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8.               REDES ÓPTICAS

A tecnologia óptica tem inúmeras vantagens sobre as redes metálicas, quando se trata de transmitir a altas taxas. São imunes a ruídos eletromagnéticos, não propagam descargas elétricas, não permitem “escuta”, conduzem uma infinidade de circuitos simultaneamente, etc...

As redes ópticas tornaram-se economicamente viáveis, sendo utilizadas em ambientes locais (LANs), urbanos (CATV, telefonia), interurbanos e internacionais. Quanto ao tipo de ambiente, as redes podem ser aéreas, subterrâneas e submarinas.

            As tecnologias de transmissão através de meios ópticos, como os anéis ópticos SDH (Synchronous Digital Hierarchy), viabilizam altas taxas de transmissão, da ordem de 2,5 e 10Gbps. Quando aliadas com as técnicas de multiplexação (DWDM – Dense Wavelenght Division Multiplex) podem atingir taxas de:

·        160Gbps em uma única fibra (Bell Labs em Nov 1999);

·        320Gbps através de 32 comprimentos de onda modulados a 10Gbps, ou 4 milhões de ligações telefônicas simultâneas (Fujitsu- Mar 2000);

·        10Tbps através de 256 comprimentos de onda modulados a 40Gbps, ou 150 milhões de conversas telefônicas simultâneas em uma fibra com mais de 100km (NEC e Alcatel - Mar 2001);

·        100Tbps em uma única fibra (Estimativa teórica - Bell Labs em Jun 2001).

8.1.     ELEMENTOS BÁSICOS DE UM CIRCUITO ÓPTICO

            Os circuitos ópticos são compostos por fontes de luz, meios de propagação e detetores de luz.

As fontes de luz podem ser classificadas em dois tipos: LASERs e LEDs. Os LEDs (Light Emitting Diode) são mais simples e limitados em potência, porém custam menos. A luz produzida é emitida em várias direções, ocasionando queda no rendimento. Já os LASERs (Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation) tem elevada potência, podendo atingir centenas de quilômetros sem amplificação. Toda a luz produzida é emitida em uma única direção e totalmente concentrada em uma área muito pequena, produzindo um elevado rendimento.

Os diodos PIN e APD são os principais detetores ópticos. Os fotodiodos APD são mais sensíveis, porém são mais lentos, expensivos e complexos. As fibras ópticas são construídas à base de vidro (sílica) e conduzem a luz emitida pelo led ou laser até o fotodetetor PIN ou APD. Amplificadores ópticos também são empregados em grandes distâncias, como em cabos ópticos submarinos intercontinentais.

8.2.     FIBRAS ÓPTICAS

            Podemos destacar algumas características típicas das fibras ópticas:

Capacidade de transmissão: o limite de capacidade de transmissão de dados das fibras ópticas continua sendo o limite dos equipamentos de transmissão e recepção de dados. Experimentalmente, a Fujitsu atingiu transmissões em laboratórios na razão de 1,7 Terabits por segundo, usando um esquema de 10Gbps por 170 comprimentos de onda. Com a técnica de multiplexação por comprimento de onda (DWDM), este limite está sendo empurrado cada vez mais longe. Em junho de 2001, o Bell Labs estimou, teoricamente, a capacidade de transmissão em uma única fibra em 100Tbps, ou cerca de 2 bilhões de conversas telefônicas simultâneas.

Perdas: a qualidade das fibras aliada às técnicas de emenda e terminação das fibras permite transmitir o feixe de luz a distâncias superiores a 300km, sem a necessidade amplificação. As baixas perdas e a elevada capacidade de transmissão deu à fibra óptica a confortável posição de melhor meio de transmissão de alta capacidade a longas distâncias. Hoje presenciamos o lançamento de fibras intercontinentais, diminuindo a utilização dos satélites.

Imunidade: a natureza óptica da fibra derrota os maiores ofensores da rede metálica. As descargas elétricas atmosféricas nada podem contra um material dielétrico como o vidro. Também, as interferências eletromagnéticas (EMI) provocadas por transmissões de rádio e TV, ruídos de chaveamento de máquinas e outros equipamentos elétricos pesados, não podem interferir no sinal óptico. Não existe a possibilidade de ocorrer diafonia provocada pela fibra.

Dimensões físicas: a reduzida dimensão física da fibra permite manuseio, armazenagem e transporte simples. O peso da fibra é muito menor que o dos cabos metálicos, além de que um único par de fibras substitui inúmeros cabos metálicos de grande capacidade. A ocupação dos dutos subterrâneos é muito menor e a construção de redes aéreas, devido a leveza, é muito facilitada. Apesar da suposta fragilidade que as pequenas dimensões e que o material pode aparentar, as fibras são muito resistentes mecanicamente, permitindo que o seu manuseio seja até mais simples que o dos cabos metálicos.

Segurança: como material dielétrico (isolante), a fibra elimina a possibilidade de queima de equipamentos provocados por descargas elétricas, sendo muito indicada para interligação de edificações distantes ou sujeitas a elevados campos eletromagnéticos (subestações de energia). Além da segurança da integridade física e elétrica que ela confere às instalações, também proporciona a segurança da inviolabilidade das informações, pois é impossível a escuta através da fibra. O sigilo das comunicações fica garantido pelas fibras ópticas.

8.2.1.  PROPRIEDADES ÓPTICAS

A entidade luz: fóton e onda eletromagnética. A luz pode ser entendida como uma onda eletromagnética ou como partículas denominadas de fótons. As duas abordagens teóricas são utilizadas pela ciência, dependendo do caso, uma se adapta melhor que a outra no estudo dos fenômenos ópticos. Os fenômenos de ondulatória são melhores explicados pela teoria das ondas eletromagnéticas. Já no caso da física quântica, os fótons explicam melhor a teoria da relatividade.

Comprimento de onda. Da mesma forma que as ondas de rádio, a luz possui um comprimento de onda, denominado de l. O comprimento l é obtido à partir da relação entre a velocidade da luz C  e a freqüência f:

            A ordem de grandeza do comprimento de ondas para a luz é da ordem de centenas a milhares de nm, ou seja, bilionésimos de metro.

Introdução à óptica: reflexão e refração. Estudando a propagação da luz, são observados vários fenômenos ópticos como absorção, difração, refração e reflexão. Nota-se que existem meios que propagam a luz, chamados meios translúcidos ou ópticos. Meios que não propagam a luz, chamados meios opacos, capazes de absorver totalmente a luz. Existem meios que não conduzem a luz, não absorvem a luz e que refletem a luz, chamados de espelhos.

"A luz se propaga em linha reta, não desvia de obstáculos e tampouco atravessa meios opacos."  

Quando a luz passa de um meio óptico para outro, ocorre o fenômeno da refração, melhor observado quando mergulhamos parcialmente um lápis em um copo d'água. Isto ocorre porque os meios possuem capacidades diferentes de conduzir a luz, chamado de índice de refração. Assim como as rodas de um carro em movimento deslizam ou freiam, quando mudam as condições do piso, para gelo ou lama respectivamente, também a luz sofre desvios devido a diferentes velocidades de propagação em diferentes meios. Outro fenômeno interessante de ser citado é aquele que observamos nas estradas, quando olhamos no horizonte da pista e temos a impressão que a pista está molhada. Na verdade este fenômeno é explicado pela reflexão da luz, que ao incidir sobre a pista, em um ângulo quase paralelo a ela, sofre a reflexão, apesar da pista ser um meio predominantemente opaco.

Constituição física da fibra: núcleo e casca. As fibras ópticas são constituídas de um núcleo altamente translúcido e de uma casca menos translúcida, que envolve o núcleo. O núcleo é o elemento condutor da luz. A casca impede que a luz "fuja" do núcleo. O núcleo possui diâmetros da ordem de dezenas a centenas de mm, ou seja, milionésimos de metro. É menor do que a espessura de um fio de cabelo. Também é aplicada uma terceira camada de material, chamada de revestimento, para proteger a fibra.

Princípio de condução óptica pelo meio. Quando uma fonte de luz emite os raios luminosos, a luz propaga-se em linha reta indefinidamente, até ser totalmente absorvida pelo meio ou por um obstáculo opaco. A maneira de fazer a luz fazer curvas é utilizar espelhos. Utilizando-se um meio translúcido envolvido por outro meio com diferente índice de refração, produzirá o efeito de espelhamento, que citamos alguns parágrafos atrás no exemplo da luz refletida pelo asfalto da pista. Desta forma, a luz injetada no núcleo da fibra será refletida pela casca, toda vez que tentar atravessar o meio, ficando presa ao núcleo. Nas curvas que a fibra venha a ter, a luz será sempre refletida, obrigando a acompanhar a trajetória do núcleo, sendo possível conduzir a luz através de dois pontos, não necessariamente através de uma linha reta.

Abertura numérica AN. A abertura numérica é um parâmetro das fibras, que indica o ângulo máximo de incidência da luz sobre a área do núcleo, de forma que ela seja propagada pela fibra. Se a luz incidir num ângulo superior, ele será refletido tantas vezes entre uma parede e outra do núcleo, que será totalmente absorvido pela casca em curta distância. Dependendo do ângulo que a luz incide sobre o núcleo, será determinado um modo de propagação para este feixe. Este modo determina um caminho definido por reflexões em um determinado ângulo pela casca da fibra.

Dispersão óptica. A dispersão óptica produz o alargamento dos pulsos. Este fenômeno limita a largura de banda da fibra óptica. Existem duas unidades usuais para indicar a dispersão óptica: ps/km ou MHz.km. Baseado no fato que a fonte de luz possui uma largura de espectro de emissão e que a fibra possui diferentes coeficientes de propagação para diferentes comprimentos de onda, toda luz injetada na fibra será composta por uma gama de comprimento de ondas, que se propagarão ao longo da fibra em diferentes velocidades, produzindo o alargamento dos pulsos. Por outro lado, feixes de luz incidentes em diferentes ângulos, percorrerão diferentes caminhos denominados modos. Alguns sofrerão mais reflexões percorrendo um caminho mais longo que outros que se propagaram mais diretamente. É de se concluir que parte da luz chegará mais rapidamente, produzindo uma dispersão da energia ao longo do tempo, devido aos diferentes modos de propagação da luz pela fibra.

Perdas por absorção e por espalhamento. As perdas determinam a atenuação do sinal óptico na fibra e são medidas em dB. Perdas por absorção são decorrentes do material que conduz a luz (núcleo de sílica ou vidro). As perdas por espalhamento podem ser decorrentes da variação do índice de refração ao longo da fibra. Ele afeta diferentemente os vários comprimentos de onda, bem como depende também da potência do feixe de luz, causando efeitos não lineares (ENL) na propagação da luz. Deformações mecânicas provocadas por curvas com ângulos excessivos, também provocam perdas por espalhamento da luz através da casca.

8.2.2.  TIPOS DE FIBRAS ÓPTICAS

As fibras propagam a luz através de seu núcleo, sendo refletida pelas paredes do núcleo. As reflexões da luz nas paredes do núcleo dependem do ângulo de incidência da luz. Quanto mais inclinado o feixe incide, maior será o número de reflexões e, consequentemente, maior será o percurso. Para cada ângulo de incidência, existe um modo de propagação da luz.

Fibras multimodo: As primeiras fibras desenvolvidas eram do tipo multimodo. Estas fibras apresentam um núcleo com diâmetros consideráveis, entre 50 e 100mm. Devido à área relativamente grande, quando comparada aos comprimentos de onda da ordem de 850 a 1550 nm, teremos vários modos de propagação da luz. À medida que a luz viaja pela fibra, os vários modos interferem-se uns nos outros, provocando uma dispersão da energia luminosa. Isto provoca uma atenuação da onda de luz, além de deformar os pulsos de luz. A atenuação das fibras multimodo é tipicamente maior que 1dB/km. Esta característica limita a distância máxima de propagação a alguns quilômetros, limitando sua aplicação a redes locais. Por outro lado, seu custo é reduzido e é menos exigente quanto à qualidade das fontes de luz.

Fibras monomodo: As fibras monomodo foram desenvolvidas mais recentemente. A tecnologia permite construir fibras com núcleo de 9mm de diâmetro. A pequena dimensão do núcleo restringe bastante o ângulo de incidência da luz (AN), eliminando a propagação multimodo. Praticamente toda luz incidente entra com o mesmo ângulo de incidência, percorrendo a mesma trajetória. Com esta característica, a luz não se dispersa e não produz interferência intermodal. A atenuação resultante deste tipo de fibra é tipicamente menor que 0,25dB/km. Isto permite sua aplicação em redes de longa distância e de banda larga. No entanto, exige fontes de luz de alta qualidade, como o laser. Estas fibras são largamente utilizadas em sistemas de telecomunicações e em redes de transmissões de dados digitais de banda larga.

8.2.3.  CABOS ÓPTICOS

Os cabos ópticos são classificados quanto ao tipo da fibra, aplicação e quantidade de fibras, basicamente.

Existem cabos para aplicação em redes subterrâneas, com lançamento em dutos ou diretamente enterrados. Existem cabos para redes aéreas, normais ou auto-sustentados. Existem cabos especiais como OPGW, para uso em redes de transmissão de energia elétrica.

Quanto a capacidade dos cabos, as composições de fibras mais comuns são 6, 12, 18, 24, 36, 48, 60, 72, 144 e 288 fibras.

Quanto ao tipo da fibra, ela pode ser monomodo (SM - Single Mode)  ou multimodo (<MM – Multi Mode). As fibras são indicadas pelo diâmetro do núcleo/diâmetro da casca. As fibras SM do tipo 9/125, que significa que o núcleo possui 9mm de diâmetro e a casca 125mm. Já as MM são comercializadas em 50/125, 62.5/125, 85/125 e 100/140.

            Existem modelos de cabos ópticos que contém uma geléia em seu interior, para protegê-los da umidade. Há uma nova tecnologia substituindo esta geléia, por um pó altamente absorvente (SAP - SuperAbsorbing Powder), até entào utilizado apenas em absorventes higiênicos íntimos femininos.

8.3.     DISPOSITIVOS ÓPTICOS

            Todo sistema óptico é composto por uma fonte de luz, um meio de transmissão e um detetor de luz. Além destes dispositivos, existem os acopladores ópticos, amplificadores ópticos e, mais recentemente, os comutadores ópticos.

8.3.1.  TRANSMISSORES E RECEPTORES ÓPTICOS

           LASER x LED. Entre os transmissores ópticos, preço determina a performance do dispositivo. Vejamos as características do LED: alta confiabilidade e fácil integração ao sistema, baixa eficiência de acoplamento, largura de banda até 200MHz e grande largura espectral de 40nm. Os LASERs são mais  expensivos, possuem largura de banda da ordem de GHz, elevado coeficiente de acoplamento, sensibilidade às variações de temperatura e reduzida largura espectral de 3nm.

PIN x APD.  Os diodos PIN são os mais comuns e oferecem boa linearidade, alta largura de banda, boa estabilidade térmica e fácil integração ao sistema. Como desvantagem, possui menor sensibilidade (-42dBm típico). Os fotodiodos APD são mais sensíveis (-50dBm típico), são construtivamente mais complexos, apresentam sensibilidade às variações de temperatura e são mais expensivos.

8.3.2.  ACOPLADORES ÓPTICOS

Os acopladores ópticos são dispositivos que operam como refletores ou refratores da luz. Não requerem energia externa, portanto são elementos passivos. As funções principais dos acopladores são:

·        Splitter: são dispositivos capazes de dividir ou separar um sinal luminoso;

·        Combiner: combinam ou misturam dois sinais de luz em um único meio;

8.3.3.  MULTIPLEXADORES ÓPTICOS

WDM & DWDM. Os multiplexadores são componentes capazes de transmitir diferentes comprimentos de onda na mesma direção. Semelhante ao que ocorre na técnica TDM, onde vários sinais são transmitidos por um mesmo meio físico, compartilhado no tempo, a técnica WDM permite transmitir vários sinais diferentes através do mesmo meio físico, mas em comprimentos de onda diferentes. Atualmente existem sistemas comerciais capazes de transmitir até 32 comprimentos de ondas simultaneamente, com uma banda de 10Gbps cada. Há a previsão de dobrar para 64 comprimentos de onda simultâneos em menos de 1 ano. Serão cerca de 8 milhões de ligações telefônicas simultâneas em uma única fibra. Isto é DWDM, ou Dense Wavelenght Division Multiplexing.

8.3.4.  AMPLIFICADORES ÓPTICOS

EDFA (Erbium-Doped Fiber Amlifier). Os amplificadores ópticos permitem a regeneração do sinal sem precisar converter a luz em sinais elétricos. A amplificação ocorre diretamente sobre a luz, evitando as conversões e re-sincronizações necessárias nos processos convencionais de recuperação do sinal.  Atuam na janela de 1530 a 1570nm, podendo ser utilizados em sistemas com DWDM. Apresentam ganho típico de 20 a 30dB e potência de saturação de 15 a 25dBm. Conseguem enviar a luz a mais de 300km de fibra, sem necessidade de nova amplificação. Encontra grande aplicação em cabos submarinos. O princípio de amplificação baseia-se na luminescência do Érbio. O efeito de amplificação da luz é produzido em uma fibra dopada com o elemento químico Érbio e um laser de bombeio auxiliar de 980nm.

8.3.5.  MODEMS ÓPTICOS

O desenvolvimento da tecnologia das fibras, transmissores e detetores ópticos, viabilizaram o desenvolvimento de modems ópticos. Semelhante aos modems convencionais, os modems ópticos transmitem sinais através de longas distâncias, com a diferença que o meio físico é óptico.

Capacidade: os modems ópticos permitem a transmissão de 4, 8 e 16 canais de 2Mbps (E1);

Alcance: dezenas de quilômetros;

Aplicações: os enlaces ópticos viabilizam acessos de banda larga para interconexões de LAN's, conexões de centrais telefônicas privadas (PABx) a centrais públicas de telefonia, linhas de dados de alta velocidade, transmissão de sinais de voz/dados/imagens multiplexados, enlaces de redes ópticas primárias (ROP) para telefonia, etc.

8.3.6.  ARMÁRIOS DIGITAIS ÓPTICOS, ELI’S E ERCI’S 

Os enlaces ópticos viabilizados pelos modems e dispositivos semelhantes permitiram a criação das Redes Ópticas Primárias (ROP). As ROP são redes cujo cabo metálico primário é substituído por um acesso óptico. O armário de distribuição metálico (ARD) ganhou um estágio digital para acomodar os equipamentos de transmissão óptica outros dispositivos digitais.

O Armário de Distribuição Óptico (ARO) é um armário que possui um enlace óptico até o DG da Estação Telefônica. Em ambos os lados, ARO e DG, os sinais ópticos e digitais são convertidos em sinais analógicos e elétricos convencionais, apresentando as funcionalidades de um cabo primário  metálico. Os pares metálicos são terminados e numerados no DG e nos blocos do ARO, exatamente como ocorre na rede metálica convencional. 

Capacidade: os ARO's normalmente estão conectados ao DG através de um acesso óptico de 16 x E1, ou 480 canais de voz. Eventualmente poderão ser instalados outros enlaces ópticos para aplicações de comunicação de dados ou serviços digitais de voz em banda larga.

Aplicação: destinam-se a apenas transportar linhas telefônicas convencionais ou sinais analógicos na banda de voz. Em algumas situações, o ARO pode ser configurado para transportar Linhas Privativas para Comunicação de Dados (LPCD's) digitais ou circuitos digitais de voz como o RDSI e DDR. 

O Estágio de Linha Integrado (ELI) é semelhante ao ARO, com as diferenças de possuir equipamento de comutação agregado e de estar terminado no ambiente de Comutação da Estação Telefônica. O ELI estende uma quantidade de terminais telefônicos de uma Central Telefônica Mãe e tem a capacidade de fazer comutação local, quando os assinantes, chamado e chamador, pertencem ao mesmo ELI. Proporciona uma concentração de 4:1, ou seja, a capacidade de transmissão necessária é 4 vezes menor que a capacidade de linhas telefônicas disponibilizadas pelo ELI. O plano de numeração dos terminais do ELI pertence à Central Mãe. 

Capacidade:

·     EQUITEL:      432 terminais;

·     ERICSSON:  512 terminais;

·     NEC:              480 terminais.

Aplicação: destinam-se a atender planos de expansão onde a rede metálica já está saturada ou onde existe uma grande concentração de usuários (feiras, centros de convenções, condomínios fechados, shopping centers, etc). O ELI pode ser configurado para transportar circuitos digitais de voz como o RDSI e DDR. Apresentam algumas dificuldades para viabilizar LPCD's, pois está terminado no ambiente da comutação.

O Estágio Remoto de Comutação Integrada (ERCI) é semelhante ao ELI, com a diferença de que ele próprio é uma central telefônica remota e que está terminado no ambiente da transmissão da Estação Telefônica. O ERCI possui um plano de numeração próprio.

Capacidade:

·     EQUITEL:      432 terminais;

·     ERICSSON:  512 terminais;

·     NEC:              480 terminais.

Aplicação: destinam-se a atender áreas remotas (bairros retirados, povoados, etc), onde a demanda ainda não justifica a instalação de uma central telefônica, mas que com o crescimento futuro, provavelmente será transformado em uma nova central telefônica. O ERCI pode ser configurado para transportar circuitos digitais de voz como o RDSI e DDR e também LPCD's.

8.3.7.  COMUTADORES ÓPTICOS

            As redes de transmissão óptica são capazes de escoar um tráfego cada mais pesado. Os elementos de comutação precisam acompanhar esta evolução  pois será atingido um ponto de congestionamento nos comutadores tradicionais. Eles necessitam converter a luz em impulsos elétricos para fazer o roteamento e, depois, converter o sinal já comutado em luz novamente. O tempo despendido nesta operação vai estrangular a Velocidade de Comutação x Velocidade de Transmissão. A solução está vindo dos comutadores ópticos, que dispensam a conversão elétrica, comutando a luz diretamente.

Já existem alguns modelos de comutadores ópticos no mercado, por exemplo: LambdaRouter (Lucent) e o X-1000 (Xros). O LambdaRouter tem a capacidade de comutar taxas de 40Gbps, através de uma matriz de 256 entradas x 256 saídas. O tempo de comutação chega a ser 16 vezes mais rápido que os comutadores (switches) convencionais. O X-1000 tem capacidade de comutar mais de 1000 portas, com um tempo de comutação de 50ms. Eles utilizam a tecnologia de micro espelhos inclinados MEMS - Micro EletroMechanical Systems.

A tecnologia MEMS usa conjuntos de pequenos espelhos de silício para refletir os sinais ópticos. Cada espelho pode ser inclinado para encaminhar a luz em diferentes direções. A solução de inclinar espelhos para redirecionar a luz para portas de saída é atrativa porque, pelo menos teoricamente, é muito mais veloz do que converter a luz em sinais elétricos e depois, em luz novamente. Um problema da tecnologia MEMS é a atenuação introduzida devido a absorção pelos espelhos, entre 6 e 8 dB, nos sinais ópticos comutados.

Recentemente, surgiu uma nova tecnologia de comutação óptica que utiliza o princípio da impressão por jato de tinta InkJet e da tecnologia PLC - Planar Ligtwave Circuits. Desenvolvidos pela Agilent/HP, os "switches fabrics", como são chamados os chips de comutação, são um conjunto de guias de onda ópticos que se intersectam em vários pontos, como numa matriz. Nestes pontos, a luz viaja através de um fluído com as mesmas propriedades do guia de onda. Quando um sinal necessita ser roteado, uma bolha é inserida no ponto de interseção, utilizando a tecnologia InkJet. A bolha altera as propriedades ópticas deste ponto e a luz é desviada para o outro guia de onda óptico.

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