Planeamento e Projecto de Redes Capítulo 4 Redes de ... · calculada na tabela seguinte: ... • Baixa atenuação ... Um cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção
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©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 180
Capítulo 4
Redes de Transporte Ópticas
Planeamento e Projecto de Redes
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Espectro Óptico e Comprimentos de Onda
• Os sistemas de comunicação óptica operam na banda do espectro electromagnético com comprimentos de onda entre os 800 e os 1600 nm, ou seja na região do infra-vermelho (não visível pelo olho humano).
• O ITU (International Telecommunications Union) definiu seis bandas passíveis de serem usadas pelos sistemas de comunicação sobre fibra óptica.
• As bandas mais usadas pelos sistemas comerciais são as bandas O e C.
Ultra-violeta Visível Infra-vermelho
0.05 0.4 0.7 100 λ (μm)
Banda usada pelos sistemas de comunicação óptica
6×1015 4.3×1014 3×1012 ν (Hz)
Comprimento de onda
Frequência
c=νλ
Banda O Banda E Banda S Banda C Banda L Banda U
1260 1360 1460 1530 1565 1625 1675 λ(nm)
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Largura de Banda de Transmissão
• A relação entre um espaçamento no domínio da frequência (Δν) e um espaçamento no domínio do comprimento de onda (Δλ) é dada por
onde λ0 é o comprimento de onda central na banda considerada e c é a velocidade de propagação da luz no vazio.
• A largura de banda total de transmissão correspondente às bandas do ITU é calculada na tabela seguinte:
λλ
ν Δ≅Δ 20
c
5.51501650UltralongU7.08601595LongL4.39351547.5ConventionalC9. 40701495ShortS15.091001410ExtendedE17.481001310OriginalO
Δν (THz)Δλ (nm)λ0 (nm)DesignaçãoBanda
Total
59 THz
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Elementos de uma Ligação Óptica
• Estrutura de uma ligação óptica
Emissor Óptico
Repetidor Receptor Óptico
t t
Sinal Eléctrico Sinal óptico
t
Sinal Eléctrico
Fibra óptica Conector
• Receptor óptico: consiste num fotodíodo, que é responsável por converter o sinal do domínio óptico para o domínio eléctrico, e por circuitos electrónicos apropriados para amplificar o sinal.
• Repetidor: pode ser um amplificador óptico, ou um regenerador; o primeiroamplifica o sinal óptico e o segundo dá ao sinal o formato original.
• Fibra óptica: consiste numa guia cilíndrico geralmente de vidro que permite a transmissão dos sinais ópticos à distância.
• Emissor óptico: consiste numa fonte óptica e em circuitos electrónicos; a fonte óptica é normalmente um díodo laser; faz a conversão dos sinais eléctricos em ópticos.
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Vantagens das Fibras Ópticas
• Baixa atenuaçãoNa terceira janela (λ=1.55 μm) o coeficiente de atenuação tem um valor de cerca de 0.2 dB/km.
• Largura de banda elevadaA largura de banda disponível na terceira janela é de cerca de 200 nm (25 THz).Considerando a 2ª e 3ª janelas têm-se cerca de 400 nm (50 THz).
• Dimensões e peso reduzidosUm cabo óptico ocupa uma secção que é 1/10 da secção ocupada por um cabo coaxial e o seu peso é de cerca de 1/30.
• Imunidade à interferência electromagnéticaA sílica (SiO2) não é sensível à interferência electromagnética.
• Custo reduzidoAs fibras ópticas são fabricadas com vidro purificado, cuja matéria prima é a sílica.
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Atenuação das Fibras versus Meios Metálicos
1 2 5 10 20 50 100 200 500 1000 Frequência (MHz)
100
α (dB/km) 50 20 10 5.0 2.0 1.0 0.5 0.2 0.1
Fibra monomodal
Fibra multimodal de índice gradual
Cabo Coaxial
Par simétrico
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Estrutura das Fibras Ópticas
• Um fibra óptica é um guia de ondas cilíndrico que guia as ondas luminosas ao longo do seu eixo. As fibras ópticas usadas nas telecomunicações são fabricadas usando vidro de sílica (SiO2).
• Estrutura genérica de uma fibra óptica:
• O índice de refracção n2 da bainha deve ser ligeiramente inferior ao do núcleo n1 para que haja condições para propagação da luz.
Núcleo
(GeO2/ SiO2)
Bainha
(SiO2)
Revestimento primário (polímeros)
2a
Perfil transversal Perfil longitudinal
Vidro núcleo (n1)
Vidro bainha (n2)
n1>n2
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Estrutura das Fibras Ópticas (II)
• A variação do índice de refracção é dada por
n1: valor máximo do índice de refracção, a: raio do núcleo, g: parâmetro de perfil, Δ: diferença de índices normalizada
2a
Núcleo
(GeO2/ SiO
2)
Bainha
(SiO2
)
( )⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
>Δ−=
≤⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛Δ−=
arnn
ararnrn
g
2/112
2/1
1
21
21)(
1
2121
22
21
2 nnn
nnn −
≈−
=Δ
Índice em degrau
a r
n(r)
g=1
g=2g=∞
Índice parabólico
Revestimento primário
interior Revestimento primário
exterior
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Tipos de Fibras
• Fibra multimodal - Fibra com indíce em degrau- Fibra com índice de variação gradual (50 ou 62.5μm)
• Fibra monomodal- Fibra padrão ou G.652- Fibra de dispersão deslocada ou fibra G.653- Fibra de dispersão deslocada, com dispersão
não nula ou G655
125 μm
50 ou 62.5μm
125 μm
8.6 a 9.5 μm
405.2221 ≤Δ= anV
λπ
405.2221 >Δ= anV
λπ A maior dimensão do núcleo facilita a ligação
entre fibras ou entre estas e os transceptores
Ex: a=10 μm, n1=1.5, Δ=0.01 V=0.85 λ=1.55 μm V=2.49, λ=0.85 μm
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Abertura Numérica
• O cone de aceitação de uma fibra óptica define um ângulo sólido segundo o qual toda a radiação incidente é transmitida pela fibra.
• A abertura numérica (AN) de uma fibra corresponde ao seno do ângulo de aceitação. Para uma fibra com índice em degrau têm-se
• Para garantir uma injecção de radiação na fibra dentro do cone de aceitação é conveniente usar uma lente convergente.
Cone de
aceitação
Bainha
Núcleoaθ
21
22
21
0
1
2 com ,2sin
nnn
nnAN a
−=ΔΔ== θ
n1
n0
n0 : índice de refracção do ar Δ: diferença de índices normalizada
Emissor Óptico
LenteValores típicos:
Fibra multimodal 62.5/125 →AN=0.275 Fibra multimodal 50/125 → AN=0.2 Fibra monomodal →AN=0.14
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Propagação nos Diferentes Tipos de Fibras
Fonte: Wikipedia
Numa fibra óptica somente um número finito de raios a certos ângulos discretos têm possibilidade de se propagar. Esses ângulos estão relacionados com um padrão de distribuição do campo electromagnético
denominados modos.
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Limitações das Fibras Ópticas
• Atenuação: Traduz-se na redução do valor da potência óptica com a propagação ao longo da fibra.
• Dispersão: Traduz-se na deformação da forma do pulso com a propagação ao longo da fibra. Pode ser intermodal ou intramodal.
t t
0 L
Pulso óptico na entrada
t t
0 L
Pulso óptico na saída
zFibra óptica de comprimento L
Devido à dispersão os pulso vizinhos passam a interferir entre si limitando a velocidade de transmissão
z
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Caracterização da Atenuação
• A atenuação (Af) é uma medida da perda de potência do sinal óptico resultante da propagação ao longo da fibra óptica e exprime-se usualmente em decibel (dB), ou seja
• É usual nas comunicações em fibra óptica exprimir a potência óptica em dBm, definida como sendo o nível de potência, em escala logarítmica, medido relativamente a 1 mW, ou seja
• Por sua vez
• A fibra óptica é caracterizada em termos do coeficiente de atenuação, definido como sendo a atenuação por unidade de comprimento, ou seja
)()0(log10
LppA
o
of = po(0): potência na entrada em mW
po(L): potência na saída em mW
mW 1log10dBm)(0
opP =0 dBm = 1 mw30 dBm= 1W
dB)((dBm))0(dBm))(( foo APLP −=
(km)/)dB((dB/km) LAf=α
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Atenuação em Função do Comprimento de Onda
• A atenuação das fibras ópticas de sílica varia em função do comprimento de onda e apresenta um mínimo em cerca de 1.55 μm.
O limite fundamental para o coeficiente de atenuação das fibras de sílica em 1.55 μm é de 0.16 dB/km. O valor típico desse coeficiente, para 1.55 μm, para as fibras disponíveis no mercado é à volta de 0.2 dB/km, mas é possível encontrar fibras com valores entre 0.17- 0.18 dB/km.
0.8 1.0 1.2 1.4 1.6Comprimento de onda (μm)
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
Coe
ficie
nte
de a
tenu
ação
(dB
/km
)
Difusão de Rayleigh
Absorção no infravermelho
Absorção OH
0
1
2
3
4
5
0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7
Comprimento de Onda (μm)
nm dB/km
850 1.811300 0.351310 0.341383 0.291550 0.191625 0.21
Fibra óptica monomodal Corning SMF-28e
(fibra seca)
Coe
ficie
nte
de A
tenu
ação
(dB
/km
)
Absorção ultravioleta
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Física da Atenuação
• A atenuação num fibra óptica deve-se fundamentalmente a três fenómenos: absorção do material, difusão de Rayleigh e perdas nascurvas.
• Absorção do material: Traduz-se na conversão da energia luminosa em outra forma de energia.
• Difusão de Rayleigh: Resulta do facto da densidade do material não ser homogéneo o que conduz a flutuações microscópicas do índice de refracção. Essas flutuações originam difusão da radiação em todas as direcções e constituem o principal factor de atenuação nas fibras até lambdas da ordem de 1.6 μm.
A absorção do material é devida a dois factores: as propriedades intrínsecas do material de fibra (intrínseca) e devida à presença de impurezas (extrínseca). A absorção intrínseca resulta de ressonâncias electrónicas no domínio do ultravioleta e de ressonâncias vibracionais no domínio do infravermelho. A absorção extrínseca resulta hoje em dia fundamentalmente da presença de iões OH, os quais conduzem a uma forte absorção em 1. 39 μm. Hoje em dia, já se produzem fibras em que essa absorção é praticamente eliminada (fibras secas).
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Perdas nas Curvas
• Na presença de curvas a fibra óptica está sujeita a perdas radiativas. Estas perdas podem ser significativas se o raio de curvatura forinferior a poucos centímetros (cerca de 3 cm).
• Este problema levou ao desenvolvimento de fibras quase insensíveis às curvas, à custa do aumento da complexidade da estrutura da fibra.
Fonte: Ming-Jun Li,” Bend-insensitive optical fibers simplify fiber-to-the-home installations” , Optoelectronics & Optical Communications, 21 Abril2008, SPIE .
Fibra insensível a curvas
Fibra padrão
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Vantagens das Fibras Insensíveis a Curvas
O desenvolvimento de fibras tolerantes a curvas permitiu reduzir a dimensão dos armários de rua e veio facilitar significativamente a extensão da fibra óptica até à casa dos utilizadores.
Fonte: H. Kogelnik, OFC2008
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Dispersão Intermodal
• A dispersão intermodal só ocorre nas fibras ópticas multimodais e resulta do facto de diferentes modos terem diferentes tempos de propagação.
• O alargamento do pulso, definido a meia potência é aproximado por
• O desvio padrão do alargamento devido à dispersão intermodal é definido por
• O produto largura de banda óptica×comprimento da fibra é dado por
Bainhat
t
1
δτ
cθ
τmin
τmax
degrau em índice : 1minmax Δ≈−= ncLττδτ parabólico índice :
102
1minmax Δ≈−= nc
Lττδτ
resrectangula pulsos: 32int
δτσ =er gaussianos pulsos: 2ln22int
δτσ =er
degrau em índice : 44.0
10 Δ
≈×n
cLB parabólico índice : 4.42
10 Δ
≈×n
cLB
0.5
LP0
P0
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Dispersão Intramodal
• A dispersão intramodal ou cromática resulta do facto de diferentes comprimentos de onda de um modo apresentarem diferentes velocidades de propagação na fibra.
• Um sinal com uma largura espectral Δλ apresenta um alargamento temporal a meia potência Δτ (ou σintra quando expresso em desvio padrão).
n(λ)
Comprimento de onda
vg
Comprimento de onda
λ=1.3 μm
gg
LvL ττ == :propagação de Tempo
λλλτ
τ λ Δ=Δ=Δ LDLdd g
λλ σσ LDra =int [ ] cromática dispersão de parâmetro:ps/(nm.km)λD
1.3 μm 1.55 μm λ
0
G.652
G.655
G.653
Atraso de grupo
Fibra G.652
Dλ
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Produto Débito Binário×Comprimento
• O débito binário de um sistema de transmissão digital óptico é limitado pela dispersão devida à fibra óptica. Para impedir que a interferência intersimbólica seja elevada é necessário garantir que o alargamento do pulso seja inferior ao período de bit (Tb=1/Db), sendo usada normalmente a seguinte regra
com : monomodais e :multimodais
• Para o caso das fontes com largura espectral elevada (LED, Laser FP, Laser DFB com modulação directa) obtém-se (fibras monomodais)
• Para o caso de fontes com largura espectral reduzida (Laser DFB+modulador externo) (fibras monomodais)
• Para um débito de 10 Gbit/s tem-se no primeiro caso um comprimento máximo da ligação de cerca de 14.7 km e no segundo caso de 66.6 km.
dbD
σ41
≤
λλσDLDb 4
1≤× nm) 1.0 ,ps/(nm.km) 17D m, 55.1( === λλ σμλ kmGbit/s 147 ×≤× LDb
22
12 λπ
λDcLDb ≤× )ps/(nm.km) 17D m, 55.1( == λμλ km(Gbit/s) 1066.6 232 ××≤× LDb
intrad σσ = )( 2int
2int raerd σσσ +=
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Limites do Parâmetro de Dispersão:ITU-T
• Os valores máximos do parâmetro dispersão são fixados pelo ITU-T (International Telecommunications Union- TelecommunicationSector). A recomendação G-652 impõe o seguinte limite para uma fibra padrão operando entre 1260 e 1360 nm, com um comprimento de onda de dispersão nula (λ0) entre λ0min =1300nm e λ0max=1324 nm.
• Para fibras com dispersão deslocada a recomendação G-653 impõe
onde λ0 é o comprimento de onda de dispersão nula (≈1.55μm) e λ é o comprimento de onda de trabalho.
.km)m0.093ps/(n:)nula(S dispersão de Declive ,ps/(nm.km) 4
203
400 ≤⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡−=
λλλλ
SD
( ) .km)ps/(nm085.0S ,ps/(nm.km) 2000 ≤−= λλλ SD
1200≤ λ≤ 1600 nm
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Compensação de Dispersão
• Para aumentar a distância entre os regeneradores para além dos limites impostos pela dispersão pode-se usar técnicas apropriadas para compensar os efeitos da dispersão.
• Fibra compensadora de dispersãoFibra com um parâmetro de dispersão negativo elevado na região de 1550 nm.
• Gestão de dispersãoTroços de fibra com dispersão alternadamente positiva e negativa.
Fibra monomodal padrão (L, Dλ) L
c, D
λc
Dλ
l
LL+L
c l
0=+ ccLDLD λλ
Fibra compensadora de dispersão
Dλ
l
l
L1
, D λ1
L2
, D λ2
L1
, D λ1
L2
, D λ2
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡=nm.dB
psmérito deFactor c
cDα
λ
Fibra com parâmetro de dispersão negativa
Fibra com parâmetro de dispersão positiva
02211 =+ LDLD λλ
Razão de compensação
LDLDDCR cc
λ
λ=
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Bandas de Utilização das Fibras
WDM, LANPON
Monomodal(G.652)
1460-1530SSexta
WDMMonomodal(All Wave)
1350-1450EQuinta
WDMMonomodal(G.653)
1565-1625LQuarta
Mono –λe WDM
Monomodal(G.655)
1530-1565CTerceira
Mono –λPON, Ethernet
Monomodal(G.652)
1260-1360OSegunda
LAN, EthernetEx:1000 Base-Sx
Multimodal820-900__Primeira
AplicaçõesTipo de fibraBanda (nm)DesignaçãoJanela
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Ligação de Fibras Ópticas
• As fibras ópticas são fabricadas com comprimentos que variam entre cerca de 2 e 50 km. Para distâncias maiores é necessário ligar diferentes troços.
• As ligações podem ser permanentes (juntas), ou temporárias. As primeiras são realizadas por fusão das extremidades da fibra, enquanto as segundas são realizadas com fichas (ou conectores).
• As juntas apresentam perdas de inserção inferiores a 0.1 dB e as fichas entre 0.1 e 0.3 dB.
Fonte: Yamasaki
Máquina de fusão Fichas ST Fichas FC
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Estrutura dos Cabos Ópticos
• Os cabos ópticos são projectados tendo presentes dois aspectos:1) Minimizar a atenuação adicional resultante do fabrico e uso do cabo;2) Manter a integridade física da fibra (na instalação e em serviço).
• O cabo é revestido no exterior por uma bainha para proteger o cabo de efeitos mecânicos, térmicos, químicos ainda da humidade. No caso dos cabos submarinos têm-se também uma blindagem metálica para aumentar a resistência mecânica.
• Há cabos que podem ter várias dezenas (mesmo centenas) de fibras ópticas. Os cabos com mais de 24 fibras estão organizados em subunidades.
Tensor central
Bainha do cabo (polietileno
Membro reforçador (dieléctrico ou metálico)
Fibra com revestimento secundário
Subunidade com várias fibras
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Cabos de Fibra Óptica
Fonte: H. Kogelnik, OFC2008
Cabo de distribuiçãoCabo de distribuição
Cabo aéreo
Cabo blindado
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Acopladores
• O acoplador direccional é usado para combinar e derivar sinais nas redes ópticas.
Parâmetros: Coeficiente de acoplamento:Perdas em excesso:
• Combinando de modo apropriado acopladores direccionais é possível construir repartidores ópticos passivos 1:N.Repartidor óptico passivo 1x8:
Comprimento de acoplamento
Entrada 1
Entrada 2
Saída 1
Saída 2
P1
P4
P2
P3
3
1log10PPC =
32
1log10PP
PAd +=
Po
/8
Po
/8
Po
/8
Po
/8
Po
Atenuação total do repartidor 1xN
)log(10log2 NANA dt +×=
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Princípios Físicos• O princípio de operação dos diferentes componentes optoelectrónicos é
resultado de três processos: absorção, emissão espontânea, emissão estimulada.
• Representação num diagrama com dois níveis energéticos:
• No processo de absorção têm-se a transição de um electrão do estado fundamental para o estado excitado através da absorção de um fotão.
• Na emissão espontânea o electrão decai espontaneamente para o estado fundamental originando um fotão.
• Na emissão estimulada o decaimento do electrão dá-se pela acção de um fotão estimulante. As ondas associadas aos dois fotões têm a mesma fase e frequência.
hν12
E2
E1
hν12
E2
E1
hν12
E2
E1
hν12
Fotão de energia hν12 =E2-E1
Absorção Emissão espontânea Emissão estimulada
Aos dois fotões corresponde a mesma
fase e frequência
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Ganho Óptico em Dispositivos de Semicondutor
• O ganho óptico é obtido por emissão estimulada de radiação, em dispositivos derivados da junção p-n, ou seja os electrões na banda de condução decaem para a banda de valência emitindo radiação (fotões) coerente (mesma direcção frequência, fase e polarização) com a radiação incidente.
• Para que haja emissão estimulada permanente é necessário garantir que a concentração de electrões na banda de condução é muito elevada (inversão de população) através de uma corrente de polarização directa suficientemente elevada.
Meio
Amplificador
Radiação luminosa incidente Radiação coerente com a
radiação incidente
Ene
rgia
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
_ _ _ _ _
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Banda de condução
electrões
Banda de valência
lacunas
Equilíbrio térmico Inversão de população
Eg
Frequência do sinal a amplificar
hEg
s >ν
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Homo e Heterojunções
• Para reduzir a corrente de injecção necessária para originar inversão de população usam-se heterojunções em vez de uma simples junção p-n.
p
n
corrente de injecção
Homojunção
P (InGaAsP)
corrente de injecção
Heterojunção
P (InP)
n (InGaAsP)n (InP)
RegiãoActiva
y
zx
yd
Região activa
yd
Região activa
Pot
ênci
a óp
tica
Pot
ênci
a óp
tica
yd
Ìndi
cede
re
fracç
ão
yd
Ìndi
cede
re
fracç
ão
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 212
Díodo Laser
• O LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é um oscilador óptico e é constituído por um amplificador óptico inserido numa cavidade reflectora, a qual origina realimentação positiva.
• Os díodos laser usam uma cavidade de Fabry-Perot como cavidade ressonante. As faces do material semicondutor constituem as superfícies semi-reflectoras (espelhos) da cavidade.
Amplificador de fibra dopada Laser de Fibra
Amplificador de semicondutor
Laser de Semicondutor (Díodo Laser)
Corrente de injecção (I)
R1
R2
Região activa Sinal óptico emitido
L IthPo
tênc
ia Ó
ptic
a(P
o)Corrente Eléctrica (I)
Po/2Po/2 I <Ith: emissão espontânea I≥Ith: emissão estimulada
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Exemplo de Lasers (FP)
• Ex: T13F (/www.lasermate.com/T13FXYZWM.html)• Características:
– Comprimento de onda de emissão = 1310 nm– Potência de emissão: Varia entre 0.2 e 2 mW (Ith+25 mA) conforme o modelo– Largura espectral típica (Δλ): 2 nm– Corrente de limiar típica (Ith)= 10 mA
• Aplicações: Redes SDH (STM-1 e STM-4)
Módulo com pigtail( não arrefecido) Módulo com conector (não arrefecido)
FP: Fabry-Perot
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Exemplo de Lasers (DFB)
• Ex: T15D (www.lasermate.com/T15DPYZCM2I.html)
• Características:– Comprimento de onda de emissão = 1550 nm– Potência de emissão (pico): 5 mW– Largura espectral típica (Δλ): 0.1 nm (sem modulação)– Corrente de limiar típica (Ith)= 12 mA– Com pigtail e não arrefecido
• Aplicações: Redes SDH (STM-1 e STM-4, STM-16), GigabitEthernet
DFB: distributed feedback
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Estrutura de uma Fonte Óptica
• Uma fonte óptica inclui a estrutura modular do laser, o circuito de excitação (responsável pela modulação do sinal óptico), o circuito de controlo de potência e o circuito de controlo de temperatura.
Díodo Laser
Adaptação óptica
PIN
Circuito de excitação
Controlo de potência
Elemento de Peltier
Termistor
Controlo de temperatura
V
t
Guia térmico
Fibra óptica
Estrutura modular do laser
Estrutura modular de um laser
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Fotodetecção e Materiais Usados
• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.
• Os valores críticos de alguns materiais são os seguintes:
• Os semicondutores Si e GaAs não podem ser usados para realizar fotodetectores nas janelas de 1.3 e 1.55 μm.
J.s1063.6 , 34−×==< hEhc
gcλλ
Ec
Ev
Eg
Banda de condução
Banda de valência+
_Fotão
Par electrão-lacuna
Material
Eg (eV)
λc(μm)
Si
1.1
1.1
Ge
0.72
1.7
Ga As
1.43
0.87
Gax In1-x As
1.43 - 0.36
0.87-3.44
Gax In1-x As1-x P1-Y
1.35 - 0.36
0.92 - 3.44
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Fotodetecção
• No processo de fotodetecção os fotões absorvidos pelo material semicondutor fazem transitar electrões da banda de valência para a de condução desde que o comprimento de onda seja inferior a um valor crítico.
• Fotodíodos PINOs fotodíodos PIN são baseados numa junção p-n com material intrínseco (I) colocado entre os dois tipos de semicondutor. A junção é polarizada inversamente.
J.s1063.6 , 34−×==< hEhc
gcλλ
Ec
Ev
Eg
Banda de condução
Banda de valência+
_Fotão
Par electrão-lacuna
InP
InP p
n
+
InPAs i Região de absorção
Região de depleção
Campo Eléctrico
x
O campo eléctrico é intenso em quase toda a região de absorção.
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Caracterização dos Fotodetectores
• Num fotodíodo PIN ideal por cada fotão incidente na região de absorção seria originado uma par electrão-lacuna na região de depleção. Num PIN real a eficiência de conversão η (designada por eficiência quântica) é inferior a um.
• Num fotodetector APD (Avalanche Photodiode) o processo de multiplicação por avalanche é caracterizado por um ganho m(t) aleatório com valor médio M.
PINPotência óptica incidente, Po Foto-corrente, I
η, Rλ
νη
hPqI
o //
incidentes fotões de ritmolacuna-electrão pares de geração de ritmo
== q=carga do electrão=1.602×10-19 C
ν:frequência da radiação óptica[ ]1.24
mμληηλ ===
hvq
PIRo
Respostividade (A/W)
h=constante de Planck=6.626×10-34 J.s
+ _
+ _
+ _
Fotão incidente
Par electrão-lacuna
Ionização por impacto
Multiplicação de avalanche
Corrente instantânea: 0)()( PtmRti λ=
Corrente média: 0MPRiI λ>==<
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Caracterização do Sinal Recebido
• Admitindo que o fotodetector é um PIN a corrente na sua saída tem a contribuição do sinal e do ruído quântico. Essa corrente é dada,respectivamente, para o nível lógico 1 (i1(t)) e para o nível 0 (i0(t)) por
• Tendo presente que o receptor introduz ruído de circuito, a corrente na saída do filtro (para os dois níveis lógicos) é dada por
)()1()( :1 lógico nível 11 tiPRti qr += λ )()0()( :0 lógico nível 00 tiPRti qr += λ
)()( :1 lógico nível 111 tnIti += )()( :0 lógico nível 00 tnIti o +=
Valor médio da corrente para o nível 0
Valor médio da corrente para o nível 1
Corrente de ruído para o nível 1 Corrente de ruído para o nível 0
Tempo
Cor
rent
e
I1
I0Limiar de decisãoD
t0
Instante de decisão
I1
I0
D
p(I|1)
p(I|o)
I
Densidade de probabilidade
σ1
σ0
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Estatística do Sinal Amostrado
• O sinal i(t) é aplicado à entrada de um regenerador, cujo esquema de blocos é o seguinte:
• Admite-se que a amostra i(t0) tem uma distribuição Gaussiana com média I1 e variância σ1
2=<n12> para o nível lógico 1 e média I0 e variância σ0
2=<n02> para o
nível lógico 0.
AmostragemDecisão e formatação
do pulso
Recuperação de relógio
i(t) i(t0) i(t0)> D simbolo 1
i(t0)< D simbolo 0
221,
21 cq σσσ += 22
0,20 cq σσσ +=
nerq BPqR ,2
1, )1(2 λσ = nerq BPqR ,2
0, )0(2 λσ = bnenBc RBTfk /4 ,2 =σ
Be,n: largura de banda de ruído do receptor; fn: factor de ruído do receptor; Rb:resistência de polarização do fotodetector; T :Temperatura em K; KB: constante de Boltzmann (1.38 ×10-23 J/K)
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Avaliação de Desempenho
• A probabilidade de erro é dada por
• Admitindo a equiprobabilidade dos símbolos, obtém-se para a probabilidade de erro, ou BER (razão de erros binários) a seguinte expressão:
• A função complementar de erro é definida por
• O limiar de decisão óptimo (Dop) que minimiza o BER, corresponde a fazer Pr(0/1)=Pr(1/0).
)0/1()1/0Pr( 01 re PppP +=
p1:probabilidade a priori de enviar o símbolo “1”
p0:probabilidade a priori de enviar o símbolo “0”
Pr(0/1):probabilidade de decidir pelo “0” tendo enviado o “1”
Pr(1/0):probabilidade de decidir pelo “1” tendo enviado o “0”
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ −+⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡ −=
2erfc
41
2erfc
41
1
1
0
0
σσDIIDPe
∫∞
−=x
t dtex22)(erfc
π3 )(erfc
2
≥≈−
xxex
x
π
QDIID op
o
op =−
=−
1
10
σσ 01
0110
σσσσ
++
=IIDop
01
01
σσ +−
=IIQ ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=
2erfc
21 QPe
x=4.5, erfc(x)=1.966x10-10
x=4.7, erfc(x)=2.995x10-11
x=5.0, erfc(x)=1.538x10-12
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Sensibilidade
• A sensibilidade do receptor ( ) é definida como a potência óptica mínima necessária para obter um valor de Pe , normalmente para 10-12 (Q≈7).
• Para um receptor baseado num fotodíodo PIN o ruído quântico édesprezável. Nesta situação a sensibilidade do receptor é aproximada por
• A sensibilidade do receptor com PIN diminui com a raiz do débito binário.
rP
λ
σR
QrrPPP c
rrr
2
11)0(
21)1(
21
−+
=+=
Ruído de circuito brancobner DBP ∝∝ ,
Um receptor é mais sensível quando necessita de menor potência para garantir o mesmo desempenho.
Débito Binário Tipo Sensibilidade Sobrecarga
155 Mbit/s pinFET -36 dBm -7 dBm
622 Mbit/s pinFET -32 dBm -7 dBm
10 Gbit/s pin -20 dBm 0 dBm
Sensibilidade de receptores que operam a 1.55 μm
Sobrecarga: valor máximo da potência na entrada do fotodetector
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Transmissão Digital Óptica
• Considera-se um sistema de transmissão digital óptico com compensação da dispersão, através de uma fibra compensadora de dispersão (DCF):
• As fontes ópticas podem ser de três tipos: LED, Laser modulado directamente e laser+modulador externo.
Filtro
v(t)Fonte óptica
Fibra Óptica
Juntas
Ps(0)
Ps(1)Pr(0)
Pr(1)
DCF
Corrente I
t
t
P0
t
t
V
P0
P0
Modulador externo
Laser modulado directamente
Laser + modulador
externo
Receptor óptico
RegeneradorPré-amplificador
Fotodíodo
BER
Razão de extinção (r) =Ps(0)/Ps(1)
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Dimensionamento de Ligações sem Amplificação
• Ligação limitada pela atenuação
• Atenuação total
• Balanço de potência
Fonte óptica
Fibra Óptica
n juntas
Receptor óptico
sP rPcA
jnAAcoplador
L
cjt AnALA 2)dB( ++= α
Ligações ponto-a-ponto
NNAAnALA dcjt log10log4)dB( 2 ++++= α
Ligações ponto-a-multiponto (1XN)
Sensibilidade
Sobrecarga
Potência mínima
Potência máxima
Penalidade de caminho óptico
Atenuação máxima (Amax )
Atenuação mínima(Amin )
)( LDPr λΔ
rss PmínPG −= )(Ganho do sistema em potência
)( LDPAGM rtss λΔ−−=Margem do sistema
Inclui a margem de segurança necessária para suportar variações dos parâmetros devido a variações de temperatura e envelhecimento
Devida à dispersão e às reflexões.
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Sistemas com Amplificação e Regeneração
• Sistemas com amplificação ópticaUsam-se amplificadores ópticos para compensar a atenuação da fibra óptica. O processo de amplificação têm lugar no domínio óptico.
• Sistemas com regeneradoresOs regeneradores usam-se para combater a distorção (deformação) do sinal devida à dispersão da fibra óptica. O processo de regeneração tem lugar no domínio eléctrico. É necessário converter o sinal do domínio óptico para o eléctrico e vice-versa.
Emissor óptico
Fibra óptica
Receptor óptico
Amplificador óptico
GG
Emissor óptico
Fibra óptica
Receptor óptico
R R
Regenerador
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Tipos de Amplificadores Ópticos
• Amplificador de fibra dopada A amplificação tem lugar num troço de fibra dopada (érbio para a banda de 1.55 μm e neodímio para a banda de 1.3 μm). A alimentação é feita por um laser.
• Amplificador de RamanA amplificação tem lugar na fibra óptica usada na transmissão do sinal óptico através do efeito de Raman.
• Amplificador de semicondutor (SOA, semiconductor optical amplifier)A amplificação tem lugar numa heterojunçãode material semicondutor, acoplada à fibra óptica.
Lase
r
Fibra dopadaSinal óptico de entrada Sinal óptico de saída
Laser bombeadorAcoplador
Lase
rFibra óptica
Sinal óptico de entrada Sinal óptico de saída
Laser bombeador
Acoplador
Fibra óptica
Corrente de injecção
Fibra óptica
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Fundamentos dos EDFAs
• O amplificador de fibra dopada a érbio ou EDFA (Erbium-doped fibre amplifier) é construído dopando a parte central do núcleo (diâmetro de cerca de 2.5 μm) de uma fibra óptica de sílica com iões de érbio (Er3+).
• O iões de érbio são activados pela energia fornecida por um laser bombeador, permitindo criar uma inversão de população, e realizar amplificação por emissão estimulada. O EDFA é usualmente bombeado por lasers de semicondutor operando a 980 nm ou 1480 nm.
• O ganho do amplificador permanece insensível às variações do sinal de entrada, desde que estas sejam mais rápidas do que o tempo de fluorescência (τ) .
980 nm
1480 nm
Transição não radiativa (1μs)
Emissão estimulada (1520 –1570 nm) τ = 14 ms
Bombeamento energético
4I11/2
4I13/2
4I15/2
O bombeamento é usado para excitar os iões de érbio da banda fundamental para a banda excitada de maior energia (4I11/2 ). Os iões excitados decaem rapidamente dessa banda para a banda 4I13/2 , designada por metaestável. Esta banda é caracterizado por um tempo médio de fluorescência (τ) longo de 14 ms, permitindo realizar uma inversão de população.
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Redes WDM e OTN
Fonte: Diário Económico, 01/10/09
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 229
Sistema WDM Ponto-a-Ponto
• Os elementos essenciais de um sistema de multiplexagem por divisão no comprimento de onda ou WDM (Wavelength Division Multiplexing) são os multiplexadores (MUX), responsáveis por agregar vários canais ópticos (comprimentos de onda) num único sinal multiplexer e os desmultiplexadores (DMUX) que realizam a operação inversa.
• Sistemas DWDM ( Dense WDM) ponto-a-ponto comerciais de ponta (2007)
MUX EDFA
λ1 Sinal multiplex ⇒ λ1, λ2 ,λ3,..., λN
EDFA EDFA DMUX
Laser 1
Laser 2
Laser N
λ2
λN
Receptor Óptico 1
Receptor Óptico 2
Receptor Óptico N
λ1
λ2
λNFibra óptica monomodal
80 λs × 40 Gb/s 3.2Tb/sMarconi MHL 3000 CoreEricsson
80 λs × 10 Gb/s320 λs × 2.5 Gb/s
0.8 Tb/sOptical Long Haul 1600Nortel
64 λs × 40 Gb/s 128 λs × 10 Gb/s
2.56 Tb/s 1.28 Tb/s
1625 Lambda Extreme Transport
Alcatel-Lucent
192 λs × 10 Gb/s 1.9 Tb/sCoreStreamCiena
Número de λsCapacidadeEquipamentoFabricante
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Técnicas de Multiplexagem WDM
• A multiplexagem por divisão de comprimento de onda ou WDM (WavelengthDivision Multiplexing) pode ser efectuada recorrendo a dois métodos.
• Na multiplexagem selectiva usam-se dispositivos baseados nas grelhas difractoras ou AWG. A principal vantagem desta solução é que as perdas sãoindependentes do número de comprimentos de onda usados.
• Na multiplexagem não selectiva a separação dos canais é feita usando filtros ópticos. Neste caso as perdas dependem do número de λs.
Pλ1
Pλ2
PλΝ
α(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ) α2 Pλ1
α2 Pλ2
α2 PλΝMultiplexador Desmultiplexador
Fibra Óptica
MUX
DMUX
Multiplexagem selectiva
Pλ1
Pλ2
PλΝ
(Pλ1+ Pλ2+ .....+ PλΝ)/Ν
Pλ1/Ν2
Pλ2/Ν2
PλΝ/Ν2
Combinadoróptico
Derivadoróptico
Filtros ópticosselectores de canal
COM
DER
Multiplexagem não selectiva
α : perdas
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Multiplexagem Selectiva
• MUX/DEMUX baseados em grelhas difractoras
• MUX/DEMUX baseados em AWG (arrayed waveguide grating)
Fibras ópticas
λ1
λ2
λN
λ1+ λ2+.... λN
LenteGrelhas difractoras
Um sinal de luz policromático ao incidir numa grelha difractora é difractada e dirigida para diferentes pontos no espaço.
Todos os comprimentos de onda são focados no mesmo ponto focal e acoplados a uma fibra óptica.
MUX
DMUX
Acoplador em estrela
Acoplador em estrela
λ1 λ
2λ
3λ
4λ
5λ
1
λ2
λ3
λ4
λ5
Foram fabricados AWGs para 256 canais (comprimentos de onda), com um espaçamento entre canais de 0.2 nm (25 GHz), perdas de inserção de cerca de 5 dB e crosstalk< 33 dB.
Tran
smitâ
ncia
(dB
)
ff1
f2
f3
f4
f5
f2+FSR
crosstalk
0 Perdas
Desmultiplexagem
FreeSpectralRange
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Normalização dos Comprimentos de Onda
• A normalização dos comprimentos de onda a usar nas redes WDM é importante para garantir a interligação de equipamentos de diferentes fabricantes e permitir aos fabricantes a redução dos custos de fabrico.
• A normalização de comprimento de onda é feita pela norma G.692 do ITU-T e usa um espaçamento idêntico na frequência para essa normalização. Os canais são colocados numa grelha de 50 GHz (≈ 0.4 nm), com a frequência central nominal de 193.1 THz (1552.52 nm).
• Outro parâmetro importante é o desvio máximo da frequência nominal de canal. Este desvio não deve ser muito elevado, caso contrário contribui para aumentar o crosstalk e as perdas. Para Δf≥200 GHz o ITU-T especificou um desvio máximo de ±Δf/5.
frequência
193.1 THz
50 GHz50 GHz50 GHz
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Papel da Rede de Transporte Óptica
ADM1
ADM2
ADM3
ADM4
Rede de Serviços
Rede de Transporte SDH
(Rede IP)
Router A
Router B
Router C
OADMOXC
Rede de Transporte WDM
OADM
OADM
OADM OADMOADM
OADM
OTM
Router D
Router ERouter F
Caminho Óptico ( router D→router F)
OADM: multiplexador de inserção/extracção óptico
OTM: multiplexador óptico terminal
OXC: comutador de cruzamento óptico
Caminho Óptico (ADM1 →ADM3)
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 234
Elementos de Rede Ópticas
• Os elementos de uma rede óptica incluem amplificadores ópticos (OA), multiplexadores ópticos terminais (OTM, optical terminal multiplexer), multiplexadores de inserção/extracção (OADM, optical add/drop multiplexers) e cruzadores ópticos (OXC, optical crossconnects).
• Esses elementos de rede estão interligados entre si através de fibras ópticas de acordo com determinada topologia física (anel, malha, etc.).
• Os OLTs multiplexam diferentes comprimentos de onda num fibra óptica e também desmultiplexam um sinal WDM nos comprimentos de onda individuais.
• Os OADMs são usados em pontos da rede em que é necessária terminal localmente uma certa fracção dos comprimentos de onda transmitidos. São usados nas redes em anel.
• Os OXCs são usados quando é necessário comutar comprimentos de onda de uma fibra, para outra fibra, como é o caso das redes em malha.
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 235
Amplificadores Ópticos de Linha
• Os amplificadores ópticos de linha são colocados no meio das vias ópticas, a intervalos periódicos, tipicamente entre 80-120 km.
• Este amplificadores normalmente incluem dois blocos de amplificação EDFA, e um compensador de dispersão situado entre esses blocos. No caso dos amplificadores usados nas banda C e L, essas bandas são separadas na entrada e usam-se diferentes EDFAs para cada banda.
• O canal de supervisão óptica é extraído e terminado na entrada do amplificador e é adicionado na saída. Este canal é usado para controlar e monitorizar o desempenho dos amplificadores ópticos. É transportado num comprimento de onda diferente do usado para o tráfico.
Receptor Laser
λso
λ1, λ2,... λN
λsoCompensaçãode dispersão
EDFA EDFA
Terminação do canal de supervisão óptica
Adição do canal de supervisão óptica
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 236
Multiplexador Óptico Terminal (OTM)
• O multiplexador óptico terminal é usado nas extremidades das ligações ponto-a-ponto para multiplexar e desmultiplexar diferentes comprimentos de onda. Inclui três elementos funcionais: transponder, multiplexador WDM e amplificador óptico.
• A adaptação realizada pelos transponder corresponde às seguintes funções:- Alteração dos comprimentos de onda, de modo a ter na saída λs ITU-T;- Adição de cabeçalhos para funções de gestão;- Adição de códigos FEC (forward error correction);- Monitorização do BER (bit error rate).
MUX EDFA
Laser
λsoAdição do canal de supervisão óptica
O/E/O
Multiplexador óptico terminal
O/E/OITU λ2
ITU λ3
Router IP
ADM SDH
ADM SDH
ITU λ1Não é ITU λ
Não é ITU λλ1, λ2 ,λ3, λso
Transponder
Função de adaptação
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 237
Tipos de OADMs
• Num OADM o sinal WDM é desmultiplexado e os comprimentos de onda que requerem processamento local são extraídos e posteriormente inseridos. Os restantes comprimentos passam directamente do DMUX para o MUX.
• Os OADMs podem ser fixos ou reconfiguráveis. Nos primeiros o conjunto dos comprimentos de onda extraídos/inseridos é fixo, enquanto nos segundos pode ser alterado em resposta a mudanças nos padrões de tráfego.
λN
λ2λ2
λ1
DMUX
λ1
MUX
Inserção
λ1, λ2,.. λN λ1, λ2,.. λN
OADM fixo
λN
λ2
λ1
MUXλ1, λ2,.. λN
OADM reconfigurável
DMUX
Comutador ópticoTransponders (O/E/O) Transponders(O/E/O)
Extracção
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 238
Estrutura de um ROADM
• Estrutura de um ROADM (Reconfigurable OADM)
WADD: wavelength add/drop device → Dispositivo usado para inserir/extrair lambdas
OA: Optical amplifier: amplificador óptico tipo EDFA.
Fonte: I. Kaminow et al., Optical FiberTelecommunications V. B, Fig. 8.2
Comprimento de onda expresso
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 239
Configurações de OXCs
• A configuração de um OXC pode ser opaca ou transparente. Nas configurações opacas há conversões O/E ou E/O dentro do OXC,enquanto nas transparentes a configuração é totalmente óptica.
• Um OXC é constituído por vários OTMs, que realizem entre outras as funções de multiplexagem/desmultiplexagem, e por uma matriz de comutação. A matriz de comutação pode ser óptica ou eléctrica.
Matriz de comutação
óptica
λ1, λ2, λ3λ1
λ2
λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
Matriz de comutação
eléctrica
λ1, λ2, λ3λ1
λ2
λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1, λ2, λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
λ1 λ2
λ3
λ1
λ2
λ3
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
OTM
OXC com comutação óptica OXC com comutação eléctrica
Conversão O/E Conversão E/OGera λs ITU- não usa transponders
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 240
Exemplo de Comutadores Ópticos (MEMS)
• Comutadores basedos em sistemas micro-electro-mecânicosOs sistemas micro-electro-mecânicos ou MEMS (micro-electro-mechanical systems) são dispositivos mecânicos em miniatura fabricados usando substratos de silício. Os comutadores MEMS consistem em espelhos miniatura movíveis com dimensões da ordem das centenas de micrómetro.
• A estrutura mais simples é a do espelho 2D . Num estado o espelho está paralelo com o substrato não deflectindo o feixe de luz. No outro estado o espelho move-se para uma posição vertical e o feixe de luz é deflectido. Noutra estrutura o espelho pode rodar em torno de dois eixos de modo contínuo. Designa-se por espelho 3D. O tempo de comutação de um estado para outro é de cerca de 10 ms em ambas as estruturas.
Conjunto de micro-espelhos movíveis desenvolvidos num substrato de silício (Lucent)
Os micro-espelhos são deflectidos de uma posição para outra usando técnicas electromagnéticas, electro-ópticas ou piezoeléctricas.
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 241
Comutadores Ópticos com MEMS
• Comutadores com espelhos 2D
• Comutadores com espelhos 3D
O comutador baseado em espelhos 2D usa uma arquitectura barra-cruzada. Na configuração com fibras ópticas nas entradas e nas saídas é necessário colimar os feixes na saída e na entrada das fibras para reduzir a sua divergência.
A dimensão máxima dos comutadores deste tipo que é possível fabricar num único substrato está limitada a dimensões entre 32x32 a 64x64.
Um espelho 3D permite implementar um comutador 1xN. Na figura ao lado representa-se um comutador 1152x1152 (Xros) baseado numa arquitectura de Spanke, e fazendo uso de duas matrizes de espelhos 3D cada uma com 1152 espelhos.
Fibras de entrada
Fibras de saída
Matriz de espelhos
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 242
Transparência das Redes Ópticas
• Uma das grandes vantagens da redes ópticas é ser transparente aos serviços. O utilizador pode enviar informação digital a qualquer débito (dentro de certos limites), usando qualquer formato, ou qualquer tipo de protocolo. Pode também transmitir informação analógica.
• Associada à transparência está o conceito de rede totalmente óptica. Nesta rede a informação é transmitida da fonte para o destino num formato óptico, sem qualquer conversão O/E, ou E/O dentro da rede. Estas redes designam-se por totalmente transparentes.
• Estas rede totalmente transparentes não usam regeneração e por isso comportam-se como rede analógicas onde os factores degradadores (ruído, distorção, interferência, etc )são acumulados, o que limita a sua extensão. Enquanto não for possível dispor de regeneradores ópticos será de esperar a existência de alguma conversão opto-electrónica dentro das redes.
OADM
OADM
OADM
OADM OADMOADM
OADM
Processamento opto-electrónico (regeneração)
OXC
Cliente da rede ópticaCliente da
rede óptica
Sub-rede óptica totalmente transparente
Sub-rede óptica totalmente transparente
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Elemento de Rede SDH-NG+WDM
• Multiservice Transport Platform (MSTP)
• Um MSTP resulta da adição a um MSPP de funções de inserção extracção no domínio óptico.
• Permite o provisionamento de comprimentos de onda extremo-a extremo ao longo de uma rede, evitando o uso de transponders para para funções de conversão O-E-O.
• Tipicamente é usado nas redes de núcleo e metro.
Digital Video BroadcastingStorage Area Networks(Fiber Channel, ESCON, etc.)
Virtual Private Networks
Fonte: José M. Caballero“Migration to next generationSDH,” Trend Communications
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Rede de Transporte Óptica
• A rede de transporte óptica ou OTN (Optical Transport Network) foi fruto de normalização recente do ITU-T (G.709, G.872, G.959) tendo como alvo o transporte a longa distância com débitos binários desde 2.5 Gb/s até 40 Gb/s.
• A OTN define uma hierarquia de transporte óptica ou OTH (Optical TransportHierarchy), conceptualmente algo similar à SDH. A OTH é estruturada em duas etapas, sendo a primeira etapa realizada no domínio eléctrico e a segunda nodomínio óptico.
• A primeira etapa consiste no mapeamento dos sinais dos tributários numa trama de comprimento fixo e na adição de cabeçalhos apropriados,conduzindo à formação da entidade OTU-k (Optical Channel Transport Unit). O valor de k está associado ao débito binário (OTU-1:≈2. 67 Gb/s; OTU-2: ≈ 10.7 Gb/s e OTU-3: ≈ 43 Gb/s).
• A segunda etapa consiste na formação dos canais ópticos, na multiplexagem WDM e na introdução dos cabeçalhos apropriados e conduz à formação da entidade OTM-n.m (Optical Transport Module), (n: número de canais ópticos e m=0, para canais com débito misto e m=1, 2 ou 3, para k=1, 2 ou 3).
©João Pires Planeamento e Projecto de Redes (09/10) 245
Estrutura de Camadas da OTH
• A estrutura de camadas da OTH está representada na figura seguinte.
Unidade de carga do canal óptico ou OPU-k
Unidade de dados do canal óptico ou ODU-k
Unidade transporte do canal óptico ou OTU-k
Clientes (SDH, ATM, IP, Ethernet)
Canal óptico ou OCh
Secção de multiplexagem óptica ou OMS-n
Secção de transmissão óptica ou OTS-n
OTM-n.m
Domínio eléctrico
Domínio óptico
OPU Carga do
cliente
ODU
OTUFEC
Adição de cabeçalhos das diferentes camadas no domínio eléctrico
Os cabeçalhos das camadas ópticas são enviados em modo não associado no canal de supervisão óptica
O sinal proveniente dos clientes é mapeado na camada OPU (optical channel payload unit). Esta camada adiciona octetos sem informação para adaptar os débitos e introduz o seu cabeçalho. A OPU é convertida em seguida na ODU (optical channel data unit) através da adição do correspondente cabeçalho. A fase seguinte consiste na conversão da ODU na OTU (optical channel transportunit) através da adição do cabeçalho e do campo FEC (forward error correction). Cada OTU vai modular uma fonte óptica. O sinal óptico obtido juntamente com um cabeçalho apropriado corresponde à entidade OCh (optical channel). A camada OMS (opticalmultiplex section) é responsável pela multiplexagem WDM e pela adição do seu cabeçalho.
(Envoltório digital)
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Papel das Camadas Ópticas da OTH
• As camadas ópticas da OTH são: camada de canal óptico (OCh, opticalchannel), camada de secção de multiplexagem óptica (OMS, opticalmultiplex section) e camada de secção de transmissão óptica (OTS, optical transmission section) .
• Funcionalidades das camadas:Camada de canal óptico:Acomodação de dispersão por canal, identificação de canal, comutação de protecção de canal.Camada de secção de multiplexagem óptica:Multiplexagem óptica, atribuição de comprimento de onda, identificação do comprimento de onda, comutação de protecção de multiplexagem, conversão de comprimento de onda.Camada de secção de transmissão óptica:Amplificação óptica, compensação de dispersão através dos amplificadores de linha.
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Definição das Camadas Ópticas
• O canal óptico (OCh) corresponde a uma ligação extremo a extremo numa rede totalmente óptica, também designada por caminho óptico. Cada via entre um OTM e um OADM (ou OXC) corresponde à secção de multiplexagem óptica (OMS). Cada via OMS é constituída por vários segmentos (OTS), sendo cada segmento delimitado por um estágio de amplificação.
S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão
Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem
Canal óptico (OCh)
Amplificador de linhaOTM
OXCTransponder
OXCTransponder
OADM OADM
AL
AL
OTM S. Transmissão S. Transmissão S. Transmissão
Secção de Multiplexagem S. de Multiplexagem
Canal óptico (OCh)
Caminho Óptico
Caminho Óptico (usa dois λs)
λ1 λ2
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Subdivisão da Camada de Canal Óptico
• O canal óptico (OCh) por sua vez é subdividido em várias sub-camadas no domínio eléctrico: unidade de carga (OPU), unidade de dados (ODU ) e unidade de transporte (OTU).
OXC
Caminho
OADMOTMOTMOTM
OTU OTU OTU
OPU/ODU
Transponders/regeneradores
Unidade de carga (OPU) (Optical Channel Payload Unit )
Adapta o débito binário do sinal do tributário ao débito bináriodesta estrutura ( OPU-1: ≈ 2.488 Gb/s, OPU-2: ≈ 9.995 Gb/s, OPU-3: ≈ 40.15 Gb/s) através da introdução de octetos sem informação e da realização de justificação positiva/negativa.
Unidade de dados (ODU) (Optical Channel Data Unit)
Tal como o OPU é criado quando o sinal do tributário entra na rede óptica e mantém-se intacto ao longo da rede. É comparável aos contentores virtuais da SDH.
Unidade de transporte (OTU) (Optical Channel Transport Unit)
Esta unidade é terminada/ criada em cada ponto de regeneração. É responsável por processar o código FEC.
OTMOTM
OTM
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Estrutura da Trama da OTU-k
• Numa representação bidireccional a trama da entidade OTU-k está estruturada em 4080 colunas e 4 linhas e contem os seguintes blocos: capacidade transportada, cabeçalhos de OPU, ODU e OTU e campo de FEC (Forward ErrorCorrection), este último usado para detecção e correcção de erros.
Estrutura da trama OTU-kOTU:- Enquadramento de trama (6 octetos) - Enquadramento de multitrama (1 octeto) - Monitorização de desempenho (3 octetos- Canal de comunicação de dados (2 octetos) - 2 octetos reservados.
ODU:- Monitorização de um canal em ligações em cascata - Supervisão extremo a extremo - Canal de comunicação de dados - Protecção de canal.
OPU:- Etiqueta de sinal (identifica a capacidade transportada) - Octetos para funções de justificação - Octetos reservados
OTU
Capacidade transportada
Campo
FEC
FEC Reed-Solomon Code RS (255, 238)
BER=10-4 s/FEC BER=2×10-13 c/FEC
ODU
Cab
eçal
ho d
e O
PU
1
2
3
4
1 1415-16 3824 4080 octetos
Duração das tramas (OTU-k): k=1 ⇒48.971 μs; k=2 ⇒12.191 μs; k=3 ⇒3.035 μs
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Estrutura dos Cabeçalhos
• A estrutura dos cabeçalhos de ODU e OTU é a seguinte:
• No cabeçalho da OTU a função dos diferentes campos é a seguinte:
• No campo da ODU a função dos diferentes campos é a seguinte:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
PET PEM SM GCC Res
RES TCM TCM6 TCM5 TCM4
TCM3 TCM2 TCM1
FTTL
PM
GCC1 GCC2 APS RES
RES
OTU
ODU
PET- padrão de enquadramento de trama: conjunto de octetos usados para sincronizar a trama; PEM-padrão de enquadramento de multitrama: sincronizar a multitrama em que alguns sinais (ex: traço) estão estruturados;SM: monitorização de secção: inclui identificador de traço, BIP-8, BDI (backward defect indication), BEI (backward error indication, etc; GCC (General Communication Channels): canais usados para transportar informação de gestão, equivalente aos canais DCC da SDH. RES- reservado.
TCM (Tandem Connection Monitoring)- monitorização das ligações em cascata com seis níveis de monitorização: cada campo inclui um identificador de traço, BIP-8, BDI e BFI;PM (Path Monitoring) – monitorização extremo-a-extremo: inclui indicador de traço, BIP-8, BDI e BEI;APS (Automatic Protection Switching) – funções de protecção similares às da SDH; FTTL( Fault Type, Fault Location) – identificação do tipo de falha e da sua localização.
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Monitorização das Ligações em Cascata
• A funcionalidade de TCM (Tandem Connection Monitoring) permite a um operador monitorizar a qualidade de uma ligação que se inicia e termina na sua rede, mas atravessa a rede de outros operadores.
• O operador A deve ter capacidade de monitorizar a qualidade do sinal que passa na rede do operador B. Em presença de uma falha na ligação, com utilização de monitorização das ligações em cascata é possível identificar facilmente a sua localização.
Operador A Operador B Operador A
Utilizador Utilizador
TCM1 – Monitorização de QoS a nível do utilizador
TCM2 – Monitorização de QoS a nível do operador
TCM3 – Monitorização dos vários domínios de interligação
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Códigos FEC• Os códigos FEC usados na OTN são os códigos de Reed-Solomon. Estes códigos fazem
partem dos códigos de blocos cíclicos e lineares usados para detectar e corrigir erros. Estes códigos partem de k símbolos de informação e geram n símbolos, introduzindo r=n-k símbolos redundantes - RS(n,k). Admitindo que um símbolo tem m bits, tem-se que n=2m-1. Estes códigos têm capacidade para corrigir r/2 símbolos errados. Para as aplicações nas redes ópticas tem-se, habitualmente, m=8, n=255 e r=16 o que conduz ao código RS(255,239).
• Os códigos RS(255, 239) apresentam ganhos de codificação da ordem dos 6 dB, o que permite reduzir significativamente o valor do BER (Ex: 10-4 s/FEC e 2x10-13 c/FEC).
• Para feitos de processamento do FEC cada linha da OTU é sub-dividida em 16 sub-linhas (3824/16=239) usando interposição de byte. Cada codificador FEC processa uma desta sub-linhas gerando 16 octetos redundantes. Os octetos redundantes das 16 sub-linhas são multiplexados, originando os 256 octetos que são colocados no fim do campo OTU.
Para exemplificar o funcionamento de um código de blocos considere-se um código de Hamming (7,4), Este código parte de símbolos com 4 bits e gera palavras de código com 7 bits. Ex:
Número do bloco 0 1 2 3 4 5 6 7 Sequências de entrada 0000 1000 0100 1100 0010 1010 0110 1110 Sequências de saída 000+0000 110+1000 011+0100 101+1100 111+0010 001+1010 100+0110 010+1110
O número de bits diferentes entre duas palavras do código designa-se por distância de Hamming p. No caso anterior p=3. Este código permite detectar até p-1 erros e corrigir até (p-1)/2 erros
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Transmissão de Cabeçalhos das Camadas Ópticas
• Os cabeçalhos associados às diferentes camadas ópticas são transmitidos no canal de supervisão óptica (OSC, optical supervisory channel), normalizado pelo ITU-T para ser transmitido no comprimento de onda de 1510 nm.
• Cada caminho óptico é caracterizado pelo seu identificador de canal óptico, o qual permite identificar, verificar a integridade e gerir a conectividade desse caminho.
• Para transmitir o identificador de canal óptico, adiciona-se uma sub-portadora, designado por piloto, ao sinal que modula o laser. Esse piloto tem uma frequência, normalmente na banda entre 1 e 2 MHz. O piloto pode ser também usado para monitorizar a potência.
• Cada caminho óptico pode ser caracterizado por um piloto com frequência única, a qual funciona como identificador de canal. Pode-se ainda ter uma frequência piloto por cada comprimento de onda, sendo o identificador de canal um sinal digital que modula o piloto.
OXC
Transponder
AL OADM
Inserção do piloto
Monitorização do piloto
Monitorização do piloto
Terminação do piloto
OSC OSC OSC
O canal de supervisão óptica é extraído, processado e inserido em todos os elementos de rede
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Aspectos de Gestão
• Os diferentes elementos a gerir (amplificadores ópticos, OTMs, OADMs e OXCs) designam-se por elementos de rede (NE). Cada elemento de rede é gerido pelo seu sistema de gestão de elemento ou EMS (element management system). A informação de gestão é processada em cada NE, pelo agente (software implementado num microprocessador), o qual comunica com o EMS. Um EMS pode gerir um ou mais elementos de rede.
• A comunicação do EMS com os elementos de rede é feita através da rede de comunicação de dados ou DCN (data communication network). O DCN pode ser transmitido pelo canal de supervisão óptica. Os diferentes EMS comunicam com o sistema de gestão de rede, através da rede de gestão ( rede IP).
OXCOADM OADMAL
OTM
Rede de comunicação de dados Rede de comunicação de dados
Sistema de gestão de elemento Sistema de gestão
de elementoSistema de gestão
de rede
Tem uma visão completa da rede, permitindo estabelecer caminhos ópticos
OSC OSC
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