ESTI010-17_NA_01

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Material auxiliar a ser usado exclusivamente na disciplina 
 
Comunicações Ópticas 
 
da 
 
Universidade Federal do ABC. 
 
 
 
 
 
 
Este material é um apanhado dos tópicos essenciais para a referida disciplina, extraídos 
da obra de 
 
 
Govind P. Agrawal 
 
 
Fiber-Optic Communications Systems, Third Edition, 
John Wiley & Sons, Inc, 2002. 
 
 
 
 
Por 
 
Luiz Henrique Bonani 
 
 
 
 
 
1 
 
Introdução aos Sistemas Ópticos de Comunicação 
 
Perspectiva Histórica 
O uso da luz para fins de comunicação remonta à antiguidade se interpretarmos 
comunicações ópticas em um sentido mais amplo. Até o final do século XVIII eram 
usados sistemas de sinalização por meio de luzes, bandeiras e outros dispositivos 
que dependem da visão. A ideia foi estendida para transmitir mecanicamente 
mensagens codificadas em longas distâncias (~100 km) pelo uso de estações 
repetidoras intermediárias (telégrafo óptico). 
Os sistemas de comunicação do século XIX eram, contudo, inerentemente 
lentos. O advento do telégrafo em 1830 substituiu o uso da luz por eletricidade e 
começou a era da comunicação elétrica. A taxa de bits B foi aumentada para 
aproximadamente 10 b/s pelo uso de novas técnicas de codificação e o uso de 
estações intermediários de retransmissão permitiu a comunicação a longas distâncias 
(~ 1000 km). 
A invenção do telefone em 1876 trouxe uma mudança importante na medida em 
que sinais elétricos eram transmitidos em formato analógico por meio de uma 
variação contínua da corrente elétrica. O desenvolvimento de redes de telefonia em 
todo o mundo durante o século XX levou a muitos avanços no projeto de sistemas 
de comunicação elétrica, como o uso de cabos coaxiais no lugar de pares de fios. 
O primeiro sistema de cabo coaxial colocado em circulação em 1940, foi um 
sistema de 3 MHz capaz de transmitir 300 canais de voz ou um único canal de 
televisão. O problema era a limitação da largura de banda. Essa limitação levou aos 
sistemas de comunicação por micro-ondas em que uma onda portadora 
eletromagnética com frequências na faixa de 1-10 GHz é usada para transmitir o 
sinal usando técnicas de modulação adequadas. 
O primeiro sistema de micro-ondas na frequência portadora de 4 GHz foi 
colocado em serviço em 1948. Desde então, tanto coaxial como sistemas de micro-
ondas evoluíram consideravelmente e são capazes de operar com taxas de bits de 
centenas de Mb/s. A grande desvantagem de tais sistemas de alta velocidade coaxial 
é seu espaçamento pequeno entre repetidores (~ 1 km), o que torna o sistema 
relativamente caro para operar. 
Uma figura de mérito comumente usada para sistemas de comunicação é o 
produto taxa de bits - distância, BL, em que B é a taxa de bits e L é o espaçamento 
entre repetidores. 
Evolução do Produto BL 
Nos anos 1970: Sistemas de comunicação com BL ~ 100 (Mb/s).km já estavam 
disponíveis e foram limitados a tais valores por causa de limitações fundamentais. 
Percebeu-se durante a segunda metade do século XX que um aumento considerável 
no produto BL seria possível se ondas ópticas fossem usadas como portadoras. A 
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figura mostra como o produto BL tem aumentado por meio de avanços tecnológicos 
durante os últimos 150 anos. 
No entanto, nem uma fonte óptica coerente nem um adequado meio de 
transmissão estava disponível durante a década de 1950. 
Invenção do Laser 
A invenção do laser e sua demonstração em 1960, resolveu o primeiro problema, 
voltando a atenção para encontrar modos de utilizar a luz laser em comunicações 
ópticas. Muitas ideias foram apresentadas durante os anos de 1960, sendo a mais 
notável a idéia de confinamento de luz usando uma sequência de lentes. 
Foi sugerido em 1966 que as fibras ópticas poderiam ser a melhor escolha, já 
que são capazes de guiar a luz de forma semelhante ao guiamento de elétrons em 
fios de cobre. O principal problema foi a perda elevada nas fibras ópticas 
disponíveis nessa época, as quais excediam 1000 dB/km. 
Invenção da Fibra Óptica 
Um grande avanço ocorreu em 1970, quando as perdas das fibras foram 
reduzidas para menos de 20 dB/km na região de comprimento de onda próximo de 1 
µm. Na mesma época, lasers semicondutores GaAs, operando continuamente em 
temperatura ambiente, foram demonstradas. A disponibilidade simultânea de fontes 
ópticas compactas e fibras ópticas de baixas perdas levou a um esforço mundial para 
o desenvolvimento de sistemas de fibra óptica para comunicação. Depois de 1980 
várias gerações de sistemas de comunicação por fibras ópticas foram desenvolvidas. 
Sistemas de Comunicação por Fibras Ópticas 
O progresso dos sistemas de comunicação por fibras ópticas tem sido realmente 
rápido, como é evidente pelo aumento na taxa de bits por um fator de 100 mil 
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durante um período de menos de 25 anos. Distâncias de transmissão também 
aumentaram de 10 para 10.000 km em relação ao mesmo período de tempo. 
Como resultado, o produto BL de sistemas modernos de comunicação por fibras 
ópticas pode exceder por um fator de 107 em comparação com os sistemas de 
primeira geração. A fase de pesquisas em sistemas de fibra óptica de comunicação 
começou por volta de 1975. 
O progresso realizado durante o período de 25 anos entre 1975-2000 pode ser 
agrupado em várias gerações distintas. A figura mostra o aumento do produto BL ao 
longo deste período de tempo quantificada por meio de vários experimentos de 
laboratório. 
1ª Geração 
A primeira geração de sistemas ópticos de comunicação operava em 0,8 µm 
usando lasers semicondutores de GaAs. Esses sistemas só foram disponibilizados 
comercialmente em 1980, operando a uma taxa de bits de 45 Mb/s e com 
espaçamentos entre repetidores de até 10 km. 
O espaçamento maior entre repetidores em comparação com o sistema coaxial 
foi uma motivação importante para projetistas de sistemas porque diminuiu os 
custos de instalação e manutenção associados a cada repetidor. 
Já se sabia na década de 1970 que o espaçamento entre repetidores poderia ser 
aumentado consideravelmente na região de comprimento de onda próxima a 1,3 µm, 
em que a perda na fibra é inferior a 1 dB/km. 
2ª Geração 
A segunda geração de sistemas de fibra óptica de comunicação foram 
disponibilizadas no início de 1980, mas a taxa de bit de sistemas de início foi 
limitada a menos de 100 Mb/s por causa da dispersão em fibras multimodo. Em 
1987, sistemas de segunda geração usando fibras monomodo e operando com taxas 
de bit de até 1,7 Gb/s com um espaçamento de repetição de cerca de 50 km já 
estavam comercialmente disponíveis. 
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O espaçamento de repetição dos sistemas de segunda geração foi limitado pelas 
perdas na fibra no comprimento de onda de operação de 1,3 µm (tipicamente 0,5 
dB/km). Entretanto, as perdas em fibras de sílica encontram seu mínimo perto de 
1,55 µm, como já em 1979 já se tinha percebido uma perda 0,2 dB/km nesta região 
espectral. 
3ª Geração 
A introdução da terceira geração de sistemas ópticos em 1,55 µm foi 
consideravelmente atrasada pela grande dispersão perto dessa região. Lasers 
semicondutores convencionais InGaAsP não podiam ser usados na região de 1,55 
µm por causa do alargamento de pulso que ocorre por causa das oscilação 
simultâneas de vários modos longitudinais. 
O problema de dispersão podia ser superado usando fibras de dispersão 
deslocada, projetadas para ter dispersão mínima perto 1,55 μm ou limitando o 
espectro de laser para um único modo longitudinal. As duas abordagens foram 
seguidas durante a década de 1980. 
Em 1990 os sistemas de terceira geração operando em 2,5 Gb/s se tornaram 
disponíveis comercialmente, operando a uma taxa de bit de até 10 Gb/s e usando 
fibras de dispersão deslocada com lasers oscilando em um único modo longitudinal. 
Uma desvantagem dos sistemas ópticos de terceira geração é que o sinal é 
regenerado periodicamente usando repetidores eletrônicos espaçadas tipicamente 
por60-70 km. 
O espaçamento de repetidores pode ser aumentado por meio da utilização de 
técnicas coerentes, que estavam em desenvolvimento durante a década de 1980. 
Entretanto, a introdução comercial das técnicas coerentes foi adiada com o 
aparecimento dos amplificadores de fibra em 1989. 
4ª Geração 
A quarta geração de sistemas ópticos faz uso de amplificação óptica para o 
aumento do espaçamento de repetidores e de multiplexação por comprimento de 
onda (WDM) para aumento da taxa de bit. 
Depois de 1992, o advento da técnica WDM começou uma revolução que 
resultou na duplicação da capacidade do sistema a cada 6 meses e levou a sistemas 
operando em taxas de bits de 10 Tb/s até 2001. 
Em 1991 experimentos mostraram a possibilidade de transmissão de dados a 
mais de 21.000 km em 2,5 Gb/s, e mais de 14.300 km em 5 Gb/s. 
Na maioria dos sistemas WDM, perdas de fibra são compensadas 
periodicamente com o uso de amplificadores de fibra dopada com érbio (EDFA) 
espaçados entre 60-80 km de distância. Esse desempenho indicou que um sistema de 
transmissão submarino totalmente óptico baseado em amplificadores era viável para 
a comunicação intercontinental. 
Em 1996, a transmissão não só já tinha sido demonstrada usando cabos 
submarinos reais, como sistemas comerciais transatlânticos e transpacíficos se 
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tornaram disponíveis. A ênfase atual de sistemas WDM é em aumentar a capacidade 
do sistema pela transmissão de mais e mais canais por meio da técnica WDM. 
Entretanto, com o aumento da largura de banda do sinal WDM muitas vezes não 
é possível amplificar todos os canais usando um único amplificador. A meta de 
aumentar a largura de banda motiva a exploração de novos tipos de sistemas de 
amplificação para cobrir a região espectral de 1,45 a 1,62 μm. 
Vários sistemas WDM foram implantados através dos oceanos Atlântico e 
Pacífico, durante os anos 1998-2001, em resposta ao aumento induzido pela 
Internet. Experiências foram conduzidas com 3,28 Tb/s em 82 canais, operando em 
40 Gb/s e transmitidos a mais de 3000 km, resultando em um produto BL de quase 
10 mil (Tb/s) km. Também, 300 canais operando em 11,6 Gb/s foram transmitidos a 
mais de 7380 km, resultando em um produto BL de mais de 25000 (Tb/s).km. 
Comercialmente, os sistemas terrestres com capacidade de 1,6 Tb/s já estavam 
disponíveis no final de 2000. Dado que os sistemas de primeira geração tinham uma 
capacidade de 45 Mb/s em 1980, é fato que a capacidade saltou por um fator de 
mais de 10.000 em um período de 20 anos. 
A quinta geração de sistemas de comunicação por fibra óptica se preocupou com 
a extensão da faixa de comprimentos de onda sobre a qual um sistema WDM pode 
operar simultaneamente. A janela de comprimentos de onda convencional, 
conhecida como a banda C, cobre a faixa de comprimento de onda de 1,53 a 1,57 
μm. 
Ela foi estendida em ambos os lados nas bandas L (long) e S (short), 
respectivamente. Isso além do uso de novos tipos de fibra com a propriedade de 
pequenas perdas entre 1,30 e 1,65 μm. 
5ª Geração 
A técnica de amplificação Raman pode ser utilizada para sinais em todas as três 
faixas de comprimentos de onda. Os sistemas de quinta geração também 
aumentaram a taxa de bits de cada canal dentro do sinal WDM. 
A partir de 2000 surgiram muitos experimentos utilizando canais operando em 
40 Gb/s; migração para centenas de Gb/s já estão padronizados neste momento. Tais 
sistemas exigem uma gestão muito cuidadosa da dispersão da fibra. 
 
Conceitos Básicos: Sinais Analógicos e Digitais 
Formato analógico ou digital: variação contínua no tempo ou representação 
discreta binária. 
Taxa de bits B = TB
-1. 
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Banda ou espectro do sinal: faixa de frequências presentes nele. O espectro pode 
ser determinado matematicamente usando a Transformada de Fourier. 
Teorema da amostragem e critério de Nyquist (fs ≥ 2fm). 
Os valores amostrados podem assumir qualquer valor na faixa 0 ≤ A ≤ Amax e 
Amax é dividido em M intervalos. A quantização gera o efeito de ruído de 
quantização e pode ser minimizada se M < Amax /AN e AN é o valor RMS da 
amplitude do ruído. O valor da SNR é então: 20log
10
(A
max 
/A
N
 ) 
Fonte: [1] 
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É sabido que um canal de voz digital opera a 64 kb/s, mas muitos sistemas de 
comunicação por fibra operam a mais de 1 Gb/s. Para usar toda a capacidade do 
sistema, e necessário transmitir muitos canais simultaneamente usando uma 
multiplexação de canais. Os métodos de multiplexação mais comuns são o TDM e o 
FDM 
O FDM óptico é frequentemente referido como WDM e será abordado em 
momento oportuno. O conceito de TDM é utilizado para formar hierarquias digitais, 
como SONET (Synchronous Optical Network) e SDH (Synchronous Digital 
Hierarchy). Na tabela a seguir são mostradas as taxas de bits nas hierarquias 
correspondentes entre a SONET e a SDH. 
Normalmente, a saída de uma fonte óptica é modulada diretamente pela 
aplicação do sinal elétrico na fonte óptica ou usando um modulador externo. Há 
duas escolhas para o formato de modulação do fluxo de bits ópticos resultante 
dessas técnicas e são conhecidos como formatos Return-to-Zero (RZ) e Nonreturn-
to-Zero (NRZ). 
Sistemas ópticos de comunicação diferem de sistemas de micro-ondas apenas na 
faixa de frequência da onda portadora usada para transportar a informação. As 
frequências portadoras ópticas são tipicamente ~200 THz, em contraste com as 
frequências portadoras de micro-ondas (~1 GHz). Sistemas de comunicação óptica 
podem ser classificados em duas grandes categorias: guiados e não-guiados. 
No caso de sistemas de comunicação óptica não-guiados, o feixe óptico emitido 
pelo transmissor se espalha no espaço, similar à propagação de micro-ondas. No 
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entanto, são menos adequados para aplicações de radiodifusão e geralmente 
requerem precisão na visada entre o transmissor e o receptor, sendo menos 
utilizados. 
Os sistemas de comunicação por fibra óptica foram desenvolvidos 
principalmente para aplicações em telecomunicações. As aplicações em 
telecomunicações podem ser classificados em duas categorias: de longa distância 
(long-haul) e de curta distância (short-haul). A classificação depende da distância 
que o sinal óptico atravessa em comparação com distâncias típicas entre cidades 
(~100 km). 
O diagrama de blocos genérico aplica-se a um sistema de comunicação por fibra 
óptica. A única diferença é que o canal de comunicação é um cabo de fibra óptica. 
Os outros dois componentes, o transmissor óptico e o receptor óptico, são projetados 
para atender as necessidades do canal de comunicação específico, que é a fibra. 
As fibras de sílica podem transmitir a luz com perdas menores que 0,2 dB/km. 
Mesmo assim, a potência óptica se reduz a apenas 1%, após 100 km. Assim, as 
perdas nas fibras continuam a ser um problema de projeto importante e determina o 
espaçamento entre repetidores ou amplificadores em sistemas de longa distância. 
Outra questão importante do projeto é a dispersão (modal e material), que leva 
ao alargamento dos pulsos ópticos com a propagação, degradando a qualidade do 
sinal. O transmissor óptico converte o sinal elétrico em forma óptica para o 
lançamento do sinal na fibra. 
É composto por uma fonte óptica, um modulador, e um acoplador de canal. 
Lasers semicondutores ou diodos emissores de luz são usados como fontes ópticas 
por causa de sua compatibilidade com o canal de comunicação de fibra óptica. O 
sinal óptico é gerado por meio da modulação da onda portadora óptica. 
A potência injetada é um parâmetro importante do projeto. O uso de um 
modulador externo pode ser dispensado em alguns casos, desde que a saída de uma 
fonte óptica possa ser modulada diretamente pela variação da injeção de corrente. 
Um receptor óptico converte o sinal óptico recebido para 
o sinal elétrico original. É composto por um acoplador, um fotodetector e um 
demodulador. O acoplador concentra o sinalrecebido óptico para o fotodetector. 
Fotodiodos semicondutores são utilizados como fotodetec-tores devido à 
compatibilidade com todo o sistema. O demodulador depende do formato de 
modulação usado pelo sistema óptico.