3 - Principais Componentes

3.1 - Fibra

Com fibra monomodo padrão para telecomunicações uma faixa de comprimentos de onda de aproximadamente l1 = 1280nm a l2 = 1650nm pode ser utilizado. O limite inferior de comprimento de onda resulta do diâmetro do núcleo da fibra monomodo. O limite superior resulta do fato que acima deste limite o coeficiente de atenuação aumenta rapidamente.

A transmissão em fibra ótica usa regiões específicas no espectro óptico onde a atenuação é baixa, estas regiões são chamadas janelas. Os primeiros sistemas foram desenvolvidos para operar ao redor de 850 nm, a primeira janela óptica. A segunda janela (S band), em 1310 nm, logo provou ser superior por causa de sua menor atenuação, seguido pela terceira janela (C band) em 1550 nm também com uma pequena perda óptica, e a quarta janela perto de 1625 nm.

Figura 4. Janelas Óticas na fibra monomodo

Equação da onda:

v = l*f , resultando de l1 e l2:

f1 = 235 THz

f2 = 182 THz

Assim a capacidade de transmissão da fibra monomodo é:

B = f1 - f2 = 53THz

Esta capacidade de transmissão é freqüentemente chamada Banda passante da fibra. É obvio que a capacidade de transmissão da fibra monomodo é somente usada em pequena escala no presente. Um sinal de 2,5Gbit/s, por exemplo, somente usa 0,005% e um sinal de 10Gbit/s com 0,02%.

É obvio que a capacidade de transmissão de uma fibra monomodo pode ser explorada muito melhor pela transmissão de vários comprimentos de onda.

3.2-Emissores e detectores de luz

Emissores de luz – Laser:

A transmissão DWDM coloca alta exigências para os componentes do sistema e seus parâmetros, isto diz respeito aos comprimentos de onda da saída das fontes de laser. Portanto o laser para o respectivo canal é selecionado individualmente. O laser preselecionado pode então ser precisamente sintonizados para o exato comprimento de onda central, por exemplo mudando a temperatura do chip. Portanto a fonte de luz usada no sistema é uma importante. Suas características são freqüentemente um fator limitante na performance final do link óptico. Estes dispositivos precisam ser compactos, monocromáticos, estáveis, e de longa duração.

Monocromático é um termo relativo, na prática existem apenas fontes de luz dentro de uma certa faixa. Estabilidade da fonte é uma medida de quanto constate sua intensidade e comprimento de ondas são.

Dois tipos de emissores de luz são usados em transmissão óptica, diodos emissores de luz(LEDs) e laser diodes, ou semiconductor lasers. LEDs são dispositivos relativamente lentos, adequados para uso em taxas menores que 1 Gps, eles exibem um espectro largo , e são freqüentemente usados em comunicações com fibras multimodo, o que não é o caso do DWDM. Semiconductor lasers, por outro lado, tem características que são adequadas em aplicações com fibras monomodo. O laser requer as seguintes características, comprimento de onda preciso, largura de espectro limitada, potência suficiente, e controle da mudança da freqüência no tempo. Semiconductor lasers satisfazem bem os 3 primeiros requisitos, o último entretanto, pode ser afetado pelo meio usado para modular o sinal.

Dois tipos de semiconductor lasers são largamente usados, monolithic Fabry-Perot lasers, e distribuited feedback lasers(DFB). O último tipo é particularmente adequado para aplicações DWDM, como ele emite uma luz quase monocromática, é capaz de altas velocidades, tem uma relação sinal-ruído favorável, e tem superior linearidade. Lasers DFB tem freqüências centrais ao redor de 1310 nm, e de 1520 a 1565 nm. A última faixa de comprimento de onda é compatível com EDFAs. Há muitos outros tipos e subtipos de lasers.

Figura 5. Exemplo de geração de luz por um laser

A ITU definiu uma tabela ponto a ponto baseado no espaçamento de comprimento de onda de 100GHz com o comprimento central de 1553.52 nm.

Para evitar interferências de transmissão de canais adjacentes, o desvio da freqüência central não são permitidas ser mais que +-0,2Df. Na freqüência de Df=100GHz isto corresponde a tolerância de +-20GHz ou +-0,16nm. Isto é porque lasers DWDM tem que ser extremamente estável em comprimento de onda e precisar prover uma pequena largura de linha.

Detectores de luz

No receptor, é necessário recuperar os sinais transmitidos em diferentes comprimentos de ondas sobre a fibra. Fotodetectores são dispositivos com larga banda por isso os sinais ópticos são demultiplexados antes de alcançar o detector. Dois tipos de fotodetectores são largamente usados, o positive-intrinsic-negative (PIN) photodiode e o avalanche photodiode (APD). Fotodiodos PIN trabalham de maneira similar, mas reversa, aos LEDs, isto é, a luz é absorvida e os fótons são convertidos em elétrons na relação de 1:1. APDs são similar ao PIN, mas fornecem um ganho através de um processo de amplificação, um fóton agindo no dispositivo libera muitos elétrons. Os fotodiodos PIN tem muita vantagem, incluindo baixo custo e confiabilidade, mas APDs tem maior sensibilidade e precisão, mas são mais caros.

3.3 - Multiplexador e demultiplexador

Como sistemas DWDM enviam sinais originados de várias fontes sobre uma fibra, ele precisa incluir um meio de combinar os sinais de entrada. Isto é feito com um multiplexador que leva comprimentos de ondas vindo de múltiplas fibras e converge eles dentro de um feixe. Demultiplexadores realizam a função de separar o feixe recebido em suas componentes de comprimento de onda e acopla-los em fibras individuais. Multiplexadores e demultiplexadores são componentes chave em cada sistema DWDM. MUX fornece n entradas óticas. Cada entrada é equipada com um filtro seletivo para um certo comprimento de onda. As saídas destes filtros são acopladas em uma fibra monomodo. No receptor os comprimentos de onda são separados de novo por um demux. Mux e Demux são componentes idênticos, a única diferença é que eles são colocados em direções opostas.

Figura 6. Multiplexador

Multiplexadores e demultiplexadores podem ser passivos ou ativos. Passivos são baseados em prismas, difração, ou filtros, enquanto ativos combinam dispositivos passivos com filtros sintonizados. O desafio primários neste dispositivos é minimizar a interferência entre canais (cross-talk) e maximizar a separação dos canais. Cross-talk é uma medida de como os canais são separados, enquanto separação de canais refere-se a habilidade de distinguir cada comprimento de onda.

Um tipo especial é o add/drop-multiplexer. Com ele novos canais podem ser adicionados e outros canais podem ser retirados do link de transmissão. Estes componentes são requeridos porque, em geral, nem todos os canais da transmissão tem a mesma origem e destino. Este é o sub-sistema ótico que facilita a evolução de redes óticas ponto a ponto com um comprimento de onda para sistemas WDM.

Um WADM é caracterizado em termos do número total de entradas, através da qual, retira e adiciona canais. Os canais para ser adicionados/retirados podem ou ser pre-determinado ou reconfigurado automaticamente baseado no tipo de implementação.

Figura 7. Add/drop-multiplexer

Técnicas de multiplexação e demultiplexação

Uma forma simples de multiplexação ou demultiplexação de luz pode ser feita usando um prisma. Na demultiplexação um feixe paralelo de luz policromática incide na superfície do prisma, cada comprimento de onda é refratado diferentemente. Como saída cada comprimento de onda é separado do próximo por um ângulo. Uma lente então enfoca para o ponto onde é necessário para entrar na fibra. Os mesmos componentes podem ser usados para multiplexar diferentes comprimentos de onda dentro de uma fibra.

Figura 8. Demultiplexação por refração no prisma

Outra tecnologia é baseada nos princípios de difração e interferência óptica. Quando uma fonte luz policromática incide na grade de difração, cada comprimento de onda é difratado em diferente ângulo e portanto para um diferente ponto no espaço. Usando lentes, estes comprimentos de onda podem ser enfocados dentro de uma fibra.

Figura 9. Grade de Difração

Grade de guia de ondas encadeados (AWGs) são também baseados nos princípios da difração. Um dispositivo AWG, também conhecido como roteador óptico de guia de onda, consiste de um array de canais curvados com uma diferença fixa no caminho entre canais adjacentes. Os guias de ondas são conectados a cavidades de entrada e saída. Quando a luz entra na cavidade de entrada, ela é difratada e entra no array de guia de ondas. Lá a diferença de comprimento óptico de cada guia de onda introduz diferença de fase na cavidade de saída, quando um array de fibras é acoplado. O processo resulta em diferentes comprimentos de onda tendo máxima interferência em diferentes lugares, os quais correspondem a portas de saídas.

Figura 10. Grade de Guia de Onda

Uma tecnologia diferente usa filtros de interferência em dispositivos chamados de filtros de filmes finos ou filtros de interferência de múltiplas camadas. Consistindo de filmes finos, no caminho óptico, comprimentos de onda podem ser separados (demultiplexados). A propriedade de cada filtro é tal que ele transmite um comprimento de onda enquanto reflete outros. Cascateando estes dispositivos, muitos comprimentos de ondas podem ser demultiplexados.

Figura 11. Filtros de interferência de múltiplas camadas

3.4 - Amplificadores óticos

Visto que sistemas DWDM são usados para longos links de transmissão, o sinal precisa ser amplificado depois de uma certa extensão de fibra.

A amplificação pode ser feita com um repetidor elétrico. Um repetidor converte o sinal ótico por meio de um fotodiodo em um sinal elétrico, amplifica o sinal elétrico e converte ele de volta para um sinal ótico.

Dentro de um sistema multi-canal cada canal requer uma transformação opto-elétrica separada, amplificação e transformação elétrica-ótica de volta. Assim, para um sistema de n canais n repetidores são necessários. Então é mais razoável usar amplificadores óticos em sistemas DWDM.

Sistema com amplificação Sistema com amplificação elétrica ótica

Figura 12

Amplificadores óticos são dispositivos para amplificar um sinal fraco e distorcido com o objetivo de regenerar o sinal. Ele opera no domínio ótico sem converter o sinal em pulsos elétricos. Amplificadores óticos operam na banda especifica do espectro de freqüência e são otimizados para operação com a fibra existente, possibilitando aumentar sinais de luz. A amplificação ótica é independente da taxa de bit assim como da capacidade de transmissão. Assim, amplificadores óticos são de especial interesse parta sistema DWDM. Além disso, o amplificador ótico é independente do protocolo de dados.

A faixa de freqüência para sistemas DWDM são muito dependentes do amplificadores óticos, pois estes operam apenas em faixas específicas de freqüência.

Um tipo de amplificador ótico é o Erbium-Doped Fiber Amplifier. Erbium é um elemento que quando excitado emite luz.

Figura 13. Erbium-Doped Fiber Amplifier

Um sinal fraco entra no erbium-doped fiber, dentro da qual luz de 980 nm ou 1480 nm é injetada usando um laser. Esta injeção estimula os átomos de erbium a soltar sua energia armazenada como luz 1550 nm. Como este processo continua através da fibra, o sinal aumenta fortemente. As emissões espontâneas no EDFA também adicionam ruído ao sinal.

Os parâmetros chaves para a performance dos amplificadores óicos são ganho plano, nível de ruído e potência de saída. EDFAs são tipicamente capazes de ganhos de 30 dB ou mais e potência de saída de +17 dB ou mais. O parâmetros alvo quando o EDFA é selecionado são baixo ruído e ganho plano. Os sinais precisam ser amplificados uniformemente por isso o ganho tem que ser plano e baixo ruído porque o ruído também será amplificado, podendo impossibilitar o sinal de ser reconhecido.

3.5- Optical Cross Connect

O OXC é um componente do sistema DWDM que fornece a funcionalidade de interconecção entre N portas de entradas e N portas de saídas, cada operando um operando um feixe de sinais multiplexados. O controle da flexibilidade de banda passante é obtido com a introdução de um Optical Cross Connect (OXC).

Um OXC suportará reconfiguração da rede e permitirá provedores transportar e controlar comprimentos de onda eficientemente na camada óptica. Um OXC é mais eficiente quando ele contem taxa de bits e formato independentes da comutação óptica. Estes atributos ajudam o OXC interconectar múltiplas taxas de bit, como OC-3, OC-12, OC-48 e OC-192 e outros formatos como SONET, ATM.