O DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing - multiplexação densa por comprimento de onda) é uma tecnologia WDM. Segundo a ITU (International Telecommunications Union), os sistemas DWDM podem combinar até 64 canais em uma única fibra. No entanto, podemos encontrar, na prática, sistemas DWDM que podem multiplexar até 128 comprimentos de onda. Além disso, foram realizados alguns testes que provaram ser possível a multiplexação de até 206 canais.
O espaçamento entre os canais pode ser de 200 GHz (1.6 nm), 100 GHz (0,8 nm), 50 GHz (0,4 nm), podendo chegar a 25 GHz (0,2 nm). Os sistemas DWDM utilizam comprimentos de onda entre aproximadamente 1500 nm e 1600 nm e apresentam alta capacidade de transmissão por canal, 10 Gbps, podendo alcançar 1Tbps na transmissão de dados sobre uma fibra óptica.
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| Figura 3 - Princípio do DWDM |
Um sistema DWDM capaz de multiplexar 40 comprimentos de onda a 10 Gb/s por canal, possui uma banda total de 400 Gb/s, o que é suficiente para transportar em uma única fibra o conteúdo equivalente a mais que 1100 volumes de uma enciclopédia em 1s. Sistemas DWDM com 40 Gb/s por comprimento de onda já são realizáveis, e a tendência é aumentar continuamente tanto a densidade de canais multiplexados quanto a taxa de bits por canal.
O DWDM é a chave tecnológica para integração das redes de dados, voz e imagem de altíssima capacidade. Além de ampliar exponencialmente a capacidade disponível na fibra, o DWDM possui a vantagem de não necessitar de equipamentos finais para ser implementado. E ainda, esta técnica de multiplexação obedece ao padrão de fibra G.652 (monomodo) que é utilizado na maioria dos backbones de fibra óptica.
Atualmente, o DWDM é utilizado principalmente em ligações ponto-a-ponto. Nessa tecnologia, é possível que cada sinal transmitido esteja em taxas ou formatos diferentes. Desta forma, a capacidade de transmissão de sistemas DWDM podem ser ampliadas consideravelmente e de maneira relativamente fácil. E ainda é capaz de manter o mesmo grau de desempenho, confiabilidade e robustez do sistema.
Nas redes ópticas emprega-se a utilização de um link DWDM ponto-a-ponto. Neste sistema, emissores de luz lançam feixes de luz na entrada do multiplexador óptico. Este mux irá combinar os diferentes comprimentos de onda em um único caminho, sendo então acoplados em uma fibra monomodo. No final do link, os canais ópticos são separados pelo demultiplexador óptico e levados para os diferentes receptores. Para links de transmissão que possuem longas distâncias, é preciso que os sinais sejam amplificados. Para isso, utiliza-se um amplificador óptico.
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Figura
4 - Enlace DWDM Ponto-a-ponto
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Uma fibra óptica é um fio fino feito de materiais como sílica, silicone, vidro, nylon ou plástico. Esses materiais são dielétricos (isolantes elétricos), além de serem cristalinos e homogêneos, o que os tornam suficientemente transparentes para guiar um feixe de luz (visível ou infra-vermelho) através de um determinado trajeto. Assim, a luz aplicada a uma das extremidades percorre a fibra até sair pela outra extremidade, podendo este percurso atingir centenas de quilômetros sem a necessidade de que o sinal seja regenerado. A estrutura básica das fibras ópticas consiste em um conjunto de cilindros concêntricos, cada um com uma determinada espessura e determinado índice de refração, de forma que possibilitem o fenômeno da reflexão interna total.
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| Figura 5 - Estrutura de uma Fibra Óptica |
Figura 6 - Fenômeno da Reflexão na Fibra Óptica |
Num sistema DWDM, geralmente utiliza-se fibras monomodo (SMF - Single Mode Fiber). A construção desse tipo de fibra é realizada de tal forma que apenas o modo fundamental de distribuição eletromagnética é guiado. Assim, evita-se os diversos caminhos de propagação da luz no interior do núcleo e, conseqüentemente, a dispersão do impulso luminoso é reduzida. Para isso, o diâmetro do núcleo da fibra deve ser poucas vezes maior que o comprimento de onda da luz utilizada para a transmissão. Normalmente, encontramos as seguintes dimensões: 2 a 10 micrômetros para o núcleo e 80 a 125 micrômetros para a casca. Os materiais mais utilizados para a fabricação desta fibra são sílica e sílica dopada.
Figura 7- Fibra Monomodo
A seguir, é apresentado um gráfico indicando a variação da atenuação do sinal na fibra, quando variamos o comprimento de onda, para o padrão de fibra monomodo G.652. Analisando esse gráfico, vemos que podemos utilizar uma faixa de comprimentos de onda entre 1280nm e 1650nm. O limite inferior dessa faixa de comprimento de onda assume esse valor devido ao diâmetro do núcleo da fibra monomodo. Já o limite superior dessa faixa é explicado pelo fato de que, para um valor acima deste limite, a atenuação aumenta rapidamente.
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| Figura 8 - Gráfico Atenuação X Comprimento de onda para Padrões G.652 |
Na transmissão por fibras óticas, buscamos baixas atenuações de sinal. Por isso, utiliza-se regiões específicas do espectro óptico, que recebem o nome de janelas óticas. Os primeiros sistemas DWDM foram projetados para operar na primeira janela óptica, próximo a 850 nm. Nessa janela, a atenuação é de cerca de 0.8 dB/km. Em torno de 1310 nm, temos a segunda janela (banda O), onde temos uma atenuação menor que na primeira janela, próximo de 0.3 dB/km que possui uma em 1310 nm. Temos ainda uma terceira janela (banda S), em torno de 1550 nm, que apresenta uma perda menor que 0.3 dB/km, e uma quarta janela, por volta de 1625 nm, que também apresenta uma pequena atenuação.
A capacidade de transmissão ou banda passante da fibra monomodo é aproximadamente de 50 THz. Somente uma pequena fração dessa capacidade vem sendo utilizada. Um sinal de 2,5 Gb/s, por exemplo, usa apenas 0,005%, ao passo que um sinal de 10 Gb/s utiliza 0,02%. Utilizando uma tecnologia de multiplexação WDM, pode-se aproveitar ainda mais a banda passante oferecida pela fibra monomodo.
Banda Óptica
Atualmente as bandas de freqüência óptica mais utilizadas em sistemas DWDM são:
S - Band (Short Band) - vai de 1450 nm a 1500 nm.
C - Band (Conventional Band) - vai de 1530 nm a 1570 nm;
L - Band (Long Band) - está na faixa de 1570 nm a 1625 nm;
Emissores de luz
Um sistema DWDM impõe altas exigências a seus componentes, principalmente com relação ao comprimento de onda do feixe de luz fornecido pelas fontes. A fonte utilzada no sistema é muito importante, pois suas características geralmente atuam diretamente no desempenho final do link óptico. Assim, esses dispositivos precisam ser compactos, e devem emitir feixes de luz monocromática, estável, e de longa duração.
Para a emissão dos sinais de luz numa transmissão óptica, podemos utilizar dois tipos de fontes: os diodos emissores de luz (LEDs - Light Emitting Diodes) e os lasers semicondutores. Os LEDs são dispositivos lentos em relação aos lasers, além de serem adequados para a utilização em taxas menores que 1 Gb/s. E ainda, possuem um espectro largo, e são freqüentemente usados em comunicações com fibras multimodo. Já os lasers semicondutores possuem características adequadas às aplicações com fibras monomodo. Além disso, os lasers são capazer de emitir feixes de luz com comprimento de onda preciso, largura de espectro limitada e potência suficiente.
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O custo dos lasers em relação aos LEDs é maior, mas é amplamente empregado em enlaces DWDM, já que atendem a maior parte das exigências dessa tecnologia, que exige ainda o controle da mudança da freqüência no tempo. No entanto, os lasers não satisfazem esse requisito, que pode ser afetado pelo meio utilizado para a modulação do sinal. Os lasers semicondutores mais usados são os lasers Fabry-Perot e os lasers DFB (Distribuited FeedBack). Os lasers DFB são os mais adequados às aplicações DWDM, já que emite feixes de luz bem semelhante à luz monocromática e permite altas velocidades de transmissão, além de possuir uma relação sinal-ruído favorável e apresentar maior linearidade. Esses lasers podem operar em torno de 1310 nm e na faixa de 1520 nm a 1565 nm, que apresenta compatibilidade com os amplificadores EDFAs. |
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Figura
9 - Laser DFB Anritsu para Sistemas DWDM
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Detectores de luz
Num sistema de transmissão de dados por fibra óptica, o receptor consiste em um fotodiodo ou fotodetector, que é um dispositivo que emite um pulso elétrico ao ser atingido pela luz. Normalmente, o tempo de resposta de um fotodiodo corresponde a 1 ns, fator que limita as taxas de transmissão em 1 Gb/s. Outro fator importante é o ruído térmico. Para ser detectado, um pulso de luz precisa conduzir energia suficiente. Se o sinal transmitido possuir potência suficiente, a taxa de erros pode se tornar pequena o bastante, de forma que não afete a transmissão.
No caso de sistemas DWDM, é preciso que os sinais transmitidos sejam recuperados em diferentes comprimentos de ondas sobre a fibra. Assim, os sinais ópticos são separados (demultiplexados) antes de chegar no detector. Os fotodetectores mais usados são o PIN (Positive-Intrinsic-Negative) e o APD (Avalanche PhotoDiode). Os fotodiodos PIN apresentam certas vantagens, tais como baixo custo e confiabilidade, enquanto os APDs demonstram maiores sensibilidade e precisão e alto custo.
Os sistemas DWDM necessitam de equipamentos capazes de combinar sinais que provêm de várias fontes emissoras, para que sejam transmitidos por uma única fibra. Assim, os multiplexadores convergem sinais de diversos comprimentos de onda em um único feixe. Nos receptores, temos equipamentos demultiplexadores, que possuem a função de separar o feixe recebido em suas várias componentes de comprimento de onda. A estrutura dos multiplexadores e demultiplexadores é basicamente a mesma, mas em um enlace DWDM, são colocados em direções opostas.
Esses equipamentos podem ser classificados como passivos ou ativos. Se forem passivos, são baseados na utilização de prismas, difração ou filtros. Se forem ativos, se baseam na combinação de dispositivos passivos com filtros sintonizados. Nestes dispositivos, é necessário minimizar a interferência entre canais e maximizar a separação entre eles.
Existe um tipo especial de multiplexador denominado add/drop-multiplexer. Este dispositivo, além de realizar a função de um multiplexador comum, permite a remoção de um sinal e a inserção de um novo sinal, de mesmo comprimento de onda, em um enlace de transmissão. Todos os outros comprimentos de onda passam através do multiplexador add/drop com uma pequena perda de potência (geralmente alguns dB). Isso facilita a evolução de links ópticos DWDM ponto-a-ponto, pois nem todos os canais da transmissão possuem a mesma origem e o mesmo destino.
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Figura
10 - Optical Add/Drop Multiplexer
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Técnicas de multiplexação e demultiplexação
Uma maneira simples de multiplexação ou demultiplexação da luz poderia ser realizada utilizando-se um prisma. Como o feixe de luz policromática incide paralelamente na superfície do prisma, durante a demultiplexação, cada comprimento de onda é refratado diferentemente. Assim, cada comprimento de onda é separado um do outro por um ângulo. Então, uma lente irá focalizar cada feixe, de maneira que entrem adequadamente na fibra. Essa mesma técnica pode ser feita para realizar a multiplexação de diferentes comprimentos de onda dentro de uma única fibra.
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| Figura 11 - Multiplexação através de um Prisma |
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Figura
12 - Demultiplexação através de um Prisma
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Uma outra técnica tem base nos princípios de difração e interferência óptica. Ao incidir numa grade de refração, cada comprimento de onda que compõe o feixe de luz policromática é difratado em diferentes ângulos e, assim, para pontos diferentes no espaço. Para focalizar este feixes dentro de uma fibra, pode-se usar lentes.
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| Figura 13 - Multiplexação através de Grades de Difração |
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| Figura 14 - Demultiplexação através de Grades de Difração |
As grades de guias de ondas (AWGs - Arrayed WaveGuide) são dispositivos que também se baseam nos princípios da difração. O AWG, também é conhecido como roteador óptico de guia de onda e consiste de uma matriz de canais curvados com uma diferença fixa no caminho entre canais adjacentes. Os AWGs são conectados àos terminais de entrada e saída. Ao incidir no terminal de entrada, a luz é difratada e entra na matriz de guia de ondas. Nessa matriz a diferença de comprimento óptico de cada guia de onda produz uma diferença de fase no terminal de saída, quando acoplado uma matriz de fibras. Isso resulta em diferentes comprimentos de onda possuindo máximos de interferência em diferentes lugares, que correspondem às portas de saídas.
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| Figura 15 - Demultiplexação através da AWG |
Tem-se ainda uma técnica que utiliza filtros de interferência em dispositivos denominados filtros de filmes finos ou filtros de interferência de múltiplas camadas. Essa técnica consiste em inserir filmes finos no caminho óptico, de forma que os comprimentos de onda da luz policromática possam ser separados. Cada filme colocado no caminho da luz deve transmitir um comprimento de onda e refletir todos os outros. Colocando estes dispositivos em cascata, muitos comprimentos de onda podem ser demultiplexados.
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| Figura 16 - Concepção dos Filtros de Filmes Finos |
Em sistemas de transmissão de dados por fibras ópticas a longas distâncias, o sinal transmitido precisa ser amplificado após percorrer uma certa extensão da fibra. Pode-se utilizar um repetidor elétrico como amplificador. O repetidor irá converter o sinal ótico em sinal elétrico através de um fotodiodo e irá amplificá-lo, reconvertendo-o em sinal óptico.
No caso de sistemas DWDM, que se trata de um sistema multi-canal, temos que cada canal requer, separadamente, uma conversão opto-elétrica, seguida da amplificação e reconversão elétrica-ótica. Desta forma, para um sistema de n canais, serão necessários n repetidores. Assim, é mais conveniente usar amplificadores óticos.
Os amplificadores óticos são dispositivos que têm a finalidade de amplificar um sinal fraco e distorcido, objetivando a regeneração desse sinal. Esse equipamento realiza a amplificação no domínio ótico, ou seja, sem realizar a conversão do sinal óptico em pulsos elétricos. Como os amplificadores óticos operam apenas na faixa de banda específica do espectro de freqüência, a faixa de freqüência para sistemas DWDM são muito dependentes desses amplificadores. A amplificação ótica não depende da taxa de transmissão de dados.
O amplificador óptico mais conhecido é o EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). O érbio é um elemento que emite luz quando excitado. Esse amplificador, recebe um sinal fraco e uma luz de comprimento de onda de 980 nm ou 1480 nm é injetada por um laser. Isso estimula os átomos do érbio a liberar a energia armazenada como luz de 1550 nm. Este processo é contínuo através da fibra e, por isso, o sinal aumenta fortemente. No entanto, as emissões espontâneas no EDFA também adicionam ruído ao sinal transmitido.
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Figura
17 - EDFA
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