Capítulo 4

Sistemas de transmissão por fibra óptica e seus componentes

Objetivos: Neste capítulo, você aprenderá:

Como funcionam os enlaces de dados da fibra óptica e os sistemas de transmissão.

Que componentes são utilizados nos tranceptores.

Que tipos de fontes e detectores são utilizados nos tranceptores.

Os parâmetros de desempenho dos sistemas de transmissão por fibra óptica.

Enlaces de dados de fibra óptica

Os sistemas de transmissão por fibra óptica utilizam enlaces de dados que funcionam de forma semelhante à ilustrada no gráfico acima. Cada enlace de fibra consiste em um transmissor em uma extremidade da fibra e um receptor na outra. A maioria dos sistemas opera transmitindo em uma direção através de uma fibra e na direção inversa através de outra fibra, gerando uma transmissão bidirecional. É possível transmitir em duas direções através de uma única fibra, mas são requeridos acopladores para fazê-lo, e a fibra é menos dispendiosa que os acopladores. Uma rede óptica passiva (PON) de FTTH é um dos únicos sistemas que utilizam transmissão bidirecional sobre uma única fibra, porque sua arquitetura de rede já utiliza acopladores.

A maioria dos sistemas utiliza um “tranceptor” que inclui um transmissor e um receptor em um único módulo. O transmissor toma uma entrada elétrica e a converte em uma saída óptica a partir de um díodo laser ou um LED. A luz do transmissor é acoplada à fibra com um conector e é transmitida através da rede de cabos de fibra óptica. A luz da extremidade da fibra é acoplada a um receptor, onde um detector converte a luz em um sinal elétrico que depois é condicionado para que possa ser utilizado no equipamento de recepção.

Analógico ou digital

Os sinais analógicos são sinais de variação contínua e a informação contida neles se encontra na amplitude do sinal ao longo do tempo. Os sinais digitais são coletados a intervalos de tempo regulares e a amplitude é convertida a bytes digitais, portanto, a informação é um número digital. Os sinais analógicos são os mais comuns nos dados, mas estão sujeitos à degradação pelo ruído presente no sistema de transmissão. Como o sinal analógico é atenuado em um cabo, a relação sinal-ruído piora e, com isso, a qualidade do sinal diminui. Os sinais digitais podem ser transmitidos em longas distâncias sem degradação, já que são menos sensíveis aos ruídos.

Os enlaces de dados em fibra óptica podem ser analógicos ou digitais, embora a maioria seja digital. As redes de telefonia e informáticas são digitais, a TV a cabo atualmente é analógica, mas está se tornando digital, e os sistemas de CCTV possivelmente façam o mesmo.

Tanto os enlaces analógicos quanto os digitais têm alguns parâmetros comuns e algumas diferenças importantes. Para ambos os enlaces, a margem de perda óptica ou a quantidade de potência é o mais importante. Os enlaces de dados analógicos são testados por meio da relação sinal-ruído para determinar a margem do enlace, enquanto os enlaces digitais utilizam a taxa de erros de bit para medir o desempenho. Ambos os enlaces devem ser testados sobre toda a largura de banda especificada para a operação, mas, hoje, muitos dos enlaces são específicos para uma determinada aplicação de rede, como CATV AM ou monitores de cores RGB para enlaces analógicos e SONET, Ethernet ou Fibre Channel para enlaces digitais.

Acondicionamento

Os tranceptores são acondicionados de acordo com o padrão do setor para que múltiplas fontes possam ser conectadas ao equipamento de transmissão. Os módulos são conectados a um conector duplo na extremidade óptica e a uma interface elétrica padrão na outra extremidade. Os tranceptores recebem energia dos equipamentos nos quais estão integrados.

Fontes para transmissores de fibra óptica

As fontes utilizadas para transmissores ópticos devem atender a vários critérios: operar no comprimento de onda correto, poder ser moduladas o suficientemente rápido para transmitir dados e poder ser acopladas de forma eficiente à fibra.

Normalmente, são utilizados quatro tipos de fontes: LED, lasers Fabry-Perot (FP), lasers de feedback distribuído (DFB) e lasers de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL). Todos eles convertem os sinais elétricos em sinais ópticos, mas são dispositivos muito diferentes entre si. Os três são pequenos dispositivos semicondutores (chips). Os LED e VCSEL são fabricados sobre bolachas semicondutoras para que possam emitir luz desde a superfície do chip, enquanto os lasers FP e DFB emitem luz desde o lateral do chip, de uma cavidade do laser criada no meio do chip.

Os LED têm saídas de potência muito menores que os lasers, e seu padrão de saída de luz divergente e amplo torna mais difícil o acoplamento com as fibras, portanto, estão limitados ao uso apenas com fibras multimodo. Os lasers têm saídas de luz menores e mais estreitas, e podem ser acoplados facilmente às fibras monomodo, portanto, são ideais para enlaces de longa distância de alta velocidade. Os LED têm uma largura de banda muito menor que os lasers e estão limitados aos sistemas que operam até cerca de 250 MHz ou aproximadamente 200 Mb/s. Os lasers têm uma capacidade de largura de banda muito alta e a muitos deles são utilizados acima de 10 GHz ou 10 Gb/s.

Devido ao seu método de fabricação, os LED e VCSEL são mais econômicos. Os lasers são mais dispendiosos, devido a que a criação da cavidade do laser dentro do dispositivo é mais difícil, o chip deve ser separado da bolacha semicondutora e cada extremidade deve ser revestida antes de poder testar o bom funcionamento do laser.

Especificações típicas de fontes de fibra óptica

Tipo de dispositivo	Comprimentos de onda (nm)	Potência dentro da fibra (dBm)	Largura de banda	Tipos de fibra
LED	850, 1300	-30 a -10	<250 MHz	multimodo
Laser Fabry-Perot	850,1310 (1280-1330), 1550 (1480-1650)	0 a +10	>10 GHz	multimodo, monomodo
Laser DFB	1550 (1480-1650)	0 a + 13 (+25 com amplificador óptico)	>10 GHz	monomodo
VCSEL	850	-10 a 0	>10 GHz	multimodo

Os LED têm uma largura de banda limitada, enquanto todos os tipos de laser são muito rápidos. Outra grande diferença entre os LED e os dois tipos de laser é a saída espectral. Os LED têm uma saída espectral muito ampla, o que causa dispersão cromática na fibra, enquanto os lasers têm uma saída espectral estreita que sofre muito pouca dispersão cromática. Os lasers DFB, que são utilizados em longas distâncias e nos sistemas DWDM, têm a menor largura espectral, o que minimiza a dispersão cromática nos enlaces mais longos. Os lasers DFB também são altamente lineares (isto significa que a saída da luz segue diretamente a entrada elétrica), portanto, eles podem ser utilizados como fontes em sistemas CATV AM.

A escolha destes dispositivos está determinada principalmente pela velocidade e por questões de compatibilidade. Como muitos sistemas para interior que utilizam fibra multimodo excederam as taxas de bit de 1 Gb/s, os lasers (principalmente os VCSEL) substituíram os LED. A saída dos LED é muito ampla e a dos lasers é muito localizada, e as fontes terão preenchimento modal muito diferente nas fibras. O lançamento restringido do VCSEL ou de qualquer outro laser torna a largura de banda efetiva da fibra mais alta; mas a fibra otimizada para laser, usualmente OM3, é a escolha ideal para lasers.

A eletrônica de um transmissor é simples: converte um pulso de entrada (voltagem) em um pulso de corrente preciso para dirigir a fonte. Em geral, os lasers são ponderados a uma corrente contínua baixa e são modulados acima dessa ponderação atual para maximizar a velocidade.

Detectores para receptores de fibra óptica

Os receptores utilizam detectores semicondutores (fotodíodos ou fotodetectores) para converter os sinais ópticos em sinais elétricos. Os fotodíodos de silício são utilizados para enlaces de comprimento de onda curto (650 para POF e 850 para fibra multimodo de vidro). Em geral, nos sistemas de comprimento de onda longo são utilizados detectores de InGaAs (arseneto de gálio e índio), já que eles têm menor ruído que os de germânio, o que permite que os receptores sejam mais sensíveis.

Os sistemas de velocidade muito alta às vezes utilizam fotodíodos de avalanche (APD) que têm maior capacidade de largura de banda que outros fotodíodos. Os APD são ponderados a alta tensão para criar ganho no fotodíodo, o que aumenta a sensibilidade e a capacidade de frequência. Esses dispositivos são mais dispendiosos e mais complicados de utilizar, mas oferecem ganhos significativos em desempenho.

Componentes de transmissão por fibra óptica especializados

Multiplexação por divisão de comprimento de onda

Como a luz de diferentes comprimentos de onda não é misturada dentro da fibra, é possível transmitir sinais em diferentes comprimentos de onda através de uma única fibra simultaneamente. A fibra é econômica, mas instalar novos cabos pode ser dispendioso, portanto, utilizar fibras já instaladas para transmitir sinais adicionais pode ser muito rentável.

A multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) foi utilizada por primeira vez nos primeiros dias da fibra óptica, utilizando tanto 850 quanto 1310 nm em fibra multimodo. Atualmente, as redes de fibra monomodo podem transportar sinais a 10Gb/s em 64 ou mais comprimentos de onda, o que é conhecido como multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM). Os sistemas de fibras multimodo que utilizam WDM sempre foram menos populares, mas alguns padrões utilizam multiplexador de divisão de comprimento de onda grossa (CWDM) para transportar múltiplas sinais a velocidades maiores a 1 Gb/s sobre fibras multimodo otimizadas para laser.

Repetidores e amplificadores ópticos

Embora as baixas perdas da fibra óptica permitam que os sinais viajem centenas de quilômetros, as linhas de distâncias extremamente longas e os cabos submarinos requerem regeneradores ou repetidores para amplificar o sinal periodicamente. No início, os repetidores consistiam basicamente em um receptor seguido de um transmissor. O sinal de entrada era convertido de um sinal de luz em um sinal elétrico, era limpo para eliminar todo o ruído possível e depois era retransmitido por outro transmissor laser. Esses repetidores adicionavam ruído ao sinal, consumiam muita energia e eram complicados, o que significa que eram uma fonte de falhas. Eles também deviam ser fabricados para uma taxa de bits de transmissão específica e atualizados com a substituição de todos os repetidores, uma tarefa realmente difícil em um cabo submarino!

A solução aos repetidores ópticos foi o amplificador óptico. Um amplificador óptico típico opera na faixa 1480-1650 nm. Consiste em uma fibra dopada com érbio bombeada com um laser a 980 ou 1480 nm. O laser de bombeio fornece a potência ao amplificador, enquanto o sinal de entrada estimula a emissão conforme o pulso passa através da fibra dopada. A emissão estimulada gera uma maior emissão, portanto, há um rápido crescimento exponencial de potência na fibra dopada. É possível obter ganhos de até 40 dB (10.000X) com saídas de potência de até +26 dBm (400 mW).

Além de serem utilizados como repetidores, os amplificadores ópticos são utilizados para aumentar o nível de sinal nos sistemas de TV a cabo, que requerem altos níveis de potência no receptor para manter um desempenho adequado de sinal-ruído, o que permite instalações de cabo de maior distância ou o uso de separadores para “emitir” um único sinal através de um acoplador para muitas fibras, e evitar o custo de transmissores adicionais. Em telefonia, os amplificadores de fibra são combinados com DWDM para superar as ineficiências dos acopladores de DWDM para transmissões de longa distância.

Desempenho do enlace de dados e quantidade de potência do enlace

Medição da qualidade de transmissão de dados

Como acontece com a transmissão por cabo de cobre ou por rádio, o desempenho de um enlace de dados de fibra óptica pode ser determinado por como transmite os dados e por como o sinal elétrico reconvertido do receptor corresponde à entrada do transmissor.

A capacidade de qualquer sistema de fibra óptica de transmitir dados depende basicamente da potência óptica no receptor, como é mostrado na imagem acima, onde é exibida a taxa de erros de bit (BER) do enlace de dados como uma função da potência óptica no receptor. (A BER é inversa à relação sinal-ruído, por exemplo, uma BER alta implica uma relação sinal-ruído fraca). Tanto a potência insuficiente quanto a potência em excesso gerarão taxas de erros de bit elevadas. Com uma potência em excesso, o amplificador receptor é saturado; e com uma potência insuficiente, o ruído se torna um problema, já que interfere com o sinal. A potência do receptor depende de dois fatores básicos: quanta potência é lançada na fibra e quanta potência é perdida pela atenuação na rede de cabos de fibra óptica que conecta o transmissor com o receptor.

Quantidade de potência do enlace

A quantidade de potência óptica estimada do enlace é determinada levando em conta dois fatores: a sensibilidade do receptor (que é determinada na curva da taxa de erros de bit acima) e a potência de saída do transmissor na fibra. O nível de potência mínimo que produz uma taxa de erros de bit aceitável determina a sensibilidade do receptor. A potência do transmissor acoplada à fibra determina a potência transmitida. A diferença entre esses dois níveis de potência determina a margem de perda (quantidade de potência óptica estimada) do enlace.

Os enlaces de dados de alta velocidade como redes LAN gigabit ou 10gigabit Ethernet sobre fibra multimodo têm fatores prejudiciais para a largura de banda da fibra causados pela dispersão que espalha os pulsos de dados digitais. As fibras mais antigas OM1 de 62,5/125 geralmente operam em enlaces curtos, enquanto as transmissões através de fibra OM3 de 50/125 otimizada para laser percorrem a maior distância. Até mesmo os enlaces de longa distância de fibra monomodo podem ter limitações causadas pela dispersão cromática ou pela dispersão de modo de polarização.

Se o enlace for projetado para operar em diferentes taxas de bit, será necessário gerar a curva de desempenho para cada taxa de bits. Como a potência total no sinal é uma função da largura do pulso e ela varia em função da taxa de bit (uma maior taxa de bit significa pulsos mais curtos), a sensibilidade do receptor produzirá degradação a taxas de bit elevadas.

Todos os fabricantes de sistemas e componentes de enlaces de dados especificam o enlace para a sensibilidade do receptor (pode ser uma potência mínima requerida) e a potência mínima acoplada à fibra desde a fonte. Os valores típicos para esses parâmetros são mostrados no quadro a seguir. Para que o fabricante ou o designer do sistema possa testá-los apropriadamente é necessário conhecer as condições do teste. Para os componentes de enlaces de dados, isto inclui frequência dos dados de entrada ou taxa de bit, e ciclo de trabalho, voltagens da fonte de energia e o tipo de fibra acoplada à fonte. Para os sistemas, as condições incluem o software de diagnóstico exigido pelo sistema.

Parâmetros típicos de desempenho de sistemas/enlaces de fibra óptica

Tipo de enlace	Fibra	Tipo de fibra/fonte	Comprimento de onda (nm)	Potência de transmissão (dBm)	Sensibilidade do receptor (dBm)	Margem do enlace (dB)
Telecomunicações	monomodo	Laser	1310/1550	+3 a -6	-30 a -45	30 a 40
	monomodo	DWDM	1550	+20 a 0	-30 a -45	40 a 50
Dados	multimodo	LED/VCSEL	850	-3 a -15	-15 a -30	+3 a 25
	multimodo ou monomodo	Laser	1310	-0 a -20	-15 a -30	10 a 25
CATV(AM)	monomodo	Laser	1310/1550	+10 a 0	0 a -10	10 a 20

Para todas as redes e enlaces de comunicações de dados, há muitos sistemas de fibra óptica específicos de um fornecedor, mas também há uma quantidade de redes padrão do setor como Ethernet que possui versões específicas de fibra. Foi acordado que essas redes devem utilizar especificações comuns aos produtos de todos os fabricantes para garantir a interoperabilidade. O Tech Topics da FOA conta com um resumo das especificações de muitos desses sistemas.

Perguntas de revisão

Verdadeiro ou falso

Indique se as declarações a seguir são verdadeiras ou falsas.

____ 1. Nos enlaces ópticos, geralmente são utilizadas duas fibras para transmissões completamente bidirecionais (duplex).

____ 2. Os LED têm maior potência de saída e largura de banda que os lasers.

Escolha múltipla

Identifique a opção mais adequada para completar a declaração ou responder a pergunta.

____ 3. Os sistemas de fibra multimodo que operam a velocidades de 1 Gb/s ou mais utilizam fontes 开开开开开开开开开开.

A.	LED
B.	VCSEL
C.	laser FP
D.	laser DFB

____ 4. 开开开开开开开开开开 de um laser torna a largura de banda efetiva da fibra multimodo mais alta que os LED.

A.	O lançamento modal restringido
B.	A maior potência
C.	A menor potência
D.	A largura de banda

____ 5. Os enlaces de comprimento de onda curto de 850 nm podem utilizar detectores de 开开开开开开开开开开 no receptor.

A.	silício
B.	germânio
C.	InGaAs (arseneto de gálio e índio)

____ 6. Os enlaces de comprimento de onda longo de fibra monomodo na faixa de 1300-1650 nm devem utilizar detectores de 开开开开开开开开开开no receptor para o melhor desempenho de sensibilidade.

A.	silício
B.	germânio
C.	InGaAs (arseneto de gálio e índio)

____ 7. Os amplificadores ópticos e a DWDM operam na faixa de comprimento de onda 开开开开开开开开开开.

A.	650-850
B.	850-1300
C.	1300-1550
D.	1480-1650

Resposta múltipla

Identifique uma ou mais opções adequadas para completar a declaração ou responder a pergunta.

____ 8. Os tranceptores monomodo utilizam fontes 开开开开开开开开开开 para obter potência acoplada e largura de banda maiores.

A.	LED
B.	VCSEL
C.	lasers FP
D.	lasers DFB

____ 9. Os tranceptores multimodo utilizam fontes 开开开开开开开开开开 de acordo com os requerimentos de potência acoplada e largura de banda.

A.	LED
B.	VCSEL
C.	lasers FP
D.	lasers DFB

Outros estudos e projetos

Revisar os sites dos fabricantes de fontes, detectores e tranceptores de fibra óptica para conhecer suas especificações de desempenho e as aplicações suportadas.

Na aula ou no laboratório, realizar um enlace com fibra óptica e ver como funciona. O enlace pode ser construído com componentes ou a partir dos conversores de mídia disponíveis comercialmente.