Fibras ópticas e Multiplexação por Divisão em Comprimento de Onda (WDM)

1. Fibras ópticas e Multiplexação por Divisão em Comprimento de Onda (WDM) Trabalho de Redes de computadores I Rafael José Gonçalves Pereira Professor: Otto Duarte

2. Estrutura • Alguns Fundamentos de Óptica - Refração e Reflexão total • Fibras - Composição e conceitos, tipos de fibras, atenuação, vantagens e desvantagens, algumas aplicações. (no trabalho ainda há uma seções sobre história e emissores e receptores, que não incluí aqui) • WDM - Definição, funcionamento e problemas, Tipos de WDM e Vantagens.

3. Princípios de óptica

4. Refração e reflexão total • Mudança na direção e velocidade quando uma onda de luz passa de um meio para o outro. • Lei de Snell-Descartes: n1*sen(fi1) = n2*sen(fi2) • Na transição de um meio mais refringente (n2) para menos refringente (n1), se o ângulo for superior a um ângulo crítico, ocorre reflexão total. • Ângulo crítico = arc.sen(n1/n2)

5. Reflexão total Lembrando que n2>n1

6. Sistemas de transmissão porFibras ópticas

7. Definição de fibra óptica • Fibra óptica é basicamente um fio que conduz a potência luminosa de um emissor até um receptor óptico. São estruturas transparentes, flexíveis, compostas por dois materiais dielétricos, tendo dimensões próximas a um fio de cabelo humano.

8. Composição • 3 camadas básicas: • Núcleo (>= 10 micrômetro), o mais refringente; • Casca, menos refringente que o núcleo; • Capa, proteção.

9. Composição Reflexão total entre o núcleo e a casca!

10. Modos de propagação • Soluções espaço-temporais das equações de Maxwell (campos elétricos e magnéticos). • Representa as diferentes formas de propagação (trajetórias) da luz na fibra.

11. Tipos de Fibras • Monomodo • Multimodo • Índice degrau • Índice gradual

12. Atenuação e dispersão • Atenuação baixa  principal motivo pelo qual as fibras conquistaram seu terreno. • Atenuação: • Absorção • Espalhamento • Curvaturas • Características do guia de onda

13. Absorção • Absorção natural do material (intrínseca) • Por defeitos estruturais (densidade varia, etc) • Impurezas (extrínseca) • Íons metálicos • Por íons hidroxila  devido a água no vidro  define as janelas ópticas • Janelas ópticas  Regiões onde a absorção por OH- é menor (já superada)

14. Janelas ópticas

15. Novos tipos de fibras(segundo tutorial da Teleco) • “Monomodo comum (SM - G.652 ITU-T): Tem problemas com a dispersão cromática. Núcleo com área maior  grande capacidade de comprimentos de onda. • Dispersion Shifted (DS - G.653 ITU-T): Fibra onde a dispersão é zero. Pensava-se  alta capacidade. Porém, mistura das 4 ondas. • Non Zero Dispersion (NZD - G.655 ITU-T): criada para corrigir a limitação da fibra tipo DS. Dispersão baixa, mas não zero. Núcleo da fibra foi diminuído impede sua utilização em sistemas de grande quantidade de comprimentos de onda. • Low Water Peak (LWP - G.652D ITU-T): Fibra onde processos de fabricação eliminam o efeito da absorção pelos íons OH-”

16. Janelas ópticas

17. Dispersão Modal • Variações de trajetórias (= modos distintos)  tempo de chegadas distintos “Espalhamento” de um sinal no tempo

18. Vantagens da fibra óptica • Banda passante teoricamente enorme • Atenuação muito baixa • Imunidade à interferência eletromagnética e ruído • Isolamento elétrico • Compacidade • Segurança • Baixo custo potencial • Possibilidade de mudar a banda sem mudar a infra-estrutura (WDM)

19. Comparação

20. Desvantagens • Fragilidade das fibras não encapsuladas • Dificuldade para conexões • Dificuldade para ramificações • Fibras  ponto-a-ponto • Impossibilidade de alimentação remota

21. Algumas Aplicações • Fiber Channel • Gigabit Ethernet • Rede telefônica • Rede Digital de Serviços Integrados • Cabos submarinos • Televisão por cabo • Sensores

22. WDM • Combina comprimentos de onda diferentes, e, na outra ponta, separa e lê.

23. Sistema de WDM • Comparação com TDM e porque do nome • Para multiplexação e demultiplexação atualmente: Filtros ajustáveis baseados em difração e interferência • Ex: Array Waveguide Grating

24. Problemas enfrentados pelo WDM • Todos os problemas das fibras ópticas • Encaixar o Sinal no seu canal • Diafonia (Crosstalk)  Parte da potência que deveria chegar num canal vai para um canal adjacente • Mistura de quatro ondas (Four wave mixing, FWM) • Falta de padronização

25. Tipos de WDM • Classificação feita de acordo com o espaçamento entre comprimentos de onda adjacentes • Coarse WDM (CWDM) 20nm, 4 a 16 canais, 34Mbit/s a 2,5Gbit/s • Dense WDM (DWDM)  1nm, 16 a 128 canais, 155Mbit/s a 10Gbit/s • Ultra Dense WDM (UDWDM) Mais de 128 canais, menos espaçamento que o DWDM

26. Vantagens do WDM • Flexibiliza sistemas • Possibilita o aumento da quantidade de banda que uma fibra pode transmitir, sem necessidade de obras estruturais. • Além de todas as vantagens de utilizar as fibras ópticas em si.

27. Dúvidas?

28. Perguntas e Respostas

29. Pergunta 1 • 1 – Explique como a luz se mantém no interior de uma fibra óptica, citando as regiões da fibra envolvidas e explicando brevemente o fenômeno que permite tal feito.

30. Pergunta 1 • 1 – Explique como a luz se propaga no interior de uma fibra óptica, citando as regiões da fibra envolvidas e explicando brevemente o fenômeno que permite tal feito. • R: A luz se propaga no interior da fibra através do fenômeno da reflexão total que ocorre nas fibras ao tentar atravessar do núcleo (mais refringente) para a casca (menos refringente). Quando um raio de luz tenta atravessar de um meio mais refringente para um menos refringente, se o ângulo que ele forma com a normal for maior que o ângulo crítico, ele sofre a reflexão total, o que é exatamente o que ocorre na fibra.

31. Pergunta 2 • 2 – O que são os modos de propagação e dispersão modal? Como estes conceitos estão relacionados entre si?

32. Pergunta 2 • 2 – O que são os modos de propagação e dispersão modal? Como estes conceitos estão relacionados entre si? • R: Os modos de propagação são as soluções espaço-temporais das equações de Maxwell, representando as diferentes maneiras (trajetórias) como a luz pode propagar-se numa fibra. A dispersão modal, por sua vez, é o fenômeno do “espalhamento” da luz no tempo que acontece por conta das diferentes trajetórias e dos diferentes tempos de cada modo. Estes conceitos estão relacionados, pois os modos são as diferentes trajetórias que geram o espalhamento temporal.

33. Pergunta 3 • 3 – O que são as janelas ópticas e diga se elas ainda tem funcionalidade atualmente?

34. Pergunta 3 • 3 – O que são as janelas ópticas e diga se elas ainda tem funcionalidade atualmente? • R : As janelas ópticas são as regiões onde a atenuação por absorção devido ao íon Hidroxila (OH-) era menor. A utilização das janelas ópticas, apesar de já ter perdido seu sentido atualmente por já ser possível fabricar fibras sem atenuações devido a tal íon, ainda são mantidas por motivos históricos e por melhorarem a eficiência da utilização de determinados comprimentos de onda.

35. Pergunta 4 • 4 – No que se baseiam os métodos atuais para multiplexação e demultiplexação?

36. Pergunta 4 • 4 – No que se baseiam os métodos atuais para multiplexação e demultiplexação? • R: Os métodos atuais baseiam-se nos fenômenos de difração e de interferência. O fenômeno da difração faz com que a luz seja tratada como onda, permitindo então a exploração do fenômeno da interferência.

37. Pergunta 5 • 5 – Cite ao menos 3 vantagens da fibra óptica e 1 desvantagem:

38. Pergunta 5 • 5 – Cite ao menos 3 vantagens da fibra óptica e 1 desvantagem: • R: Vantagens (citar 3 destas): banda passante potencialmente enorme; atenuação muito baixa; imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos; isolamento elétrico; compacidade; segurança; baixo custo potencial; possibilidade de ampliação da banda sem modificação da infraestrutura. • Desvantagens, citar 1: fragilidade das fibras ópticas ainda não encapsuladas; dificuldade para conexão; dificuldade para ramificações impossibilidade de alimentação remota

39. Obrigado!