Atenuação
A atenuação é uma medida da perda de força de sinal ou de energia para iluminação que ocorre enquanto os pulsos de luz se propagam através de um fluxo de monomodo ou multimodo.
Normalmente, as medidas são definidas em termos de decibéis ou do dB/km. Geralmente, o desempenho e o custo aumentam à medida que o comprimento de onda aumenta. Fibras multimodo e monomodo usam tipos de fibra ou tamanhos diferentes. Por exemplo, a fibra monomodo usa 9/125mm e a de multimodo usa 62,5/125mm ou 50/125mm. As fibras de tamanhos diferentes possuem valores em dB/km de perda óptica diferentes.
A perda de fibra óptica depende muito do comprimento de onda operacional. Fibras na prática têm a menor perda na terceira janela (1.550nm) e maior perda na primeira janela (780/850nm).
Temos que destacar que o fenômeno de atenuação nas fibras ópticas, não ocorre apenas de acordo com o comprimento de onda da luz utilizada e da distância.
Essa atenuação na verdade é uma soma de várias perdas ligadas ao material que é empregado na fabricação das fibras e à estrutura do guia de onda, as emendas, etc. Esses fatores podem ser organizados de três formas:
- Absorção: A absorção material é um fator de atenuação que ocorre pela dissipação de parte da energia transmitida na fibra óptica em forma de calor. Neste tipo de absorção temos fatores extrínsecos e intrínsecos à própria fibra.
- Espalhamento: O Espalhamento ocorre quando a luz colide com imperfeições existentes no material, fazendo com que a luz seja espalhada em ângulos fora do cone de aceitação. Ela acaba sendo absorvida na casca, ou transmitida de volta à fonte emissora (retro espalhamento). Como há um desvio da parte da energia luminosa guiada pelos vários modos de propagação em várias direções, acaba ocorrendo a atenuação. Os espalhamentos mais comuns são:Rayleigh, Mie, Raman estimulado, Brillouin estimulado sendo o mais importante e significativo o espalhamento de Rayleigh. Esse espalhamento é devido à não homogeneidade microscópica de flutuações térmicas, flutuações de composição, variação de pressão, pequenas bolhas, variação no perfil de índice de refração, etc.
Deformações Mecânicas
As fibras ópticas sofrem perdas por irradiação nas curvas ao longo de seu caminho. Tais curvas são grandes em relação ao diâmetro da fibra, e podem ocorrer quando um cabo “dobra” um canto ou uma esquina. Depende fundamentalmente de como o
cabo óptico vai ser instalado no enlace óptico.
Elas ocorrem no lançamento da fibra óptica por micro curvatura e macro curvatura, as quais ocorrem devido ao esforço e tração sobre a mesma durante a confecção e instalação do cabo.
Macro curvaturas são perdas pontuais (localizadas) de luz por irradiação, ou seja, os modos de alta ordem (ângulo de incidência próximo ao ângulo crítico) não apresentam condições de reflexão interna total devido a curvaturas de raio finito da fibra óptica. Tipo de perda diretamente associada à acomodação física da fibra óptica ou de reservas técnicas que excedam o raio de curvatura permitido recomendado pelo fabricante. A macrocurvatura é o raio de curvatura na fibra na mesma grandeza que o diâmetro da fibra.
Essas perdas podem ocorrer nos seguintes casos:
- Empacotamento das fibras nos cabos.
- Manobra das fibras nas caixas de emenda e nos painéis de
distribuição. - Instalação e acomodação final do cabo.
- As microcurvaturas aparecem quando a fibra é submetida a pressão transversal de maneira a comprimi-la contra uma
superfície levemente rugosa. Essas microcurvaturas extraem parte da energia luminosa do núcleo devido aos modos de
alta ordem tornarem-se não guiados. - Trabalho mecânico. Não depende do comprimento de onda.
Observe que esse problema de macrocurvatura e microcurvatura só ocorre em fibra do tipo monomodo, pois a fibra multimodo não
depende do comprimento de onda.
Esse tipo de problema ocorre quando:
- Tensões mecânicas induzidas pelo revestimento durante
processo de construção (manufatura). - No empacotamento das fibras no cabo.
- Rugosidades e forças mecânicas na capa devido à expansão
e contração durante o ciclo de trabalho com a temperatura. - Devido aos processos de conectorização.
Insertion Loss (IL) perda de inserção (ou por inserção)
A perda de (ou por) inserção (insertion loss – IL) é a perda de potência óptica ocorrida em um sinal na inserção em um determinado componente óptico em um sistema de fibra óptica (como um conector, emenda mecânica, emenda por fusão, splitter, por exemplo), onde um menor número sempre é desejável.
A perda de inserção refere se sempre a uma perda de potência ocorrida entre uma entrada e saída de um determinado
dispositivo de acoplamento óptico.
Optical Return Loss (ORL)
Perda de retorno (ou por retorno) A perda de (ou por) retorno (optical return loss – ORL) é a perda de potência do sinal óptico resultante da reflexão do sinal (retornando pela fibra) causada por descontinuidade(s) em estruturas ópticas presentes na rede óptica, como por exemplo, um acoplamento entre conectores ópticos, ou mesmo uma fusão.
Embora seja um valor positivo, também é expresso frequentemente como valor negativo, neste caso em que um valor mais baixo é preferido e medida em decibéis (dB).
Faces de contato entre fibras ópticas devem estar bem casadas, caso contrário teremos uma perda de retorno elevada. A perda de retorno embora seja um valor positivo, também é expressa frequentemente como valor negativo, neste caso em que um valor mais baixo é preferido. Esta atenuação deve ser a menor possível para evitar interferências, problemas de perda de sinal (principalmente em sistemas xWDM) e para evitar a redução da vida útil dos foto-transmissores.
Em conectores (e emendas mecânicas) esse fator é mais elevado que em fusões ópticas. Em conectores ópticos podemos verificar que a variação dos polimentos se deve ao fato de buscar baixas refletâncias ao sinal presente no núcleo da fibra, objetivando diminuir os efeitos de perda por retorno, ou seja, que parte da reflexão que ocorrer pelo laser, “fuja” para casca, sendo um sinal “perdido” no processo de transmissão de informação.
Dentre os polimentos, o mais indicado para altas capacidades, potências e backbone é o APC, no qual perda de retorno é
sensivelmente menor. O conector APC é ideal para banda larga e aplicações de longo alcance e transmissões de vídeo analógicas.
O ângulo de inclinação em 8 graus garante que a o retorno que porventura ocorrer seja direcionado para o revestimento de fibra, onde não pode interferir com o sinal transmitido ou causar danos na fonte do laser.
Orçamento de Potência
Já vimos os principais elementos ativos e passivos de um sistema óptico. E, como em redes PON devemos garantir que o sinal que atingirá o destino esteja no nível adequado, devemos estimar o quanto de potência cada conjunto de elementos passivos do sistema irá contribuir para reduzir o nível de potência, ou seja, irá atenuar.
E, como já vimos, atenuação corresponde a uma perda gradual de intensidade de qualquer tipo de fluxo de sinal através de um
meio de propagação. Por exemplo, a luz solar é atenuada por lentes solares, os raios-X são atenuados por chumbo, a luz é atenuada pela água, vidro, ar, etc. No nosso caso, em redes ópticas é toda atenuação ocorrida em que houver redução de sinal de luz.
Fibras ópticas apresentam atenuação progressiva, conforme a extensão da fibra. Outras atenuações dependem de fatores como: comprimento de onda envolvido – λ (ou frequência óptica), curvaturas indevidas (micro e macro curvaturas), a tecnologia construtiva empregada na fibra e impurezas. Além da quantidade e qualidade dos conectores, das fusões, divisões e perda em splitteres e outros elementos passivos.
Assim, devemos estimarmos, a partir da sensibilidade mínima (e máxima – overload) do receptor, quais serão os limites de perda de potência (atenuação) de todos os elementos da rede passiva, para que o projeto contemple o funcionamento correto
do sistema (níveis máximos e mínimos permitidos), em função da potência enviada na origem.
Orçamento de link ou orçamento de potência (Link Power Budget) é o resultado da diferença entre a potência
introduzida na fibra e a sensibilidade do receptor ligado ao cabo de fibra óptica.
Orçamento de perdas do link (Link Loss Budget) é o valor total das perdas de qualquer componente passivo da ligação
presente na estrutura óptica (ODN – Optical Distribuction Network). O Link Loss Budget deve ser sempre inferior ao Link
Power Budget.
O Link Power Budget será uma soma do Link Loss Budget com uma margem de segurança, para futuros requisitos e também considerando o envelhecimento do sistema de fibra óptica.
A potência mínima de transmissão é, como o próprio nome indica, o valor mínimo que é considerado como o pior caso possível em termos de desempenho, e será determinada pela classe de potência do emissor óptico, conforme o fabricante.
A sensibilidade mínima do receptor também é importante, pois é a quantidade de luz necessária para o equipamento
funcionar corretamente.
Seria de se acreditar que módulos transceiveres de maior potência e sensibilidade sempre seriam a melhor escolha, mas
invariavelmente são mais caros. É necessário que saibamos as potências e sensibilidade dos equipamentos envolvidos, ou
seja, as potências de transmissão da OLT e da ONU e suas respectivas sensibilidades.
O valor do orçamento de potência (o que se pode gastar) deve ser maior que a soma de todas as perdas (atenuações) do
enlace: conectores + emendas + fibra + splitteres e outros adicionada uma margem de segurança.
Potência TX–Somatório Todas Atenuações = Sinal RX
Somatório Todas Atenuações < Orçamento de Potência
É importante entender as definições abaixo para cálculo do orçamento de potência.
- Potência: corresponde ao nível de sinal óptico gerado no
módulo emissor laser de cada equipamento. Pode ser medida
em mW (miliwatts), normalmente é indicada em dBm. - Sensibilidade: valor mínimo de sinal óptico que o receptor é
capaz de identificar os dados recebidos sem falhas. - Overload: corresponde ao maior nível de potência óptica que
o dispositivo pode receber ou detectar sem falhas.
A partir dos exemplos abaixo poderemos calcular dois orçamentos de Lotência, um deles para determinar o pior caso, onde a potência de transmissão empregada será a mais baixa do módulo e os cálculos dos valores envolvidos nas perdas serão os limites extremos, determinados por norma.
Com o cálculo dos valores máximos podemos estimar o limite extremo do conjunto, e com o cálculo dos valores típicos podemos estimar os valores típicos (usuais) encontrados no conjunto, muito úteis para leitura prática.
Ainda existem dois cálculos em cada caso, o orçamento de potência de upstream e o de downstream. O pior caso envolvido é o de upstream onde a atenuação do comprimento de onda envolvido é maior e a potência da ONU e a sensibilidade da OLT, podem resultar em valores de orçamento menores.
Para determinação das condições deve-se envolver todos os elementos que provocam atenuação e a ONU em condição de maior distância.
- Alcance Físico: depende das características ópticas da rede, como atenuação da fibra, splitter, emendas e conectorizações, potência de saída do transmissor e sensibilidade dos receptores. Máximo 20Km ou 60Km (para o caso do GPON) em PON
Extended (Alcance Diferencial). Leva em consideração o orçamento de potência. - Alcance Lógico: relacionado aos protocolos de comunicação entre a OLT e a ONU, onde existe limite de tempo máximo de recepção de mensagens. A diferença entre a máxima e a mínima distância não deve superar 20 Km, para que o protocolo de ranging funcione adequadamente.
No orçamento de potência do projeto é importante:
- Utilizar as perdas na fibra para o comprimento de onda de 1310nm, no sentido uptream, que representa o pior caso, onde
a atenuação ocorrida na fibra óptica é maior nessa situação; - Tratar o cálculo do enlace como se fosse uma estrutura ponto a ponto (P2P). Para facilitar seu trabalho e evitar erros, procure usar uma ferramenta de cálculo (planilha);
- Garanta que está considerando no cálculo todas as perdas existentes.
Veja na tabela abaixo um cálculo realizado para downstream entre OLTs e ONUs das classes B+, C+ e D, conhecido
popularmente como C++.
Caso use OLTs com módulos de classe inferior ao da ONU (por exemplo OLT classe B+ e ONU classe C+) para o orçamento de
potência, não fará diferença o uso de ONUs superiores, assim, comprar ONUs de classe superior apenas será desperdício financeiro. Avaliar preço – necessidade x justificativa.
Perdas na Fibra Óptica
A fibra ITU-T G.652D, muito comum em redes PON, habilita uso de sistemas CDWM. Que não são possíveis com as fibras
G.652.A ou G.652.B. A atenuação máxima por norma é:
- 0,4 dB/km – de 1310nm a 1625nm
- 0,3 dB/km – para 1550nm
Temos os valores típicos aproximados:
- 0,20 dB/km em 1550nm
- 0,22 dB/km em 1490nm
- 0,35 dB/km em 1310nm
Obs: Verificar no datasheet do fabricante do cabo óptico o
comprimento de onda mais baixo, esse será o de maior perda.
Perdas nas Conexões
Uma conexão é definida pelo acoplamento óptico entre dois conectores similares usando um daptador. As perdas em
conexões, de acordo com a norma ANSI/TIA 568 devem ter um valor máximo de 0,75 dB (0,375 cada conector).
Perdas por Emendas
O método usual para realizar emendas em fibras ópticas é por fusão. De acordo com a Norma ANSI EIA/TIA 568B.3 a perda
máxima permitida é de 0.3dB, tanto para emendas mecânicas quanto fusão. Mas de modo prático é possível considerar:
- Conectorização: perda típica de 0,1 dB;
- Fusão: perda típica aceitável de 0,05 dB.