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Elementos Básicos
Um sistema de transmissão por fibras óptica, de um modo geral, é constituído por um transmissor óptico, um receptor óptico e um cabo de fibra óptica, conforme ilustrado no esquema da Figura 1.1.
Figura 1.1.: sistema Básico de comunicação por
fibras ópticas.
O transmissor óptico é composto por um dispositivo emissor de luz e o circuito driver associado. O dispositivo emissor de luz, elemento ativo básico do sistema, é o responsável pela tarefa de conversão eletro- óptica dos sinais. Dois tipos de dispositivos são comumente utilizados como fontes luminosas em sistemas de transmissão por fibras ópticas: os diodos laser (DL’s) e os diodos eletrominescentes (LED’s). O circuito driver tem funções de polarização elétrica e de comando da emissão de potência luminosa pelo dispositivo emissor de luz. A capacidade de transmissão (assim como a potência emitida por um transmissor óptico) é função do tipo de dispositivo emissor de luz utilizado, sendo os com diodo laser geralmente superiores aos com LED’s, a custo de uma maior complexidade do transmissor.
O receptor óptico compõe-se de um dispositivo fotodetector e de um estágio eletrônico de amplificação e filtragem. O dispositivo fotodetector, outro elemento ativo básico de sistemas de transmissão por fibras ópticas, é o responsável pela detecção e conversão de sinal luminoso em sinal elétrico. Os fotodetectores, comumente associados à tecnologia de transmissão por fibras ópticas, são os fotodiodos PINe os fotodiodos de avalanche (APD’s). O estágio eletrônico, associado ao fotodetector, tem a função básica de filtrar e amplificar o sinal elétrico convertido. A qualidade de um receptor óptico é medida pela sua sensitividade, a qual especifica a potência luminosa mínima necessária para determinado desempenho em termos de relação sinal- ruído (S/N) ou de taxa de erros de transmissão. Além das fontes convencionai de ruído, associadas aos estágios eletrônicos, afetam o desempenho dos receptores ópticos as fontes de ruído características do processo de conversão opto- eletrônica. De um mode geral, os receptores ópticos com fotodiodos de avalanche, mais complexos, apresentam desempenho superior aos com fotodiodos PIN.
A fibra óptica, por sua vez, corresponde ao meio onde a potência luminosa, injetada pelo emissor de luz, é guiada e transmitida até o fotodetector. Formada por um núcleo de material dielétrico (em geral, vidro) e por uma casca de material dielétrico (vidro ou plástico) com índice de reflação ligeiramente inferior ao do núcleo, a fibra óptica propaga luz por reflexões sucessivas, conforme ilustrado na figura 1.1. Esta estrutura básica da fibra óptica, na prática, é envolta por encapsulamentos plásticos de proteção mecânica e ambiental, formando um cabo óptico que pode conter, conforme a aplicação, uma ou mais fibras.
A banda passante de uma fibra óptica é função, além de seu comprimento, da sua geometria e seu perfil de índices de refração. Existem duas classes principais de fibras ópticas: as monomodo e as multímodo. As fibras ópticas monomodo, de dimensões menores e maior capacidade de transmissão, possuem um único modo de propagação (ou em termos de óptica geométrica, transmitem apenas o raio axial). As fibras multímodo, por seu lado, possuem vários modos de propagação e, de acordo com o perfil da variação de índices de refração da casca com relação ao núcleo, classificam-se em: índice degrau e índice gradual. Dentre as fibras multimodo, as com índice gradual apresentam bandas passantes superiores às com índice de grau.
A atenuação em fibras ópticas é causada por múltiplas fontes, desde as perdas pro absorção, intrínsecas ao material que compõe a fibra, até as perdas devidas as imperfeições na sua fabricação. Compostas principalmente por sílica (vidro) e dopantes semi-condutores, as fibras ópticas caracterizam-se pela existência de regiões espectrais onde a acentuação é mínima. Essas regiões, conhecidas como janelas de transmissão, situam-se em torno dos seguintes comprimentos de onda: 850nm, 1300nm e 1550nm.
O acoplamento da fibra óptica com os dispositivos emissores de luz e fotodetectores, em razão das dimensões envolvidas, exige o uso de técnicas sofisticadas e de muita precisão, a fim de limitar as perdas de acoplamento. A junção ponto-a-pontode dois ou mais segmentos de fibra óptica pode ser realizada de modo permanente através de emendas ou, temporariamente, por meio de conectores mecânicos de precisão. As junções multiponto utilizam-se de acopladores de diversos tipos.
Em sistemas de transmissão por fibras ópticas, como nos sistemas convencionais, a informação é transmitida modulando-se a emissão da portadora luminosa. A modulação da fonte luminosa pode ser feita com sinais elétricos analógicos ou digitais. No caso analógico, a intensidade do feixe luminoso emitido varia continuamente, enquanto que, no caso da modulação digital, a intensidade de luz tem variação discreta na forma de pulsos luminosos do tipo on-off.
Os sistemas de transmissão por fibras ópticas do tipo digital, conforme ilustrado na Figura 1.1, envolvem o uso de um codificador, onde o sinal digital, vindo da fonte de informação é codificado convenientemente para a transmissão óptica, e de um decodificador que, no lado da recepção, se encarrega de decodificar a informação digital original. Esta relativa maior complexidade dos sistemas digitais é, no entanto, largamente compensada, na prática, pelo desempenho superior em termos de capacidade de transmissão (banda passante) e de alcance.
Os sistemas analógicos de transmissão por fibras ópticas, embora mais simples de serem implementados, geralmente apresentam um desempenho inferior aos dos temas digitais, limitando sua utilização a aplicações em distâncias mais curtas e de menor capacidade. Este desempenho inferior dos sistemas analógicos deve-se à exigência de maiores relações de potencial sinal - ruído na recepção analógica, não podendo usufruir das vantagens do uso repetidores/ regeneradores de sinal, como podem os sistemas digitais. Um outro fator dos sistemas analógicos é a dificuldade de se obterem fontes luminosas adequadas que operem linearmente em altas freqüências.
O processamento de sinais em sistemas de transmissão por fibras ópticas, no nível do transmissor óptico e do receptor óptico, é em geral feito eletricamente. Essa situação, no entanto, vem sendo alterada gradativamente em função do desenvolvimento crescente de dispositivos de óptica integrada que permitam o processamento óptico de sinais.
A freqüências ópticas associadas aos sistemas de comunicações por fibras ópticas costumam ser referenciadas em termos de comprimentos de onda a fim de diferencia-lo dos sistemas eletromagnéticos em termos convencionais. Dentro de uma faixa espectral (Figura 1.2), começando na região do infravermelho distante (~100mm), passando pelo espectro visível (390 a 770nm) e terminando no ultravioleta (50nm), as freqüências ópticas ofecerem possibilidades fantásticas quanto a capacidade de transmissão dos sistemas. Por exemplo, considerando-se apenas a faixa de 10 –10 Hz (100 a 1000 Terahertz) pode-se, teoricamente, alcançar capacidades de transmissao da ordem 10 vezes superiores as dos atuais sistemas de microondas.
Os sistemas de transmissão por fibras ópticas desenvolvidos ate hoje operam principalmente na região espectral de 0,6- 1,6mm, com preferência para as janelas de transmissão em 0,85mm, 1,3mm e 1,55mm. Nessa região, já existem materiais semicondutores (Si, Ge, AlGaAs, InGaAsP etc.)adequados a fabricação de fontes luminosas fotodetectores de bom desempenho, bem como de fibras ópticas com atenuação muito baixa. ´´E importante observar, no entanto, que estas fronteiras não são estáticas, mas um resultado de contínuos avanços tecnológicos.
Figura 1.2.: Espectro Eletromagnético destacandoo a região de
comunicações por fibras ópticas.
Os sistemas de transmissão por fibras ópticas podem ser classificados, para fins de analise e apresentação de sua tecnologia, segundo algumas de suas características básicas. Estas características estão associadas às aplicações dos sistemas, ou ainda especificidade de alguma técnica, configuração ou dispositivo utilizado pelo sistema. Assim, por exemplo, alem da configuração básica ponto-a–ponto, mostrada na Figura 1, existe uma outra configuração geral de sistemas, que ´´e a multiponto. Com relação ao tipo de informação transportada pela fibra óptica, pode-se distinguir, conforme visto anteriormente, os sistemas analógicos e ou digitais. Embora não haja uma fronteira bem delimitada, os sistemas de transmissão por fibras ópticas podem ainda ser classificado segundo seu porte, em sistemas de longa distância e sistemas locais ou de curta distância. Uma outra classificação, mais sofisticada, porém representativa de uma importante tendência no desenvolvimento de sistemas de transmissão por fibras ópticas de respeito à técnica de modulação e de detecção utilizada, distinguindo os sistemas a detecção direta e os sistemas de detecção coerente. O uso da técnica multiplexação por divisão em comprimento de onda (WDM) em fibras ópticas dá origem, por sua vez, aos sistemas com multiplexação WDM. Por outro lado, o crescente desenvolvimento de dispositivos de processamento óptico de sinal permite conceber os sistemas com óptica integrada.
Embora não constituam propriamente sistemas de comunicações com fibras ópticas, são associados ao desenvolvimento da tecnologia correspondente dois outros tipos de sistemas. O primeiro deles faz uso de fibras ópticas não para fins de comunicações , mas em sistemas sensores e de instrumentação. O segundo tipo a considerar é o dos sistemas de comunicações ópticas sem fibra óptica que, em determinada condições, tem sua aplicação favorecida.
Uma outra aplicação das fibras ópticas que não corresponde aos sistemas de comunicações por fibras ópticas propriamente ditos é a de sistemas sensores. Neste tipo de sistema, por fibras ópticas é utilizada como sensor de estímulos externos, tais como a temperatura, a pressão, o campo magnético, a rotação etc. conforme a técnica de modulação empregada na emissão de luz através da fibra, pode-se classificar os sistemas sensores com fibras ópticas em dois tipos básicos: sistemas sensores modulados em intensidade e sistemas sensores com modulação de fase.
Os sistemas sensores com modulação em intensidade baseiam-se no princípio de que o fenômeno observado atenua a propagação luminosa na fibra, permitindo assim sua medida. Esse tipo de sistema, conceitualmente simples, conforme ilustrado na Figura 1.3, é o mais difundido, podendo operar com fibras multímodo e componentes sem grandes sofisticações.
Figura 1.3.: Sistema Sensor com modulação de
intensidade por estímulo externo.
Texto extraído do livro Fibras Ópticas - Tecnologias e Projeto de Sistemas - W. F. Giozza, E. Conforti, H. Waldman - Makrons Books
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