Análise de Rede WDM com Amplificação Óptica, Adição e Derivação de Canis

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INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
SANDRA JORGE BARBOZA
ANÁLISE DE REDE WDM COM AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA, ADIÇÃO E
DERIVAÇÃO DE CANAIS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de
Mestrado em Engenharia Elétrica do Instituto Militar
de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do
título de Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Maria Thereza Miranda Rocco Gi-
raldi - D. C.
Rio de Janeiro
2004
c2004
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
Praça General Tibúrcio, 80 - Praia Vermelha
Rio de Janeiro-RJ CEP 22290-270
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orientador(es).
B238 Barboza, Sandra Jorge
Análise de Rede WDM com Amplificação Óptica, Adição e Derivação
de Canais / Sandra Jorge Barboza - Rio de Janeiro: Instituto Militar de
Engenharia, 2004.
122p.: il., graf., tab.
Dissertação (mestrado) - Instituto Militar de Engenharia- Rio de Janeiro,
2004
1. Fibra Óptica 2. Redes WDM 3. Amplificador Raman 4. PMD
I. Instituto Militar de Engenharia II. Título
CDD 621.38275
2
INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA
SANDRA JORGE BARBOZA
ANÁLISE DE REDE WDM COM AMPLIFICAÇÃO ÓPTICA, ADIÇÃO E
DERIVAÇÃO DE CANAIS
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Mestrado em Engenharia Elétrica
do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do título de
Mestre em Ciências em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi - D. C.
Aprovada em 12 de abril de 2004 pela seguinte Banca Examinadora:
Prof. Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi - D. C. do IME - Presidente
Prof. Rosângela Fernandes Coelho - Dr. ENST. do IME
Prof. Maria José Pontes - D. C. do IME
Prof. Andrés Pablo López Barbero - D. C. da UFF
Rio de Janeiro
2004
3
Ao meu pai, que durante sua vida, me incentivou,
apoiou e ensinou grandes valores, em especial a edu-
cação.
4
AGRADECIMENTOS
A Deus, por tudo.
“Exaltar-te-ei, ó Deus meu e Rei; bendirei o teu nome para todo o sempre. Todos
os dias te bendirei e louvarei o teu nome para todo o sempre. Grande é o Senhor e mui
digno de ser louvado; a sua grandeza é insondável.” (Sl 145, 1-3)
Ao Instituto Militar de Engenharia, alicerce da minha formação e aperfeiçoamento.
À Fundação CAPES, pela bolsa de estudos concedida.
Em especial à Professora Maria Thereza Miranda Rocco Giraldi, minha orientadora,
pelas críticas, sugestões, paciência e apoio dispensados.
Ao Professor José Carlos Araujo dos Santos, pelos conselhos e atenção.
À Embratel, pela infra-estrutura fornecida na realização das medidas deste trabalho.
Ao Antonio José Silvério, Walderson João Rodrigues Vidal e Marcelo Gomes Faria
da Embratel, pela atenção e ajuda na realização das medidas.
À Universidade Presbiteriana Mackenzie, pelo uso do simulador VPI.
À Professora Maria Aparecida G. Martinez, pelo apoio no uso do VPI.
A minha mãe e meu irmão, pelo estímulo, apoio e segurança.
Ao Daniel, meu noivo, pelo amor e carinho de sempre.
Aos meus colegas, por toda ajuda na elaboração deste trabalho.
Enfim, a todos os professores, alunos e funcionários do DE-3, que de alguma forma
contribuíram na realização deste trabalho.
5
“Do meu telescópio, eu via Deus caminhar! A ma-
ravilhosa disposição e harmonia do universo só pode
ter tido origem segundo o plano de um Ser que tudo
sabe e tudo pode. Isto fica sendo a minha última e
mais elevada descoberta.”
ISAAC NEWTON.
6
SUMÁRIO
LISTA DE ILUSTRAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
LISTA DE TABELAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
LISTA DE SIGLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3 Estrutura da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 TEORIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Fibras Ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.1 Atenuação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2.2 Dispersão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2.1Dispersão Cromática - GVD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2.2Dispersão do Modo de Polarização - PMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 Propriedades não-lineares em Fibras Ópticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.4 Tipos de Fibra Óptica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4.1 Fibra Monomodo Padrão - STD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4.2 Fibra com dispersão deslocada - DSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.4.3 Fibra com dispersão deslocada não nula - NZDSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2.4.4 Fibra com compensação da dispersão - DCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.4.5 Fibra com dispersão aplainada - DFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.3 Amplificadores Ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1 Amplificador a fibra dopada com Érbio - EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1.1Ganho no EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.1.2Ruído no EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1.3Tipos de Bombeio em EDFA’s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.2 Amplificador Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.2.1Ganho no Amplificador Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.2.2Ruído no Amplificador Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.2.3Tipos de Amplificadores Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7
2.4 Acopladores de Inserção e Derivação de Canais - OADM (Add-Drop) . . . . . . 53
2.4.1 Grades de Difração de Bragg como dispositivo de inserção e derivação de canais 53
2.4.2 Interferômetro de Mach-Zehnder como dispositivo de inserção e derivação de
canais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Rede com Multiplexação por Divisão de Comprimento de Onda (WDM)
Analisada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5.1 Rede WDM Embratel/CRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5.2 Compensação da dispersão na Rede WDM Embratel/CRT . . . . . . . . . . . . . 57
2.5.3 Avaliação da BER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 61
3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Resultados obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1 Caracterização dos EDFAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2 Rede WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.3 Inserção e Extração de Canal no Add-Drop da Rede WDM . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.4 Medida de BER na rede WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4 RESULTADOS DA SIMULAÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.2 Simulador VPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 Resultados Obtidos na Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.1 PMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.3.2 Caracterização do EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.3 Rede WDM Embratel/CRT utilizando o EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.4 Add-Drop na rede WDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.3.5 Caracterização do amplificador Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.6 Rede WDM utilizando o amplificador Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIG.2.1 Atenuação em função do comprimento de onda na fibra óptica (AGRAWAL,
1997). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
FIG.2.2 Dispersão total (D) e as contribuições da dispersão material (DM) e de guia
de onda (DW ) para uma fibra convencional (AGRAWAL, 1997). . . . . 29
FIG.2.3 Estado de polarização em uma fibra birefringente sobre um comprimento
de batimento. Polarização inicial de 45◦. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
FIG.2.4 Alargamento do pulso devido à birefringência da fibra. . . . . . . . . . . . . . 31
FIG.2.5 Comparação do fator Q em um sistema WDM para as fibras STD e NZDSF.
(a) 25 canais e 50 GHz de espaçamento entre canais. (b) 25 canais e 25
GHz de espaçamento entre canais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
FIG.2.6 Exemplo do perfil de índice de refração de uma DCF. . . . . . . . . . . . . . 38
FIG.2.7 Variação típica do parâmetro da dispersão D em função do comprimento
de onda para as fibras STD, DFF e DSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
FIG.2.8 Níveis de energia e diagramas de bombeio da Sílica dopada com Érbio. . 41
FIG.2.9 Exemplo de um esquema de montagem do EDFA . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
FIG.2.10 Gráfico de ganho espectral de um EDFA típico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
FIG.2.11 Potência de ASE típica de um EDFA para um bombeio de 90 mW. . . . . 44
FIG.2.12 Níveis de energia do espalhamento Raman. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
FIG.2.13 Exemplo do esquema de montagem do amplificador Raman. . . . . . . . . . 47
FIG.2.14 Espectro do coeficiente de ganho Raman para a sílica fundida. . . . . . . . 48
FIG.2.15 Potência do sinal em um sistema de transmissão periódico, comparação
entre o amplificador Raman concentrado e distribuído. . . . . . . . . . . . 51
FIG.2.16 Espectro de Ganho para um amplificador Raman com 5 bombeios. . . . . 52
FIG.2.17 Exemplo de um OADM fixo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
FIG.2.18 Funcionamento da grade de Bragg. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
FIG.2.19 Esquema simples de um OADM utilizando a grade de Bragg. . . . . . . . . 54
FIG.2.20 Filtro add/drop constituído de um interferômetro de Mach-Zehnder e duas
grades de Bragg em fibra idênticas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
FIG.2.21 Diagrama simplificado da rede WDM Embratel/CRT. . . . . . . . . . . . . . 57
FIG.3.1 Rede WDM Embratel/CRT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
FIG.3.2 Espectro de saída do multiplexador com três canais. . . . . . . . . . . . . . . 63
9
FIG.3.3 Espectro de saída do multiplexador com quatro canais e mais um de super-
visão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
FIG.3.4 Espectro de saída do amplificador de potência (ponto b) com dois canais e
mais um de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
FIG.3.5 Espectro de saída do amplificador de potência (ponto b) com três canais e
mais um de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
FIG.3.6 Espectro de saída do amplificador de potência (ponto b) com quatro canais
e mais um de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
FIG.3.7 Espectro de saída do amplificador de linha (ponto c) com um canal (25) e
mais um de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
FIG.3.8 Espectro de saída do amplificador de linha (ponto c) com dois canais (23 e
25) e mais um de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
FIG.3.9 Espectro de saída do amplificador de linha (ponto c) com três canais (23,
25 e 37) e mais um de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
FIG.3.10 Espectro de saída do amplificador de linha (ponto c) com três canais (23,
25 e 37, canal 37 sem atenuação de 6 dB) e mais um de supervisão. . . 67
FIG.3.11 Espectro de saída do amplificador de linha (ponto c) com quatro canais (23,
25, 33 e 37) e mais um de supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
FIG.3.12 Espectro de saída do amplificador de linha (ponto c) com quatro canais
(23, 25, 33 e 37, canais 33 e 37 sem atenuação de 6 dB) e mais um de
supervisão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
FIG.3.13 Espectro de entrada no OADM (ponto d) após trecho 1 com 50 km de fibra
STD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
FIG.3.14 Espectro de entrada do OADM (ponto d) após trecho 1 com 50 km de fibra
NZDSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
FIG.3.15 Espectro de saída do amplificador do OADM (ponto e) após trecho 1 com
50 km de fibra STD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
FIG.3.16 Espectro de saída do amplificador do OADM (ponto e) após trecho 1 com
50 km de fibra NZDSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
FIG.3.17 Espectro de entrada do pré-amplificador (ponto f) trecho 1 = 50 km STD
e trecho 2 = 25 km STD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
FIG.3.18 Espectro de entrada do pré-amplificador (ponto f) trecho 1 = 50 km STD
e trecho 2 = 50 km STD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
FIG.3.19 Espectro de entrada do pré-amplificador (ponto f) trecho 1 = 50 km NZDSF
e trecho 2 = 25 km NZDSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
10
FIG.3.20 Espectro de entrada do pré-amplificador (ponto f) trecho 1 = 50 km NZDSF
e trecho 2 = 50 km NZDSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
FIG.3.21 Espectro de entrada do pré-amplificador (ponto f) trecho 1 = 50 km STD
e trecho 2 = 100 km STD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
FIG.3.22 Espectro de entrada do pré-amplificador (ponto f) trecho 1 = 50 km STD
e trecho 2 = 100km NZDSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
FIG.3.23 Espectro de entrada no demultiplexador (ponto g) trecho 1 = 50 km STD
e trecho 2 = 50 km STD, com atenuação de 6 dB nos canais 33 e 37. . 74
FIG.3.24 Espectro de entrada no demultiplexador (ponto g) trecho 1 = 50 km NZDSF
e trecho 2 = 50 km NZDSF, com atenuação de 6 dB nos canais 33 e 37. 75
FIG.3.25 Espectro de entrada no demultiplexador (ponto g) trecho 1 = 50 km NZDSF
e trecho 2 = 50 km NZDSF, sem atenuação de 6 dB nos canais 33 e 37. 75
FIG.3.26 Espectro de entrada no demultiplexador (ponto g) trecho 1 = 50 km NZDSF
e trecho 2 = 75 km NZDSF, sem atenuação de 6 dB nos canais 33 e 37. 75
FIG.3.27 Espectro do canal 23 (1558,98 nm) extraído no OADM. . . . . . . . . . . . . 76
FIG.3.28 Espectro do sinal WDM no OADM, sem o canal 23 (1558,98 nm). . . . . 76
FIG.3.29 Espectro do sinal WDM no OADM, com outro sinal inserido no compri-
mento de onda canal 23 (1558,98 nm). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
FIG.3.30 Esquema de montagem da rede WDM para a medida de BER. . . . . . . . 77
FIG.4.1 Esquema de montagem do VPI para análise de PMD. . . . . . . . . . . . . . 83
FIG.4.2 BER em função da Potência de entrada - Fibra STD com 50 km, 10Gbps. 84
FIG.4.3 BER em função da Potência de entrada - Fibra NZDSF com 50 km, 10Gbps.
85
FIG.4.4 BER em função da Potência de entrada - Fibra STD com 100 km, 10Gbps.
Amplificador de G = 15 dB após a fibra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
FIG.4.5 BER em função da Potência de entrada - Fibra NZDSF com 50 km, 40Gbps.
86
FIG.4.6 Ganho em função da Potência do sinal de entrada no EDFA . . . . . . . . . 87
FIG.4.7 Figura de Ruído do EDFA em função do comprimento de onda. . . . . . . 88
FIG.4.8 Figura de Ruído de 4 EDFAs em cascata em função do comprimento de
onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
FIG.4.9 Rede WDM no VPI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
FIG.4.10 Espectro de entrada do pré-amplificador (D) (trecho 1 = 50 km STD e
trecho 2 = 50 km STD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
11
FIG.4.11 Espectro de entrada do pré-amplificador (D) (trecho 1 = 50 km NZDSF e
trecho 2 = 50 km NZDSF) e Potência de TX3 = 4 mW. . . . . . . . . . . 92
FIG.4.12 Espectro de entrada do pré-amplificador (D) (trecho 1 = 50 km STD e
trecho 2 = 100 km STD) Potência de TX3 = 4 mW. . . . . . . . . . . . . . 92
FIG.4.13 Espectro de entrada do pré-amplificador (D) (trecho 1 = 50 km STD e
trecho 2 = 100 km NZDSF) e Potência de TX3 = 4 mW. . . . . . . . . . 93
FIG.4.14 Espectro de saída do amplificador de potência (A). . . . . . . . . . . . . . . . 93
FIG.4.15 Espectro de saída do amplificador de linha (B). . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
FIG.4.16 Espectro de saída do amplificador de linha (B), Potência de TX3 = 4 mW. 94
FIG.4.17 Gráfico de BER em função do comprimento de onda, para o sistema WDM,
4, 8 e 16 canais - 10 Gbps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
FIG.4.18 Gráfico de BER em função da potência de entrada do canal 1557,3 nm para
16 canais - 10 Gbps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
FIG.4.19 Esquema de compensação de dispersão no WDM. . . . . . . . . . . . . . . . . 96
FIG.4.20 BER em função da Potência de entrada - 40 Gbps . . . . . . . . . . . . . . . . 97
FIG.4.21 Espectro do canal derivado no OADM em 1558,9 nm. . . . . . . . . . . . . . 98
FIG.4.22 Diagrama de olho do canal derivado no OADM em 1558,9 nm. . . . . . . . 98
FIG.4.23 Curva de BER em função da Potência de entrada do canal derivado no
OADM em 1558,9 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
FIG.4.24 Espectro do canal inserido no OADM em 1558,9 nm, na recepção. . . . . 99
FIG.4.25 Diagrama de olho do canal inserido no OADM em 1558,9 nm, na recepção. 100
FIG.4.26 Curva de BER em função da Potência de entrada do canal inserido no
OADM em 1558,9 nm, na recepção. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
FIG.4.27 Montagem no VPI para caracterização do amplificador Raman . . . . . . . 101
FIG.4.28 Ganho no amplificador Raman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
FIG.4.29 Figura de ruído no amplificador Raman, bombeio contra-propagante. . . 103
FIG.4.30 Figura de ruído no amplificador Raman, bombeio co e contra-propagante,
100 km. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
FIG.4.31 Medida do espectro na entrada no amplificador D para trecho 1 = 50 km
NZDSF e trecho 2 = 100 km NZDSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
FIG.4.32 Diagrama de olho do canal 23 para a configuração trecho 1 = 50 km NZDSF
e trecho 2 = 100 km NZDSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
FIG.4.33 Medida do espectro na entrada no amplificador D, RAM1 (L2 = 50 km
NZDSF e P2 = 300 mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
12
FIG.4.34 Medida do espectro na entrada no amplificador D, RAM1 (L2 = 100 km
NZDSF e P2 = 300 mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
FIG.4.35 Diagrama de olho do canal 23, RAM1 (L2 = 100 km NZDSF e P2 = 300
mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
FIG.4.36 Medida do espectro na entrada no amplificador D, RAM1 (L2 = 50 km
STD e P2 = 200 mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
FIG.4.37 Medida do espectro na entrada no amplificador D, RAM2 (L1 = 50 km
NZDSF, L2 = 100 km NZDSF, P1 = P2 = 300 mW) . . . . . . . . . . . . . 109
FIG.4.38 Diagrama de olho do canal 23, RAM2 (L1 = 50 km NZDSF, L2 = 100 km
NZDSF, P1 = P2 = 300 mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
FIG.4.39 Medida do espectro na entrada no amplificador D, RAM2 (L1 = L2 = 100
km NZDSF, P1 = P2 = 300 mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
FIG.4.40 Diagrama de olho do canal 23, RAM2 (L1 = L2 = 100 km NZDSF, P1 =
P2 = 300 mW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
FIG.4.41 Esquema de montagem da rede WDM híbrida - Configuração 1. . . . . . . 112
FIG.4.42 Esquema de montagem da rede WDM híbrida - Configuração 2. . . . . . . 112
FIG.4.43 Esquema de montagem da rede WDM com amplificadores Raman - Confi-
guração 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
FIG.4.44 Esquema de montagem da rede WDM com amplificadores Raman - Confi-
guração 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
FIG.4.45 Espectro de entrada no demultiplexador - Configuração 1. . . . . . . . . . . 113
FIG.4.46 Espectro de entrada no demultiplexador - Configuração 2. . . . . . . . . . . 113
FIG.4.47 Espectro de entrada no demultiplexador - Configuração 3. . . . . . . . . . . 114
FIG.4.48 Espectro de entrada no demultiplexador - Configuração 4. . . . . . . . . . . 114
FIG.4.49 Diagrama de olho do comprimento de onda 1558,9 nm na recepção - Con-
figuração 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
FIG.4.50 Diagrama de olho do comprimento de onda 1558,9 nm na recepção - Con-
figuração 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
FIG.4.51 Diagrama de olho do comprimento de onda 1558,9 nm na recepção - Con-
figuração 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
FIG.4.52 Diagrama de olho do comprimento de onda 1558,9 nm na recepção - Con-
figuração 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
FIG.4.53 BER em função da Potência de entrada do comprimento de onda 1558,9
nm, na entrada da primeira fibra da configuração 4. . . . . . . . . . . . . . 117
13
FIG.4.54BER em função da Potência de entrada do comprimento de onda 1558,9
nm, na recepção da configuração 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
14
LISTA DE TABELAS
TAB.2.1 Tipos de Fibra Óptica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
TAB.2.2 Aplicações da fibra G.652 em redes WDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
TAB.2.3 Características de fibras G.655 - NZDSF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
TAB.3.1 Características das fibras STD e NZDSF, valores para 1550 nm. . . . . . . 61
TAB.3.2 Valores experimentais de ganho e figura de ruído dos amplificadores EDFA
da rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
TAB.3.3 Valores de OSNR dos canais na saída do amplificador de linha (ponto c). 68
TAB.3.4 Valores de OSNR dos canais na entrada do pré-amplificador (ponto f). . 71
TAB.3.5 Medida de BER na rede WDM Embratel/CRT para trecho 1 e 2 com 75
km de fibra NZDSF, cada um. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
TAB.4.1 Descrição dos componentes utilizados no simulador VPI. . . . . . . . . . . . 80
TAB.4.2 Características das fibras STD, NZD e DCF, valores para 1550 nm. . . . 89
TAB.4.3 Principais parâmetros dos componentes da rede WDM. . . . . . . . . . . . . 90
TAB.4.4 Valores de potência dos resultados experimentais e simulados da rede WDM
91
TAB.4.5 Valores de OSNR dos canais 37, 25 e 23 para a rede WDM em 6 configu-
rações diferentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
TAB.4.6 Valores de OSNR dos canais 37, 25 e 23 para a rede WDM em 4 configu-
rações diferentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
15
LISTA DE SIGLAS
ATM Asynchronous Transfer Mode
ASE Amplified Spontaneous Emission
BER Bit Error Rate
CRT Centro de Referência Tecnológica
DCF Dispersion Compensated Fiber
DFF Dispersion Flattened Fiber
DFG Difference Frequency Generation
DRA Distributed Raman Amplifier
DSF Dispersion Shifted Fiber
EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier
FWM Four-Wave Mixing
GVD Group Velocity Dispersion
IP Internet Protocol
MZ Mach-Zehnder
NZDSF Non-Zero Dispersion Shifted Fiber
OADM Optical Add-Drop Multiplexer
OSNR Optical Signal-to-Noise Ratio
PMD Polarization-Mode Dispersion
PRBS Pseudo-Random Bit Sequence
SDH Synchronous Digital Hierarchy
SPM Self Phase Modulation
SRS Stimulated Raman Scattering
STD Standard Single Mode Fiber
VPI Virtual Photonics Interface
WDM Wavelength Division Multiplexing
XGM Cross Gain Modulation
XPM Cross Phase Modultation
16
RESUMO
Este trabalho apresenta a análise de uma rede com multiplexação por divisão de
comprimento de onda (WDM), amplificação óptica e inserção/derivação de canais ópticos.
Inicialmente, são estudados e caracterizados alguns dos dispositivos ópticos que com-
põem a rede WDM analisada, ou seja, as fibras ópticas, os amplificadores ópticos e os
dispositivos de inserção/derivação de canais (OADM).
Foram realizados testes experimentais em uma rede WDM com amplificador a fibra
dopada com Érbio (EDFA) e OADM, em 2,5 Gbps. Os testes experimentais consistiram
de medidas de espectro nos diversos pontos da rede WDM e de medidas de taxa de erro de
um canal óptico, variando-se alguns parâmetros dos componentes da rede. Além disso é
realizada uma comparação do desempenho da rede utilizando fibras padrão (STD) e fibras
de dispersão deslocada não-nula (NZDSF). Estes testes foram realizados nas instalações
do Centro de Referência Tecnológica (CRT) da Embratel, no Rio de Janeiro, RJ.
Finalmente, foram realizadas simulações da rede WDM com EDFA nas taxas de
transmissão de 2,5 Gbps, 10 Gbps e 40 Gbps. Para 40 Gbps, é proposto um simples
esquema de compensação de dispersão. Também foram realizadas simulações da rede
WDM com amplificadores Raman. Com o uso do simulador foi possível fazer um estudo
variando-se diversos parâmetros dos componentes da rede WDM, verificar o desempenho
dos dispositivos isoladamente e seus efeitos na rede.
17
ABSTRACT
The present work shows an analysis of a wavelength division multiplexing (WDM)
network with optical amplification and add-drop of optical channels.
Initially, some of the optical devices of the WDM network analyzed, such as, the
optical fibers, the optical amplifiers, and the optical add-drop multiplexer (OADM) are
studied and characterized.
Experimental tests were accomplished in the WDM network with erbium doped fiber
amplifier (EDFA) and OADM, at 2.5 Gbps. The experimental tests consisted of spectral
measurements at several points at the network and bit error rate’s measurements of an
optical channel, changing the parameters of the network components. Besides, a compar-
ison between the network with standard single-mode fiber (STD) and non-zero dispersion
shifted fiber (NZDSF) is performed. These tests were realized at Centro de Referência
Tecnológica (CRT) of Embratel, in Rio de Janeiro, RJ.
At last, simulations of the WDM network with EDFA at 2.5 Gbps, 10 Gbps, and
40 Gbps transmission rates, were done. At 40 Gbps, a simple dispersion compensation
technique was proposed. Simulations of the WDM network with Raman amplifiers were
also developed. Using the simulator it was possible to make a study of the WDM network’s
components by varying their parameters and also verify the devices’ performance and their
effects at WDM network.
18
1 INTRODUÇÃO
1.1 MOTIVAÇÃO
A crescente demanda por maiores taxas de transmissão de dados baseados em serviços
de multimídia, Internet, vídeo de alta definição, voz sobre tecnologias como IP (Internet
Protocol) e ATM (Asynchronous Transfer Mode) e a limitação de taxas conseguidas por
multiplexação no domínio elétrico levou ao desenvolvimento de uma técnica de multiple-
xação que permitisse uma utilização eficaz da banda passante da fibra óptica, a multiple-
xação por divisão do comprimento de onda (WDM - Wavelength Division Multiplexing),
onde canais em diferentes comprimentos de onda são transmitidos em uma mesma fibra,
simultaneamente. Esta técnica é transparente à taxa de transmissão e ao tipo de tráfego
usado na transmissão de cada canal (AGRAWAL, 1997) e (AMAURY, 1998).
Os sistemas WDM tornaram-se atraentes com o desenvolvimento dos amplificadores
ópticos a fibra dopada com Érbio, capazes de amplificar os canais WDM, sem a neces-
sidade de demultiplexação e conversões eletro-ópticas, realizadas pelos dispositivos rege-
neradores (YADLOWSKY, 1997). O funcionamento dos amplificadores ópticos baseia-se
na transferência de potência de um sinal de bombeio para o sinal com a informação. O
amplificador mais utilizado atualmente é o EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) que
trabalha na janela de 1530 a 1620 nm, região de baixa atenuação da fibra. O amplificador
EDFA apresenta como fator limitante o ruído da emissão espontânea amplificada (ASE
- Amplified Spontaneous Emission). A cada passagem do sinal por um EDFA a relação
sinal-ruído óptica (OSNR - Optical Signal to Noise Ratio) diminui (GIRARD, 2000). As
não-linearidades do meio também limitam a amplificação pois, uma forma de atenuar os
efeitos da ASE é transmitir o sinal com potência elevada, o que leva a condições de aparec-
imento de efeitos não-lineares na fibra-óptica, como a auto-modulação de fase (SPM - Self
Phase Modulation), a modulação de fase cruzada (XPM - Cross Phase Modulation) e a
mistura de quatro ondas (FWM - Four-Wave Mixing), que distorcem o sinal (AGRAWAL,
2001).
Um outro amplificador que está sendo analisado para ser inserido nas redes WDM
é o amplificador Raman. Este amplificador apresenta ganho transparente às janelas de
transmissão e depende apenas da diferença entre a freqüência do sinal de bombeio e
da informação (ISLAM, 2002). Nestes amplificadores não se faz necessário o uso de
19
fibras dopadas, pois o efeito Raman acontece em todos os tipos de fibra. Além disto, é
possível se conseguir um amplificador Ramancom largura de banda grande e plana, de
aproximadamente 100 nm, através do uso de diversos lasers de bombeio, onde é possível
se concatenar diversas bandas menores (FLUDGER, 2001a).
Com o aumento das taxas de transmissão acima de 2,5 Gbps, um tipo de dispersão da
fibra se tornou fator preponderante na limitação das redes ópticas, a dispersão do modo de
polarização (PMD - Polarization-Mode Dispersion). A PMD é ocasionada por variações
na simetria cilíndrica da fibra que são causadas em sua fabricação ou instalação, portanto
é um fenômeno intrínseco e que ainda, pode ter sua geometria alterada com variações de
temperatura e esforços. O sinal óptico pode ser decomposto em duas polarizações ortog-
onais. Se as características de propagação dos eixos forem diferentes, cada polarização
terá uma velocidade diferente, chegando ao final da fibra em tempos diferentes, gerando
dispersão (SUNNERUD, 2001).
Os multiplexadores de inserção/extração de canais (OADM - Optical Add/Drop Multi-
plexer) são dispositivos que dão uma maior flexibilidade às redes ópticas (ANDRÉ, 2001),
pois permitem que canais sejam inseridos ou retirados das redes em determinados nós.
Os sistemas WDM podem ser utilizados em diversas topologias de rede. Para redes
de longa distância uma topologia bastante difundida é a ponto-a-ponto. Nas cidades e
centros urbanos uma topologia de rede bastante utilizada é a topologia em anel. A topolo-
gia em anel permite um esquema de proteção bem eficiente. Na maior parte das áreas
metropolitanas, redes de fibra em anel já são utilizadas pela plataforma SDH (Syncronous
Digital Hierarchy) - Hierarquia Digital Síncrona, o que torna a migração para redes WDM
em anel ainda mais fácil. A rede que será estudada neste trabalho é formada por dois
anéis SDH ligados por um sistema WDM.
Esta dissertação faz parte do Projeto Temático da FAPERJ, intitulado "Redes Óp-
ticas WDM para Suporte do Tráfego IP", que está sendo desenvolvido na Laboratório
de Redes de Comunicação e Sistemas Ópticos (LaRSO) do Departamento de Engenharia
Elétrica do IME.
20
1.2 OBJETIVOS
O objetivo principal desta dissertação é avaliar e estudar o desempenho de uma rede
WDM e dos dispositivos que a compõem.
Para atingir o objetivo principal desta dissertação, testes experimentais foram realiza-
dos nas instalações do Centro de Referência Tecnológica (CRT) da Embratel, localizado
na Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, RJ, fruto de um convênio firmado entre o IME e
a Embratel no ano de 2003. Como recursos dos testes foram utilizados os equipamentos
WDM da Alcatel/1686WM, fibras padrão de telecomunicações (STD - standard), fibras de
dispersão deslocada não-nula (NZDSF - Non-Zero Dispersion Shifted Fiber), analisadores
de espectro óptico e medidores de taxa de erro. O objetivo foi analisar o comporta-
mento de uma rede WDM real com variações de potência dos canais, tipos de fibra e
inserção/extração de canais ópticos.
E por fim, o último objetivo desta dissertação foi a realização de simulações utilizando
o simulador VPI, cujos detalhes serão apresentados no capítulo 4. Com o uso do simu-
lador foi possível fazer um estudo, variando-se diversos parâmetros dos componentes da
rede WDM, verificar o desempenho destes dispositivos isoladamente e seus efeitos na rede
WDM. A utilização do VPI foi realizada no Laboratório de Redes de Comunicação e Sis-
temas Ópticos - LaRSO do IME e nas dependências do Laboratório de Telecomunicações
e Computação da Universidade Presbiteriana Mackenzie.
21
1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
De acordo com os objetivos estabelecidos, este trabalho foi estruturado da seguinte
forma:
Capítulo 1 - Neste capítulo é apresentada a importância das redes ópticas WDM. São
citados os principais componentes de uma rede WDM como os amplificadores ópticos, os
OADM e uma característica relevante da fibra para altas taxas, a PMD.
Capítulo 2 - A teoria de alguns dos dispositivos de uma rede WDM, ou seja, as fibras
ópticas, os amplificadores ópticos e os OADM, é discutida neste capítulo e a rede WDM
analisada é apresentada.
Capítulo 3 - Neste capítulo são mostrados os resultados experimentais obtidos com as
medidas realizadas na rede WDM de referência da Embratel/CRT.
Capítulo 4 - São apresentados o ambiente de simulação do programa VPI e os resultados
de simulação obtidos.
Capítulo 5 - As conclusões sobre esta dissertação com base nos resultados obtidos nos capí-
tulos 3 e 4 são apresentadas. Além disto, são indicadas sugestões para futuros trabalhos
nos quais o conteúdo desta dissertação será relevante.
22
2 TEORIA
2.1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo será apresentado o modelo teórico de alguns dos dispositivos que com-
põem uma rede WDM.
Na seção 2.2 são apresentadas as características e os principais tipos de fibra ópticas
monomodo.
Na seção 2.3 apresenta-se um estudo sobre os amplificadores ópticos EDFA e Raman.
Na seção 2.4 apresenta-se as duas principais técnicas de dispositivos add-drop.
Na seção 2.5 são apresentadas as características da rede WDM analisada, um esquema
de compensação de dispersão que será usado nesta rede e um estudo sobre o cálculo da
BER.
2.2 FIBRAS ÓPTICAS
As fibras ópticas são largamente utilizadas nos sistemas de telecomunicações devido
a sua grande largura de banda de transmissão, à sua baixa atenuação e à imunidade à
interferências eletromagnéticas. As fibras ópticas são formadas por um núcleo cilíndrico
de sílica, envolvido por uma casca também de sílica, de índice de refração menor do que o
do núcleo. O fenômeno responsável por guiar a luz na fibra é o da reflexão interna total,
que é conseguido pela diferença nos índices de refração do núcleo e da casca. A óptica
geométrica modela este fenômeno de forma razoável nas fibras multimodo. No caso das
fibras monomodo, devido à dimensão reduzida de seus núcleos, é necessário usar a teoria
eletromagnética de propagação de ondas em meio dielétrico para modelar este efeito. Os
dois principais parâmetros das fibras são a atenuação e a dispersão. A atenuação limita
as distâncias de transmissão devido à perda imposta ao sinal óptico. A dispersão limita
a taxa de transmissão, pois é responsável pelo alargamento do pulso óptico. Nesta seção
serão estudadas a atenuação e a dispersão das fibra ópticas, além de serem apresentados
alguns dos diversos tipos de fibra monomodo existentes.
2.2.1 ATENUAÇÃO
A atenuação expressa a perda de energia do sinal óptico durante a propagação na fibra
óptica. A atenuação é um importante fator limitante, pois reduz a potência óptica que
23
atinge o receptor, o qual necessita de uma quantidade mínima de potência para recuperar
o sinal com precisão. A variação da potência do sinal ao longo da direção de propagação
z pode ser escrita por (AGRAWAL, 1997):
dP
dz
= −αP (2.1)
Onde α é coeficiente de atenuação expresso em km−1 e P é a potência óptica do sinal.
Se Pin é a potência na entrada de uma fibra com comprimento L, a potência de saída Pout
pode ser obtida da EQ. 2.1 e será dada por (AGRAWAL, 1997):
Pout(z) = Pin exp(−αL) (2.2)
A variação da potência do sinal segue uma lei exponencial, sendo por isso usual
expressar α em dB/km, através da relação (AGRAWAL, 1997):
α(dB/km) = −10
L
log
(
Pout
Pin
)
= 4, 343α (2.3)
A FIG. 2.1 representa a variação do coeficiente de atenuação em função do compri-
mento de onda.
FIG. 2.1: Atenuação em função do comprimento de onda na fibra óptica (AGRAWAL,
1997).
A atenuação da fibra óptica depende do comprimento de onda do sinal e é originada
por diversos fatores, os principais são: absorção do material, espalhamento Rayleigh e
24
imperfeições no guia de onda.
As perdas por absorção do material podem ser divididas em três categorias: i) ab-
sorção intrínseca da Sílica fundida; ii) absorção extrínseca causada pela presença de im-
purezas e iii) absorção por defeitos atômicos devido a irregularidades na estrutura atômica
da sílica (ANDRÉ, 2002), (AGRAWAL, 1997).
Os picos de absorção devido às ressonânciaseletrônicas e vibracionais das moléculas
de Sílica (ligações Si-O) ocorrem, respectivamente, em 400 nm e 7000 nm. Devido ao
caráter amorfo da Sílica, as zonas de absorção são bandas cujas caudas se estendem até
às regiões espectrais do visível e infravermelho próximo (AGRAWAL, 1997). Tendo, no
entanto, valores inferiores a 0.03 dB/km para a região espectral entre os 1300 nm e 1600
nm (AGRAWAL, 1997). A absorção extrínseca resulta da presença de impurezas como,
metais de transição, vapor de água e dopantes utilizados no processo de fabricação para
alterar o índice de refração. Materiais como Fe, Cu, Co, Ni, Mn e Cr absorvem fortemente
na faixa de comprimento de onda de 600 a 1600 nm. Os ions OH− apresentam uma banda
de ressonância, devido a transições vibracionais das ligações H-O, centrada em 2730 nm.
Os seus harmônicos e combinações de tons produzem bandas intensas de absorção a 1383
nm, 1240 nm e 950 nm. A absorção devido a defeitos atômicos é, usualmente, desprezível
quando comparada com a atenuação total da fibra.
As perdas por espalhamento Rayleigh resultam de flutuações microscópicas da densi-
dade da Sílica, produzidas no processo de fabricação e que originam flutuações aleatórias
do índice de refração da fibra, em uma escala menor que o comprimento de onda óptico λ.
O espalhamento da luz em tal meio é conhecido como espalhamento Rayleigh e é carac-
terizado pela transferência de parte da energia óptica contida em modos de propagação
guiados para modos de propagação não guiados, preservando o estado de polarização da
radiação incidente. Esta perda é a componente de atenuação dominante na fibra óptica.
As perdas devido ao espalhamento Rayleigh podem ser descritas por (AGRAWAL, 1997):
αR = C/λ
4 (2.4)
Onde C é uma constante que apresenta valores compreendidos entre 0,7 e 0,9 dB
km−1 µm4. Para um comprimento de onda de 1550 nm, as perdas por esse processo são
dominantes.
Para comprimentos de onda maiores que 3 µm a contribuição do espalhamento Rayleigh
pode ser diminuída para valores menores que 0,1 dB/km. Fibras de sílica não podem ser
utilizadas nesse comprimento de onda devido à absorção por infra-vermelho ser muito alta
nesta faixa. Fibras utilizando outros materiais estão sendo estudadas para comprimentos
25
de onda maiores que 2 µm, porém os níveis de atenuação conseguidos na prática ainda
são maiores que os das fibras de sílica.
As perdas devido às imperfeições do guia de onda devem-se às imperfeições na in-
terface núcleo-casca. O processo físico que governa estas perdas é o espalhamento Mie.
Estas perdas estão tipicamente abaixo de 0,03 dB/km (AGRAWAL, 1997).
A perda por curvatura da fibra é proporcional a exp(−R/Rc), onde R é o raio de
curvatura da fibra e Rc= 0,2-0,4 µm, esta perda é desprezível na prática.
Todos os mecanismos de atenuação discutidos nesta seção são lineares.
2.2.2 DISPERSÃO
A dispersão na fibra óptica limita a taxa de transmissão, pois é responsável pelo
alargamento do pulso. Existem dois tipos de fibras ópticas, a multimodo e a monomodo.
A fibra multimodo suporta vários modos de propagação, gerando a dispersão modal, onde
os modos são transmitidos em velocidades diferentes na fibra. Por este motivo as fibras
multimodo não permitem taxas de transmissão muito elevadas. Em sistemas que requerem
altas taxas, as fibras utilizadas são as monomodo, onde apenas um modo é transmitido na
fibra óptica. Os tipos de dispersão que serão considerados neste trabalho são a dispersão
cromática e a dispersão do modo de polarização (PMD - Polarization-Mode Dispersion).
2.2.2.1 DISPERSÃO CROMÁTICA - GVD
A principal vantagem da introdução da fibra monomodo foi que ela permitiu eliminar
a dispersão modal, pois a energia do pulso é transportada por um único modo. Porém,
sendo a sílica um material dispersivo, o seu índice de refração varia com o comprimento
de onda do campo eletromagnético. Considerando que os pulsos ópticos têm uma largura
espectral não nula, as diferentes componentes espectrais do pulso viajam em diferentes
velocidades de grupo, resultando no alargamento temporal dos pulsos. Este fenômeno
é chamado de dispersão de velocidade de grupo (GVD - Group Velocity Dispersion) ou
dispersão cromática. A dispersão cromática se divide em dispersão material (DM) e
dispersão de guia de onda (DW ).
Considerando uma fibra monomodo de comprimento L, uma componente espectral
específica de freqüência ω chega ao final da fibra, após um alargamento T = L/vg, onde
vg é a velocidade de grupo definida por (AGRAWAL, 1997):
vg = (dβ/dω)
−1 = c/ng (2.5)
26
onde,
β = nk0 (2.6)
e
ng = n + ω(dn/dω) (2.7)
onde:
n - é o índice de refração da fibra;
ng - é o índice de refração de grupo;
k0 - é a constante de propagação no vácuo.
A dispersão cromática é a variação da velocidade de grupo em função da freqüência
da portadora, sendo quantificada por β2. Se ∆ω é a largura espectral do pulso, o atraso
do pulso para uma fibra de comprimento L é dado por (AGRAWAL, 1997):
∆T =
dT
dω
L
vg
∆ω = Lβ2∆ω (2.8)
O parâmetro β2 = d2β/dω2 é conhecido como parâmetro GVD, e define quanto um
pulso óptico pode ser alargado ao se propagar na fibra.
Em sistemas de comunicações ópticas, é comum substituir o termo ∆ω por ∆λ, sendo
∆λ a faixa de comprimentos de onda emitidos por uma fonte óptica. Da relação ω=2πc/λ
e ∆ω = -(2πc/λ2)∆λ, a EQ. 2.8 pode ser re-escrita como:
∆T =
d
dλ
(
L
vg
)
∆ω = DL∆λ (2.9)
onde
D =
d
dλ
(
1
vg
)
= −2πc
λ2
β2 (2.10)
D é chamado de parâmetro de dispersão total e é expresso em ps/(nm.km).
O efeito da dispersão para uma taxa de transmissão B pode ser estimado utilizando
o critério B∆T<1, da EQ. 2.9 esta condição torna-se:
BL|D|∆λ < 1 (2.11)
27
O parâmetro de dispersão pode variar consideravelmente com o comprimento de onda
de operação. No caso da sílica pura o valor da dispersão material é nulo para um compri-
mento de onda de aproximadamente 1270 nm. No cálculo de dispersão material, o índice
de refração pode ser calculado utilizando-se a equação de Sellmeier (AGRAWAL, 1997):
n2(ω) = 1 +
M∑
j=1
Bjω
2
j
ω2j − ω2
(2.12)
Onde ωj é a freqüência de ressonância e Bj é o fator de oscilação do material em que
a fibra é fabricada.
A dispersão de guia de onda resulta da propagação de parte da energia do sinal na
região da casca, onde o índice de refração é menor que no núcleo, o que provoca um
alargamento temporal dos pulsos, que ocorre mesmo que não exista a dispersão material.
Assim,
D = DM + DW (2.13)
onde,
DM =
1
c
dn2g
dλ
(2.14)
DW = −2π∆
λ2
[
n22g
n2ω
V d2(V b)
dV 2
+
dn2g
dω
d(V b)
dV
]
(2.15)
Onde, n2g é o índice de refração de grupo da casca e b é a constante de propagação
normalizada, b = (n − n2)/(n1 − n2), sendo n1 e n2 os índices de refração do núcleo e
da casca da fibra óptica, respectivamente. A freqüência normalizada, ou simplesmente
parâmetro V da fibra óptica, pode ser determinada por (AGRAWAL, 1997):
V = k0a(n
2
1 − n22)1/2 (2.16)
onde a é o raio do núcleo.
A dispersão material aumenta conforme aumenta-se o comprimento de onda e a dis-
persão de guia de onda diminui conforme aumenta-se o comprimento de onda. A soma
das duas componentes origina um deslocamento do comprimento de onda onde ocorre o
nulo de dispersão da fibra λZD, para um valor de aproximadamente 1310 nm.
28
FIG. 2.2: Dispersão total (D) e as contribuições da dispersão material (DM) e de guia de
onda (DW ) para uma fibra convencional (AGRAWAL, 1997).
2.2.2.2 DISPERSÃO DO MODO DE POLARIZAÇÃO - PMD
Um sinal óptico pode ser representado como a sobreposição linear de dois modos po-
larizados ortogonalmente (AGRAWAL, 1997), (ANDRÉ, 2002). Em uma fibra monomodo
ideal, com um núcleo perfeitamente cilíndrico, estes dois modos se propagam com a mesma
velocidade de grupo. Quando a geometria da fibra se afasta da simetria cilíndrica, devido
ao processo de fabricação ou à existência de microcurvaturas, torções, ou variações de
temperatura da ordem de 20o C, distribuídas aleatoriamente ao longoda fibra, as veloci-
dades de propagação ao longo dos dois eixos ortogonais tornam-se diferentes, gerando a
dispersão do modo de polarização (PMD - Polarization-Mode dispersion).
O fenômeno de birefringência é devido à perda de simetria do núcleo ao longo do
comprimento da fibra. O grau de birefringência é dado por (AGRAWAL, 1997).
B = |nx − ny| (2.17)
Onde nx e ny são os índices de refração dos modos polarizados ortogonalmente. Esta
diferença entre os índices de refração dos modos gera uma diferença de fase entre os
campos durante a propagação. A diferença de fase entre os campos é periódica e após
uma distância LB, chamada de comprimento de batimento, a diferença de fase entre os
dois modos é de 2π.
O comprimento de batimento para um comprimento de onda λ é dado por (AGRAWAL,
29
1997):
LB =
λ
B
(2.18)
A FIG. 2.3 mostra a variação do estado de polarização em uma fibra sobre um com-
primento de batimento.
FIG. 2.3: Estado de polarização em uma fibra birefringente sobre um comprimento de
batimento. Polarização inicial de 45◦.
Para fibras monomodo padrão (STD ou SMF - Standard Single Mode Fiber), B ∼
10−7 e LB ∼ 15 m para um comprimento de onda de 1550 nm. Nestas fibras, o valor de
B não é constante ao longo da fibra, mas varia aleatoriamente devido às flutuações na
forma do núcleo e a esforços não-uniformes atuando no núcleo (AGRAWAL, 1997).
O atraso diferencial de grupo (DGD) devido à diferença de velocidade de grupo entre
os dois modos de polarização ortogonais pode ser calculado por (AGRAWAL, 1997):
∆T =
∣∣∣∣
L
vgx
− L
vgy
∣∣∣∣ = L∆β1 (2.19)
Onde x e y identificam os dois eixos ortogonais e ∆β1 está relacionado com a bire-
fringência da fibra.
A FIG. 2.4 mostra o alargamento do pulso devido à birefringência da fibra.
Um trecho de fibra é considerado como o encadeamento de trechos mais curtos, tendo
cada um uma orientação aleatória para os eixos de polarização. Devido a essas orientações
aleatórias das pertubações nos trechos de fibra, os efeitos em um trecho podem ser somados
ou subtraídos aos efeitos do trecho seguinte. Assim, os atrasos diferenciais de grupo devido
à PMD em trechos longos são acumulados em um processo aleatório que varia com a raiz
quadrada da distância de propagação.
30
FIG. 2.4: Alargamento do pulso devido à birefringência da fibra.
Assim, a EQ. 2.19 não pode ser usada diretamente para estimar a PMD, e portanto,
a PMD é dada pelo valor esperado de ∆T (AGRAWAL, 1997):
σ2T = 〈∆T 2〉 =
1
2
∆β21h
2
[
2L
h
− 1 + exp
(
−2L
h
)]
(2.20)
O comprimento de correlação h é definido como o comprimento de fibra para o qual
a potência óptica média num modo de polarização ortogonal P⊥, toma o valor de 1/e2 da
potência óptica média do modo inicial P‖ (ANDRÉ, 2002). Para trechos de fibra menores
que a distância de correlação, a PMD aumenta linearmente com o comprimento da fibra.
Para h << L o atraso diferencial de grupo é dado por (AGRAWAL, 1997), (ANDRÉ,
2002):
σT ≈ ∆β1
√
hL = Dp
√
L (2.21)
Onde Dp é o coeficiente de PMD, expresso em ps/
√
km.
O coeficiente de PMD de um enlace é definido como a raiz quadrada da soma dos
quadrados dos coeficientes de PMD de cada seção de cabo dividido pelo número de seções
que constituem o enlace (BLUME, 2001):
XN =
√√√√ 1
N
N∑
i=1
x2i (2.22)
Onde:
XN - coeficiente de PMD do enlace (ps/
√
km)
xi - coeficiente de PMD de uma seção do cabo (ps/
√
km)
N - número de seções de cabo de um enlace.
Os valores típicos de PMD estão na faixa de 0.1 a 1 ps/
√
km. A PMD só começou
a ganhar importância quando passou-se a implantar sistemas em taxas elevadas. Até 2,5
31
Gbps, o alargamento do pulso provocado pela PMD é irrelevante em relação ao período
do bit, a partir de 10 Gbps a PMD torna-se um fator limitante ao sistema. Pela norma G.
692 da União Internacional de Telecomunicações (ITU - International Telecommunications
Union), para um alargamento máximo de 10% do período do bit tem-se uma probabilidade
de 99,994% da penalidade de potência ser menor que 1 dB (GIRARD, 2000). A PMD é
um fator preocupante quando se deseja expandir as redes de fibra que foram instaladas
na década de 1980, pois não existia naquela época uma preocupação rigorosa com a
geometria destas fibras em sua fabricação. Atualmente, já existe uma maior preocupação
na fabricação da fibra, com o melhor controle de sua geometria. Entretanto ao colocar-
se a fibra no cabo e em seguida instalá-lo, a fibra pode sofrer tensões ou variação de
temperatura que podem levar a um aumento da PMD.
2.2.3 PROPRIEDADES NÃO-LINEARES EM FIBRAS ÓPTICAS
Os efeitos não-lineares referem-se a fenômenos que ocorrem devido à resposta não-
linear do meio a sinais ópticos de alta potência. Estes efeitos podem ser divididos em duas
categorias: espalhamento estimulado, como o Brillouin e o Raman, devido às interações
entre os sinais ópticos e as vibrações acústicas ou vibracionais do meio e modulação do
índice de refração da sílica em conseqüência das variações de intensidade do sinal óptico,
ou seja, a mistura de ondas (ANDRÉ, 2002), (AGRAWAL, 1997).
As não-linearidades limitam o desempenho dos sistemas de comunicações ópticas
mas, também, podem ser exploradas em aplicações vantajosas como, por exemplo, para
compensar as conseqüências dos efeitos lineares, tais como a dispersão cromática e a
atenuação, em conversores de comprimento de onda e em amplificadores ópticos (ANDRÉ,
2002), (YOO, 1996), (ISLAM, 2002).
A mistura de quatro ondas (FWM - Four-Wave Mixing) é um processo não-linear que
ocorre na fibra, onde, a partir da interação de dois ou três sinais ópticos, é gerado um novo
sinal em que a fase e a freqüência do sinal gerado é uma combinação linear dos sinais de
entrada. O processo de FWM é chamado de processo paramétrico, pois um dos parâmetros
do meio é modulado por este processo não linear, como o índice de refração (AGRAWAL,
2001). Quando um campo, que contém várias componentes em freqüência, é aplicado
em um meio não-linear, induz nos átomos uma oscilação na freqüência de batimento
das componentes do campo de entrada. Qualquer duas componentes de freqüência de
entrada podem interagir e provocar a excitação do material. A freqüência produzida por
esta excitação pode interagir com uma terceira componente, gerando uma polarização
não-linear na freqüência de batimento resultante, este campo de polarização não-linear
32
gera uma saída coerente em uma quarta freqüência (SUMMERFIELD, 1995). A FWM
é um fator limitante para sistemas WDM, pois parte da potência de um canal pode ser
transferida para os canais vizinhos, gerando interferência entre canais, ou seja, crosstalk.
Um sinal de freqüência ω1 interagindo com um outro sinal de freqüência ω2 podem gerar,
pelo efeito de mistura de quatro ondas, mais duas componentes, nas freqüências ω3 =
2ω2 − ω1 e ω4 = 2ω1 − ω2.
O processo não-linear de espalhamento Raman estimulado será estudado no item 2.3.2.
Os outros processos não-lineares existentes não fazem parte do escopo desta dissertação
e por isto não serão estudados.
2.2.4 TIPOS DE FIBRA ÓPTICA
Com o advento dos sistemas WDM e da amplificação no domínio óptico, o tipo de
fibra adequado para os sistemas de comunicações ópticas atuais veio a se tornar uma
questão de fundamental importância.
As fibras multimodo, comercializadas no final dos anos 70 e no início dos anos 80,
deram lugar às fibras monomodo devido à menor atenuação e maior capacidade de trans-
porte de informação (ANDRÉ, 2002). Os principais tipos de fibra monomodo disponíveis
no mercado são padronizados e homologados pela ITU e pelo Comitê Eletrotécnico Inter-
nacional (IEC - International Electrotechnical Committee) (ROSSARO, 2002).
A TAB. 2.1 apresenta a padronização da ITU e do IEC para diferentes tipos de fibras
ópticas.
TAB. 2.1: Tipos de Fibra Óptica.
Tipo IEC ITU
Fibra Padrão (STD) B1.1 G.652
Fibra com perda minimizada em 1550 nm B1.2 G.654
Fibra de dispersão deslocada (DSF) B2 G.653
Fibra de dispersão aplainada (DFF) B3 -
Fibra de dispersãodeslocada não-nula (NZDSF) B4 G.655
2.2.4.1 FIBRA MONOMODO PADRÃO - STD
A fibra padrão começou a ser comercializada em 1983 e hoje constitui cerca de 90%
das redes das principais operadoras de telecomunicações (ANDRÉ, 2002), (ROSSARO,
2002). Esta fibra tem valor igual a zero de dispersão cromática próximo dos 1310 nm
33
e um valor de dispersão em 1550 nm de aproximadamente 17ps/nm.km. A atenuação
desta fibra na janela de 1550nm é bastante baixa, na faixa de 0,2 a 0,22 dB/km (ANDRÉ,
2002), (ROSSARO, 2002).
A fibra STD ou SMF é apropriada para sistemas WDM onde um grande número de
canais é necessário, devido ao seu alto valor de dispersão e seu alto valor de área eficaz,
que diminuem os efeitos não-lineares que possam vir a surgir, como a mistura de quatro
ondas (FWM) (ROSSARO, 2002). Este tipo de fibra é recomendável para transmissão
de taxas de até 2,5 Gbps. Para taxas superiores, 10 e 40 Gbps, esta fibra deve ser usada
com compensação de dispersão. A TAB. 2.2 mostra alguns exemplos de redes DWDM
operando em 10 e 40 Gbps, utilizando a fibra G.652 (ROSSARO, 2002).
TAB. 2.2: Aplicações da fibra G.652 em redes WDM.
Número Taxa Espaçamento Distância máxima Banda Comentários
de canais [Gbps] entre canais [GHz] sem repetidores
32 10 100 450 C CR
128 10 50 840 C+L CT + FEC + R
80 10 50 >1000 C CT + FEC + R
32 40 100 250 C SD + R
80 40 100 82 C+L SD +FEC +R
Onde:
C - Banda espectral de 1530 nm a 1565 nm;
L - Banda espectral de 1570 nm a 1610 nm;
CR - Uso de módulo de compensação na recepção;
CT - Uso de compensação de dispersão pré, pós e de linha;
FEC - Uso de correção de erro;
R - Uso de amplificação Raman;
SD - Uso de compensação da inclinação e do valor médio da dispersão cromática.
Atualmente, um novo tipo de fibra G.652 vem sendo desenvolvido, esta nova fibra
apresenta uma baixa atenuação na banda S, de 1360 a 1400 nm, com a supressão do pico
de absorção de OH− (ROSSARO, 2002). Outro tipo especial baseado na fibra STD é a
G.654, que apresenta uma atenuação muito baixa na janela de 1550 nm, tipicamente de
0.18 dB/km, porém esta fibra é raramente utilizada devido o seu elevado custo (ANDRÉ,
2002).
34
2.2.4.2 FIBRA COM DISPERSÃO DESLOCADA - DSF
Um dos principais fatores limitantes da fibra STD é sua alta dispersão, assim, em
1985, foi desenvolvida a fibra com dispersão deslocada (G.653), este tipo de fibra tem o
mínimo de dispersão cromática na mesma região espectral do mínimo de atenuação, esta
parecia ser a condição ideal, já que acumulava as vantagens do mínimo de dispersão e do
mínimo de atenuação na mesma janela.
Esta fibra foi desenvolvida em um cenário em que um aumento de desempenho do
sistema de comunicações ópticas significava um aumento na taxa de transmissão da porta-
dora óptica (ROSSARO, 2002). O problema da dispersão cromática nesta fibra teria sido
então superado, sendo agora o principal fator limitante a PMD. O coeficiente de PMD da
fibra G.653 é maior que o da G.652 (0,4 a 0,7 ps/
√
km contra 0,1 a 0,2 ps/
√
km). Para
sistemas de 10 Gbps, estes valores de PMD permitem uma transmissão de até centenas de
km, enquanto que a penalidade de transmissão para sistemas de 40 Gbps é bastante alta,
reduzindo a distância de transmissão sem compensação de PMD para poucas dezenas de
km. Esta fibra foi instalada em grande parte dos enlaces submarinos.
Porém, com o advento dos sistemas WDM, a potência óptica injetada na fibra au-
mentou devido aos múltiplos comprimentos de onda. Este aumento da potência associada
com a pequena dispersão contribuiu para o aumento significativo dos efeitos não-lineares
da fibra, impedindo assim o aumento do número de comprimentos de onda propagantes.
Este número ficou limitado em 8 a 12 comprimentos de onda devido à FWM (ROSSARO,
2002). Combinando a amplificação Raman com técnicas para diminuir os efeitos não-
lineares, foi demonstrada uma transmissão de 100 canais de 10 Gbps, sobre 175 km da
fibra G.653 (TAKASHINA, 2000). Devido a estes problemas de não-linearidades, a fibra
G.653 não é mais usada em novas instalações e tem sido substituída pela NZDSF (G.655).
2.2.4.3 FIBRA COM DISPERSÃO DESLOCADA NÃO NULA - NZDSF
A principal característica da fibra NZDSF é apresentar uma dispersão cromática
muito baixa, mas não nula, de modo a suprimir os efeitos de FWM na janela de 1550 nm
e permitir a transmissão em 10 Gbps.
Em 1993, a Lucent começou a produzir uma fibra NZDSF, a TrueWave, para ser
utilizada em sistemas WDM amplificados. Estas fibras NZDSF de primeira geração eram,
na realidade, fibras DSF com um mínimo de dispersão próximo de 1500 nm, apresentando,
portanto, algumas características indesejáveis tais como a dispersão cromática residual
elevada, área eficaz muito pequena e inclinação da dispersão cromática (slope) muito
35
elevada. A inclinação da dispersão é a variação da dispersão total D em função da
variação do comprimento de onda λ.
Estas características abriram o caminho para o aparecimento de uma segunda geração
de fibras NZDSF, como as TrueWave XL da Lucent, a LEAF da Corning ou a FreeLight
da Pirelli, com uma área eficaz superior às da primeira geração, permitindo reduzir a
densidade de potência na fibra e minimizar os efeitos não-lineares (ROSSARO, 2001).
Apesar da aparente superioridade da fibra NZDSF, estudos recentes têm compro-
vado que para determinadas condições, a fibra STD apresenta melhor desempenho (DE-
MAREST, 2002), (MAURO, 2001).
Na FIG.2.5 (DEMAREST, 2002) temos uma comparação entre sistemas de transmis-
são com fibras NZDSF e STD.
(a) (b)
FIG. 2.5: Comparação do fator Q em um sistema WDM para as fibras STD e NZDSF. (a)
25 canais e 50 GHz de espaçamento entre canais. (b) 25 canais e 25 GHz de espaçamento
entre canais.
Na FIG. 2.5.a é realizada uma comparação entre um sistema WDM de 25 canais,
espaçados em 50 GHz, utilizando fibras STD e NZDSF. Na FIG. 2.5.b é realizada uma
comparação entre um sistema WDM de 25 canais, espaçados em 25 GHz, utilizando fibras
STD e NZDSF. As potências de transmissão de cada canal, para os dois tipos de fibras,
foram escolhidas por produzirem os maiores valores do fator Q, ao longo de, pelo menos,
750 km (DEMAREST, 2002). Os sistemas com fibras NZDSF suportam potências menores
que os com fibras STD devido ao efeito não-linear de mistura de quatro ondas (FWM),
que é maior para altas potências e pequenos valores de dispersão. Em contra-partida,
para valores de potências menores, os valores do fator Q diminuem. É possível notar
na FIG. 2.5 que a diferença de desempenho entre os sistemas com fibras STD e NZDSF
tornam-se maiores conforme diminui-se o espaçamento entre canais. Para o espaçamento
36
de 50 GHz, é possível notar que, tanto para as fibras STD quanto para as fibras NZDSF,
o valor de Q é maior que 8 (BER ≈ 10−15), para distâncias inferiores a 950 km. No caso
de espaçamento de 25 GHz, é possível notar que, para os sistemas com fibras STD, o valor
de Q é maior que 8 para enlaces de até 950 km, enquanto que para os sistemas com fibras
NZDSF, o valor de Q é maior que 8 apenas para enlaces menores que 525 km. De acordo
com os gráficos da FIG. 2.5, a fibra STD apresenta um melhor desempenho em relação a
fibra NZDSF. Atualmente, o valor de Q deve ser ≥ 6 (BER ≤ 10−9) para que o sistema
opere adequadamente.
Em sistemas WDM, se considerarmos a FWM como única fonte de crosstalk não-
linear, a tolerância do sistema pode ser medida através de (DEMAREST, 2002):
M = Aeff ·D (2.23)
Onde Aeff é a área efetiva da seção reta da fibra e D a dispersão.
A TAB. 2.3 apresenta os valores de dispersão, área efetiva, inclinação da dispersão e
M para algumas fibras G.655 (DEMAREST, 2002).
TAB. 2.3: Características de fibras G.655 - NZDSF.
Tipo de fibra Dispersão em 1550 nm Inclinação da dispersão Área efetiva M
(ps/nm.km) (ps/km/nm2) Aeff(µm2)
LS -1,60 0,075 50 80
TW Classic 2,90 0,07 55,4 161
TW - RS 4,40 0,042 55,4 244
LEAF 3,67 0,105 72,4 266
TERALIGHT 8,0 0,058 63 504
2.2.4.4 FIBRA COM COMPENSAÇÃO DA DISPERSÃO - DCFAs fibras de dispersão compensada apresentam dispersão negativa na janela de 1550
nm e são utilizadas na compensação da dispersão.
Existem duas técnicas básicas no projeto das DCF’s. No primeiro método, a fibra
DCF suporta um único modo, mas é projetada com um pequeno valor de V. Para V ≈
1, o modo fundamental é fracamente confinado no núcleo. Assim, D ≈ -100 ps/nm.km.
Normalmente, é utilizada a fibra com depressão na casca (depressed-cladding). Infeliz-
mente a atenuação para estas fibras é maior do que para fibras padrão e é da ordem de
0.4 a 1.0 dB/km. A figura de mérito M = |D|/α é muito usada para a caracterização das
37
DCFs. Atualmente, estão sendo fabricadas fibras com M > 400 ps/nm.dB (AGRAWAL,
1997).
Porém as fibras DCFs monomodo apresentam alguns problemas:
• 1 km de DCF compensa apenas 10-12 km de fibras padrão;
• Atenuação relativamente alta em 1550 nm (0,5 dB/km);
• Devido ao pequeno diâmetro do modo, a intensidade óptica é maior para uma dada
potência de entrada, resultando em efeitos não-lineares.
A figura 2.6 mostra um exemplo do perfil de índice de refração de uma DCF.
FIG. 2.6: Exemplo do perfil de índice de refração de uma DCF.
No segundo método, são utilizadas fibras de dois modos com valores de V tais que o
modo de ordem mais alta fique perto do corte (V ≈ 2,5). Isto significa que estas fibras
são quase monomodo. A atenuação de tais fibras é quase a mesma da fibra padrão, mas
é projetada para que os valores de D do modo de mais alta ordem tenha grandes valores
negativos (∼-770 ps/nm.km). 1 km desta fibra pode compensar a GVD para um enlace
de 40 km. Esta fibra também permite compensação de dispersão em banda larga.
O uso da DCF de dois modos requer um dispositivo de conversão de modo capaz de
transferir a energia do modo fundamental para o modo de ordem mais alta, suportado pela
DCF (AGRAWAL, 1997). Vários dispositivos totalmente em fibra vêm sendo desenvolvi-
dos, o que permite uma compatibilidade com a rede de fibras e reduz a perda de inserção
(AGRAWAL, 1997). Alguns requisitos para estes dispositivos: insensibilidade com a po-
larização e grande largura de banda. Quase todos os dispositivos de conversão de modo
utilizam fibras de dois modos com uma grade de difração, que permite o acoplamento
entre os dois modos. O período da grade Λ é escolhido para casar a diferença de índice
de modo δn dos dois modos e é tipicamente de ∼ 100 µm. Tais grades têm sido feitas
usando-se muitos mecanismos: stress periódico, microcurvaturas e fotosensibilidade. A
38
perda de inserção é tipicamente menor que 1 dB, com eficiência de acoplamento maior
que 99% (AGRAWAL, 1997).
O período da grade Λ, para um determinado comprimento de onda λ, é dado por
(AGRAWAL, 1997):
Λ =
λ
δn
(2.24)
2.2.4.5 FIBRA COM DISPERSÃO APLAINADA - DFF
Um outro tipo de fibra utilizado em sistemas de comunicações ópticas é a fibra de dis-
persão aplaindada. Esta fibra apresenta uma dispersão pequena e praticamente constante
na faixa de 1300 a 1650 nm. Assim, para os sistemas WDM esta pode ser uma vantagem,
pois a compensação da dispersão pode ser feita para todos os canais, simultaneamente.
A FIG. 2.7 mostra a dispersão das fibras STD, DFF e DSF em função do comprimento
de onda.
FIG. 2.7: Variação típica do parâmetro da dispersão D em função do comprimento de
onda para as fibras STD, DFF e DSF.
O projeto de fibras de dispersão aplainada baseiam-se normalmente em alterações no
perfil do índice de refração da fibra óptica, tais como o uso de múltiplas camadas de casca.
39
2.3 AMPLIFICADORES ÓPTICOS
Nos sistemas de comunicações ópticas, um dos componentes de grande importância
são os amplificadores ópticos. A distância de transmissão dos sistemas de comunicações
ópticas é limitada pela atenuação. Anteriormente, a atenuação era compensada com o
uso de regeneradores. Os regeneradores são componentes opto-eletrônicos que convertem
o sinal para o domínio elétrico, reformatam, amplificam e o convertem novamente para
o domínio óptico. Com o aumento das taxas de transmissão e, principalmente, com
os sistemas WDM, os sistemas com regeneradores tornaram-se muito caros. Com os
amplificadores EDFA e Raman é possível amplificar vários canais simultaneamente. Na
década de 80, foram desenvolvidos os amplificadores totalmente ópticos, independentes
da taxa de transmissão do sinal e com elevada largura de banda. Isto permitiu que os
sistemas pudessem ser atualizados somente pela troca do equipamento terminal. Em
1996 os amplificadores ópticos começaram a ser instalados em sistemas comerciais de
longa distância.
Os SOAs não são usados como amplificadores ópticos em redes ópticas e por isto não
serão estudados neste trabalho.
2.3.1 AMPLIFICADOR A FIBRA DOPADA COM ÉRBIO - EDFA
O EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) é o amplificador a fibra dopada com Érbio.
O Érbio é um elemento de Terra rara que é opticamente ativo em torno de 1550 nm. No
final da década de 80, tornou-se evidente que a região espectral de 1550 nm seria escolhida
para a transmissão da informação em fibras ópticas, devido à baixa atenuação da fibra
e ao desenvolvimento de lasers de transmissão operando nesta faixa (ANDRÉ, 2002). O
EDFA atraiu bastante atenção por operar em torno da faixa de 1550 nm (DESURVIRE,
1994), que é a região espectral de baixa atenuação da fibra.
Os átomos de Érbio podem ser descritos como um sistema de 3 níveis apropriado para
a amplificação óptica em 1550 nm ± 15 nm. A FIG. 2.8 mostra um diagrama parcial dos
níveis de energia dos átomos de Érbio (Er3+), num hospedeiro vítreo (MINISCALCO,
1991).
As condições necessárias para ocorrer amplificação num EDFA podem ser descritas
utilizando o diagrama de níveis de energia da FIG. 2.8. Os ions de Er3+ no núcleo da
fibra são submetidos a um sinal de bombeio de 980 nm, que induz transições interatômicas
do nível E1 para o nível E3, em seguida ocorrem transições de E3 para E2 (decaimento
não radiativo). As transições do nível E3 para E2 são suficientemente rápidas, da ordem
40
de 7 µs, aumentando a população do nível metaestável E2. Quando o bombeamento é
suficiente para manter a população de íons do estado E2, N2, superior à população de íons
do estado E1, N1, ocorre a emissão estimulada na faixa de 1530 a 1620 nm (banda C+L) no
momento em que o sinal a ser amplificado é aplicado (AGRAWAL, 1997), (DESURVIRE,
1994), (ANDRÉ, 2002), (MILLAR, 1990). O nível meta-estável E2, é formado por vários
subníveis e apresenta um tempo médio de vida elevado, tipicamente da ordem de 10 ms
(ANDRÉ, 2002). Uma outra opção é a utilização do sinal de bombeio em 1480 nm, que
permite um bombeamento direto para o estado superior do nível 4I13/2 (ANDRÉ, 2002),
(AGRAWAL, 1997). Este amplificador necessita de uma potência de bombeio bastante
alta (≈ 200 mW), para que ocorra a inversão de população.
FIG. 2.8: Níveis de energia e diagramas de bombeio da Sílica dopada com Érbio.
2.3.1.1 GANHO NO EDFA
O espectro de ganho do EDFA depende da natureza amorfa da fibra e dos co-dopantes
do núcleo, como o germânio e o alumínio (PEDERSEN, 1991). O ganho do EDFA de-
pende de um grande número de parâmetros, tais como concentração dos ions de Érbio,
comprimento da fibra do amplificador, raio do núcleo e potência de bombeio (AGRAWAL,
1997). A FIG. 2.9 mostra um exemplo de montagem do EDFA (AGRAWAL, 1997).
As potências de bombeio (Pp) e de sinal (Ps) variam ao longo do comprimento do am-
plificador devido à absorção, emissão estimulada e emissão espontânea. Se a contribuição
da emissão espontânea é desprezada, Ps e Pp satisfazem a (AGRAWAL, 1997):
dPs
dz
= σs(N2 −N1)− αsPs, dPp
dz
= σpN1 − αpPp (2.25)
41
Onde, σs e σp são, respectivamente, as seções eficazes na freqüência do sinal e do
bombeio e αs e αp são, respectivamente, a atenuação da fibra no comprimento de onda
do sinal e do bombeio e N1 e N2 são as populações de íons nos níveis de energia E1 e
E2, respectivamente. O sistema de 3 níveis pode ser aproximado para um sistema de dois
níveis,já que o decaimento do nível E3 para o nível E2, no bombeio de 980 nm, não é
radioativo. As expressões da EQ. 2.25 mostram que o ganho para pequenos sinais cresce
linearmente, em unidade logarítmicas, com a diferença entre o número de portadores nos
dois níveis, ou seja, com a potência de bombeio (ANDRÉ, 2002). Este modelo só pode ser
aplicado se não existir depleção do nível fundamental, o que ocorre para sinais de bombeio
intensos.
FIG. 2.9: Exemplo de um esquema de montagem do EDFA
Considerando que o sistema é de dois níveis, que as populações nos níveis E1 e E2 são
distribuídas uniformemente e que são independentes da intensidade dos sinais, o ganho
para pequenos sinais, G0 (em unidades logarítmicas), desprezando-se as perdas internas,
é dado por (DESURVIRE, 1994):
G0 = 4, 343 · γ0 · l (2.26)
Onde γ0 é o coeficiente de ganho para pequenos sinais e l é o comprimento da fibra
dopada.
γ0 = Γ · [σe(ν) ·N2 − σa(ν) ·N1] (2.27)
Onde Γ é o fator de confinamento (DESURVIRE, 1994). Este fator tem valores
típicos entre 0.35 e 0.64. Os parâmetros σe e σa são, respectivamente, as seções eficazes
da emissão estimulada e da absorção (ANDRÉ, 2002), (DESURVIRE, 1994) e são os
parâmetros críticos na simulação. N2 e N1 são as populações dos níveis meta-estável e
fundamental, respectivamente
42
Substituindo-se a EQ. 2.27 na EQ. 2.26, tem-se:
G0 = 4, 343 · Γ · [σe(ν) ·N2 − σa(ν) ·N1] · l (2.28)
A FIG. 2.10 mostra um exemplo da curva de ganho espectral de um EDFA.
FIG. 2.10: Gráfico de ganho espectral de um EDFA típico.
2.3.1.2 RUÍDO NO EDFA
O ruído em EDFAs é produzido por efeito de emissão espontânea devido à presença
dos ions de Er3+ na fibra dopada. Os ions têm tempos médios de vida finitos no estado
excitado (tipicamente, 10 ms), e parte dos ions decaem espontaneamente para o estado
fundamental emitindo fótons, que são o ruído, pois não possuem informação. Este ruído
também é amplificado e adicionado ao sinal, e por isto, é designado por emissão espontânea
amplificada (ASE - Amplified Spontaneous Emission) (ANDRÉ, 2002), (GIRARD, 2000),
(DESURVIRE, 1994). Sua potência é expressa por (GILES, 1991):
PASE = nsp · (G0 − 1) · h · ν · dν = ρASE · dν (2.29)
Onde h é a constante de Plank, ν é a freqüência óptica, dν é a largura de banda e
nsp é o fator de inversão de população ou fator de emissão espontânea, que é dado por
(AGRAWAL, 1997):
nsp =
N2
N2 −N1 . (2.30)
43
A ASE causa uma degradação na relação sinal-ruído do sinal. A figura de ruído NF
do amplificador pode ser calculada por (AGRAWAL, 1997):
NF =
SNRentrada
SNRsaida
= 2nsp (2.31)
Como, no caso do EDFA N1 6= 0 e nsp > 1, o valor da figura de ruído é maior que 2 (3
dB) (AGRAWAL, 1997). Como os valores de N2 e N1 dependem das potências do sinal e
do bombeio, seus valores variam ao longo do comprimento da fibra, assim a figura de ruído
depende também do comprimento da fibra l e da potência de bombeio Pp (AGRAWAL,
1997). Estudos revelam que para se conseguir uma figura de ruído próxima de 3 dB,
a potência de bombeio deve ser muito maior que a potência de bombeio de saturação
(AGRAWAL, 1997). A FIG. 2.11 mostra a variação da potência de ASE típica de um
EDFA em função do comprimento de onda.
FIG. 2.11: Potência de ASE típica de um EDFA para um bombeio de 90 mW.
Em um sistema de longa distância, para se resolver o problema da atenuação é usual
cascatear amplificadores. Isto afeta o sistema de duas formas: a ASE é acumulada con-
forme se aumenta o número de amplificadores e, conforme o nível da ASE aumenta,
os amplificadores começam a saturar e, conseqüentemente, o ganho de sinal é reduzido
(AGRAWAL, 1997).
A figura de ruído efetiva NFeff para uma cascata de k amplificadores é definida por
(AGRAWAL, 1997):
44
NFeff = NF1 +
NF2
G1
+
NF3
G1.G2
+ ... +
NFk
G1.G2...Gk−1
(2.32)
Onde, NFj e Gj são respectivamente a figura de ruído e o ganho do j -ésimo amplifi-
cador, para j = 1, ...., k.
2.3.1.3 TIPOS DE BOMBEIO EM EDFA’S
O bombeio nos EDFA’s pode variar quanto ao comprimento de onda do sinal de
bombeio, em 980 nm ou 1480 nm, e quanto a direção do bombeio, co-propagante e contra-
propagante ao sinal de transmissão, ou bi-direcional.
Quanto ao comprimento de onda do sinal de bombeio é possivel afirmar que (BECKER,
1999):
• Para elevadas potências de bombeio, o bombeio em 980nm apresenta um ganho
maior, devido à incompleta inversão de população conseguida em 1480 nm;
• A potência de bombeio requerida para a obtenção de transparência é menor para
1480 nm, devido à maior eficiência quântica;
• A figura de ruído é menor para 980 nm, pois o fator de inversão de população para
980 nm é menor.
Quanto à direção do bombeio é possivel afirmar que (BECKER, 1999):
• O bombeio co-propagante proporciona uma figura de ruído mais baixa, pois a in-
versão de população é maior na entrada da fibra, diminuindo a figura de ruído na
saída.
• O bombeio contra-propagante mantém uma potência de saída mais elevada.
Consegue-se um amplificador com baixo ruído e elevada potência óptica de saída
através de um bombeio híbrido, com 980 nm na direção co-propagante e com 1480
nm na direção contra-propagante.
2.3.2 AMPLIFICADOR RAMAN
Um outro amplificador utilizado em sistemas de comunicações ópticas é o amplificador
Raman. O amplificador Raman baseia-se no princípio do espalhamento Raman estimulado
(SRS - Stimulated Raman Scattering), onde um fóton de bombeio incidente na fibra
transfere parte de sua energia para criar um novo fóton, de maior comprimento de onda.
45
O restante da enegia é absorvido pelo meio na forma de fônons ópticos (ISLAM, 2002),
(AGRAWAL, 1997).
O estudo do amplificador Raman começou na década de 70 e se estendeu até os
meados da década de 80, onde o foco foi mudado para o estudo dos EDFAs, contudo
nos meados da década de 90, voltou-se a ter um grande interesse no desenvolvimento dos
amplificadores Raman (ISLAM, 2002).
A luz incidente na fibra atua como bombeio para gerar a radiação deslocada em
frequência, que depende dos modos vibracionais do meio, chamada de onda de Stokes.
Para intensidades de bombeio muito altas, grande parte da potência é convertida em ondas
de Stokes rapidamente dentro do meio (AGRAWAL, 2001). A FIG. 2.12 exemplifica os
níveis de energia do espalhamento Raman estimulado.
FIG. 2.12: Níveis de energia do espalhamento Raman.
O efeito de espalhamento Raman estimulado pode ser entendido como o espalhamento
de um fóton de maior energia, para um fóton de menor energia, tal que a diferença de
energia aparece na forma de fônons (AGRAWAL, 1997). No amplificador Raman um
bombeio, de maior freqüência, transfere potência para o sinal, de menor freqüência, pelo
efeito SRS.
O amplificador Raman apresenta diversas vantagens em relação ao EDFA (ISLAM,
2002):
• Apresenta baixo ruído;
• Esquema simples: a fibra é o próprio meio de amplificação;
• Independe da janela de transmissão, é não-ressonante;
• Apresenta distribuição flexível das freqüências do sinal, o amplificador Raman de-
pende apenas da diferença entre o sinal de bombeio e o sinal com a informação;
• Pode oferecer grande largura de banda que pode ser conseguida combinando o efeito
de diversos amplificadores Raman (múltiplos comprimentos de onda).
O amplificador Raman também apresenta algumas desvantagens (ISLAM, 2002):
46
• Eficiência de bombeio menor que a do EDFA;
• Requer uma longa fibra para que o ganho ocorra, esta desvantagem pode ser com-
pensada combinando ganho e compensação de dispersão em uma mesma fibra;
• Por necessitar de altas potências de bombeio, são necessários lasers de bombeio de
alta potência.
• Em sistemas WDM pode ocorrer transferência de energia de canais de menor com-
primento de onda para canais de maior comprimento de onda, degradando a equa-
lização de potência (CHRAPLYVY, 1983).
A FIG. 2.13 é um exemplo do esquema de montagem do amplificador Raman para
um bombeio co-propagante.
FIG. 2.13: Exemplo do esquema de montagem do amplificador Raman.
2.3.2.1 GANHO NO AMPLIFICADOR