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Desafios da transmissão em FO

Atenuação

A atenuação da fibra pode ocorrer tanto por fatores intrínsecos à própria fibra como também como a fatores ambientais, como as dobras físicas. Entre os fatores intrínsecos temos o espalhamento (scattering) e a absorção. Entre os fenômenos de espalhamento o Rayleigh é o mais forte, e afeta mais quanto menor o lambda, impossibilitando a transmissão para lambdas menores do que 800nm. O espalhamento Rayleigh surge na fabricação e é causado por pequenas variações na densidade do vidro enquanto o mesmo encontra-se em processo de esfriamento. Essas variações são como obstáculos que causam o espalhamento desviando a luz. A atenuação por absorção, por sua vez, fornece o limite superior para o espectro útil causando uma atenuação dramaticamente crescente acima de 1700nm, e é causada por defeitos atômicos no material, principalmente as ligações Si-O, entre outras impurezas, que diminuem a potência do sinal luminoso ao absorverem parte de sua energia.


a)	b)
Causas intrínsecas da atenuação: a) espalhamento; b) absorção
Fonte:[3]

Além de esses dois tipos de atenuação que atuam nos limites do espectro usado para transmissão temos também os picos de atenuação causados pelos íons hidroxila (OH), às vezes chamados erroneamente de "picos de água" (water peaks). Esses picos resultaram na antiga divisão em 1a, 2a e 3a janela de transmissão, embora no processo de fabricação das novas fibras LWP esse problema tenha sido minimizado de forma a unir a 2a e 3a janelas, em outras palavras, liberando a Banda E para transmissão.

Atenuação das Fibras Ópticas e suas causas

Fonte:[]

Dispersão

Dispersão é o alargamento temporal de um pulso. A dispersão, juntamente com a atenuação, é o que pode limitar as distâncias ou as taxas de transmissão, gerando erros. A figura abaixo mostra os efeitos da dispersão e da atenuação agindo conjuntamente distorcendo o sinal e gerando erros.


a)	b)

c)
Exemplos de distorção e erros causados pelos efeitos de dispersão e atenuação associados. a) sinal do laser; b) pulsos distorcidos pela dispersão e atenuação, porém ainda distinguíveis; c) pulsos indistinguíveis, erro de "falso 1"
Fonte:[]

Dispersão Modal

É problema em instalações de fibra multimodo, pois o alargamento do pulso no tempo se deve a luz trafegando por diferentes "modos", ou seja, ângulos de inserção na fibra, como ilustra a figura X. Problemas de dispersão modal foram minimizados por fibras índice gradual, ao invés de degrau, mas as altas taxas e distâncias requeridas atualmente fez com que a fibra multimodo caísse em quase em desuso, restringindo-se a instalações antigas ou a sistemas de muito baixo custo e capacidade. A dispersão modal é menor para comprimentos de onda menor, por isso as fibras multimodo apresentam dispersão menor na 1a janela.

Dispersão Cromática

A dispersão cromática caracteriza-se também pelo alargamento do pulso, dessa vez causado por diferentes comprimentos de onda trafegando a diferentes velocidades na fibra. Este efeito aumenta proporcionalmente ao quadrado da taxa de transmissão, e não costuma ser um problema a taxas menores que 2,5Gbps.

A dispersão cromática tem dois tipos, que, somados, dão o total de dispersão cromática. Estes são a dispersão material e a dispersão no guia de onda.

A dispersão material existe porque um laser nunca será um impulso em freqüência, ou seja, não importa quão estreita sua banda, não é apenas um comprimento de onda individual, e sim vários entre os limites de sua banda. Esses vários componentes trafegam em velocidades diferentes na fibra, logo causando o alargamento do pulso.

A dispersão no guia de onda é causada pela variação com a frequência do índice de refração efetivo, causado pelo tráfego tanto no núcleo quanto na casca da fibra. Isto porque comprimentos de onda maiores trafegam "espalhados" também pela casca, o que vai diminuindo o índice de refração efetivo, quanto maior o comprimento de onda, até que este se aproxima ao índice de refração da própria casca.

Embora não seja um problema a taxas menores que 2,5Gbps, o total de dispersão cromática aumenta proporcionalmente com o quadrado da taxa de transmissão, ou seja, em 10Gbps é 16 vezes maior e em 40Gbps é 256 vezes maior.

Dispersão Modal de Polarização

PMD (Polarization Mode Dispersion) é causada pela assimetria no eixo de diâmetro do núcleo (seção transversal elipsoidal ao invés de circular) resultante do processo de fabricação ou por tensão externa na instalação dos cabos.

Assimetrias na fibra causam PMD

Fonte:[5]

A assimetria faz com que a luz trafegue em diferentes velocidades nas polarizações vertical e horizontal (bi-refringência), o que por fim resulta num alargamento nas duas polarizações.

A PMD não havia nem sido descoberta até os anos 90, e os fabricantes nem especificaram suas fibras em relação a este parâmetro. É notável que de 20 a 30% da fibra fabricada antes de 1996 exibe graves assimetrias de fabricação.

A PMD, ao contrário da dispersão cromática, não acumula continuamente com a distância, e sim varia aleatoriamente ao longo da fibra, além de que a própria luz pode mudar aleatoriamente de modo de polarização ao longo de uma fibra SM comum (mas não ao longo das fibras Polarization Manteinig, um tipo especial de fibra que garante o modo de polarização constante). Além disso, tensões mecânicas podem estar sujeitas a variações no tempo por causa de vibração e até por variações sazonais de temperatura. Por esta razão, valores de PMD podem ser especificados, mas trata-se de um fenômeno estatístico e variável no tempo.

A PMD não é problema a taxas menores que 2,5Gbps, mas cresce proporcionalmente ao aumento da taxa e a raiz quadrada da distância, e constitui um dos obstáculos a ser vencidos para as altas taxas de transmissão.

Efeitos Não-Lineares

Os sistemas DWDM encontram nesses efeitos o desafio mais difícil, pois os efeitos não-lineares tendem a se manifestar a potências ópticas mais altas, e acumulam-se de forma a não serem compensados facilmente como atenuação e dispersão.

Geração de Harmônicos FWM (Four-Wave Mixing)

O mais problemático nos sistemas DWDM, a geração de harmônicos, mais conhecida como FWM (four-wave mixing). Como mostra a figura, surge quando três canais interagem produzindo um quarto canal (somas e diferenças entre os canais) e consequentemente degradando as características de relação sinal-ruído naquela freqüência, o que prejudicaria um possível canal na mesma.

Geração de harmônicos (FWM)

Fonte:[3]

Espalhamento Estimulado de Brillouin (Stimulated Brillouin Scattering)

O SBS surge quando é potência óptica é suficiente para produzir pequenas vibrações acústicas na fibra, que por sua vez variam a densidade do material e conseqüentemente seu índice de refração. Esta pode ocorrer até mesmo numa transmissão com apenas um canal. Consiste numa onda ligeiramente deslocada (±0.09nm) em freqüência trafegando de volta ao transmissor, para a qual deve-se colocar isoladores, tipicamente após transmissores e amplificadores, pois a luz trafegando no sentido contrário pode gerar problemas. Além disso o SBS é uma forma de atenuação, pois a luz que trafega em sentido contrário "rouba" potência da luz original.

Atualmente, o SBS limita a potência luminosa máxima que pode trafegar em uma fibra numa mesma direção, pois, a medida que a potência óptica aumenta, aumenta a atenuação, de forma a saturar a fibra. Como o desvio de freqüência é pequeno o efeito fica restrito ao canal que o gerou, não aumentando a interferência entre canais (crosstalk) para a maioria dos espaçamentos entre canais usados hoje em dia. Porém, a necessidade futura de espaçamentos menores entre canais pode levar esse efeito a ser mais um limitante.

Espalhamento Estimulado de Raman (Stimulated Raman Scattering)

O fenômeno de espalhamaneto normalmente ocorre no mesmo comprimento de onda, mas acontece de quando a luz encontra uma molécula com um estado vibracional alterado, o fóton interage com o campo elétrico da molécula, então a mesma absorve o fóton, passando para um estado energético excitado. O espalhamento Raman simples ocorre quando a molécula emite espontaneamente (ver emissão estimulada) um fóton com uma diferença na freqüência (relativa ao modo de vibração da molécula) em relação ao fóton que foi absorvido. Quanto menor o comprimento de onda, maior o efeito de espalhamento Raman.

No caso de sistemas Multicanal, o canal com maior frequência (lambda mais curto) tem seus fótons absorvidos. O canal com menor frequência (lambda mais longo) estimula a molécula a emitir nesta frequência ocorre emissão estimulada do canal, desta forma "roubando" energia da onda mais curta. A intensidade do efeito depende do espaçamento espectral entre as duas ondas e do comprimento de fibra considerado.O espalhamento Raman pode gerar interferência (crosstalk) entre canais, além de perda de potência transferida para regiões fora do espectro usado para transmissão.

Esse efeito é usado construtivamente na construção dos Amplificadores Ópticos Raman.

Auto-Modulação em fase

Existe uma pequena variação do índice de refração da fibra com a intensidade da luz, o que faz com que a variação de intensidade de um canal module a fase da luz do mesmo canal (por isso o nome auto-modulação em fase). Isto é percebido na medida que espalha a banda do canal proporcionalmente à taxa de variação da intensidade luminosa e ao coeficiente não linear do material, gerando por fim um efeito similar à dispersão, que obviamente é um limitante da taxa de transmissão a grandes distâncias.

Intermodulação em fase

Similar ao descrito anteriormente, porém dessa vez a intensidade do canal irá modular a fase de outros canais. Este efeito aumenta com os espaçamentos menores entre canais.