Praticamente todo hardware ativo utilizado em sistemas de transmissão ópticos contém algum tipo de transmissor e/ou um receptor óptico. Os transmissores e receptores ópticos são responsáveis por converter sinais elétricos em ópticos (no caso do transmissor) ou os sinais ópticos novamente para sinais elétricos (no caso do receptor). Os transmissores e receptores ópticos também são chamados de “transdutores” porque convertem um tipo de energia em outro.
É muito comum utilizarmos no projeto de redes ópticas equipamentos conhecidos como “transceivers”, que combinam as funções de transmissor e receptor óptico em um único dispositivo. Na Figura 1, é apresentado o exemplo de um sistema óptico típico, utilizando transmissor e receptor.
Figura 1 – Sistema óptico típico
- Transmissores Ópticos
Como mencionado, os transmissores ópticos são os componentes das redes ópticas responsáveis pela transformação do sinal elétrico em óptico. Um equipamento ativo da rede envia uma mensagem codificada através de um pulso elétrico até um circuito dotado de um transmissor óptico que converte esse sinal elétrico em pulso luminoso. Este pulso percorre a fibra até atingir seu destino onde encontra um outro equipamento dotado de um receptor, que recebe o sinal luminoso e o converte novamente em pulso elétrico para que o outro equipamento de rede possa interpretar corretamente a informação enviada. Portanto, os transmissores ópticos são os responsáveis por converter adequadamente os sinais elétricos em sinais de luz que irão trafegar na rede óptica.
Transmissores ópticos convencionais modulam a fonte óptica pela sua intensidade, através da variação da corrente elétrica injetada no gerador óptico. No início do desenvolvimento das redes ópticas, foram usados como fonte de luz dispositivos emissores de luz conhecidos como LED (Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz), operando com comprimentos de onda na faixa de 850nm. Posteriormente, com o advento dos dispositivos de LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), foram utilizados os comprimentos de onda de 1310nm e 1550nm. Na Figura 2, temos exemplos de LED e LASER.
Figura 2 – Exemplos de LED e LASER
Comumente, um transmissor óptico pode conter uma das seguintes fontes de luz:
- Diodo Emissor de Luz (LED);
- LASER de curto comprimento de onda (CD);
- LASER de Superfície de Cavidade Vertical (VCSEL);
- Diodo LASER (LD).
Cada uma dessas fontes oferece vantagens e desvantagens, diferenciando-se entre si sob diversos aspectos. Em decorrência das diferenças estruturais entre um LED e LASER, estes também possuem diferenças funcionais que devem ser analisadas ao se optar pela aplicação de um dos componentes como transmissor em um sistema óptico.
As diferenças podem ser resumidas na Tabela 1, pela comparação do desempenho de ambos em relação a algumas características:
Tabela 1 – Comparativo entre LASER e LED
| Características | LASER | LED |
| Potência Óptica | Alta | Baixa |
| Custo | Alto | Baixo |
| Utilização | Complexa | Simples |
| Largura de Espectro | Estreita | Larga |
| Tempo de Vida útil | Menor | Maior |
| Velocidade de Resposta | Rápido | Lento |
| Divergência na Emissão | Menor | Maior |
| Acoplamento | Melhor | Pior |
| Sensibilidade térmica | Maior | Menor |
Através das características de ambos os elementos, vemos que o LASER é o dispositivo que nos fornece uma maior potência luminosa e uma menor largura espectral, razão pela qual é amplamente empregado nos circuitos ópticos que necessitam de maior precisão e alcance.
Em relação às características mais comuns dos pulsos de luz emitidos pelo transmissor, que irão influenciar na seleção do tipo de fibra usado na rede óptica, estão o comprimento de onda central, a potência média, a largura espectral e a frequência de modulação:
- Comprimento de onda central: Qualquer fonte de luz emite seu próprio conjunto de cores e campo de variação de comprimentos de onda. Os transmissores para fibras ópticas de sílica normalmente emitem luz entre valores nominais de 850nm, 1300nm e 1550nm. Cada um desses valores é chamado de comprimento de onda central;
- Potência média: É o nível médio da saída de uma fonte de luz durante o processo de modulação, medida em decibéis relativos (dBm) ou em miliwatts (mW). Normalmente é especificada para um tamanho particular de fibra ou de abertura numérica (NA). Quanto mais potência um transmissor lança através do meio óptico, mais potência média estará disponível para possibilitar um maior alcance e vencer os obstáculos ao sinal óptico (emendas, conectores etc.). Por exemplo, um LASER padrão oferece maior potência óptica se comparado com o LED (LED: -7 dBm a -14 dBm e LASER: 1 dBm). Convém observar que, quando um transmissor é acoplado a uma fibra com um diâmetro de núcleo ou abertura numérica diferente do que a potência média especificada, um nível de potência diferente é lançado nessa fibra e, portanto, podemos ter perdas na transmissão;
- Largura espectral (ou largura de pulso): A potência total emitida por um transmissor é distribuída ao longo do campo de variação de comprimentos de onda em torno do comprimento de onda central. Esse campo é a largura espectral, medida em nm (nanômetros). O LASER tem largura espectral estreita, menor que o LED (considerada larga), o que proporciona menor dispersão material. A figura 3, mostra o perfil espectral entre o LASER e o LED;
Figura 3 – Comparação do perfil espectral entre laser e LED
A largura espectral é normalmente dada como a faixa de variação dos comprimentos de onda emitidos com um nível de intensidade maior ou igual à metade do nível de intensidade máxima ou largura espectral máxima à meia largura (Full Width Half Maximum – FWHM), como exemplifica a Figura 4.
Figura 4 – Largura de mostrando a máxima largura plena (FWHM)
- Frequência de Modulação: A frequência de modulação de um transmissor é a taxa de mudança de intensidade da transmissão no formato digital (“0” e “1” lógicos). Essa mudança é semelhante ao estado da fonte de luz passar do estado aceso para o apagado e vice-versa. Os LEDs têm uma frequência de modulação relativamente baixa, possibilitando taxas de transmissão seguras até 622 Mbps. Já os LASERS apresentam frequência de modulação mais alta, suportando taxas de transmissão acima de 10 Gbps;
Outros fatores que devem ser considerados na escolha mais adequada da fonte de luz são:
- Acoplamento com a fibra óptica: O feixe de luz emitido pelo LASER é mais concentrado que o emitido pelo LED, permitindo uma eficiência de acoplamento maior;
- Variações com temperatura: Os LASERS são mais sensíveis que os LEDs quanto à temperatura;
- Vida útil e degradação: o LED tem uma vida útil média maior que o LASER (aproximadamente 10 vezes mais), além de ter degradação bem definida;
- Custos: Os LASERS são mais caros que os LEDs, pois os custos de produção e a dificuldade de fabricação, além da eletrônica envolvida, são maiores;
- Ruídos: Os LASERS apresentam menor ruído que os LEDs, embora ambos sejam fabricados a partir do mesmo material, tudo de acordo com o comprimento de onda desejado.
- Receptores Ópticos
Os receptores ópticos (ou fotodetectores) são responsáveis pela conversão dos sinais ópticos recebidos da fibra novamente em sinais elétricos. Os fotodetectores devem operar com sucesso nos menores níveis de potência ópticas possíveis, convertendo o sinal com um mínimo de distorção e ruído, a fim de garantir o maior alcance possível.
Devido a essas características, os receptores possuem um projeto mais complexo do que o dos transmissores, uma vez que devem tomar decisões sobre quais tipos de dados foram enviados, baseados em uma versão amplificada de um sinal distorcido.
Os parâmetros característicos dos receptores ópticos são os seguintes:
- Sensibilidade – A sensibilidade é uma indicação do nível mínimo de potência que um sinal precisa apresentar para poder ser decodificado com um número limitado de erros. Se a potência do sinal fica abaixo da sensibilidade do receptor, a taxa de erros de bit (BER) aumenta para valores acima do especificado para aquele receptor, inviabilizando a comunicação.
- Taxa de erros de bit (Bit Error Rate – BER) – O BER é o número máximo de erros permitido que pode ocorrer entre o transmissor e o receptor, em relação à taxa de bits transmitidos;
- Campo de Variação Dinâmico – Define a máxima potência média recebida dentro do BER do detector. Se uma potência excessiva é recebida pelo detector, ocorre distorção do sinal e aumento de erros de bit.
Os dois principais tipos de fotodiodos utilizados como fotodetectores são os fotodiodos PIN (PIN Diode) e o fotodiodo APD (Avalanche Photo Diode), que possuem características funcionais distintas:
- PIN: O receptor fotossintético PIN tem a vantagem de se adaptar melhor às condições climáticas e ter uma vida útil maior, além de possuir um menor custo;
- APD: O receptor fotossintético APD fornece um material com melhor adaptação quanto ao ruído, porém com custo mais elevado.
A Figura 5, apresenta exemplos de fotodiodos PIN e APD.
Figura 5 – Fotodiodos PIN e APD
As diferenças funcionais entre fotodiodos PIN e APD devem ser observadas quando da escolha de um entre ambos para aplicação como fotorreceptor em um sistema óptico. Estas diferenças podem ser resumidas quando compararmos o desempenho de ambos sob alguns aspectos, como mostra a Tabela 2:
Tabela 2 – Comparação entre PIN e APD
| Características | PIN | APD |
| Sensibilidade | Menor | Maior |
| Linearidade | Maior | Menor |
| Relação Sinal/Ruído | Pior | Melhor |
| Custo | Baixo | Alto |
| Vida Útil | Maior | Menor |
| Tempo de Resposta | Maior | Menor |
| Sensibilidade Térmica | Menor | Maior |
| Utilização | Simples | Complexa |
Até o próximo artigo!
José Maurício – Sócio Diretor da Ratio Consultoria e Professor Universitário www.projetoderedes.com.br
