WDM e DWDM - Mestrado UFPR

Com o desenvolvimento do transistor e da fibra óptica, as telecomunicações globais e o mercado de informática ficaram em curso de colisão. Como os processos industriais melhoraram, isto causou a diminuição no custo do transistor, a demanda para os serviços que estes dispositivos apoiam, cresceu exponencialmente. Hoje, virtualmente, toda forma de sinal de telecomunicações está sendo digitalizado , inclusive vídeo. Todas as classes diferentes de sinais, dados de computador de alta velocidade, transferência de vídeos, requerem cada vez maiores demandas nas cadeias de transporte de informação.

A Cadeia Óptica Síncrona (SONET) ou Hierarquia Digital Síncrona (SHD) proveu as maiores capacidades de transmissão com taxas de até 10 Gbps. No passado, foram desenvolvidos sistemas de portadora para estender a capacidade da planta de linha de telefone existente. A princípio estes sistemas foram projetados para atender puramente as necessidades de telefonia. Porem, no futuro próximo, os volumes de dados que serão transferidos pela comunicação de computadores ou vinculados a vídeos, excederão à cadeia de telefonia. Esta tendência não mostra nenhum sinal de enfraquecer.

A tecnologia de multiplexação de sinais por divisão de comprimento de onda utiliza múltiplas portadoras ópticas, as quais são moduladas por feixes de bits elétricos independentes, e transmitidas simultaneamente através da mesma fibra óptica.

O conceito de multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) já existe desde 1980 quando o primeiro sistema a fibra óptica se tornou comercial . Na sua forma mais simples, sistemas WDM comerciais são utilizados para transmitir dois canais em diferentes janelas de transmissão da fibra óptica. Nos anos que se seguiram, deu-se grande atenção à diminuição do espaçamento entre os canais. Tipicamente, o espaçamento entre canais deve ser superior a quatro vezes a taxa de bits suportado pelo canal; portanto, para se transmitir canais de 20 Gb/s seria necessário um espaçamento mínimo de 80 GHz – que equivale a 0,6 nm .

Os grandes avanços experimentais observados podem ser analisados com base nas distâncias de transmissão aproximadas utilizadas nos enlaces: 100 km e 1.000 km. Para enlaces compreendendo distâncias de até 100 km obteve-se, em 1995, um sistema com 10 canais de 2 Gb/s, cobrindo uma distância de 68,3 km . Em 1995, um sistema com capacidade de 340 Gb/s foi demostrado, transmitindo 17 canais de 20 Gb/s através de 150 km . No ano seguinte chegou-se a 1,1Tb/s, com a transmissão de 55 canais de 20 Gb/s ao longo de um enlace contendo 150 km de fibra . Para enlaces com extensão em torno de 1.000 km, em 1994, transmitiram-se 16 canais em comprimento de onda com 2,5 Gb/s cada, totalizando 40 Gb/s em uma distância de 1.420 km de cabo óptico. Neste caso, foi necessário a inclusão de amplificadores ópticos a cada 100 km do enlace . Ainda em 1995, registrou-se a transmissão de 20 Gb/s em um sistema de 8 canais a 2,5 Gb/s cada, em uma extensão de 6000 km, onde utilizou-se amplificadores a cada 75 km . Dados de 1996, descrevem um experimento onde 16 canais de 10 Gb/s cada um foram multiplexados, possibilitando a transmissão de 160 Gb/s em uma extensão de 531 km de cabo óptico. Neste caso houve o aumento significativo da taxa de informação transmitida, mas houve a redução na distância alcançada . Em 1997 chegou-se a 320 Gb/s (32 canais de 10 Gb/s) em uma distância igual a 640 km, utilizando amplificadores especiais de banda larga . A Tabela 1 resume alguns dos experimentos de transmissão WDM já realizados, onde N corresponde ao número de canais utilizados, B é a taxa de informação dada em Gb/s, L é a extensão e N ´ B (em Gb/s) é a capacidade do enlace.

Canais N	Taxa de Bit B (Gb/s)	Capacidade N ´ B (Gb/s)	Distância L (km)	Produto N ´ B ´ L [(Tb/s)-km]
10	100	1000	40	40
16	10	160	531	55
32	10	320	640	205
32	5	160	9300	1488
50	20	1000	55	55
55	20	1100	150	165
132	20	2640	120	317

Os primeiros sistemas WDM a se tornarem comerciais foram os de quatro canais em 1995. Em 1996 foram comercializados sistemas WDM de 40 Gb/s, com 16 canais (ou seja, 16 comprimentos de onda diferentes) a 2,5 Gb/s cada um. A Tabela 2 mostra a capacidade de sistemas WDM comerciais dos principais fabricantes de equipamentos de telecomunicações.

Fabricante	Capacidade
Alcatel	32 x 10 Gb/s
Ciena	48 x 10 Gb/s
Fujitsu	32 x 10 Gb/s
Lucent	40 x 10 Gb/s
Nortel	32 x 10 Gb/s
Pirelli	16 x 10 Gb/s
Siemens	32 x 10 Gb/s

Necessidade de aumento de Banda:

A demanda por maior capacidade de largura de banda nos backbones (ou espinha dorsal) de redes de longa distância tem crescido rapidamente nos últimos anos, fazendo com que operadoras de serviços de comunicações necessitem de um aumento de capacidade a curto prazo. Entre os motivos para este rápido aumento de demanda estão os serviços de frame-relay, que crescem a uma taxa de 30% ao ano fazendo com que o tráfego de comunicação para usuários deste serviço cresça ainda mais; o tráfego da Internet, que cresce a uma taxa de 6% a 10% ao mês, o que implica em duplicar o crescimento no prazo de um ano; e, finalmente, o tráfego de voz também continua a crescer e deve aumentar a competição por este mercado causando uma possível diminuição dos preços e conseqüente aumento do volume de chamadas. Este aumento sem precedentes na demanda por serviços de comunicações fazem com que operadoras não tenham tempo de se adequar à nova realidade. Empresas americanas como a MCI e Sprint estão operando com uma média de ocupação da capacidade instalada em fibra óptica de 85%, não podendo assim atender a este aumento de demanda.

A Tabela 3 mostra a porcentagem de ocupação do sistema a fibras ópticas instalado por diferentes empresas norte-americanas. Pode-se observar uma queda na utilização das fibras da AT&T durante os anos de 1994 e 1995, que corresponde a um investimento antecipado superior ao incremento da demanda nesse período.

	AT&T	MCI	Sprint	WorldCom
1993	50,9	---	---	---
1994	49,6	75,0	65,0	69,0
1995	47,3	78,0	77,2	69,0
1996	60,0	84,0	83,0	75,0

Uma opção para suprir esta demanda seria instalar novas linhas de fibra óptica nas linhas principais já existentes. Como esta alternativa é cara e demorada, não tem sido utilizada para aumentar - a curto prazo - a capacidade dos sistemas a fibra. Outra opção seria requisitar linhas secundárias de operadoras de comunicações. Para atender picos momentâneos de demanda, esta seria uma possibilidade, embora esta não seja uma solução de longo prazo. A opção mais viável para aumentar a capacidade de transmissão das redes de informação é justamente a partir da utilização dos sistemas WDM, ou sistemas TDM (multiplexação por divisão no tempo) com maior capacidade.

Os sistemas WDM têm demonstrado, na prática, serem mais indicados para o aumento da capacidade das redes de comunicação no curto e médio prazo, por aproveitarem a malha de fibras ópticas já instaladas. Podem, inclusive, operar integradas a redes TDM e PDH existentes.

Historicamente planejadores e provedores de rede aumentavam a capacidade de suas redes através da troca de equipamentos de acesso existentes por equipamentos com mais altas taxas de transmissão. Por 20 anos este método, baseado em tecnologia TDM, foi utilizado para aumentar a capacidade de transmissão dos sistemas a fibra instalados. As características de transmissão da fibra óptica, como atenuação e dispersão, eram praticamente desconsideradas por essa estratégia para aumentar a capacidade das redes.

O advento de sistemas com taxas de 10 Gb/s provou que a fibra óptica não pode mais ser considerada como meio insensível à taxa de transmissão utilizada. O limite de dispersão aceitável para o funcionamento de um sistema WDM corresponde a uma penalidade de 1 dB na potência. Para sistemas de 2,5 Gb/s, este limite ocorre em aproximadamente 1000 km. Em sistemas práticos, devido a imperfeições na recuperação de clock do receptor contribuírem para o aumento da dispersão, o limite utilizado por projetistas de redes é igual a 600 km. No caso de sistemas a 10 Gb/s, o limite está em aproximadamente 50 km, exigindo compensações de dispersão em enlaces longos de fibra monomodo padrão .

Opção do Mercado pela Tecnologia WDM:

A opção do mercado pela tecnologia WDM se deve principalmente ao fato de aproveitar melhor a alta capacidade da fibra de transmitir informação, a custos de implantação atraentes e a uma velocidade capaz de suprir a demanda crescente no curto e no médio prazo.

O grande crescimento das redes de transporte metropolitanas (MANs), por exemplo, tem levado a capacidade da fibra instalada ao limite. A tecnologia WDM permite o aumento da capacidade dessas redes, com custo e tempo de instalação relativamente baixos. Em particular, esta estratégia favorece locais onde a instalação de novas fibras é dificultada por problemas físicos (de espaço), ou mesmo políticos. Além disso, o aumento da capacidade pode ser efetuada com o sistema em funcionamento parcial (em serviço).

Outro ponto a ser considerado refere-se aos enormes custos de infra-estrutura associados aos sistemas de transmissão de longa distância utilizando equipamentos de acesso com tecnologia SDH (Synchronous Digital Hierarchy). A infra-estrutura de suporte necessárias para estas linhas pode ser substancialmente reduzida através da combinação de sistemas WDM e amplificadores ópticos. Quanto à demanda por serviços de dados, enlaces de longa distância - correspondentes a enlaces internacionais - tem motivado a necessidade de transporte independente de protocolo. Isto é acentuado por problemas intrínsecos à tecnologia SDH e combinados ao provimento de serviços IP e IP / ATM (Assynchronous Transfer Module).

Arquitetura de Sistemas WDM:

Um sistema WDM ponto-a-ponto é composto por inúmeros transmissores ópticos (TX) que emitem luz em comprimentos de onda específicos (l_i, onde i = 1, 2, ...), os quais funcionam como portadoras ópticas e cada comprimento de onda corresponde a um canal de informação. Esses canais são multiplexados opticamente para formar um espectro contínuo de informação (voz, dados ou imagem). Após serem multiplexados, estes sinais são transmitidos através de uma única fibra óptica e necessitam ser periodicamente amplificados em sistemas de longa distância. Ao chegar no receptor o espectro é demultiplexado opticamente para separar cada canal de informação.

A forma mais simples de redes WDM implantadas comercialmente utilizam somente um par de fibras, uma para transmitir e a outra para receber a informação. Sistemas bidirecionais implementam tanto a transmissão como a recepção do sinal através de uma única fibra. Os sistemas WDM atuais, no entanto, vêm utilizando os amplificadores ópticos, tecnologia de grade em fibras, filtros ópticos e sistemas de 8, 16 ou 40 canais têm se tornado realizáveis comercialmente. Isto permitiu um aumento considerável na capacidade de transmissão de informação das fibras instaladas, além de possibilitar a substituição de dezenas de regeneradores convencionais por amplificadores ópticos.

Mesmo em redes WDM ponto-a-ponto simples, aspectos cruciais como amplificação de sinais e parâmetros de ruído devem ser cuidadosamente avaliados. Um espectro inicialmente uniforme pode acumular ruído e distorções, à medida que o sinal se propaga ao longo de uma cadeia de amplificadores devido, principalmente, à resposta não linear dos EDFAs (Erbium Doped Fiber Amplifier). Cada amplificador introduz ruído ao sinal devido à emissão espontânea amplificada (ASE), o que reduz a relação sinal/ruído (SNR) do sistema.

A fim de minimizar os efeitos de ruído, os múltiplos canais de informação (WDM) ao chegarem no receptor devem ser recuperados com o auxílio de filtros sintonizáveis e avaliados com relação à intensidade do sinal, ruído e interferência entre canais .

Os principais requisitos em redes metropolitanas são a flexibilidade e a alta capacidade de conectividade entre múltiplas entidades da camada de serviços espalhadas pela rede. A rede de transporte óptica fornece alta capacidade para cada fibra que compõem o cabo óptico e alta capacidade em cada uma das conexões presentes nos nós da rede. Cada comprimento de onda do sistema WDM possibilita conexões que podem transportar qualquer protocolo com taxas de bits que variam de 50 Mb/s a 10 Gb/s.

Diferentes comprimentos de onda podem ser simultaneamente multiplexados e, de acordo com a necessidade, operações de conexão transversal (cross-connect) e derivação/inserção de sinais em nós da rede (add/drop) podem ser efetuadas em uma operação totalmente óptica. Esse procedimento elimina a necessidade de manipulação ou decodificação da informação em hierarquias inferiores, no nível elétrico .

O próximo passo no avanço de redes metropolitanas deve ocorrer na direção de redes ópticas de transporte baseadas na tecnologia da densa multiplexação por divisão de comprimento (DWDM). A tecnologia DWDM irá possibilitar a transição da atual forma de transporte da informação entre as camadas de serviço de uma rede para tecnologias de transporte de dados otimizadas alternativas - como ATM (Asynchronous Transfer Mode) e IP (Internet Protocol). A migração de todos os serviços para esta nova camada de serviço, associada à expansão da infra-estrutura baseada em DWDM, possibilitará a simplificação da rede através da redução do número de sub-camadas. A grande atenção que vem sendo dada para uma nova camada de rede de transporte baseado em DWDM, deve-se a essa tecnologia viabilizar – na prática – a manipulação de informação de maneira totalmente óptica. Os benefícios de redes totalmente ópticas seriam o de aumentar a velocidade no processamento e suportar a grande demanda de serviços de informação, crescente nos últimos anos. E seria uma solução implementável no curto e no médio prazo.

Entre as características dos sistemas DWDM destacam-se: o fato de possibilitar a separação de comprimentos de onda que transportam diferentes serviços ( Canais M, ATM, troncos IP, linhas de alta velocidade alugadas ), permitindo uma diversidade de conexões para os elementos da camada de serviço apropriados e conferindo, portanto, grande flexibilidade à rede óptica; a multiplexação de comprimentos de onda com facilidades de add/drop entre servidores, possibilitando a retirada da informação desejada em nós de estações intermediárias e mantendo inalteradas as outras informações;

No caso de serviços que exigem taxas superiores a 155 MB/s, DWDM apresenta um melhor custo-benefício que a multiplexação TDM. A economia na instalação de novas fibras e a ampliação da banda utilizada já são consideráveis, mas o grande aumento do custo-benefício para maiores taxas se deve ao fato dos canais ópticos não necessitarem de conversão eletro-óptica recíproca em todos os nós por onde passam na rede. Usualmente, todo o tráfego ADM (Add/Drop Multiplexer) precisa passar por conversões eletro-ópticas recíprocas (back-to-back) em sistemas STM-16. No caso de redes DWDM, a ADM possibilita que o tráfego destinado para um determinado nó possa passar opticamente - sem que haja a necessidade de conversões eletro-ópticas - pelos nós a que não é destinado, resultando em economia de custos e em aumento de funcionalidade da rede.

Resultados de sistemas DWDM em funcionamento mostram ser esta a tecnologia que tornará possível estabelecer conexões entre elementos da camada de serviços em altas taxas de transmissão, utilizando a planta de fibras ópticas existente, e assim promovendo o próximo passo na evolução da infra-estrutura de transporte metropolitano.

Componentes WDM:

A implementação da tecnologia WDM nas comunicações ópticas exigiu o desenvolvimento de novos componentes em fibra. Entre os principais componentes desenvolvidos e fundamentais para o funcionamento de sistemas WDM estão os filtros sintonizáveis, as grades de Bragg gravadas em fibras, acopladores, roteadores e conversores de comprimento de onda.

As vantagens de utilização de filtros sintonizáveis, por exemplo, devem-se à flexibilidade permitida na escolha de comprimentos de onda e conseqüente variação do número de canais; ao fato de ser um dispositivo estável e que apresenta boa reprodutibilidade na sintonia de comprimentos de onda; possui boa isolação óptica, baixas perda de inserção e perda dependente da polarização e é uma opção para aplicações em banda larga . Como desvantagens teríamos o longo período de desenvolvimento exigido para os filtros aplicados a denso espaçamento de canais e ao fato de seu custo ser proporcional ao número de canais utilizados.

Filtros Ópticos Sintonizáveis:

A função dos filtros ópticos sintonizáveis em sistemas WDM é extrair (filtrar) um canal com um determinado comprimento de onda a partir do sinal multiplexado que chega no receptor.

Os filtros ópticos operam a partir de fenômenos ópticos, como a interferência ou a difração, para realizar a seleção de comprimento de onda e podem ser dos seguintes tipos: Etalon, em Cavidade Fabry-Perot, Acusto-ópticos ou Eletro-ópticos. As principais características desses filtros estão resumidas na Tabela 4.

Filtro Sintonizável	Intervalo de Sintonia (nm)	Tempo de Ajuste
Fabry-Perot	500	1 – 10 ms
Acusto-Óptico	250	10 m s
Eletro-Óptico	16	1 – 10 ns
Fabry - Perot (cristal líquido)	30	0,5 – 10 m s

Multiplexadores e Demultiplexadores

Os multiplexadores são dispositivos que combinam a saída de diversos transmissores (múltiplas portas e múltiplos canais) e acoplam o sinal resultante à uma única porta de saída. Os demultiplexadores recebem o sinal combinado a partir de uma fibra óptica (sinal multi-canal) e dividem ou separam os canais, a fim de entregarem cada canal a seu devido receptor. Na verdade, os dois dispositivos têm o mesmo princípio de funcionamento, e dependendo da direção de propagação do sinal devem operar como multiplexador ou demultiplexador. Estes dispositivos utilizam um mecanismo de seleção de comprimento de onda baseado na difração, no qual elementos de dispersão angular - como as grades de difração, dispersam espacialmente a luz incidente de acordo com o comprimento de onda; ou baseados em interferência, fenômeno utilizado na operação de alguns filtros ópticos e acopladores direcionais.

Multiplexadores e Filtros

Os multiplexadores Add/Drop são necessários em redes WDM nas quais um ou mais canais precisam ser retirados ou adicionados, de forma a manter inalterados os outros canais. Este dispositivo é composto basicamente por um par demultiplexador/multiplexador (uma vez que o sinal WDM precisa ser demultiplexado), para que o conteúdo de um canal de comprimento de onda específico possa ser inserido ou derivado em um nó da rede e então multiplexado novamente com os outros canais.

No caso de um único canal precisar ser demultiplexado, sem que haja a necessidade de controle sobre os demais canais, pode-se utilizar um dispositivo multiporta para enviar esse único canal para a porta desejada, enquanto os demais canais são encaminhados para uma outra porta. Evita-se, desse modo, a demultiplexação de todos os canais. Este dispositivo é chamado de filtro Add/Drop e pode ser utilizado para retirar ou adicionar um determinado comprimento de onda. Utiliza-se a mesma tecnologia dos filtros ópticos em tais dispositivos.

Acopladores Estrela

A função do acoplador estrela é a de combinar os sinais ópticos que entram em suas múltiplas portas e dividi-los igualmente entre as portas de saída. É um dispositivo que não possui elementos seletivos em comprimento de onda como os multiplexadores e o número de portas de entrada e saída não precisam ser necessariamente iguais.

Diversos tipos de acopladores estrela têm sido desenvolvidos e o mais simples utiliza múltiplos acopladores de 3 dB. Cada acoplador tem a capacidade de misturar dois sinais de entrada e dividir igualmente o sinal misturado entre as duas saídas, formando um acoplador estrela de quatro portas (2 ´ 2). Combinando-se diversos acopladores 2 ´ 2, pode-se formar acopladores estrela com múltiplas portas de entrada e múltiplas portas de saída (N ´ N). No entanto, à medida que N cresce a complexidade do dispositivo e a atenuação também aumentam.

Roteadores de Comprimento de Onda

Os roteadores de comprimento de onda são dispositivos passivos que combinam a funcionalidade do acoplador estrela com as funções de multiplexação e demultiplexação. Supondo um roteador N ´ N (entradas/saídas), o sinal WDM incidente em uma das portas é dividido em N partes e encaminhado às N saídas. Uma variação destes roteadores é o WGR (waveguide-grating router) e corresponde a um roteador com grade integrada em um guia de onda. Neste caso tem-se um acoplador estrela N ´ M distribuindo igualmente a potência de N canais de entrada para M portas de saída; uma grade integrada ao guia de onda separa, em seguida, os diferentes canais seletivamente – de acordo com o comprimento de onda – e um outro acoplador estrela M ´ N distribui os sinais demultiplexados para as N saídas do dispositivo. Desta maneira é possível distribuir o sinal vindo de N nós da rede para outros N nós, sendo o comprimento de onda, o critério de distribuição.

Cross-Connect

O cross-connect (conexão transversal) óptico tem a função de roteamento dinâmico de comprimento de onda, reconfigurando assim o sistema e permitindo a propagação (continuidade) da informação ao longo da rede. Desempenha nos sistemas ópticos função análoga à das chaves eletrônicas digitais nos sistemas de telefonia convencionais. É composto por N entradas que recebem um sinal WDM de M comprimentos de onda cada. Além de outros dispositivos necessários para a realização do cross-connect óptico, os demultiplexadores existentes separam os sinais de diferentes comprimentos de onda e os distribuem para M chaves, assim cada chave recebe N sinais de mesmo comprimento de onda. Há uma entrada alternativa, utilizando uma chave óptica, que permite adicionar ou derivar um canal específico. As chaves encaminham seus sinais de saída para N multiplexadores que combinam seus M sinais de entrada para formar o sinal WDM. As chaves utilizadas operam a partir da divisão de espaço, uma vez que tem a necessidade de alocar espacialmente suas entradas. Assim para N sinais de entrada de M comprimentos de onda são necessárias M (N+1) (N+1) chaves ópticas. Os cross-connect ópticos estão ainda em desenvolvimento, e apresentam grande complexidade e quantidade de elementos (grades, filtros sintonizáveis, chaves ópticas e outros) em sua composição. Mas há grande interesse e investimentos aplicados nos protótipos desses dispositivos.

Conversores de Comprimento de Onda

Os conversores de comprimento de onda alteram o comprimento de onda de um sinal para outro comprimento de onda, sem alterar o conteúdo do sinal. A maneira convencional de implementar estes dispositivos consiste em converter o sinal óptico em elétrico e utilizar um laser de comprimento desejado para reconverter o sinal de elétrico para óptico. Esta alternativa apresenta as desvantagens do processo não ser transparente à taxa e ao formato dos dados e ter um alto custo. Diversas alternativas totalmente ópticas utilizam amplificadores a laser semicondutor (SLA), e que exploram os efeitos de saturação de ganho e modulação de fase de um SLA, no braço de um interferômetro Mach-Zehnder; ou mistura de quatro ondas (FWM) em um SLA. A principal desvantagem da utilização dos SLA é a necessidade de fontes laser com sintonia rápida, cuja luz necessita ser acoplada a amplificadores e que resulta em uma grande perda de inserção.

Medidas de Desempenho de Sistemas WDM

Com o equivalente a 1,3 milhão de canais de voz trafegando em uma única fibra de um sistema WDM de 40 canais OC-48, a integridade e a qualidade de transmissão são fatores críticos. Portanto, testes de desempenho são necessários durante o desenvolvimento, manufatura e instalação de sistemas WDM, para assegurar a qualidade de transmissão das redes públicas ou privadas.

Basicamente, são exigidos dois tipos de testes: os testes de qualidade da transmissão e os testes da camada óptica.

Os testes de qualidade de transmissão verificam o desempenho correspondente a erros de bit do sinal cliente. Estes testes são relativamente simples mas exigem um tempo longo para avaliar baixas taxas de erro. Por exemplo, para medir taxas de erro de 10^-12 são necessários 7 minutos de transmissão em 2,5 Gb/s sem erros; para as taxas de erro de 10^-14, no entanto, são necessários 11 horas de trabalho para realizar a avaliação do desempenho do sistema, já que essa taxa exige o acúmulo de dados de alguns clientes. Considerando um sistema com 40 canais este tempo chega a 440 horas, tornando-se extremamente dispendioso. Os equipamentos utilizados são geradores e medidores de erro de bit para as taxas de bits contidas nos canais do sistema WDM em teste. Há inúmeras formas de medida que podem ser efetuadas e que permitem diminuir os tempos de teste do sistema, e uma delas é realizar a medição dos canais em paralelo – o que mantém constante o tempo de teste à medida que se aumenta o número de canais. Este procedimento, entretanto, aumenta o custo do teste pois exige maior quantidade de equipamentos para a realização das medidas.

Os testes da camada óptica verificam a qualidade do sinal óptico, mas sem considerar o formato dos protocolos e o conteúdo do sinal transmitido. Tipicamente, são medidas a relação sinal/ruído do sinal WDM (óptico), a diferença de potência óptica entre canais, os desvios de freqüência ocorridos na transmissão, a potência óptica por canal e a potência total. Estas medições exigem maior variedade de equipamentos (para grandezas ópticas e elétricas) e diferentes montagens, mas podem ser realizadas com rapidez e relativa facilidade. Os equipamentos utilizados nesse caso são o analisador de espectro óptico, medidores de potência óptica e osciloscópios, necessários na avaliação do desempenho da transmissão do sinal óptico (diagrama de olho) e nas medições de relações sinal-ruído do sinal óptico. Para minimizar o tempo e o custo destes testes, pode-se automatizar as medidas e utilizar chaves ópticas para comutar os sinais, destinando-os a um mesmo equipamento.

Atualmente não existe uma avaliação relacionando medições de qualidade de transmissão e de qualidade da camada óptica, que possa ser utilizada na prática. Isto implica que um sinal óptico com boa relação sinal-ruído, potência nominal, etc., não garante uma qualidade de transmissão aceitável; por outro lado, um sinal com baixa potência não comprometeria necessariamente a qualidade de transmissão – tornando-se inaceitável. Além disso, a prática tem mostrado que os sistemas WDM não são insensíveis ao tipo de protocolo utilizado, necessitando de testes de desempenho de erro de bits.

Efeitos Não-Lineares e suas Consequências em Sistemas WDM

Além dos efeitos de perda já tratados, como a atenuação e a dispersão da fibra, ou mesmo o ruído gerado pelos amplificadores ópticos (ASE) utilizados em sistemas a fibra de longa distância - cumulativo, devido ao fato dos amplificadores serem dispostos em cascata – efeitos adicionais, conhecidos como efeitos não-lineares também afetam o desempenho de redes WDM. Estas não-linearidades podem ser agrupadas em duas grandes categorias: os gerados por efeitos de espalhamento na fibra ou por fenômenos originados a partir de características intrínsecas da fibra, embutido no índice de refração.

Os principais fenômenos de espalhamento são o espalhamento Brillouin Estimulado (SBS = Simulated Brillouin Scattering) e o espalhamento Raman Estimulado (SRS = Simulated Raman Scattering). Os efeitos resultantes de características intrínsecas da fibra são a auto-modulação de fase (SPM), a modulação de fase cruzada (XPM) e a mistura de quatro ondas (FWM). Após constatar-se que esses efeitos interferem no desempenho de sistemas a fibra, passou-se a estudar maneiras de evitar sua influência nos sistemas de comunicação de longa distância e a altas taxas.

Stimulated Raman Scattering (SRS)

O espalhamento Raman estimulado está relacionado com a interação entre o sinal óptico e a sílica, matriz vítrea das fibras ópticas utilizadas nos sistemas de longa distância. Este fenômeno tem características de banda larga (200 nm) e afeta todo o espectro (envoltória das intensidades do sinal em função do comprimento de onda) que está sendo transmitido. SRS se manifesta como uma transferência de potência entre os canais posicionados na início da banda (pequeno comprimento de onda e alta energia de fótons) e canais posicionados no outro extremo da banda (grande comprimento de onda e baixa energia de fótons). Um espectro contendo canais apresentado amplitudes iguais é afetado à medida que o espectro se propaga através da fibra, provocando flutuações de potência que degradam o desempenho do receptor. Observa-se amplificação Raman somente quando bits 1 estão presentes simultaneamente em ambos os canais. A magnitude do efeito cresce à medida que aumentam a potência e a largura de banda utilizada pela rede WDM. Em sistemas utilizando grandes comprimentos de fibra, e que incluem amplificadores ópticos, ocorre uma degradação da relação sinal-ruído do sinal, porque a ASE sofre menos influência da SRS que o sinal. Uma solução para este efeito consiste em utilizar potências moderadas e reduzir a distância entre canais para diminuir a largura de banda que a rede WDM ocupa.

Stimulated Brillouin Scattering (SBS)

O efeito de espalhamento Brillouin estimulado também pode se manifestar pela transferência de potência de canais de alta freqüência para canais de baixa freqüência; para isso os sinais devem ter espaçamento igual ao espaçamento Brillouin, além de serem canais contra-propagantes. Este efeito pode ser facilmente evitado alterando-se o espaçamento entre canais, de modo a serem diferentes do espaçamento Brillouin. A largura de banda de ganho Brillouin é bastante estreita, cerca de 50 MHz.

Outro efeito originado a partir do SBS é a interação entre o sinal óptico e as ondas acústicas dentro da fibra, o que provoca o espalhamento da potência do sinal óptico, que retorna ao transmissor. Este processo afeta cada canal na rede WDM e independe do número de canais. Seu efeito é notado em redes WDM onde a potência é superior a 5 ou 6 dBm.

Auto-Modulação de Fase (SPM)

A SPM se refere à modulação que um pulso de luz induz sobre sua própria fase. Apresenta a característica de atuar separadamente em cada canal. Quando um sinal é modulado em fase sua largura de espectro é ampliada. Este alargamento pode levar a crosstalk ou a um inesperado aumento da dispersão. Este efeito pode ser observado no osciloscópio, onde se vê o estreitamento da largura do pulso durante a propagação. SPM é controlado através da escolha cuidadosa da potência do canal.

Modulação de Fase Cruzada (XPM)

A modulação se fase cruzada se origina da dependência existente entre a intensidade da luz e o índice de refração da fibra, e gera um deslocamento da fase do sinal em função da intensidade da luz à medida que ela se propaga na fibra. A XPM não depende somente da intensidade de seu próprio canal mas também de todos os outros canais, podendo ocorrer a modulação de fase de um canal devido a flutuações de intensidade em um outro canal. Este efeito varia de acordo com o tipo de modulação utilizado, sendo que o pior caso ocorre com a modulação por chaveamento de amplitude (ASK), uma vez que esse processo de modulação provoca flutuações na amplitude. O XPM é observado exclusivamente nos sistemas WDM e limita muito a amplitude do sinal de cada canal, chegando a ser o principal mecanismo de crosstalk em sistemas WDM contendo mais de 10 canais. Esse efeito pode ser minimizado, diminuindo-se a potência do sinal utilizado.

Mistura de Quatro Ondas

Four-wave mixing origina-se a partir da mistura de dois ou mais sinais ópticos, o que produz novas componentes de freqüências ópticas; este é um fenômeno análogo à intermodulação observada na transmissão em radiofreqüência (RF). É um efeito indesejável em sistemas WDM porque as componentes em freqüência óptica geradas causam crosstalk. Em sistemas com igual espaçamento entre canais, as componentes geradas podem ter a mesma freqüência de canais já existentes, degradando severamente estes canais. O espaçamento diferenciado adequado entre canais faz com que as componentes geradas não tenham a mesma freqüência dos canais existentes, ocasionando somente uma perda de potência. Esta é uma solução que para ser implementada exige a utilização de filtros e outros componentes ópticos específicos para este projeto.

Diminuir a potência e aumentar o espaçamento entre canais minimiza o efeito FWM. Outra solução para novos sistemas consiste em utilizar fibras com dispersão otimizada para sistemas WDM.

Problemas Encontrados na Implantação de Sistemas WDM

A maior parte das plantas de fibra óptica instalada são otimizadas para trabalhar na região de dispersão nula da fibra, em torno de 1310 nm, e mais recentemente na região de 1550 nm com a utilização de fibras com dispersão deslocada.

Na instalação de sistemas WDM em plantas de fibra já existentes, as seguintes situações precisam ser observadas: as fibras convencionais (monomodo padrão) podem ser utilizadas para trafegar sinais WDM, mas exigem compensação de dispersão na região de 1550 nm; e fibras com dispersão deslocada são impróprias para sistemas WDM, pois limitam bastante o número de canais devido ao fenômeno FWM, provocando crosstalk entre canais e degradando de maneira muito significativa os sinais de sistemas WDM.

Atualmente o que vem sendo sugerido é que para plantas novas deve-se optar por fibras Truewave, que são otimizadas para sistemas WDM com operação na região de 1550 nm; estas fibras permitem o tráfego altas taxas de bits (10 Gb/s) sem a necessidade de

Conclusão

Com o avanço dos sistemas informatizados, imagens digitalizadas e a necessidade de comunicação em tempo real, as tecnologias utilizadas na comunicação de dados tendem a evoluir mais rapidamente que os meios físicos que interligam os vários pontos de comunicação, nascendo daí novas alternativas ,que utilizem os sistemas físicos já implantados, como o WDM e o DWDM.

Sumário:

Markus Filaskoski. Copyright © 2000. All rights reserved. Revised: Novembro 06, 2000.

Markus Filaskoski.
Copyright © 2000. All rights reserved.
Revised: Novembro 06, 2000.