6. Enlaces de ópticos

Fibras ópticas são materiais feitos de vidro (sílica) que carregam sinais de luz ao invés de sinais elétricos. A utilização de fibras ópticas para transmissão de dados veio da necessidade de se levar grandes volumes de informação em curtos espaços de tempo através de longas distâncias. Este tipo de cabeamento é muito utilizado em anéis baseados em tecnologia SDH (Subsíncronos Digital Hierarchy), anéis metroethernet ou mesmo no core de um grande datacenter, viabilizando o uso de tecnologias Gigabit Ethernet e 10 Gigabit Ethernet.

Figura 8 – Fibra óptica

Fonte: Wikipédia

• Principais vantagens

  • Altas taxas de transmissão, atualmente é possível transportar em fibras ópticas aproximadamente 40Gbps, sendo esta velocidade limitada apenas pelos equipamentos elétricos do sistema.

  • Baixa atenuação, tipicamente 0,2dB/Km para um comprimento de onda de 1550nm.

  • Cabos com pesos e dimensões reduzidas

  • Condutividade elétrica nula.

  • Imunidade a interferências eletromagnéticas.

  • Elevada qualidade de transmissão, sendo a taxa de erro de bit típica de 10-?, ou seja um bit errado a cada um 1 bilhão de bits.

  • Segurança e sigilo nas transmissões, uma vez que não é possível captar o sinal sem romper a fibra.

  • Matéria prima abundante. O silício (Si) é um dos elementos mais abundantes do planeta.

• Principais limitações

  • Fragilidade

  • Custo pode ser elevado quando comparado a outros meios de transmissão.

  • O fato de sua condutividade elétrica ser nula, impede o uso da fibra para transmissão de energia para repetidores e amplificadores ao longo do enlace.

  • Dificuldade de se fazer emendas e conectores.

  • Alto custo e complexidade para implantar e ampliar redes ópticas.

6.1 Diagrama em blocos de um enlace óptico

6.1.1 Multiplexador Elétrico

A figura 8 demonstra a topologia de um enlace óptico utilizando um multiplexador elétrico. Nesta topologia os sinais de diferentes fontes são combinados e multiplexados para só então serem convertidos em sinais ópticos.

Figura 9 – Topologia de um enlace óptico com mux elétrico

• MUX / DEMUX

  • Equipamento que recebe os sinais de diferentes fontes (radio, modem, roteador) e os codifica em um único canal de informação. Multiplexadores de sinais elétricos geralmente utilizam técnicas de multiplexação em frequência (FDM) e tempo (TDM). Este equipamento juntamente com os repetidores elétricos representam o gargalo para transmissão em fibras ópticas.

• Fonte óptica

  • Faz a conversão do sinal elétrico em sinal óptico, podendo utilizar LED ou LASER. A tabela demonstra as características de ambas as fontes.

  • Funcionam com os comprimentos de onda mais adequados para comunicações ópticas que são de 850nm, 1310nm e 1550nm.

  • Principais características são a potência de transmissão (dBm) e a largura espectral do pulso medida em nano metros (nm).

Característica	LED	LASER
Potência	~ -14dBm	1 dBm
Largura espectral	20 ~ 100 nm	0,05 ~ 1nm
Velocidade de Modulação	Média	Alta
Variações com Temperatura	Baixa sensibilidade	Alta sensibilidade
Vida útil	~10x maior que o laser	~10x menor que o LED
Ruído	Médio-Alto	Baixo
Custo	Baixo	Médio-Alto

• Repetidor

  • Corrige a atenuação sofrida pelo sinal óptico. Geralmente também possui um regenerador de forma de onda para um sinal digital ou um filtro para corrigir a forma de onda de um sinal analógico.

  • Existem dois tipos de repetidor, o repetidor elétrico e o repetidor óptico.

  • O repetidor elétrico trabalha apenas com sinais elétricos, sendo assim ele converte o sinal óptico em sinal elétrico, realiza a amplificação e só então o converte em sinal óptico novamente.

  • O repetidor óptico realiza a amplificação do sinal óptico sem realizar nenhum tipo de conversão, sendo muito mais rápido e eficiente.

• Detector óptico

  • É o receptor que faz a conversão do sinal óptico em sinal elétrico.

  • Sua principal característica é a sensibilidade, medida em “dBm”.

6.1.2 Multiplexador óptico

A figura 9 demonstra a topologia de um enlace óptico utilizando um multiplexador óptico. Nesta topologia os sinais de diferentes fontes são combinados e multiplexados já na forma óptica.

Figura 10 – Topologia de um enlace óptico com mux óptico

• MUX / DEMUX

  • Equipamento que recebe os sinais de diferentes fontes (radio, modem, roteador) e os codifica em um único canal de informação. Multiplexadores de sinais ópticos utilizam técnicas de multiplexação baseadas em comprimentos de onda (WDM e DWDM).

6.2 Modos de propagação

Em um guia de ondas cilíndrico e dielétrico na faixa da luz como a fibra óptica, a transmissão de energia se faz através de diversas distribuições possíveis dos campos elétricos e magnéticos, sendo assim, cada distribuição possível (trajetória de cada raio de luz) corresponde a um modo de propagação. Quanto maior o número de modos se propagando em um guia de onda, maior a probabilidade destes modos se interferirem de maneira destrutiva e também maior a dispersão do sinal ao longo do enlace, logo quanto menor a quantidade de modos de propagação melhor.

Figura 11 – Modos de propagação em uma fibra

A definição da quantidade de modos de propagação em uma fibra está fora do escopo deste documento, porém em poucas palavras, podemos dizer que fibras multimodo (vários modos de propagação) carregam menores taxas de transmissão devido a maior quantidade de atenuação e dispersão, por isso são utilizadas apenas em redes locais devido ao seu baixo custo, entretanto a tendência é que as fibras multimodo desapareçam pois o seu preço está se tornando próximo do custo das fibras monomodo, que conseguem carregar maiores taxas de transmissão por maiores distâncias.

6.3 Análises em sistemas ópticos

6.3.1 Análise de potência

Esta análise verifica se a energia contida no sinal ao fim do enlace é suficiente para sensibilizar o receptor. Neste caso se leva em consideração a potência utilizada pela fonte óptica (dBm) e a atenuação sofrida pelo sinal ao longo do enlace, considerando a atenuação natural da fibra (dB/km) assim como as perdas em emendas e conectores.

Figura 12 – Análise de potência no sinal óptico

6.3.2 Análise de dispersão

Dispersão é uma alteração na forma de onda do sinal óptico, resultando na alteração no tempo de duração do sinal de saída em relação ao sinal de entrada. Existem vários tipos de dispersão, sendo elas:

• Dispersão Modal – Ocorre em fibras multimodo pelo fato de cada modo de propagação percorrer diferentes trajetórias no interior da fibra. Medida em [Ns / km]

• Dispersão Cromática – Acontece em fibras monomodo e multimodo, ocorre devido ao fato de cada comprimento de onda chegar ao final da fibra em diferentes instantes de tempo. Medida em [ps / (nm * km)]

• Dispersão de modo de polarização – Ocorre em fibras monomodo, causada por efeitos de tração, torção, compressão e curvaturas que perturbam a simetria circular da fibra, causando diferença de velocidade entre as polarizações. Medida em [ps / sqrt (km)]

Uma fonte óptica não gera um único comprimento de onda, mas também uma série de comprimentos de onda “indesejáveis” bem próximos do valor a ser trabalhado, logo quanto menor a quantidade de comprimentos de onda melhor, a este conceito chamamos de “Pureza espectral” e varia de acordo com o tipo de fonte utilizada. Fontes ópticas baseadas em LASER possuem uma maior pureza que as fontes baseadas em LEDs.

Figura 13 – Pureza espectral da fonte

A velocidade de propagação do sinal no interior de uma fibra óptica varia com o seu comprimento de onda, como temos vários comprimentos de onda viajando pelo interior da fibra é de se esperar que cada um deles chegue ao final do enlace em instantes diferentes criando um alargamento temporal do pulso, a este efeito chamamos de “Dispersão cromática”.

Figura 14 – Dispersão no tempo

O alargamento temporal de um sinal deve ser mantido tipicamente em um valor inferior a 25% do tempo de duração de 1 bit, logo se o sinal a ser transmitido for do tipo Fast Ethernet (100Mbps), cada bit terá a duração de 10ns, logo o alargamento temporal máximo deve ser de 2,5ns.

6.4 Exemplo de dimensionamento em sistemas ópticos

Condições de simulação:

• Fonte óptica

• Fibra óptica

• Receptor óptico

A partir destas informações vamos utilizar o módulo de enlaces ópticos do Jubarte para verificar a viabilidade do enlace quanto a potência e quanto a dispersão. O jubarte irá calcular a potência estimada recebida pelo receptor, a dispersão no tempo sofrida pelo sinal e também definir o perfil da fibra óptica em uso a partir de suas características.

Obs: O campo que seleciona o tipo de fibra serve apenas para habilitar e desabilitar os tipos de dispersão inerentes a cada tipo (monomodo ou multimodo), devendo ser removido em futuras versões do software.

Figura 15 – Módulo de enlaces ópticos do Jubarte

6.4.1 Jubarte Power Analyser

O Power Analyser funciona para o módulo de fibras ópticas da mesma forma que no módulo de rádio, ele possui o intuito de plotar gráficos demonstrando o decaimento de potência do sinal ao longo de todo o enlace óptico previamente especificado, esta ferramenta se mostra muito útil para se detectar rápidamente componentes de baixa eficiência do projeto. A linha vermelha no gráfico representa a sensibilidade do receptor. A figura 16 demonstra a análise de potência do sinal simulado no ítem 7.4.

Figura 16 – Análise de potência ao longo do enlace óptico