 166 p. Dsc. Thesis -
Departamento de Engenharia Elétrica, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.
An increasing use of optical network communications has been recently observed in urban areas because of the high bit rates and reliability when compared to metallic cables. Saturation cable facilities and spectral availability for RF transmission in urban areas imposes new proposals for optical transmissions. Free space optical communication, called FSO, with similar performance of guided optics, appears to be an interesting option due to its relatively low installation costs as well as fast implementation time. However, as the signal is not confined in the optical fiber anymore, several factors that were not taken account before must now be considered. Among those, vibration, scintillation, thermal expansion and meteorological effects, are essential to reach high quality transmission levels. In this work, we propose a theoretical and experimental analysis of the viability of this kind of optical communication systems for different meteorological conditions through the comparison of three links in distinct atmospheric propagation windows: first at 780 nm (near visible wavelength), second at commercial wavelength of 1550 nm (near infrared) and the last, new for this application, at 9100 nm (far infrared). The best demonstrated performance was 9100 nm link indicating that this technology merits a development effort towards commercial systems due to its clear advantages in harsh atmospheric conditions.
Keywords
Attenuation; FSO; Scattering; Absorption; Scintillation; Signal Propagation; Far-Infrared; Optics; MODTRAN.
Sumário
1 Introdução 18
2 Fundamentos do FSO 20
2.1. Introdução aos Sistemas FSO 20
2.1.1. Tipos de Fontes Transmissoras 22
2.1.2. Laser Quântico em Cascata (QCL) 27
2.1.2.1. Princípio de Funcionamento dos Lasers Quânticos em
Cascata 28
2.1.3. Tipos de Detectores 30
2.1.3.1. Fotodetectores PIN 31
2.1.3.2. Fotodetectores Tipo Avalanche 31
2.1.3.3. Detectores Térmicos 32
2.1.3.4. Detectores Fotovoltaicos Termoeletricamente Refrigerados 33 2.1.3.5. Fotodetectores do Infravermelho com Poços Quânticos
(QWIP) e Pontos Quânticos (QDIP) 34
2.1.4. Meio de Transmissão 36
2.2. Princípios do FSO 38
2.2.1. Topologias e Geometria dos sistemas 41
2.2.2. Princípios da Detecção de Sinais Transmitidos 50
2.3. Perdas dos Sistemas FSO 53
2.3.1. Perdas Ópticas 53 2.3.2. Perdas Geométricas 54 2.4. Atmosfera 56 2.4.1. Absorção Atmosférica 57 2.4.2. Espalhamento Atmosférico 60 2.4.2.1. Espalhamento Rayleigh 61 2.4.2.2. Espalhamento Mie 62
2.4.2.3. Espalhamento Não-Seletivo ou Geométrico 63
2.4.2.4. Turbulência 64
2.4.2.5. Cintilação 65
2.4.2.6. Deslocamento do Feixe 67
2.4.2.7. Abertura do Feixe 67
3 Condições Atmosféricas e Segurança 68
3.1. Chuva 68 3.2. Nevoeiro e Poluição 69 3.3. Nuvens 76 3.4. Neve 81 3.5. Modelamento Atmosférico 81 3.5.1. MODTRAN 83
3.5.2. Simulações de Nevoeiros e Neblina 84
3.5.3. Simulações de Chuva 90
3.6. Visibilidade 95
3.7. Outros Fatores que afetam o FSO 96
3.8. Segurança 97
3.8.1. Cuidados com os olhos 97
3.8.2. Efeitos do Laser nos Tecidos 101
4 Desenvolvimento do experimento 103
4.1. Projetando um Sistema FSO 103
4.1.1. Definição dos Comprimentos de Onda 104
4.1.2. Dispositivos e Materiais Selecionados 105
4.1.3. Projeto de um Conjunto de detectores de Monitoramento do Feixe 107
4.2. Simulando os Sistemas FSO Propostos 108
4.2.1. Desenvolvimento do Software de Simulação 111
4.3. Instalação dos Enlaces 112
4.3.1. Ruído de Vibração 113
4.3.2. Contaminação das Lentes 116
4.3.3. Análise do comportamento espacial do Feixe 118
4.4. Estação Meteorológica 121
4.5. Teoria da Visibilidade 122
4.5.1. Relação de Koschmieder 124
4.5.2. Proposta para Medida da Visibilidade para um Sistema FSO 124
4.6. Ambientes Agressivos 126
5 Resultados Experimentais 130
5.1. Efeitos da Cintilação 130
5.2. Análise da Propagação através de Nevoeiro e Neblina 135
5.2.1. Resultados Experimentais de Nevoeiro e Neblina 136
5.3. Análise da Propagação através de Chuva 143
5.3.1. Resultados Experimentais de Chuva 145
6 Conclusão 157
7 Referências bibliográficas 159
Lista de figuras
Figura 1 - Três processos fundamentais ocorrendo entre dois níveis de energia em um átomo: (a) Absorção; (b) Emissão espontânea e
(c) Emissão estimulada 23
Figura 2 – Dispositivo Laser de heterojunção 25
Figura 3 – Comprimentos de onda gerados com Lasers Quânticos
em Cascata 28
Figura 4 – Princípio de cascateamento de poços quânticos 29
Figura 5 – (a) Transição Convencional e (b) Transição Intersub-
banda 29 Figura 6 – Comprimentos de onda disponíveis com dispositivos
QCL 30
Figura 7 – Funcionamento de um fotodetector PIN 31
Figura 8 - Funcionamento de um fotodetector avalanche 32
Figura 9 – Espectros típicos das detectividades de detectores fotovoltaicos termo refrigerados otimizados para diferentes
comprimentos de onda 34
Figura 11 – Espectro da emissão de radiação de corpos negros - lei
de Planck 39 Figura 12 – Convenção de sinais para utilização na simulação, a
localização do objeto e da imagem são relativos aos pontos focais
anterior e posterior 41
Figura 13 – Abertura numérica (NA) e número-f 43 Figura 14 – Refração da luz segundo a lei de Snell 45
Figura 15 – Aberração esférica para uma lente plano-convexa 47
Figura 16 – Aberrações de lentes para conjugado infinito em função
da forma 48
Figura 17 – Curva típica da transmissão do espectro infravermelho
em lentes ZnSe 49
Figura 18 – Relação da largura de banda de um dispositivo 51
Figura 19 – Ruídos de um fotocondutor 52
Figura 20 – Espectro de ruído de um detector fotovoltaico 53 Figura 21 – Diâmetro do feixe projetado para divergência angular
de 2 mrad 55 Figura 22 – Transmitância da atmosfera medida a 1820m do nível
do mar 58
Figura 23 – Transmissão em função do comprimento de onda em
ambientes de aerossóis urbanos (visibilidade – 5 Km) 58 Figura 24 - Transmissão em função do comprimento de onda em
ambiente com vapor d’água 59
Figura 25 – Transmissão em função do comprimento de onda em
ambientes de dióxido de carbono 59
Figura 26 - Transmissão em função do comprimento de onda apenas
com aerossóis 60
Figura 27 – Espalhamento Rayleigh da secção transversal nos
comprimentos de onda do infravermelho próximo 62
Figura 28 – Transmissão atmosférica com nevoeiro radiativo de
média densidade, visibilidade de 100 m em um enlace com 50 m 75
Figura 29 – Transmissão atmosférica com nevoeiro de advecção de
média densidade, visibilidade de 100 m em um enlace com 50 m 75
Figura 30 – Classificação dos tipos básicos de nuvens na atmosfera 81 Figura 31 – Exemplo de cálculo do MODTRAN para a atenuação
total da atmosfera para diferentes comprimentos de onda em
condições de nevoeiro de advecção 85
Figura 32 – Atenuação por espalhamento Mie em dB/km para várias
distribuições de nevoeiro 86
Figura 33 – Exemplo do espalhamento da seção transversal em função do comprimento de onda para partículas de raio médio de 5
mícrons 87 Figura 34 – Exemplo de concentração típica de partículas sob
nevoeiro em regiões marítimas e continentais 87
Figura 35 – Atenuações por espalhamentos correlacionados pelo tamanho médio das partículas e comprimento de onda do sinal
(r2*Qscatt(x)) versus o diâmetro médio das partículas 2r 88
Figura 36 – Atenuação através do (a) Nevoeiro Seletivo e
(b) Nevoeiro Estável 89
Figura 37 – Simulação da atenuação dos sinais ópticos no
infravermelho provocado por chuva, demonstrando o espalhamento
não-seletivo, independente do comprimento de onda do sinal 93
Figura 38 – Atenuação por chuva em diferentes comprimentos de
onda e diferentes taxas de precipitação 93
Figura 39 – Atenuação atmosférica em função do comprimento de onda do sinal e da intensidade média do nevoeiro (superior) e chuva (inferior), onde nota-se no caso da chuva, assim como em microondas, uma dependência da atenuação com o comprimento de onda transmitido, principalmente em condições de chuva mais
forte 94 Figura 40 – Características de transmissão e absorção do olho
humano para o espectro do visível até o início do infravermelho
próximo, onde a radiação é focalizada na retina 98
Figura 41 – Características de transmissão e absorção do olho humano para o espectro do infravermelho próximo, médio e
distante, onde a radiação não é focalizada na retina 99
Figura 42 – Janelas de transmissão em função do comprimento de
onda 104 Figura 43 – Espectro de transmissão em função do comprimento de
onda das lentes selecionadas: (a) Borosilicato, (b) Germânio e (c)
Seleneto de Zinco 106
Figura 44 – Disposição dos oito canhões detectores do Array de
monitoramento 108 Figura 47 – (a) Análise FFT do sinal recebido com intensa vibração
em diferentes dias e horários e (b) Apresentação do problema com
a mola do conector 115
Figura 48 – (a) Análise FFT do sinal recebido com a correção da vibração em diferentes dias e horários e (b) Solução do problema
com a mola do conector 115
Figura 49 – Contaminação das lentes por respingos de chuva, o tempo de recuperação após a chuva é longo e compromete a
estatística do sinal médio até que a lente esteja seca totalmente 117
Figura 50 – Proteção contra os respingos das gotas de chuva 118
Figura 51 – Variação do tamanho da mancha no receptor por mudança da temperatura ambiente, apresentando variação
semelhante em todos canhões do array 119 Figura 52 – Compensador mecânico para a dilatação dos canhões
transceptores 120 Figura 53 – Estação Meteorológica instalada e utilizada no
experimento 122
Figura 54 – Montagem característica para medição de visibilidade 125
Figura 55 – Opacidade total das lentes pela contaminação por partículas em suspensão na atmosfera e oxidação acentuada dos materiais metálicos mesmo galvanizados expostos ao ambiente e a
condições de grande presença de radiofreqüências 129
Figura 56 – Representação dos efeitos temporal e espacial da turbulência no feixe transmitido, causando flutuações na potência
óptica recebida 131
Figura 57 – Demonstração do efeito “aliasing” no domínio do tempo 133 Figura 58 – Distribuições das potências ópticas recebidas
normalizadas devido as flutuações espaciais e temporais dos feixes transmitidos nos três comprimentos de onda dos enlaces sob condições de: (a) Dia limpo e claro; (b) Nevoeiro moderado
e denso e (c) Chuva forte e pesada 134
Figura 59 – Esquema da montagem estrutural dos sistemas FSO
experimentais 136 Figura 60 – Exemplos de diferentes condições de visibilidades
dos enlaces instalados para esta medida: (a) Tempo claro, com visibilidade maior que 20 Km, (b) Nevoeiro moderado, com visibilidade de 500 m, (c) Nevoeiro pesado, com visibilidade de 75 m (tamanho dos enlaces) e (d) Nevoeiro denso, com
visibilidade menor que 25 m 137
Figura 61 – Exemplo de correlação dos sinais ópticos recebidos e
da visibilidade 138
Figura 62 – Gráfico experimental que demonstra a comparação das potências ópticas recebidas em diferentes comprimentos de
onda com a visibilidade do meio em tempo real 139
Figura 63 - Gráfico experimental que demonstra a comparação das potências ópticas recebidas em diferentes comprimentos de onda com a visibilidade do meio em tempo real com média para
minimizar os ruídos de cintilação 140
Figura 64 – Número de pontos amostrados para cada condição de
visibilidade medida 141
Figura 65 - Distribuições das potências ópticas recebidas
simultaneamente normalizadas para diferentes comprimentos de
onda de acordo com a distribuição da visibilidade da figura 64 142
Figura 67 – Exemplo de medida da propagação dos sinais ópticos sob condições de chuva, onde observa-se uma grande variação dos valores medidos das atenuações dos enlaces em todos os
comprimentos de onda para as mesmas taxas de precipitação 146
Figura 68 – Distribuições de chuva observadas com o auxilio de um feixe laser de alta potência em paralelo com os enlace, no caso (a) com chuva fraca e gotas pequenas, no (b) com chuva fraca e gotas grossas, no (c) com chuva forte e gotas pequenas e (d) com chuva fraca, gotas finas e partículas diferentes de chuva
em suspensão 148
Figura 69 – Exemplo de distribuição das gotas de chuva aquisitadas em tempo real com as medidas em alta resolução e velocidade de obturação de 1/180 segundos, em evidência uma gota de 330
mícrons de diâmetro riscando a sua trajetória na foto 148
Figura 70 – Número médio de gotas estimado para a distribuição de Weibull em função da variação do diâmetro das gotas para
diferentes taxas de precipitação [59] 150
Figura 71 – Atenuação teórica em 1550 nm para diferentes taxas de precipitação em função de distribuições puras de gotas de chuva
de diâmetros de 25 mícrons até 3,6 mm 151 Figura 72 – Comparação da atenuação do sinal óptico em 1550
nm para diversas taxas de precipitação com distribuições puras de diferentes diâmetros de gotas de chuva e a recomendação proposta
com a eq. (68) 152
Figura 73 – Comparação entre a curva teórica de atenuação média em função da taxa de precipitação e os resultados experimentais
em diferentes comprimentos de onda 153
Figura 74 – Diferentes distribuições das gotas de chuva para uma mesma taxa de precipitação de 14 mm/h, com (a) diâmetros médios abaixo de 300 mícrons e (b) com diâmetros médios maiores que
estas dimensões 154
Figura 75 – Distribuições das gotas de chuva apresentadas nas
fotos da figura 74 155
Figura 76 – Comparação dos resultados experimentais com as
diferentes simulações para os casos (a) e (b) da figura 75 156
Lista de tabelas
Tabela 1 – Códigos de visibilidade internacional para as condições do
tempo e precipitação 70
Tabela 2 – Classificação internacional de visibilidade para diferentes
nebulosidades 74
Tabela 3 – Classificação dos tipos básicos de nuvens 77
Tabela 4 – Velocidade das gotas da chuva em função do seu
diâmetro médio 92
Tabela 5 – Disponibilidade dos canais de diferentes comprimentos
de onda para uma margem de potência de 10 dB 142 Tabela 6 – Comparação das diferentes simulações de atenuação
por chuva com a taxa de precipitação real medida de 14 mm/h e
os resultados experimentais 155
